基于双磁棒旋转搜索的电磁定位/跟踪方法研究

定位/跟踪是介入手术导航系统中的关键技术。电磁定位/跟踪由于对人体无辐射伤害，磁场分布不受组织特性及内脏活动的影响，是介入手术定位/跟踪的理想手段。.本项目提出的电磁定位/跟踪方法的核心思想是：通过安置在不同位置的两个可在三维空间任意旋转的磁棒，搜索实现对三轴磁传感器三维六自由度的定位和动态跟踪。本项目拟采用几何算法计算传感器的空间位置和姿态，从根本上解决现有方法由于依赖假设的磁场分布模型和需要使用繁复的迭代算法所带来的跟踪误差及稳定性问题，在方法构想和算法设计方面具有原始创新性。.项目拟采用理论分析和实验验证相结合的方法开展研究。在前期工作的基础上，通过对搜索方法和策略、系统参数优化、误差校正等关键问题的研究，改善系统性能。通过搭建满足本课题测试要求的实验原型，实际测试定位/跟踪效果。本项目的研究成果可为介入手术导航系统中的电磁定位/跟踪提供理论依据,具有重要的科学价值和良好的应用前景。

电磁定位跟踪是医学导航系统中的常用技术。其定位精度，跟踪速度以及稳定性，直接影响导航系统的性能，进而影响介入诊断/治疗的效果。.针对项目组提出的一种不依赖于磁场源模型和迭代算法的基于双磁棒旋转搜索的电磁定位/跟踪方法，本项目设计了实现该方法的完整工作模式及算法架构；围绕影响系统性能的主要问题：系统参数设计、搜索策略、误差分析/校正方法等展开深入研究。.首先，仿真分析了不同形状、尺寸磁棒的磁场分布特点以及激励电流强度对磁感应强度分布的影响。为系统设计和测试平台搭建提供了依据。.阐明了搜索策略对搜索效率的影响，提出了三大搜索效率评价指标；建立了刻画搜索效率空间分布的运动旋转空间。在上述工作基础上，提出了两种高效旋转轴选取策略，以及基于四点二分的旋转搜索过程。为了从根本上解决系统定位跟踪的实时性问题，提出了一种基于三点激励的最大磁感应强度矢量旋转角快速测定方法，以及电控旋转磁场的工作模式。.在阐明主要误差来源的基础上，提出了两种曲线拟合确定磁感应强度最大值的方法，以及平均角度校正算法和基于公垂线的校正算法提高定位精度。针对四点二分的旋转搜索策略，提出了根据四次测量数据进行线性插值快速估计磁感应强度最大值方向的方法。.为了测试研究及仿真结果，搭建了以DSP为核心的机械旋转扫描磁定位系统。提出了一种基于微动平台的系统标定方法。通过对由磁棒和监控云台组成的磁场源的改进设计，初步实现了电控旋转扫描磁定位系统的实验平台。.重要数据及科学意义： .建立了刻画搜索效率空间分布的运动旋转空间及评价搜索效率的三大指标。所提出的高效旋转轴选取策略，可使最大搜索步数下降80%以上，不仅提高了定位/跟踪的速度，而且提高了整个系统工作的稳定性。根据基于三点激励的最大磁感应强度矢量旋转角快速测定方法，可将系统的定位速度提高到20ms左右；通过有针对性的曲线拟合和误差校正，重复定位精度达到2mm；定位精度空间分辨率达到0.3mm，表明系统在获得较高定位精度的同时，稳定性高。.通过本项目的研究，从根本上解决了传统磁定位方法依赖繁复的迭代算法以及磁场源理论模型的问题，在保证定位精度和跟踪速度的基础上，显著提高了方法实施的稳定性。所建立的刻画搜索效率空间分布的运动旋转空间，不仅为搜索策略优化奠定了基础，而且对基于空间旋转搜索的研究都有很大的理论价值和实际指导意义。