專利名稱：基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備與定位跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電磁跟蹤起源于上世紀(jì)70年代，1975年J. Kuipers和1977年F. H. Raab等最早提出了基于三軸正交磁場的電磁跟蹤方法，用于頭盔瞄準(zhǔn)器等領(lǐng)域。近十年來，這種方法被引入手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域。為了提高電磁跟蹤的性能，將這項(xiàng)技術(shù)更快更好地應(yīng)用于臨床，國內(nèi)外研究者們陸續(xù)提出了許多種電磁跟蹤方法。但是，現(xiàn)有的電磁跟蹤方法大都是假定磁場分布符合某種磁場模型(如無限遠(yuǎn)偶極子模型)，根據(jù)模型估算出的磁場分布和實(shí)測磁場強(qiáng)度的關(guān)系，迭代地解出待測物體的空間位置和空間姿態(tài)。由于磁場的真實(shí)分布和模型估算具有差異性，因而這種方法不可避免地引入了誤差，雖然可以通過后續(xù)的標(biāo)定校準(zhǔn)進(jìn)行一定的修正，但無法從根本上解決問題。此外，迭代的方法也具有計(jì)算復(fù)雜度高、易發(fā)散、存在局部極值點(diǎn)等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場磁定位跟蹤系統(tǒng)，以滿足臨床手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的需要。本發(fā)明提供的定位跟蹤系統(tǒng)，是以微處理器為核心，并通過其對磁棒旋轉(zhuǎn)裝置、磁棒驅(qū)動(dòng)電路的控制，傳感器數(shù)據(jù)采集/處理、搜索策略和定位/跟蹤算法的運(yùn)行以及定位/ 跟蹤結(jié)果的顯示，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)定位/跟蹤功能。具體說來，本發(fā)明提供的定位跟蹤系統(tǒng)，包括兩個(gè)磁棒、磁棒激勵(lì)電路、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、磁阻傳感器、信號調(diào)理電路、控制處理單元等。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。其中
磁棒由鐵氧體磁芯和繞其上的電磁線圈組成；
磁棒激勵(lì)電路用于產(chǎn)生脈沖直流磁場；兩個(gè)磁棒的電磁線圈由直流脈沖信號交替激勵(lì)；直流脈沖信號的頻率可根據(jù)系統(tǒng)跟蹤速度的要求確定；在每個(gè)激勵(lì)脈沖發(fā)放前存在兩組線圈都不被激勵(lì)的激勵(lì)間歇，用于檢測環(huán)境磁場強(qiáng)度；
轉(zhuǎn)動(dòng)裝置有2組，每組由一個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成，2組轉(zhuǎn)動(dòng)裝置分別控制兩個(gè)磁棒各自在水平和垂直方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空間任意位置指向；
磁阻傳感器采用三軸磁傳感器，用于檢測空間三個(gè)正交方向的磁場，并將檢測到的磁場信號送入信號調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路；磁阻傳感器在磁棒激勵(lì)期間檢測到的磁場強(qiáng)度減去環(huán)境磁場強(qiáng)度，就是磁棒激勵(lì)磁場強(qiáng)度；
信號調(diào)理電路由與三軸磁傳感器的三組輸出和一個(gè)參考端相連的低通濾波器和陷波器(如為50Hz)，以及與陷波器的輸出相連的信號放大電路組成；
ADC采樣電路用于對經(jīng)信號調(diào)理電路處理的信號進(jìn)行采樣，并將采樣信號送入控制處理單元；控制處理單元采用微處理器，用于對旋轉(zhuǎn)裝置和磁棒激勵(lì)電路的控制，并對磁阻傳感器的信號進(jìn)行采樣分析；包括:ADC采樣；數(shù)字濾波；根據(jù)計(jì)算出的總磁場強(qiáng)度，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和角度；計(jì)算磁傳感器的空間位置和姿態(tài)；
控制處理單元的具體配置要求為4個(gè)ADC采樣通道，用于采樣磁阻傳感器的χ、y、ζ 三軸和參考電壓vref的值；10個(gè)GPIO 口，其中4個(gè)GPIO用于控制第一組步進(jìn)電機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，4個(gè)GPIO用于控制第二組步進(jìn)電機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，2個(gè)GPIO用于控制磁棒激勵(lì)電路的控制；由于電流較大，所以采用固體繼電器的方式進(jìn)行控制。由于 GPIO管腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以需要外加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，如晶體管組成的驅(qū)動(dòng)電路等。控制處理單元對所采樣的磁阻傳感器信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并根據(jù)處理結(jié)果控制旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及角度，同時(shí)在顯示器上顯示定位/跟蹤結(jié)果。同時(shí)也可以與電腦主機(jī)通信，將信息傳送導(dǎo)電腦主機(jī)或者讀取電腦主機(jī)的命令。本系統(tǒng)中，根據(jù)磁棒在指向磁傳感器時(shí)，磁傳感器可檢測到最強(qiáng)磁場，且此時(shí)磁場方向是沿著磁棒中心軸線的原理，采用兩只可在空間旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)任意指向的磁棒和一只三軸磁場傳感器，動(dòng)態(tài)地搜索傳感器的位置，進(jìn)而計(jì)算傳感器的空間姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)三維六自由度的跟蹤。這種跟蹤方法的優(yōu)勢一方面在于不依賴磁場模型，不需要對其磁場分布進(jìn)行標(biāo)定； 另一方面在于采用非迭代的純幾何算法，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)跟蹤。


圖1為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架。圖2為信號調(diào)理電路原理圖。圖3為微控制器的編程流程圖。圖4為ADC采樣策略。圖5為兩路PWM波波形時(shí)序。圖6為系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖。圖7為實(shí)際測量中擬合的圖形。其中，上圖為直接測量得到的磁場強(qiáng)度的分布圖， 下圖為經(jīng)過信號處理之后的磁場強(qiáng)度分布圖。圖中標(biāo)號10為磁棒，20為磁阻傳感器，30為信號調(diào)理電路，40為ADC采樣電路， 50為控制處理單元，60為主機(jī)；31為低通濾波器，32為陷波器，33為放大器。
具體實(shí)施例方式本具體實(shí)施例中，系統(tǒng)包括兩個(gè)磁棒、磁棒激勵(lì)電路、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、磁阻傳感器、信號調(diào)理電路、控制處理單元等。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。控制處理單元采用TI公司的cortex M3微處理器，磁阻傳感器采用Honeywell公司的三軸磁傳感器。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，兩個(gè)磁棒10被交替激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)方式是利用微處理器的GPIO管腳配置為PWM輸出端，這兩個(gè)PWM波正交，其波形時(shí)序圖如圖5所示，這樣相當(dāng)于交替產(chǎn)生兩個(gè)磁場。通過磁阻傳感器20，將檢測到的分別與兩磁棒磁場對應(yīng)的磁場強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的直流電壓信號，并進(jìn)行初步的放大處理，將信號輸送給ADC采樣單元。通過外加的信號調(diào)理電路30，對信號進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。具體的實(shí)現(xiàn)方式是將信號分別經(jīng)過低通濾波器31和50Hz的陷波器32，低通濾波器31的截止頻率根據(jù)磁場變化的頻率而確定，然后將信號進(jìn)入放大器33進(jìn)行放大處理，以方便與后面的ADC采樣40匹配。信號由ADC采樣模塊40進(jìn)行采樣、量化和編碼。由于信道里面有一定的噪聲，所以ADC采樣可使用特殊的方式，具體采樣策略流程圖如圖4所示。啟動(dòng)采樣后，每個(gè)通道每次采樣的數(shù)據(jù)為100個(gè)，對各個(gè)通道的數(shù)據(jù)做加法，然后對參考電壓求差值，最終求得平均數(shù)，以減少舍入誤差帶來的影響。最后減去環(huán)境磁場干擾。由ADC采樣模塊40處理的數(shù)據(jù)進(jìn)入控制處理單元50，進(jìn)行運(yùn)算。具體的算法流程如圖3所示。其步驟為首先測量一組靜態(tài)環(huán)境磁噪聲數(shù)據(jù)(步驟P102)，和一組磁棒初始位置的數(shù)據(jù)(步驟P102);然后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(步驟P103)，帶動(dòng)磁棒相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，步長根據(jù)實(shí)際情況而定(步驟P104)，采集磁傳感器數(shù)據(jù)(步驟P105);與前一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(步驟 P106)，如果比前一個(gè)數(shù)據(jù)小，說明此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，直到找到磁場的最大值(步驟P107)，然后切換步進(jìn)電機(jī)(步驟P108)，……以此類推，直到四個(gè)步進(jìn)電機(jī)均找到最佳的位置(步驟P108)。此時(shí)通過讀取四個(gè)步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的步長的個(gè)數(shù)，可以計(jì)算出它們分別轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和磁傳感器的位置(步驟P109)，其算式如下夾角 ( A)和分別為兩磁棒(第一磁棒和第二磁棒)水平垂直旋轉(zhuǎn)角度，表征兩磁棒當(dāng)前指向，J為兩磁棒中心間距，如圖6所示，則磁傳感器的空間坐標(biāo)(χ，y，ζ)為
權(quán)利要求
1.一種基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于包括兩個(gè)磁棒、 磁棒激勵(lì)電路、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、磁阻傳感器、信號調(diào)理電路、ADC采樣電路和控制處理單元；其中所述磁棒由鐵氧體磁芯和繞其上的電磁線圈組成；所述磁棒激勵(lì)電路用于產(chǎn)生脈沖直流磁場；兩個(gè)磁棒的電磁線圈由直流脈沖信號交替激勵(lì)；直流脈沖信號的頻率可根據(jù)系統(tǒng)跟蹤速度的要求確定；在每個(gè)激勵(lì)脈沖發(fā)放前存在兩組線圈都不被激勵(lì)的激勵(lì)間歇，用于檢測環(huán)境磁場強(qiáng)度；所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置有2組，每組由一個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成，2 組轉(zhuǎn)動(dòng)裝置分別控制兩個(gè)磁棒各自在水平和垂直方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空間任意位置指向；所述磁阻傳感器為三軸磁傳感器，用于檢測空間三個(gè)正交方向的磁場，并將檢測到的磁場信號送入信號調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路；磁阻傳感器在磁棒激勵(lì)期間檢測到的磁場強(qiáng)度減去環(huán)境磁場強(qiáng)度，就是磁棒激勵(lì)磁場強(qiáng)度；所述信號調(diào)理電路由與三軸磁傳感器的三組輸出和一個(gè)參考端相連的低通濾波器和陷波器，以及與陷波器的輸出相連的信號放大電路組成；所述ADC采樣電路用于對經(jīng)信號調(diào)理電路處理的信號進(jìn)行采樣，并將采樣信號送入控制處理單元；所述控制處理單元采用微處理器，用于對旋轉(zhuǎn)裝置和磁棒激勵(lì)電路進(jìn)行控制，并對磁阻傳感器的信號進(jìn)行采樣分析；其包括:ADC采樣、數(shù)字濾波、根據(jù)計(jì)算出的總磁場強(qiáng)度控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和角度、計(jì)算磁傳感器的空間位置和姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器的配置為4個(gè)ADC采樣通道，用于采樣磁阻傳感器的x、y、z三軸和參考電壓 vref的值；10個(gè)GPIO 口，其中4個(gè)GPIO用于控制第一組步進(jìn)電機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)， 4個(gè)GPIO用于控制第二組步進(jìn)電機(jī)的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，2個(gè)GPIO用于控制磁棒激勵(lì)電路的工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述ADC采樣電路的采樣策略為啟動(dòng)采樣后，每個(gè)通道每次采樣的數(shù)據(jù)為100個(gè)，對各個(gè)通道的數(shù)據(jù)做加法，然后對參考電壓求差值，最終求得平均數(shù)，最后減去環(huán)境磁場干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述控制處理單元進(jìn)行運(yùn)算和控制流程如下首先測量一組靜態(tài)環(huán)境磁噪聲數(shù)據(jù)和一組磁棒初始位置的數(shù)據(jù)；然后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)磁棒相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，步長根據(jù)實(shí)際情況而定；采集磁阻傳感器數(shù)據(jù)，并與前一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果比前一個(gè)數(shù)據(jù)小，說明此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，直到找到磁場的最大值，然后切換步進(jìn)電機(jī)；……以此類推， 直到四個(gè)步進(jìn)電機(jī)均找到最佳的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于所述控制處理單元計(jì)算磁阻傳感器的位置的算式如下假設(shè)夾角和分別為兩個(gè)磁棒水平垂直旋轉(zhuǎn)角度，表征兩磁棒當(dāng)前指向，i/為兩磁棒中心間距，則磁阻傳感器的空間坐標(biāo)(χ，y，ζ)為
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備與定位跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于微處理器的雙磁棒旋轉(zhuǎn)搜索定位跟蹤系統(tǒng)。該定位跟蹤系統(tǒng)包括兩個(gè)磁棒、磁棒激勵(lì)電路、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、磁阻傳感器、信號調(diào)理電路、控制處理單元等。本發(fā)明以微處理器為核心，通過對磁棒旋轉(zhuǎn)裝置、磁棒激勵(lì)電路的控制，對磁阻傳感器數(shù)據(jù)采集/處理、搜索策略和定位/跟蹤算法的運(yùn)行以及定位/跟蹤結(jié)果的顯示，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)三維六自由度的跟蹤定位。
文檔編號A61B5/06GK102274024SQ20111012375
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者丁寧, 方祖祥, 王一楓, 葛鑫, 鄔小玫 申請人:復(fù)旦大學(xué)