電磁場(chǎng)定位課件

電磁跟蹤技術(shù)體內(nèi)醫(yī)療技術(shù)之蔡成超（6151915007）電磁跟蹤技術(shù)體內(nèi)醫(yī)療技術(shù)之蔡成超（6151915007）目錄1跟蹤系統(tǒng)介紹2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器2.3系統(tǒng)磁場(chǎng)接收單元的選型目錄1跟蹤系統(tǒng)介紹

位置跟蹤技術(shù)主要用于捕捉標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)、方向、動(dòng)作等，在虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像等應(yīng)用領(lǐng)域都起到非常重要的作用。目前常用的位置跟蹤技術(shù)主要有五大類(lèi)：機(jī)械跟蹤技術(shù)、光學(xué)跟蹤技術(shù)、聲學(xué)跟蹤技術(shù)、電磁跟蹤技術(shù)和慣性位置跟蹤技術(shù)。1跟蹤系統(tǒng)介紹位置跟蹤技術(shù)主要用于捕捉標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)、方向、動(dòng)

電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)信息獲得物體位置和空間姿態(tài)的方法，在生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中具有廣泛而重要的應(yīng)用，特別是為微創(chuàng)手術(shù)醫(yī)療器械的實(shí)時(shí)導(dǎo)航提供了非常大的便利與幫助，最大限度的避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)，減少手術(shù)的創(chuàng)傷和并發(fā)癥。電磁跟蹤技術(shù)具有使用方便、精度高、不受視線阻擋等優(yōu)點(diǎn)。1跟蹤系統(tǒng)介紹電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)信息獲得物體位置和空間姿態(tài)的方圖1.1醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航圖1.2虛擬現(xiàn)實(shí)1跟蹤系統(tǒng)介紹圖1.1醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航圖1.2虛擬現(xiàn)實(shí)1跟蹤系統(tǒng)介2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成

一般由磁場(chǎng)發(fā)射源、磁場(chǎng)接收單元、數(shù)據(jù)采集計(jì)算單元三部分組成。在基本單元一致的前提下，不同跟蹤方法的主要區(qū)別體現(xiàn)在：磁場(chǎng)發(fā)射源的激勵(lì)方式以及發(fā)射線圈和接收器的數(shù)量及配置方式。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成一般由磁場(chǎng)發(fā)射源、磁場(chǎng)接收單

系統(tǒng)采用三軸線圈作為發(fā)射源，向其中通入交流或直流脈沖信號(hào)，線圈周?chē)鷷?huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)。利用磁傳感器探測(cè)空間位置磁場(chǎng)變化，就能反映出傳感器與磁場(chǎng)發(fā)射源的相對(duì)位置和方向的變化。然后將采集信號(hào)根據(jù)磁場(chǎng)耦合關(guān)系計(jì)算處理就能得出目標(biāo)的6個(gè)自由度。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)采用三軸線圈作為發(fā)射源，向其中通入交流或直流脈沖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

在磁場(chǎng)發(fā)射源的激勵(lì)方式方面，主要有兩種方式：交流磁場(chǎng)（AC方式）、直流脈沖磁場(chǎng)（DC方式）。直流脈沖磁場(chǎng)方式采用直流的激勵(lì)方式，發(fā)射源本身需要改變參數(shù)時(shí)，缺乏控制靈活性，且成本過(guò)高，故應(yīng)用范圍不及交流磁場(chǎng)方式廣泛?，F(xiàn)介紹交流脈沖磁場(chǎng)方式。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式在2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

交流磁場(chǎng)方式采用感應(yīng)線圈作為傳感器，測(cè)量信號(hào)也是與發(fā)射信號(hào)同頻率的交流信號(hào)，同時(shí)提取出交流信號(hào)的幅值。當(dāng)環(huán)境中存在金屬物質(zhì)時(shí)，交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬物質(zhì)內(nèi)激起渦流，進(jìn)而干擾磁場(chǎng)源，影響測(cè)量精度。而當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率越高時(shí)，渦流越大。

2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

因此，激勵(lì)源不適合采用高頻信號(hào)，一般激勵(lì)源頻率為7kHz~20kHz時(shí)，能有效減弱渦流效應(yīng)的干擾。雖然存在渦流效應(yīng)的干擾，但通過(guò)改善周?chē)h(huán)境，能夠?qū)⒂绊懡档偷皆试S范圍內(nèi)，并且交流磁場(chǎng)源信號(hào)的參數(shù)改變靈活方便，故而交流磁場(chǎng)方法獲得了廣泛的應(yīng)用。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器

在磁場(chǎng)源和傳感器的數(shù)量配置方面有多種方法。其中正交三軸線圈法最典型。正交三軸線圈法采用正交的三軸線圈作為磁場(chǎng)源，正交的3個(gè)磁阻傳感器（MR傳感器）作為磁場(chǎng)接收器的一種基于AC磁場(chǎng)的六自由度電磁跟蹤方法，如圖2-2所示。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器圖2-2正交三軸線圈模型圖

2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器圖2-2

采用無(wú)限遠(yuǎn)磁偶極子模型，把線圈理想化成滿足以下條件的模型:線圈的線匝都是同軸圓環(huán)回路，線圈導(dǎo)線的線徑忽略不計(jì)，線匝間具有無(wú)限薄的絕緣，所有線匝緊密均勻地纏繞，線圈處于無(wú)限大的真空中。根據(jù)畢奧沙伐定律，單個(gè)圓環(huán)線圈周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)為：其中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為圓環(huán)回路電流，dl是導(dǎo)線上任意點(diǎn)Q(x,y,z)處切線矢量的微分，是點(diǎn)Q到待測(cè)點(diǎn)P的矢量，為真空磁導(dǎo)率。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置采用無(wú)限遠(yuǎn)磁偶極子模型，把線圈理想化成滿足以下2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置

磁場(chǎng)源陣列法將一組勵(lì)磁線圈按一定分布規(guī)律同向均勻放置在xoy坐標(biāo)平面內(nèi)作為磁場(chǎng)發(fā)射源，采用分時(shí)通電的方法產(chǎn)生信號(hào)源，以單一勵(lì)磁線圈作為磁場(chǎng)接收傳感器，如圖2-3所示。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置圖2-3發(fā)射源采用線圈陣列、傳感器采用單線圈的配置圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置圖2-3發(fā)射源采用線圈陣列、傳感器采用單線圈的配置圖2

在確定發(fā)射線圈個(gè)數(shù)情況下，分布方式如圖2-4所示，在布局1中，將定位平面劃分為4個(gè)象限，在每個(gè)象限中均勻?qū)ΨQ的分布2個(gè)線圈，1個(gè)線圈在坐標(biāo)原點(diǎn)上。這種布局能準(zhǔn)確確定被測(cè)對(duì)象的所屬區(qū)域，但卻降低了在每一區(qū)域內(nèi)部的位置分辨率。采用布局2方法，盡量避免對(duì)稱性，能減少多重解的可能性，提高在每個(gè)坐標(biāo)方向上的精度。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置在確定發(fā)射線圈個(gè)數(shù)情況下，分布方式如圖2-4所示，在布2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置圖2-49個(gè)發(fā)射線圈的布局圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.3系統(tǒng)磁場(chǎng)接收單元的選型

感應(yīng)線圈測(cè)量的對(duì)象是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由公式

在交變的磁場(chǎng)中，已知線圈的匝數(shù)N、面積S，就能求出與線圈位置相關(guān)的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化率dB/dt，進(jìn)而求解坐標(biāo)。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.3系統(tǒng)磁場(chǎng)接收單元的選型謝謝！謝謝！電磁跟蹤技術(shù)體內(nèi)醫(yī)療技術(shù)之蔡成超（6151915007）電磁跟蹤技術(shù)體內(nèi)醫(yī)療技術(shù)之蔡成超（6151915007）目錄1跟蹤系統(tǒng)介紹2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器2.3系統(tǒng)磁場(chǎng)接收單元的選型目錄1跟蹤系統(tǒng)介紹

位置跟蹤技術(shù)主要用于捕捉標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)、方向、動(dòng)作等，在虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像等應(yīng)用領(lǐng)域都起到非常重要的作用。目前常用的位置跟蹤技術(shù)主要有五大類(lèi)：機(jī)械跟蹤技術(shù)、光學(xué)跟蹤技術(shù)、聲學(xué)跟蹤技術(shù)、電磁跟蹤技術(shù)和慣性位置跟蹤技術(shù)。1跟蹤系統(tǒng)介紹位置跟蹤技術(shù)主要用于捕捉標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)、方向、動(dòng)

電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)信息獲得物體位置和空間姿態(tài)的方法，在生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用中具有廣泛而重要的應(yīng)用，特別是為微創(chuàng)手術(shù)醫(yī)療器械的實(shí)時(shí)導(dǎo)航提供了非常大的便利與幫助，最大限度的避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)，減少手術(shù)的創(chuàng)傷和并發(fā)癥。電磁跟蹤技術(shù)具有使用方便、精度高、不受視線阻擋等優(yōu)點(diǎn)。1跟蹤系統(tǒng)介紹電磁跟蹤是一種利用磁場(chǎng)信息獲得物體位置和空間姿態(tài)的方圖1.1醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航圖1.2虛擬現(xiàn)實(shí)1跟蹤系統(tǒng)介紹圖1.1醫(yī)療手術(shù)導(dǎo)航圖1.2虛擬現(xiàn)實(shí)1跟蹤系統(tǒng)介2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成

一般由磁場(chǎng)發(fā)射源、磁場(chǎng)接收單元、數(shù)據(jù)采集計(jì)算單元三部分組成。在基本單元一致的前提下，不同跟蹤方法的主要區(qū)別體現(xiàn)在：磁場(chǎng)發(fā)射源的激勵(lì)方式以及發(fā)射線圈和接收器的數(shù)量及配置方式。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成一般由磁場(chǎng)發(fā)射源、磁場(chǎng)接收單

系統(tǒng)采用三軸線圈作為發(fā)射源，向其中通入交流或直流脈沖信號(hào)，線圈周?chē)鷷?huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)。利用磁傳感器探測(cè)空間位置磁場(chǎng)變化，就能反映出傳感器與磁場(chǎng)發(fā)射源的相對(duì)位置和方向的變化。然后將采集信號(hào)根據(jù)磁場(chǎng)耦合關(guān)系計(jì)算處理就能得出目標(biāo)的6個(gè)自由度。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)采用三軸線圈作為發(fā)射源，向其中通入交流或直流脈沖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

在磁場(chǎng)發(fā)射源的激勵(lì)方式方面，主要有兩種方式：交流磁場(chǎng)（AC方式）、直流脈沖磁場(chǎng)（DC方式）。直流脈沖磁場(chǎng)方式采用直流的激勵(lì)方式，發(fā)射源本身需要改變參數(shù)時(shí)，缺乏控制靈活性，且成本過(guò)高，故應(yīng)用范圍不及交流磁場(chǎng)方式廣泛。現(xiàn)介紹交流脈沖磁場(chǎng)方式。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式在2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

交流磁場(chǎng)方式采用感應(yīng)線圈作為傳感器，測(cè)量信號(hào)也是與發(fā)射信號(hào)同頻率的交流信號(hào)，同時(shí)提取出交流信號(hào)的幅值。當(dāng)環(huán)境中存在金屬物質(zhì)時(shí)，交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬物質(zhì)內(nèi)激起渦流，進(jìn)而干擾磁場(chǎng)源，影響測(cè)量精度。而當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率越高時(shí)，渦流越大。

2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式

因此，激勵(lì)源不適合采用高頻信號(hào)，一般激勵(lì)源頻率為7kHz~20kHz時(shí)，能有效減弱渦流效應(yīng)的干擾。雖然存在渦流效應(yīng)的干擾，但通過(guò)改善周?chē)h(huán)境，能夠?qū)⒂绊懡档偷皆试S范圍內(nèi)，并且交流磁場(chǎng)源信號(hào)的參數(shù)改變靈活方便，故而交流磁場(chǎng)方法獲得了廣泛的應(yīng)用。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.1系統(tǒng)發(fā)射源的激磁方式2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器

在磁場(chǎng)源和傳感器的數(shù)量配置方面有多種方法。其中正交三軸線圈法最典型。正交三軸線圈法采用正交的三軸線圈作為磁場(chǎng)源，正交的3個(gè)磁阻傳感器（MR傳感器）作為磁場(chǎng)接收器的一種基于AC磁場(chǎng)的六自由度電磁跟蹤方法，如圖2-2所示。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器圖2-2正交三軸線圈模型圖

2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器圖2-2

采用無(wú)限遠(yuǎn)磁偶極子模型，把線圈理想化成滿足以下條件的模型:線圈的線匝都是同軸圓環(huán)回路，線圈導(dǎo)線的線徑忽略不計(jì)，線匝間具有無(wú)限薄的絕緣，所有線匝緊密均勻地纏繞，線圈處于無(wú)限大的真空中。根據(jù)畢奧沙伐定律，單個(gè)圓環(huán)線圈周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)為：其中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為圓環(huán)回路電流，dl是導(dǎo)線上任意點(diǎn)Q(x,y,z)處切線矢量的微分，是點(diǎn)Q到待測(cè)點(diǎn)P的矢量，為真空磁導(dǎo)率。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置采用無(wú)限遠(yuǎn)磁偶極子模型，把線圈理想化成滿足以下2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置

磁場(chǎng)源陣列法將一組勵(lì)磁線圈按一定分布規(guī)律同向均勻放置在xoy坐標(biāo)平面內(nèi)作為磁場(chǎng)發(fā)射源，采用分時(shí)通電的方法產(chǎn)生信號(hào)源，以單一勵(lì)磁線圈作為磁場(chǎng)接收傳感器，如圖2-3所示。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置圖2-3發(fā)射源采用線圈陣列、傳感器采用單線圈的配置圖2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置圖2-3發(fā)射源采用線圈陣列、傳感器采用單線圈的配置圖2

在確定發(fā)射線圈個(gè)數(shù)情況下，分布方式如圖2-4所示，在布局1中，將定位平面劃分為4個(gè)象限，在每個(gè)象限中均勻?qū)ΨQ的分布2個(gè)線圈，1個(gè)線圈在坐標(biāo)原點(diǎn)上。這種布局能準(zhǔn)確確定被測(cè)對(duì)象的所屬區(qū)域，但卻降低了在每一區(qū)域內(nèi)部的位置分辨率。采用布局2方法，盡量避免對(duì)稱性，能減少多重解的可能性，提高在每個(gè)坐標(biāo)方向上的精度。2電磁跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成2.2系統(tǒng)發(fā)射線圈及其傳感器數(shù)量配置在確定發(fā)射