医用电磁导航实验系统的研究

论文摘要

电磁导航是以磁场空间定位技术为核心,与信号处理、计算机、应用数学等技术有机结合的产物。近年来在诸多领域尤其是医疗方面得到了广泛的应用。本文在深入研究正交磁偶极子磁场三维定位方法的基础之上,给出了求解非线性磁场方程的数值解法,并且通过典型参数下的仿真实验证明了逆Broyden法可以实现对非线性磁场方程的实时、有效求解。基于逆Broyden法的定位区间讨论,给出了实际应用中磁场定位的适用区域。鉴于实际加工过程中存在的偏心偏角误差,本文建立了涵盖这种误差的数学模型。在分析其对定位精度影响的同时,提出了一种误差辨识与校正的方法。仿真分析表明,这种方法可以有效地减少线圈偏心偏角带来的定位误差,为实际导航系统的开发提供了必要的理论依据。考虑实际典型定位系统的需要,设计开发了电磁导航实验系统的硬件电路。通过对正交发射线圈及其驱动控制电路的设计,实现了对一定强度和精度的正交似稳磁场的时分发射。在接收端,利用高性能的磁阻探头实现了对磁场信号的接收、放大、滤波与数据采集。在电磁导航系统软件的程序设计中,将非线性方程求解算法、线性与非线性误差校正算法、以及时分信号处理算法作为应用程序的核心算法,完成了时分磁场信号向定位坐标数据的转化。采用OpenGL三维图形编辑功能,使定位效果得以清晰的形象显示。最后,通过对整个定位系统的性能评价,得到了一些必要的定位参数,指出了不同定位区间内定位精度的差别,分析了产生误差的原因,为系统的改善提供了依据。另外,对医用电磁导航系统的实际应用及进一步研究设想进行了简要的介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的
• 1.2 国内外发展综述
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 正交磁偶极子磁场的三维定位方法
• 2.1 电磁导航基本原理
• 2.1.1 理想磁偶极子的线圈模型
• 2.1.2 磁偶极子磁场的空间分布
• 2.1.3 正交线圈定位法
• 2.2 磁场方程的数值求解及定位区间的讨论
• 2.2.1 逆Broyden法求解磁场定位方程
• 2.2.2 定位区间的讨论
• 2.3 正交线圈的模型误差及校正
• 2.3.1 正交线圈模型误差分析
• 2.3.2 模型误差参数的辨识
• 2.3.3 模型误差的校正
• 2.4 本章小结
• 第3章 电磁导航系统的硬件电路设计
• 3.1 硬件电路的总体结构
• 3.2 硬件电路的控制
• 3.2.1 控制器主要功能
• 3.2.2 USB微控制器
• 3.3 磁场发射线圈及其驱动电路的研制
• 3.3.1 正交发射线圈的设计
• 3.3.2 功率放大电路的设计
• 3.3.3 波形发生电路的设计
• 3.3.4 时分控制电路的设计
• 3.4 磁阻定位探头的设计
• 3.4.1 磁阻传感器的原理及应用分析
• 3.4.2 放大滤波电路的设计
• 3.4.3 基于数字电位器的程控放大电路
• 3.5 本章小结
• 第4章 电磁导航系统的软件设计
• 4.1 核心算法的计算机实现
• 4.1.1 逆Broyden算法
• 4.1.2 误差校正算法
• 4.1.3 时分磁场信号处理算法
• 4.2 导航系统应用程序的开发
• 4.2.1 导航系统应用程序的工作流程
• 4.2.2 定位实验结果的展示
• 4.3 本章小结
• 第5章 电磁导航实验系统的调试与分析
• 5.1 电磁导航系统的校正过程
• 5.2 电磁导航系统的性能评价与误差分析
• 5.2.1 测量范围与测量精度
• 5.2.2 芯片结构对定位影响的分析
• 5.2.3 绕线结构对定位影响的分析
• 5.2.4 磁场干扰对定位影响的分析
• 5.2.5 数值计算等因素对定位的影响
• 5.3 医用电磁导航系统的应用与改进设想
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢