電磁跟蹤系統(tǒng)的研究.pdf

1、電磁跟蹤是一種利用磁場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)療器械的實時導(dǎo)航提供了非常大的便利與幫助,最大限度的避開危險區(qū),減少手術(shù)的創(chuàng)傷和并發(fā)癥。較之機械跟蹤技術(shù)和超聲測距技術(shù)而言,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。為了深入研究電磁跟蹤定位系統(tǒng)原理及算法,本文開展了電磁跟蹤系統(tǒng)建模及仿真分析、實驗平臺搭建、誤差分析和算法驗證等工作,主要研究內(nèi)容及進展如

2、下:
　　開展了電磁跟蹤系統(tǒng)的基本工作原理研究。利用COMSOLMultiphysic軟件建立發(fā)射線圈及感應(yīng)線圈的物理模型,對算法中的磁感應(yīng)強度、感應(yīng)電動勢等物理量進行仿真,分析算法的理論誤差。仿真結(jié)果表明用磁偶極子模型計算的空間磁場分布、感應(yīng)電勢與理論分析結(jié)果一致,當(dāng)場點到源點距離大于20倍圓環(huán)線圈尺寸時,模型計算的空間磁場值與仿真得到的磁場值相對誤差小于1％,對感應(yīng)線圈感應(yīng)電勢仿真結(jié)果具有相同的結(jié)論。因此,采用磁偶極子模型是適

3、用于電磁跟蹤定位的。
　　自行繞制了發(fā)射線圈及感應(yīng)線圈,搭建了實驗測試平臺。通過高速采集卡實時獲取感應(yīng)線圈的交流感應(yīng)電動勢波形,為降低噪聲影響,利用Matlab軟件通過采集的感應(yīng)信號數(shù)據(jù)和參考信號數(shù)據(jù)進行數(shù)字鎖相放大,獲取感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢幅值。對空間高頻磁場感應(yīng)量和信號采集通道的噪聲進行了實驗測試與分析,測試結(jié)果表明,上述干擾信號對測量結(jié)果影響不大。在對理論計算數(shù)據(jù)和實際測試數(shù)據(jù)進行歸一化處理的基礎(chǔ)上,測試數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果可

4、以較好地吻合。
　　開展了電磁跟蹤系統(tǒng)位置和方向參數(shù)的非線性方程組優(yōu)化求解問題研究。針對基于磁偶極子模型列出的磁場源與傳感器之間的磁場耦合方程組,分別用高斯牛頓法和遺傳算法進行求解。求解結(jié)果表明,高斯牛頓法計算快、求解精度高,但算法收斂度依賴于初始點的選取;遺傳算法對初始條件要求不高,能較好的實現(xiàn)全局收斂,但運算時間長,精度不及高斯牛頓法高。為此,提出先用遺傳算法求解獲取初始值,再用高斯牛頓法精確求解的方法,能夠保證算法中不會出現(xiàn)