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1、电磁跟踪技术电磁跟踪技术体内医疗技术之体内医疗技术之蔡成超（6151915007）目目 录录1 跟踪系统介绍2 电磁跟踪系统的构成 2.1系统发射源的激磁方式 2.2系统发射线圈及其传感器 2.3系统磁场接收单元的选型 位置跟踪技术主要用于捕捉标记点的坐标、方向、动位置跟踪技术主要用于捕捉标记点的坐标、方向、动作等，在作等，在虚拟现实、医疗手术导航、计算机视觉图像虚拟现实、医疗手术导航、计算机视觉图像等应用等应用领域都起到非常重要的作用。目前常用的位置跟踪技术主要领域都起到非常重要的作用。目前常用的位置跟踪技术主要有五大类：机械跟踪技术、光学跟踪技术、声学跟踪技术、有五大类：机械跟踪技术、光学
2、跟踪技术、声学跟踪技术、电磁跟踪技术和惯性位置跟踪技术。电磁跟踪技术和惯性位置跟踪技术。1 跟踪系统介绍 电磁跟踪是一种利用磁场信息获得物体位置和空间姿态电磁跟踪是一种利用磁场信息获得物体位置和空间姿态的方法，在生物医学、虚拟现实等应用中具有广泛而重要的的方法，在生物医学、虚拟现实等应用中具有广泛而重要的应用，特别是为应用，特别是为微创手术医疗器械微创手术医疗器械的实时导航提供了非常大的实时导航提供了非常大的便利与帮助，最大限度的避开危险区，减少手术的创伤和的便利与帮助，最大限度的避开危险区，减少手术的创伤和并发症。电磁跟踪技术具有并发症。电磁跟踪技术具有使用方便、精度高、不受视线阻使用方便、
3、精度高、不受视线阻挡挡等优点。等优点。1 跟踪系统介绍图图1.1 1.1 医疗手术导航医疗手术导航图图1.2 1.2 虚拟现实虚拟现实1 跟踪系统介绍2 电磁跟踪系统的构成 一般由一般由磁场发射源、磁场接收单元、数据采集计算单元磁场发射源、磁场接收单元、数据采集计算单元三部分组成。三部分组成。在基本单元一致的前提下，不同跟踪方法的主要在基本单元一致的前提下，不同跟踪方法的主要区别体现在：磁场发射源的激励方式以及发射线圈和接收器的区别体现在：磁场发射源的激励方式以及发射线圈和接收器的数量及配置方式。数量及配置方式。 系统系统采用三轴线圈作为发射源，向其中通入交流或直流脉采用三轴线圈作为发射源，向
4、其中通入交流或直流脉冲信号，线圈周围会感应出磁场。利用磁传感器探测空间位置冲信号，线圈周围会感应出磁场。利用磁传感器探测空间位置磁场变化，就能反映出传感器与磁场发射源的相对位置和方向磁场变化，就能反映出传感器与磁场发射源的相对位置和方向的变化。然后将采集信号根据磁场耦合关系计算处理就能得出的变化。然后将采集信号根据磁场耦合关系计算处理就能得出目标的目标的6 6个自由度。个自由度。2 电磁跟踪系统的构成2 电磁跟踪系统的构成图图2.1 2.1 系统结构框图系统结构框图2 电磁跟踪系统的构成2.1系统发射源的激磁方式 在磁场发射源的激励方式方面，主要有两种方式：交流磁场（在磁场发射源的激励方式方面
5、，主要有两种方式：交流磁场（ACAC方式）、直流脉冲磁场（方式）、直流脉冲磁场（DCDC方式）。直流脉冲磁场方式采用直流的激方式）。直流脉冲磁场方式采用直流的激励方式，发射源本身需要改变参数时，缺乏控制灵活性，且成本过高，励方式，发射源本身需要改变参数时，缺乏控制灵活性，且成本过高，故应用范围不及交流磁场方式广泛。现介绍故应用范围不及交流磁场方式广泛。现介绍交流脉冲磁场方式。交流脉冲磁场方式。2 电磁跟踪系统的构成2.1系统发射源的激磁方式 交流磁场方式采用感应线圈作为传感器，测量信号也是交流磁场方式采用感应线圈作为传感器，测量信号也是与发射信号同频率的交流信号，同时提取出交流信号的幅与发射信
6、号同频率的交流信号，同时提取出交流信号的幅值。当环境中存在金属物质时，交变磁场会在金属物质内值。当环境中存在金属物质时，交变磁场会在金属物质内激起涡流，进而干扰磁场源，影响测量精度。而当交变磁激起涡流，进而干扰磁场源，影响测量精度。而当交变磁场的频率越高时，涡流越大。场的频率越高时，涡流越大。 2 电磁跟踪系统的构成2.1系统发射源的激磁方式 因此，激励源不适合采用高频信号，一般激励源频率为因此，激励源不适合采用高频信号，一般激励源频率为 7k Hz20k Hz 时，能有效减弱涡流效应的干扰。虽然存在时，能有效减弱涡流效应的干扰。虽然存在涡流效应的干扰，但通过改善周围环境，能够将影响降低到涡流
7、效应的干扰，但通过改善周围环境，能够将影响降低到允许范围内，并且交流磁场源信号的参数改变灵活方便，故允许范围内，并且交流磁场源信号的参数改变灵活方便，故而交流磁场方法获得了广泛的应用。而交流磁场方法获得了广泛的应用。2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器 在磁场源和传感器的数量配置方面有多种方法。其中正交三轴在磁场源和传感器的数量配置方面有多种方法。其中正交三轴线圈法最典型。正交三轴线圈法采用正交的三轴线圈作为磁场源，线圈法最典型。正交三轴线圈法采用正交的三轴线圈作为磁场源，正交的正交的 3 个磁阻传感器（个磁阻传感器（MR传感器）作为磁场接收器的一种基于传感器）作为磁场接收器的一
8、种基于 AC 磁场的六自由度电磁跟踪方法，如图磁场的六自由度电磁跟踪方法，如图 2-2所示。所示。2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器图2-2 正交三轴线圈模型图 采用无限远磁偶极子模型，把线圈理想化成满足以下条件的模型采用无限远磁偶极子模型，把线圈理想化成满足以下条件的模型:线圈的线匝都是同轴圆环回路，线圈导线的线径忽略不计，线匝间具线圈的线匝都是同轴圆环回路，线圈导线的线径忽略不计，线匝间具有无限薄的绝缘，所有线匝紧密均匀地缠绕，线圈处于无限大的真空有无限薄的绝缘，所有线匝紧密均匀地缠绕，线圈处于无限大的真空中。根据毕奥沙伐定律，单个圆环线圈周围产生的磁场为：中。根据毕奥沙伐
9、定律，单个圆环线圈周围产生的磁场为： 其中，其中， 为磁感应强度，为磁感应强度，I 为圆环回路电流，为圆环回路电流，dl是导线上任意点是导线上任意点 Q (x , y , z)处切线矢量的微分，处切线矢量的微分， 是点是点 Q 到待测点到待测点 P 的矢量，的矢量， 为真空磁导率。为真空磁导率。2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器数量配置2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器数量配置 磁场源阵列法将一组励磁线圈按一定分布规律同向均匀放置磁场源阵列法将一组励磁线圈按一定分布规律同向均匀放置在在 xoy 坐标平面内作为磁场发射源，采用分时通电的方法产生信坐标平面内作为磁场
10、发射源，采用分时通电的方法产生信号源，以单一励磁线圈作为磁场接收传感器，如图号源，以单一励磁线圈作为磁场接收传感器，如图 2-3 所示。所示。 图图2-3 2-3 发射源采用线圈阵列、传感器采用单线圈的配置图发射源采用线圈阵列、传感器采用单线圈的配置图2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器数量配置 在确定发射线圈个数情况下，分布方式如图在确定发射线圈个数情况下，分布方式如图2-2-4 4所示，在布局所示，在布局1 1中，将定位平面划分为中，将定位平面划分为4 4个象限，在每个象限中均匀对称的分布个象限，在每个象限中均匀对称的分布2 2个个线圈，线圈，1 1个线圈在坐标原点上。这种布
11、局能准确确定被测对象的所个线圈在坐标原点上。这种布局能准确确定被测对象的所属区域，但却降低了在每一区域内部的位置分辨率。采用布局属区域，但却降低了在每一区域内部的位置分辨率。采用布局2 2方方法，尽量避免对称性，能减少多重解的可能性，提高在每个坐标方法，尽量避免对称性，能减少多重解的可能性，提高在每个坐标方向上的精度。向上的精度。2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器数量配置2 电磁跟踪系统的构成2.2系统发射线圈及其传感器数量配置图图 2-4 9个发射线圈的布局图个发射线圈的布局图2 电磁跟踪系统的构成2.3系统磁场接收单元的选型 感应线圈测量的对象是感应电动势，由公式感应线圈测量的对象是感应电动势，由公式 在交变的磁场中，已知线圈的匝数在交变的磁场中，已知线圈的匝数N 、面积、面积S ，就能求出与线，就能求出与线圈位置相关的磁场随时间变化率圈位置相关的磁场随时间变化率dB/dt，进而求解坐标。，进而求解坐标。谢谢 谢！谢！
