CN109730770B - 减小磁场接收单元体积、测量磁场变化率的方法、磁场接收单元、电磁跟踪系统及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减小磁场接收单元体积的方法，通过设置两根铁芯，其中一根铁芯具有与另一根铁芯平行的部分和与自身垂直的凸台；其中一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率，另一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率与沿着凸台方向的磁场变化率之和；所述凸台的长度远小于两根铁芯相互平行部分的长度。上述方法能有效地缩小磁场接收单元的体积尺寸。本发明还提供了测量磁场变化率的方法、磁场接收单元、电磁跟踪系统及用途。
Description
技术领域
本发明涉及电磁跟踪领域。
背景技术
电磁跟踪系统是一种利用磁场或磁电场对物体的位置和方向进行检测的技术，主要应用于微创手术、虚拟现实、逆向工程等技术领域，相比其它跟踪方法，电磁跟踪具有无辐射、无视线障碍、三维六自由度定位、易操作、低成本等优点。
电磁跟踪系统一般由磁场发射源、磁场接收单元和数据处理单元三部分组成。其中，磁场发射源位于固定参考系的某几个位置，产生某种稳定的交变磁场；磁场接收单元则附着在待检测的物体上，根据其在交变磁场中位置和方向的变化，输出不同的电信号，供数据处理单元进行数据分析，得到待测物体的位置和方向。
现有电磁跟踪系统中的磁场接收单元，一般都是由三个两两正交的线圈组成。通过三个两两正交的线圈，可对x、y、z三轴方向上的磁通量变化进行检测，从而输出相应的电信号供数据处理单元进行位置、角度的计算，完成电磁跟踪。然而，在微创手术等领域上，需要被跟踪的待测物体往往需要进入人体内部，故这类领域不仅要求电磁跟踪系统具备较高的定位精度，还要求系统的磁场接收单元具有较小的体积，以便附着在待测物体上进入人体内部，完成各种微创手术。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提出一种减小磁场接收单元体积的方法，有效地缩小磁场接收单元的体积尺寸。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种减小磁场接收单元体积的方法，通过设置两根铁芯，其中一根铁芯具有与另一根铁芯平行的部分和与自身垂直的凸台；
其中一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率，另一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率与沿着凸台方向的磁场变化率之和；
所述凸台的长度远小于两根铁芯相互平行部分的长度。
本发明还提供了一种测量磁场变化率的方法，包括如下步骤：
1)使用第一铁芯测量x轴方向上的磁场变化率；
2)使用第二铁芯同时测量x轴和y轴或者x轴和z轴上的磁场变化率之和；
3)将第二铁芯测量的磁场变化率与第一铁芯测量的磁场变化率相减，得到y轴或z轴上的磁场变化率。
在一较佳实施例中：所述第一铁芯与x轴平行设置，所述第二铁芯包括与 x轴平行的部分以及与y轴或z轴平行的凸台。
在一较佳实施例中：所述第二铁芯与x轴平行部分的长度远大于凸台的长度。
本发明还提供了一种磁场接收单元，包括三根平行设置的铁芯；
所述三根铁芯中的两根，在沿着长度方向的一端端面上延伸形成与自身铁芯垂直的第一凸台、第二凸台：没有设置凸台的那一个铁芯与所述第一凸台和第二凸台分别与XYZ坐标系中的一个轴平行；
三个铁芯相互平行的部分在外侧壁缠绕有线圈。
在一较佳实施例中：所述没有设置凸台的那一个铁芯与X轴平行、第一凸台和Y轴平行、第二凸台与Z轴平行。
在一较佳实施例中：所述铁芯为圆柱形，第一凸台和第二凸台也为圆柱形铁芯。
在一较佳实施例中：所述铁芯的长度为a，直径为b；所述第一凸台、第二凸台的长度为c，直径为d；所述长度c和直径d远小于长度a。
本发明还提供了一种电磁跟踪系统，其特征在于使用了如上所述的磁场接收单元。
本发明还提供了一种将上述的电磁跟踪系统用于微创手术的用途。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明专利提供了减小磁场接收单元体积的方法，和使用上述方法的磁场接收单元，通过将原先的圆柱形铁芯转变为L形铁芯，可在圆柱形铁芯仅接收 x轴磁场强度的基础上，引入y或z轴的磁场强度。将该磁场强度减去另一根圆柱形铁芯所检测得到的x轴磁场强度，便可得到y或z轴的磁场强度。由此，三个平行放置的铁芯可检测到x、y、z三轴的磁场强度变化情况，从而确定待测物体的位置。现有磁场接收单元的三根圆柱形铁芯两两垂直，在x、y、z三轴上都具有长度，采用此方法可使磁场接收单元仅在某一轴方向上具有长度，可显著缩小磁场接收单元的体积。此装置可有效降低普通磁场接收单元的体积，使其在微创手术等领域中得到更好的应用。
附图说明
图1为现有技术中磁场接收单元的线圈摆放位置示意图；
图2为本发明优选实施例中磁场接收单元的立体图；
图3位本发明优选实施例中磁场接收单元的剖面图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步说明。
在电磁跟踪系统中，磁场发射源会在某一空间内产生互相垂直的交变磁场，使得这一空间内任意位置的磁场强度变化率均不同。磁场强度可由任意三个互相垂直的磁场强度分量所组成，故可通过分别测量这三个互相垂直的磁场强度变化率，推算出待测物体的坐标位置。
即磁场接收单元的任务是，测量得到待测物体在三个互相垂直方向上的磁场强度变化情况，将这三个分量供给数据处理单元，便可分析得到待测物体的位置和方向。
磁场接收单元是依靠感应线圈来测量感应电动势的，其公式为：
其中，e为感应电动势，即输出电信号；N为线圈匝数；φ为通过线圈的磁通量；t为时间。
在稳定的交变磁场中，线圈的匝数、有效截面积固定，故可通过测量感应电动势e的大小来得到磁场随时间的变化率
进而求解待测物体的坐标。
传统的磁场接收单元，由三个两两垂直的线圈组成，如图1所示。线圈内部添加铁芯以扩大线圈接收到的磁场强度，增强测量到的磁场信号。三个线圈分别测量x、y、z轴的磁场变化情况，不同的磁场强度变化会使线圈产生不同的电动势，故通过测量三个线圈的电动势可得到待测物体在x、y、z三轴方向上的磁场变化情况，进而推算出 待测物体的坐标位置。设铁芯的长度为a，直径为b，一般a＞＞b，故这种磁场接收单元的体积尺寸为a3。
本实施例中，如图2和3所示，提供了一种磁场接收单元，包括三根平行设置的铁芯1、2、3；
所述三根铁芯中的两根1、2，在沿着长度方向的一端端面上延伸形成与自身铁芯垂直的第一凸台11、第二凸台21：没有设置凸台的那一个铁芯3与所述第一凸台11和第二凸台21分别与XYZ坐标系中的一个轴平行；所述铁芯1、 2、3为圆柱形，第一凸台11和第二凸台21也为圆柱形铁芯。
三个铁芯1、2、3相互平行的部分在外侧壁缠绕有线圈。
本实施例中，为了记叙方便，记铁芯3的轴向方向为x轴，第一凸台11 的方向为y轴，第二凸台21方向为z轴。
铁芯3可将x轴方向的磁力线集中从铁芯3中流通，即铁芯3上的线圈可收集待测物体在x轴方向上的磁场变化率
铁芯1，除了将x轴方向的磁力线集中从铁芯1中流通外，其第一凸台11还将y轴方向上的磁力线引入到铁芯中1，使得铁芯1上的线圈可收集待测物体在x轴和y轴方向上的磁场变化率
同理，铁芯2的第二凸台21可将z轴方向上的磁力线引入到铁芯 2中，使得铁芯2上的线圈可收集待测物体在x轴和z轴方向上的磁场变化率
通过测量三个线圈的感应电动势，可推算得到三个线圈所接收到的磁场随时间的变化率。再将铁芯1和2上线圈所测得的磁场变化率减去铁芯3上线圈所测得的磁场变化率，可得到待测物体在x、y、z三轴上的磁场变化率
进而求解出待测物体的坐标位置。
以上所述的是三维坐标系的情况，如果是二维坐标系，则只需去掉一个铁芯即可，属于本实施例的简单替换。不再赘述。
设所述铁芯的长度为a，直径为b；所述第一凸台、第二凸台的长度为c，直径为d；其中c、d与b的尺寸相近，均远小于a。那么，这种磁场接收单元的体积尺寸约为3ab2，与原先尺寸相比大大减小。即通过此方法降低了磁场接收单元的体积尺寸，可使具有这种磁场接收单元的电磁跟踪系统在微创手术中可以得到更广泛的应用。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。
Claims (8)
1.一种减小磁场接收单元体积的方法，其特征在于：通过设置两根铁芯，其中一根铁芯具有与另一根铁芯平行的部分和与自身垂直的凸台；
其中一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率，另一根铁芯测量沿着自身方向的磁场变化率与沿着凸台方向的磁场变化率之和；
所述凸台的长度远小于两根铁芯相互平行部分的长度。
2.一种测量磁场变化率的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)使用第一铁芯测量x轴方向上的磁场变化率；
2)使用第二铁芯同时测量x轴和y轴或者x轴和z轴上的磁场变化率之和；
3)将第二铁芯测量的磁场变化率与第一铁芯测量的磁场变化率相减，得到y轴或z轴上的磁场变化率；
所述第一铁芯与x轴平行设置，所述第二铁芯包括与x轴平行的部分以及与y轴或z轴平行的凸台。
3.根据权利要求2所述的一种测量磁场变化率的方法，其特征在于：所述第二铁芯与x轴平行部分的长度远大于凸台的长度。
4.一种磁场接收单元，其特征在于：包括三根平行设置的铁芯；
所述三根铁芯中的两根，在沿着长度方向的一端端面上延伸形成与自身铁芯垂直的第一凸台、第二凸台：没有设置凸台的那一个铁芯与所述第一凸台和第二凸台分别与XYZ坐标系中的一个轴平行；
三个铁芯相互平行的部分在外侧壁缠绕有线圈。
5.根据权利要求4所述的一种磁场接收单元，其特征在于：所述没有设置凸台的那一个铁芯与X轴平行、第一凸台和Y轴平行、第二凸台与Z轴平行。
6.根据权利要求4或5所述的一种磁场接收单元，其特征在于：所述铁芯为圆柱形，第一凸台和第二凸台也为圆柱形铁芯。
7.根据权利要求6所述的一种磁场接收单元，其特征在于：所述铁芯的长度为a，直径为b；所述第一凸台、第二凸台的长度为c，直径为d；所述长度c和直径d远小于长度a。
8.一种电磁跟踪系统，其特征在于使用了权利要求5或6或7所述的磁场接收单元。
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