（計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）FASTRAK數(shù)據(jù)濾波校正及在虛擬手術(shù)中的應(yīng)用.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 摘要 虛擬手術(shù)是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機中建立模擬環(huán)境 醫(yī)生借 助虛擬環(huán)境中的信息進行手術(shù)規(guī)劃 訓(xùn)練 并且在實際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)進行 它充分 體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實作為計算機圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)治療過程中的作用 充分體現(xiàn)了人機交互的真實 感與沉浸感 交互技術(shù)是虛擬手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 提供合適的交互方案關(guān)系到手術(shù)模擬系統(tǒng) 的成敗 采用與真正的手術(shù)設(shè)備相仿的交互設(shè)備是最佳選擇 在開發(fā)虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)中利用電磁跟蹤設(shè)備f a s l r a k 模擬膝關(guān)節(jié)鏡實現(xiàn)定位 及交互 在研制虛擬心臟介入手術(shù)系統(tǒng)中也采用f a s 矸認k 實現(xiàn)導(dǎo)絲及導(dǎo)管的仿真 然而 f a s t r a k 固有的電磁特性對使用環(huán)境的要求是苛刻的 既使是c r t 顯示器 天花板或是 墻壁等都會對采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾 本文從電磁跟蹤設(shè)備的原理出發(fā) 分析了可能影響 f a s t r a k 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性 精確度的各種因素 對引起電磁場扭曲的噪聲模型進行了描述 針對現(xiàn)有電磁跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)校正方法的不足 結(jié)合課題中的實際需要 提出了帶通濾波器 f a s t r a k 數(shù)據(jù)校正模型 并在軟件系統(tǒng)開發(fā)中實現(xiàn)了該算法 仿真實驗結(jié)果表明所采用 的濾波校正模型軟件解決方案效果良好 還對不同干擾環(huán)境下所采集的f a s t r a k 數(shù)據(jù)進 行了對比分析 結(jié)果表明基于f f t 的帶通濾波器對f a s t i 乙a k 的噪聲去除具有好的魯棒性 本文就虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)和虛擬心臟手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)中涉及的交互技術(shù)進行了 相關(guān)研究 對于f a s t r a k 在復(fù)雜噪聲的使用環(huán)境下所遇到的抗干擾問題給出了解決方案 為進一步研發(fā)及推廣虛擬手術(shù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 電磁跟蹤 濾波校正 虛擬手術(shù) f a s t r a k 虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù) 虛擬心臟介 入手術(shù) 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 a b s t r a c t v i 咖a ls 吐r g e r yi st ou t i l i z ev a r i o u sk i n d so fm e d i c a li m a g ed a t aa b dv i n l 斌r e a l i 妙 t e c h n o l o 日t ob u i l da l l ds e tu pm es i m u l a t i o ne 油1 1 l i l e n ti n 也ec o r 印u t e r w i m 也eh e l po f t l l e i n f o n n a t i o na b o u tv i m l a le i l v i r a r 皿e m sd o d o r sc a i lp l 姐a j lo p a t i o i l h a v e 佩n i n g a n dh o l da n o p e r a t i o nu n d e rt 1 1 ev i r n l a ls u 唱e r r sg i l i d i n gi i lt 1 1 ec o u r s eo f a c t u a lo p e r a t i o n v i n u a ls u r g e r y a d e q u a t e l yi n c a r n a t e st h eu s eo f i r t u a lr e a l i 哆t e c h n o l o g ya sar o l eo fc o m p u t e r 孕印h i c si n m e d i c a ls c i e n c ea n df u u yr c f l e c t st h e 廿l i r dd i r n e n s i o na n di m m e r s i o no fh u m a i l c o m p u t e r i m e r a c t i o n i n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi s t l l ek e yt e c l l l l 0 1 0 9 yo fv i n u a ls u r g e r y d e v e l o p i n ga n a p p r o p r i a t es c h e m ei sr e l a t e dt ot h es u c c e s so f t h e i n l l a ls l l r g e r ys y s t e m ni st 1 1 eb e s tc h o i c et o i n t r o d u c et h ei n t e r a c t i v ec q u i p m e n ta st l l es 鋤ea s 出er c a lo p e r a t i o ne q u i p m e n t i nt h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a la n h r o s c o p es u 唱e r ys y s t e mw eu s e 鋤e l e c t r o m a g n e t i c 仃a c n gd e v i c ef a s t r a ka sa i ia n h r o s c o p et ol o c 砒e a i l dr e a l i z ei n t e r a c t o na j l d 訪t l l e d e v e l o p m e mo fv i n l l a ls l l r g e r ys y s t e mo fc a r d i a c 訪t e r v e n t i o nw es i m u l a t en i t o r s 如d 詵s t n l c t o r s w i 1 lt h er e c e i v e r so f f a s t r a k b u tm ei n h e r e n te l e c t r o m a 蚰e t i cc h a r a c t e 矗s t i c so f f a s t r a k f o re m 血o n i n e n t si sl m r s l l a l l1 i k ec r t m o n i t o r s m e t a lo b j e c t s c e i l i i l g s w a l l sa f l de t c w i l l d i s t u r b 血ed a t ao ff a s t r a k i nt 1 1 i sa n i c l ew ea i l a l y z ea 1 1p o s s i b l ef a c t o r sw l l i c hc a nc a u s em e n o i s e sa n da 膿c t 仕l es t a b i l 時a n dp r e c i s i o no ff a s t ra kd a t a w ea l s od e s c r i b ct h en o i s e m o d e lw 量1 i c hm a yr e s u l ti nt 1 1 ed i s t u r b a n c ee k c 仃o m a g i l c t i cf i l e d a i m i n ga tt h ed e f i c i e l l c yo f 也e e x i s t i n gm c 山o do fc a l i b r a t i n g 血ef a s t r a kd a t a c o m b i l l i n gm ea c t u a ln e e di nm es u b j e c t w e p r o p o s et 1 1 em o d e lb a s e do nb a n d p a s sf i n e ro ff a s t ra kd a t aa 1 1 dr e a l i z et l l ea l g o r i m mi n 也e s o r w a r es y s t e md e v e l o p e d t h ee x p c r i m e n t a lr e s u ho fs i m u l a t i o ni n d i c a t e s 恤a t 廿l ec a l i b 枷o n m o d e lo ff i l t e ra l g o r i m mp e r f b 姍a n c e sw e l lw ea l s oc o m p a f ea n da n a l y z ef a s t r a kd a t a u n d e rd i 臟r e n ie n v i m 螄e m s t h er e s l l l t ss h o w 也a ti ti sg o o dt h a tt h eb a l l d p a s s 搦t e rb a s e do n f f tg e t sr i do f m en o i s eo f f a s t r a ka n di ti sr o b u s tt o o t h er e s e a r c ho f m i sa n i c l ei sc e n 仃a l i z e do nn l ci n t e r a c t i v et e c h n 0 1 0 p o f v i r t u a la r t h l o s c o p e s u 唱e r ya n dv i 巾l a ls u r g e f yo fc a r d i a ci n t e e n t i o n t h er e s o l v i n gs c h e m ei sp r e s e n t e di no r d e r t o f i l t e rt t l en o i s ei nf a s t r a ka p p l i c a t i o ne n v i m m n c m s 誦t hc o m p l i c a t e dn o i s e w m c h e s 協(xié)b l l s h e saf o u n d a t i o nf o rm o r ed e v e l o p i n ga 1 1 dg e n e r a l i z i n gt 1 1 ev i r t u a ls l l r g e r ys y s t e m k e y w o r d s e l e c t m m a g n e t j ct t a c l i n g f j l t e r i n ga n dc a l i b r a t i o n r t u a ls u r g e r y f a s t r a k v i r t u a la h r o s c o p es u r g e r y v i r t u a ls u r g e r yo f c a r d i a ci n t e r v e n t i o n 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 圖目錄 圖2 1 電磁跟蹤設(shè)備基本工作原理黑盒圖 6 圖2 2f a s t ra k 電磁跟蹤器工作原理框圖 7 圖2 3 電磁跟蹤設(shè)備f a s t r a k 的構(gòu)成 一7 圖2 4f a s t r a k 連接示意圖 8 圖2 5 金屬導(dǎo)體 發(fā)射器與接收器之間的距離與誤差的關(guān)系 11 圖2 6c i 汀顯示器 發(fā)射器與接收器之間的距離與誤差的關(guān)系 1 2 圖2 7 金屬物 發(fā)射器 接收器之間的距離對誤差的影響 1 4 圖3 1 膝關(guān)節(jié)鏡下的手術(shù)內(nèi)部圖 1 9 圖3 2 系統(tǒng)開發(fā)中遵循的模型變換流程 2 1 圖3 3 應(yīng)用環(huán)境下f a s t r a k 數(shù)據(jù)受用囤噪聲影響示意圖 2 2 圖4 1 理想低通濾波器的頻率響應(yīng)特性 2 3 圖4 2 理想帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性 2 4 圖4 3f f t 實現(xiàn)的帶通濾波器 2 6 圖4 4 針對f a s t 腳 噪聲數(shù)據(jù)設(shè)計的f f t 帶通濾波器 2 7 圖5 1f a s t r a ka p i 提供的濾波參數(shù)調(diào)整 2 9 圖5 2 濾波參數(shù)調(diào)整流程示意 3 0 圖5 3 參數(shù)調(diào)整中觀察接收器的狀態(tài) 3 l 圖5 4 濾波器截止頻率計算過程 3 2 圖6 1 對f a s t r a k 噪聲數(shù)據(jù)濾波仿真結(jié)果 3 4 圖6 2 金屬物對f a s 職a k 數(shù)據(jù)的干擾濾波前后對比 3 6 圖6 3 虛擬膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)中正在探察游離體的 內(nèi)窺鏡 3 7 圖6 4 正在進行中的虛擬心臟介入手術(shù) 3 8 圖6 5 手術(shù)流程一 f a s t r a k 接收器模擬導(dǎo)絲插入血管 3 9 圖6 6 手術(shù)流程二 f a s t r a k 接收器模擬導(dǎo)引導(dǎo)管 一3 9 圖6 7 手術(shù)流程三 f a s t r a k 接收器模擬導(dǎo)絲及導(dǎo)管在血管中運動 3 9 圖6 8 手術(shù)流程四 f a s t r a k 接收器模擬氣囊進入血管病變處 一4 0 圖6 9 手術(shù)流程五 抽出導(dǎo)引導(dǎo)管及導(dǎo)絲 完成整個手術(shù) 4 0 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 表目錄 表2 1 現(xiàn)有電磁跟蹤器校正技術(shù)比較 1 7 表5 1 實現(xiàn)f f t 帶通濾波器的相關(guān)函數(shù) 3 3 表6 1 不同采樣頻率下f a s t r a k 數(shù)據(jù)濾波前后的均方根噪聲 r m sn o i s e m m 3 5 表6 2 接收器與顯示器的距離變化下f a s t ra k 數(shù)據(jù)濾波前后的均方根噪聲 砌訂sn o i s e n 砌 3 5 表6 3 接收器與發(fā)射器的距離變化下f a s n k 數(shù)據(jù)濾波前后的均方根噪聲 r m sn o i s e n l i i n 3 6 v 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研 究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果 也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué) 位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文題目 墜 數(shù)量遺遮撞垂區(qū)查虐撻圭苤生曲廑圍 學(xué)位論文作者簽名 盈垂竺日期 沙哆年 1 月 口日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 本人授權(quán)國 防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔 允 許論文被查閱和借閱 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文題目 b 叢數(shù)握遣送撞垂拯查廑趟壬盎主煎廑翹 學(xué)位論文作者簽名 蟄墨堡日期 沙 年 月扣日 作者指導(dǎo)教師簽名 塹壘苧日期 伽年 月7 一日 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第一章緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 人們對醫(yī)療衛(wèi)生給予了更多的關(guān)注 同時計算機技術(shù) 以 及c t 計算機斷層 m r j 磁共振 等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展 計算機技術(shù)就越來越 多地應(yīng)用到現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域 一些新的技術(shù)諸如c a s c o m p u t e ra s s i s t e ds u r g e r y c i s c o 叫 u t c ri n t e g m t c ds u r g e r y i g s i m a g eg u i d e ds u 唱e r y 越來越多地應(yīng)用到外科學(xué)方 面 1j 采用計算機圖形學(xué)與數(shù)據(jù)可視化技術(shù) 利用計算機圖像處理和分析方法 選擇數(shù)學(xué) 模型對三維數(shù)據(jù)進行人體器官幾何重建 進而在計算機上模擬出病灶部位的三維結(jié)構(gòu) 并 使依據(jù)三維數(shù)據(jù)建立的模型具有實際物體的物理性質(zhì) 最后利用虛擬現(xiàn)實 v r v i n l l a l r e a l i 母 手段虛擬手術(shù)的逼真場景 使醫(yī)生能夠在計算機建立的虛擬環(huán)境中設(shè)計 規(guī)劃或 訓(xùn)練手術(shù)過程 進刀的部位 角度 提高手術(shù)的成功率 對于選擇最佳手術(shù)路徑 減小手 術(shù)損傷 減少對臨近組織損害 提高腫瘤定位精度 執(zhí)行復(fù)雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率 等具有十分重要的意義 1 1 虛擬手術(shù)系統(tǒng) 本課題作為國家自然科學(xué)基金資助項目 虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)和虛擬心臟介入 手術(shù)系統(tǒng)的一部分 主要研究電磁跟蹤設(shè)備在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用 解決在使用環(huán)境中 大量的噪聲對f a s t r a k 數(shù)據(jù)精度影響和在o p e n g l 場景中的平穩(wěn)性問題 1 1 1 虛擬手術(shù)系統(tǒng)簡介 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展 許多新型手術(shù)方式不斷涌現(xiàn) 與傳統(tǒng)手術(shù)相比 這類手術(shù)在解 除病患的同時 可以減輕手術(shù)過程中患者的痛苦 手術(shù)過程更為安全和快捷 并且有利于 術(shù)后康復(fù) 以上優(yōu)點使得這類手術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛 以心臟介入手術(shù)為例 將細小的導(dǎo) 絲和導(dǎo)引導(dǎo)管先后從患者的股動脈插入 最后到達患者的心血管 配合造影技術(shù) 即可準(zhǔn) 確實施特殊灌注球囊手術(shù) 為因嚴重心絞痛或血流動力學(xué)障礙而不能忍受常規(guī)球囊擴張的 患者提供更有效的治療 2 該手術(shù)創(chuàng)口很小 減輕了病人的痛苦 并加快了手術(shù)后的康復(fù) 過程 但這類手術(shù)操作復(fù)雜度高 要求醫(yī)生手眼配合非常精確 只有經(jīng)過大量的訓(xùn)練 醫(yī) 生才能勝任這種手術(shù)方式 如果采用活體進行手術(shù)訓(xùn)l 練的傳統(tǒng)方式 其訓(xùn)練學(xué)習(xí)成本十分 高昂 且訓(xùn)練效果會受到動物與人體之間差異的影響 在這種情況下 虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)運 而生 虛擬手術(shù) v i n i l a ls u r g e r y 是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù) 用來模擬在手術(shù)過程中可能遇到的 各種現(xiàn)象 旨在為特殊手術(shù)的訓(xùn)練提供 個訓(xùn)練平臺 虛擬手術(shù)的出現(xiàn)有助于加強醫(yī)生對 于新型手術(shù)方式的訓(xùn)練 縮短訓(xùn)練周期 降低訓(xùn)練成本 因此虛擬手術(shù)對促進新型手術(shù)方 式的推廣和應(yīng)用 提高現(xiàn)代醫(yī)療效率 具有極高的應(yīng)用價值 此外 虛擬手術(shù)還可用于實 現(xiàn)矯形手術(shù) 放射治療等的計算機模擬和手術(shù)規(guī)劃 從而提高手術(shù)的成功率 第l 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 虛擬手術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 它融合了計算機技術(shù) 計算機圖形學(xué) 傳感器技術(shù) 生物力學(xué) 現(xiàn)代醫(yī)學(xué) 圖像處理 科學(xué)計算可視化等學(xué)科領(lǐng)域的知識 它所 涉及的內(nèi)容包括用戶對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的交互與可視化 物體運動變化模擬以及各種感官反饋模 擬 在虛擬手術(shù)過程中 用戶可以獲得視覺 觸覺甚至聽覺等方面的沉浸感 用戶的操作 引發(fā)系統(tǒng)一系列的變化 包括計算模型變化 圖像顯示變化 力反饋設(shè)備的力變化 甚至 音響變化 而這些變化又反過來強烈刺激著用戶的感官 使用戶獲得一種真實感 從而提 供了一個 真實的 訓(xùn)練平臺 虛擬手術(shù)就是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機中建立模擬環(huán)境 醫(yī)生 借助虛擬環(huán)境中的信息進行手術(shù)規(guī)劃 訓(xùn)練 并且在實際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)進行 它充 分體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實作為計算機圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)治療過程中的作用 充分體現(xiàn)了人機交互的真 實感與沉浸感例 在研發(fā)虛擬手術(shù)系統(tǒng)中 交互技術(shù)始終是重點和難點 目前所采用的三 維交互方案主要有三種 第一種是在手術(shù)設(shè)備上安裝傳感器 通過傳感器得到手術(shù)設(shè)備的 位置信息 如j u l iy 鋤a s h 三t a 設(shè)計的針對鼻內(nèi)腔內(nèi)窺手術(shù)的模擬導(dǎo)航系統(tǒng)1 4 第二種是使用 機器人設(shè)備 如美國的i n t c g r a t e ds u r g e r a ls y s t e m i i s 公司發(fā)明的一種用于全髖置換手術(shù)的 機器人系統(tǒng)r o b o d o c l 5 第三種是使用通用的三維交互設(shè)備 如美國m a y o 醫(yī)院附屬的 研究所設(shè)計的v a i 己s p l 6 j 前兩種方案都是針對具體手術(shù)設(shè)計的 對其他類型的手術(shù)可能并 不適合 而第三種方案可以針對一般手術(shù) 但對醫(yī)生而言 前兩種方案與實際手術(shù)更接近 所以更容易接受和使用 第三種方案必須提供一個逼真的虛擬環(huán)境 總的來說 這三種交 互方案各有優(yōu)缺點 應(yīng)該針對具體應(yīng)用具體選擇 交互技術(shù)是虛擬手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 提供 合適的交互方案關(guān)系到手術(shù)模擬系統(tǒng)的成敗 采用與真正的手術(shù)設(shè)備相仿的交互設(shè)備是最 佳選擇 1 2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)備與接口 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的定義允許用戶通過多種交互方式與虛擬的手術(shù)環(huán)境進行交互 身體沉 浸和高度交互仿真是其關(guān)鍵部分 為了提供使顯示具有沉浸感所需的用戶信息 虛擬手術(shù) 系統(tǒng)要求有能夠監(jiān)視用戶的硬件設(shè)備 來自用戶的輸入使他們能夠與虛擬環(huán)境進行交互 當(dāng)用戶通過虛擬現(xiàn)實體驗與虛擬世界交互時 他們不僅僅接收信息和感覺 而且把這些信 息和感覺通過輸入設(shè)備傳遞給計算機 虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以通過各種方法監(jiān)視參與者與虛擬 手術(shù)環(huán)境之間的交互 這些系統(tǒng)的不同之處在于如何跟蹤參與者 以及用戶如何通過輸入 來控制與虛擬環(huán)境的交互 1 2 1 位置跟蹤器 位置傳感器 p o s i t i o ns e l l s o r 是一種可以給計算機報告它的位置和方向的設(shè)備 一般 說來 它的固定部分放在一個已知的位置上 另外一部分附著在被跟蹤的對象上 位置跟 蹤器通常用于跟蹤參與者的頭部或是手 對于任何虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來說 位置傳感器是最重 要的一種跟蹤設(shè)備 位置跟蹤可以告訴v r 系統(tǒng) 用戶位于v r 空間中的什么位置 根據(jù) 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 其原理不同劃分 位置跟蹤器可分為電磁跟蹤 機械跟蹤 光學(xué)跟蹤 視頻跟蹤 超聲波 跟蹤 慣性跟蹤設(shè)備 以及神經(jīng)系統(tǒng)位置傳感設(shè)備 不同類型的傳感器有不同的限制 這些限制主要來自確定某一固定源點和傳感器之間 的關(guān)系的技術(shù) 在位置感知系統(tǒng)中 有三種互相作用的因素值得重視 飛一是傳感器定位 準(zhǔn)確度 精度和傳遞位置或方位數(shù)據(jù)的速率 二是可能引起數(shù)據(jù)誤差的干擾介質(zhì) 如金屬 不透明物體等 三是連接方式 如電線 機械連接 無論采用何種原理設(shè)計的跟蹤設(shè)備 目前沒有一種技術(shù)能在這三個方面都達到理想要求 當(dāng)然如果簡化系統(tǒng)的能力 在要求與 設(shè)備選擇之間做出適當(dāng)?shù)恼壑?以產(chǎn)生一種可接受的體驗也是可以的 但是需要注意的是 位置傳感器的噪聲和低準(zhǔn)確度以及延遲都會降低使用者體驗的真實感和沉浸感 1 2 2 身體跟蹤 身體跟蹤 b o d yt r a c k i n g 是v r 系統(tǒng)感知參與者和動作的能力 被跟蹤的運動分量 取決于身體的部位和系統(tǒng)的實現(xiàn)方式 如果系統(tǒng)可以得到合適的跟蹤設(shè)備 并且大小和重 量都適中 那么就可以在一個或多個自由度跟蹤身體的任何部位 盡管設(shè)備的限制可能會 使得在實現(xiàn)過程中不得不用其他的交互形式代替對某些身體部位的跟蹤 但是v r 體驗的 要求確定了需要進行多少身體跟蹤 有時需要監(jiān)視用戶的頭 有時需要監(jiān)視頭和手 或者 手和軀干 1 2 3 其他物理輸入設(shè)備 除了跟蹤 物理設(shè)備是用戶和虛擬環(huán)境之間的另一部分接口 這些設(shè)備通常是為某個 特定的應(yīng)用系統(tǒng)專門設(shè)計的 與物理設(shè)備交互可以感知一些物理屬性 如重量 表面紋理 等 它為用戶提供了某種形式的力反饋 當(dāng)抓握或移動這些物理設(shè)備時 用戶能感知它們 的運動 1 3 本文研究內(nèi)容與成果 1 3 1 主要研究內(nèi)容與目標(biāo) 本課題作為國家自然科學(xué)基金資助項目虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)和虛擬心臟介入手術(shù)的一 部分 主要負責(zé)虛擬手術(shù)的設(shè)備與人機接口部分 通過仔細研究這兩個手術(shù)的操作特點解 決如何把電磁跟蹤設(shè)備f a s n k 應(yīng)用到虛擬手術(shù)系統(tǒng)中 圍繞這個研究目標(biāo) 我們的研 究內(nèi)容主要包括f a s t m 與o p e n g l 場景的融合 手術(shù)器械的模擬和f a s t r a k 數(shù)據(jù)濾 波校正等三個方面內(nèi)容 其中 研究基于頻譜分析的f f t 帶通濾波器對復(fù)雜操作環(huán)境下的 f a s t r a k 數(shù)據(jù)噪聲去除算法是本文的研究重點 1 f a s t r a k 與o p e i l g l 場景的融合 虛擬手術(shù)系統(tǒng)必須能夠與外界交互 實現(xiàn)一定意義的反饋 否則起不到任何訓(xùn)練醫(yī)生 輔助治療的作用 因此考慮如何把電磁跟蹤器f a s t r a k 應(yīng)用到虛擬手術(shù)系統(tǒng)中 保持坐 標(biāo)系統(tǒng)的一致性 操作的自由性具有十分重要的意義 這也是本文的研究基礎(chǔ)所在 本文 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 深入理解電磁跟蹤器f a s t r a k 所提供的a p i 函數(shù) 并且將它應(yīng)用于虛擬手術(shù)系統(tǒng)的 o d e n g l 場景之中 我們試圖簡化虛擬手術(shù)系統(tǒng)中模型的多樣性 并試圖用坐標(biāo)變換統(tǒng)一 視圖 2 手術(shù)器械的模擬 在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中我們添加了器械模型類 通過它產(chǎn)生各種手術(shù)器械的實例 并由統(tǒng) 一的模型管理類實現(xiàn)對所有模型的加載 碰撞檢測等 當(dāng)給移動對象捆綁上笛卡爾坐標(biāo)系 利用o p e n 吼提供的g l l l l o o k a t 0 函數(shù) 給相應(yīng)參數(shù)賦上f a s t r a k 所采集到的坐標(biāo)或方向 數(shù)據(jù) 當(dāng)移動f a s t r a k 的接收器時 o p e n g l 場景中的器械如膝關(guān)節(jié)鏡也隨之移動 也 就是實現(xiàn)了手術(shù)器械的模擬 3 f a s t r a k 數(shù)據(jù)濾波校正 對于電磁設(shè)備 因為磁場的特征是隨著距離增加而以幾何級數(shù)遞減 導(dǎo)致精度隨著接 收器與發(fā)射器之間距離增加而降低 又由于使用環(huán)境中金屬塊 地板及墻壁 供電方式 采樣及刷新頻率等各種隨機噪聲的影響 往往不能達到f a s t r a k 的精度指標(biāo) 我們試圖 研究虛擬手術(shù)操作環(huán)境中可能的噪聲 進行定性定量分析 并找到一種合適的濾波算法對 操作環(huán)境下的復(fù)雜噪聲進行去除 保證手術(shù)場景視圖的平穩(wěn)及數(shù)據(jù)的精確 1 3 2 主要研究成果 首先 本文對電磁跟蹤器f a s l r a k 進行了深入的研究 為二次開發(fā)打下了基礎(chǔ) 其次 本文從膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù) 心臟介入手術(shù)的特點出發(fā) 結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù) 提出了 用f a s t m 分別模擬膝關(guān)節(jié)鏡和導(dǎo)絲及導(dǎo)引導(dǎo)管 利用f a s t r a k 接收器本身與上面的 手術(shù)器械相似的特點 較好地解決兩個虛擬手術(shù)中的人機接口問題 最后 本文在全面了解現(xiàn)有電磁跟蹤器校正技術(shù)的基礎(chǔ)上 詳細分析了虛擬手術(shù)系統(tǒng) 應(yīng)用環(huán)境下的噪聲模型 提出針對f a s t r a k 噪聲數(shù)據(jù) 基于頻譜分析的帶通濾波去除算 法 實現(xiàn)了f a s 認k 數(shù)據(jù)的平滑處理 得到符合虛擬手術(shù)系統(tǒng)中o p e n g l 場景坐標(biāo) 方 向數(shù)據(jù) 使得虛擬手術(shù)能夠平穩(wěn) 準(zhǔn)確進行 實驗分析表明 本文提出的濾波校正算法可 以極大地去除噪聲 降低f a s t r a k 對周圍環(huán)境的敏感性 相比目前已有的四種濾波校正 軟件 具有實時動態(tài) 純軟件方案 自適應(yīng)的特點 1 4 本文的結(jié)構(gòu) 本文的研究背景是為虛擬手術(shù)系統(tǒng)解決人機接口問題 對手術(shù)器械進行模擬 本文共 分7 個章節(jié) 用來研究和探討電磁跟蹤器f a s t r a k 在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù) 第一章引言部分介紹了虛擬手術(shù)系統(tǒng)的概念 概述了虛擬手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)備與接口 說 明了本文課題的理論意義和應(yīng)用價值 第二章對電磁跟蹤設(shè)備f a s t i h k 的原理做出詳細分析 解釋了引起電磁場扭曲的因 素 得出了電磁場扭曲的模型 并對f a s t r a k 數(shù)據(jù)去噪校正的相關(guān)技術(shù)做出比較 第三章介紹f a s t r a k 在虛擬手術(shù)中的應(yīng)用及需要解決的問題 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第四章分析f a s 職a k 自帶的a p i 濾波器的不足 提出新的基于f f t 的f a s t r a k 噪 聲數(shù)據(jù)帶通濾波模型 第五章總結(jié)現(xiàn)有四種電磁跟蹤器數(shù)據(jù)校正軟件 介紹了f a s t r a ka p i 濾波參數(shù)設(shè)置 方法 著重闡述了新的去噪算法及軟件實現(xiàn) 第六章對本文提出的算法進行了數(shù)據(jù)比較分析 應(yīng)用演示 并對所獲得的性能做出評 估 第七章總結(jié)了本文所做的工作 分析其成功與不足 并對未來工作做了進一步展望 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第2 章應(yīng)用環(huán)境下f a s t r a k 電磁場的噪聲扭曲 交互性是虛擬手術(shù)系統(tǒng)的首要特性 為了實現(xiàn)人機交互 在開發(fā)系統(tǒng)中必須使用特殊 的人機接口與外設(shè) 既要允許用戶信息輸入到計算機 也要使計算機能反饋信息給用戶 而且交互設(shè)備還要能與模擬實際的手術(shù)器械操作 本章主要介紹在開發(fā)兩種虛擬手術(shù)系統(tǒng) 中所采用的f a s t r a k 電磁跟蹤設(shè)備 及引起電磁場扭曲的原因和相關(guān)校正技術(shù) 2 1 電磁跟蹤設(shè)各的原理 傳感器 t m s d u c e r 用于檢索真實世界中的數(shù)據(jù) 它能夠感知物理世界中的現(xiàn)實并 把它轉(zhuǎn)換成另一種形式 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中 轉(zhuǎn)換成的形式是計算機系統(tǒng)能夠處理的電信 號 韋氏字典中定義如下 t r a i l s d u c e r 一ad e v i c e t 1 1 a tr e c e i v e se n e r g yf r o mo n es y s t e ma i l d r e t i 鋤s m i t si t o n e ni 1 1ad i m r e n if o n n t oa j l o t l l e r 即傳感器可以從一個系統(tǒng)接受能量并以不 同的形式傳遞給另一個系統(tǒng)的設(shè)備 電磁跟蹤設(shè)備就是這樣一種可以感知周圍的電磁場 并把它轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的電信號的包含發(fā)射器 t r a f l s n l i t t e r 接收器 r e c e i v e r 和處理單元 s e u 的設(shè)備 2 1 1 電磁跟蹤設(shè)備 目前 非接觸3 d 跟蹤技術(shù)已經(jīng)取代了機械測量 包括有磁場 超聲波 雷達或攝像 機等 電磁跟蹤 e l e c 拄o m a g n e t i ct r a d i n g 是一種常用的v r 跟蹤技術(shù) 它通過一個發(fā)射器 呦s l l l i t t e r 內(nèi)部的三個正交線圈產(chǎn)生低級磁場 在用戶穿戴的接收設(shè)備上也有一組線圈 這些場在這組線圈中產(chǎn)生電流 通過測量接收器 r e c e i v e r 中每個線圈的信號 可以確定接 收器相對于發(fā)射器的位置 發(fā)射器固定在已知的位置和方向上 因此可以計算出接收器的 絕對位置 電磁跟蹤器其原理可以用圖2 1 表示 8 o 曰磐黜 巍刪 r 位置或角度 電磁連接 電磁場 位置或角度 傳感器不斷地接收位置或角度的天線信號 圖2 1 電磁跟蹤設(shè)備基本工作原理黑盒圖 電磁跟蹤的原理是把線圈當(dāng)成天線 當(dāng)接收天線遠離發(fā)射天線時信號會減弱 發(fā)射器 的每個線圈天線發(fā)出連續(xù)的脈沖信號 隨著發(fā)送器線圈和接收器線圈之間的相對方向的變 化 信號的強度也會發(fā)生變化 當(dāng)接收線圈天線的方向與發(fā)射器天線的方向相同時 會接 收到比較強的信號 通過分析每個接收線圈的信號強度 系統(tǒng)就可以確定每個接收器的6 個自由度的位置 以及相對于接收器的位置 接收器在哪里 x y 和z 位置 以及處于什么 答 0 口 一 接 磁 電 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 方向 旋轉(zhuǎn)角r o l l 俯仰角e 1 e v a t i o n 和偏航角a z i m u 也 電磁跟蹤系統(tǒng)的一個局限性是應(yīng)用環(huán)境中的金屬可能會引發(fā)磁干擾 另一個局限性是 只能在較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生磁場 但其優(yōu)點是沒有視線的限制 從而即使用戶與發(fā)射器之間 存在多個視覺或聽覺障礙物的情況下 仍可以在空間中自由移動 雖然這些障礙物可能會 對其他類型的跟蹤設(shè)備產(chǎn)生干擾 其次是無線系統(tǒng)帶來的方便性 可以為參與者減少累贅 2 1 2 交流電磁跟蹤設(shè)備 發(fā)射器接收器 圖形工作站可以處理的6 d o f 數(shù)據(jù) 圖2 2f a s t r a k 電磁跟蹤器工作原理框圖 f a s n t a k 就是由p o l h e m u s 公司研發(fā)的一種6 d o f x y z 三個坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)和 a 2 i m u m e l e v a t i o n r o l l 三個旋轉(zhuǎn)角度 的交流電磁跟蹤器 如圖2 2 所示 9 它由發(fā)射器 接收器和計算模塊 處理器 組成 發(fā)射器 打鋤s i n i t t e r 由三個磁場方向相互垂直的由交 流電流產(chǎn)生的雙極磁源構(gòu)成 接收器 r e c e i v e r 由三套分別測量三個磁源對應(yīng)的方位向量 的線圈構(gòu)成 由于接收器所測得的三個向量包含了足夠的信息 因而可以計算出接收器相 對于發(fā)射器的方位 接收器收到的信號還需要放大器使信號放大并被解調(diào) 然后經(jīng)過模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路將其數(shù)字化 圖2 3 電磁跟蹤設(shè)備f a s t r a k 的構(gòu)成 第7 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 圖2 4f a s t 融 k 連接示意圖 跟蹤器的精度隨著接收器與發(fā)射器之間距離的增加而降低 這是因為磁場的特征 隨著距離的增加以幾何級數(shù)遞減 另外 由于鐵磁物質(zhì)及其它隨機噪聲對測量結(jié)果的影響 所以在使用f a s t 鼬k 輸出的數(shù)據(jù)之前還需要對所采集到的位置及方向信息進行校正處 理 圖2 3 所示為一套完整的f a s t r a k 電磁跟蹤器系統(tǒng) 圖2 4 為發(fā)射器 接收器與 f a s l r i 認k 主機的連接圖 2 1 3 直流電磁跟蹤設(shè)備 交流電磁跟蹤器的缺點是對出現(xiàn)在發(fā)射器和接收器附近的電子導(dǎo)體非常敏感 交流旋 轉(zhuǎn)磁場在鐵磁物質(zhì)中產(chǎn)生渦流 這將導(dǎo)致磁場的產(chǎn)生 這些磁場能使交流電磁跟蹤器的發(fā) 射器產(chǎn)生的場模式發(fā)生畸變 這些畸變的場會導(dǎo)致跟蹤器計算的位置和方向錯誤 為了減 少畸變的影響 有公司如a s c e n s l 0 n 技術(shù)公司開發(fā)出一種只在測量周期開始時產(chǎn)生渦流 的直流電磁跟蹤器 在渦流衰減到零時就會達到一種穩(wěn)定的狀態(tài) 同交流電磁跟蹤器的構(gòu)成相似 直流電磁跟蹤器由發(fā)射器 接收器和計算模塊組成 發(fā)射器由繞立方體芯子正交纏繞的三組線圈組成 它被嚴格地安裝在基準(zhǔn)構(gòu)架上 立方體 芯子由磁性可穿透金屬組成 可以集中渦流穿過任一組線圈時產(chǎn)生的磁力線 如果安裝時 線圈沒有相互正交 則需要校準(zhǔn)此跟蹤器并把校正數(shù)據(jù)存儲在查詢表中 發(fā)射器依次向三組發(fā)射器線圈輸入直流電流 使每一組發(fā)射器線圈分別產(chǎn)生一個脈沖 調(diào)制的直流電磁場 一個完整的測量周期是1 0 m s 由四個2 5 m s 的區(qū)間組成 在三個連續(xù) 的區(qū)間內(nèi) 電流脈沖依次作用到三組發(fā)射器線圈上 在第四個區(qū)間內(nèi) 發(fā)射器是靜止的 沒有直流脈沖的作用 每一個直流脈沖都有一個嚴格控制的上升時間 根據(jù)由跟蹤器的位 置輸出確定的發(fā)射器對接收器的范圍來確定 這就保證了系統(tǒng)的靈敏度保持在一個很寬的 發(fā)射器一接收器的操作范圍內(nèi) 第8 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 接收器也是由繞立方體芯子正交纏繞的三組獨立的線圈組成 立方體的中央是一介圓 柱形的管子 四周纏繞著另一組勵磁線圈 使用接收器就像使用一個三軸磁力計一樣 三 向線圈幾乎同時測量接收器單元所在的磁場的各個不同部分 2 2 電磁場扭曲的原因 具有電磁特性的跟蹤設(shè)備 其數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的工作現(xiàn)場充斥著各種來自系統(tǒng)內(nèi) 部和外部的干擾 這些干擾通常稱之為噪聲 它極易引起跟蹤設(shè)備的周圍電磁場的扭曲 當(dāng)被測信號很微弱時 就會被噪聲 淹沒 導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集與處理誤差很大 可靠性降低 還可能造成系統(tǒng)失靈 甚至可能釀成重大事故 因此 噪聲是電磁跟蹤設(shè)備應(yīng)用的主要障 礙 為了能得到精確的數(shù)據(jù) 必須考慮到存在的各種干擾對系統(tǒng)的影響 把抗干擾問題作 為系統(tǒng)設(shè)計的一個至關(guān)重要的內(nèi)容 從軟 硬件設(shè)計及實現(xiàn)技術(shù)三個方面采取相應(yīng)的措施 以增強系統(tǒng)的抗干擾能力 1 0 1 電磁跟蹤設(shè)備工作環(huán)境的干擾源很多 引起電磁場扭曲的原因各有特點 可以從以下 不同角度對其進行分類 2 2 1 按干擾的來源分類 1 內(nèi)部干擾 指系統(tǒng)的內(nèi)部電子電路的各種干擾 如元器件的老化引起的參數(shù)變化 以及電阻的熱 噪聲 晶體管 場效應(yīng)管等器件內(nèi)部分配噪聲和閃爍噪聲 放大電路正反饋引起的自激振 蕩等 2 外部干擾 指外界竄入系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾 如電動機電刷引起的電火花 其它設(shè)備的脈沖開關(guān)接 觸所產(chǎn)生的電磁信號 自然界的雷電 宇宙輻射的電磁波等 2 2 2 按干擾的出現(xiàn)規(guī)律劃分 1 固定干擾 指系統(tǒng)附近固定的電氣設(shè)備運行時發(fā)出的干擾 如鄰近的 強電 設(shè)備的啟停所引入 的一個固定時刻的干擾 2 半固定干擾 指某些偶然使用的電氣設(shè)備 如行車 電鉆等 引起的干擾 有可預(yù)測性 3 隨機干擾 指偶發(fā)性干擾 如閃電 供電系統(tǒng)繼電保護的動作等干擾 難以預(yù)測發(fā)生時刻 2 2 3 按干擾產(chǎn)生傳播的方式分類 1 靜電干擾 指電場通過電容耦合的干擾 是由于元器件及導(dǎo)線之間的寄生電容所產(chǎn)生的 此外 也包括化纖 纖維之間的摩擦而使人體帶電 從而由人體對電子設(shè)備所產(chǎn)生的干擾 第9 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 2 磁場耦合干擾 磁場耦合干擾是一種感應(yīng)干擾 是由于動力線 變壓器 電動機 繼電器 電風(fēng)扇等 產(chǎn)生的交變磁場穿過傳輸線或閉合導(dǎo)線形成的回路 而在傳輸線上或閉合導(dǎo)線上感應(yīng)出的 交流干擾電壓 3 電磁輻射干擾 由各種大功率高頻 中頻發(fā)生裝置及電火花產(chǎn)生的高頻電磁波向周圍空間輻射產(chǎn)生的 干擾 4 電導(dǎo)通路耦合干擾 指電導(dǎo)通路由于接地電位的不同而在各單元回路之間的公共阻抗上產(chǎn)生的干擾 因為 是多接地點 會在接地環(huán)路上形成環(huán)行電流 這種環(huán)行電流通過接地環(huán)路阻抗把瞬態(tài)噪聲 干擾耦合到下一級電路 5 漏電耦合干擾 是由于儀器內(nèi)部的電路絕緣不良 而出現(xiàn)的漏電流引起的電阻耦合產(chǎn)生的干擾 也可 能是由高輸入阻抗器件組成的系統(tǒng) 因其阻抗與電路板絕緣電阻可以相比擬 通過電路板 產(chǎn)生漏電流而形成的干擾 2 2 4 按干擾輸入信號的關(guān)系分類 1 串模 差模 干擾 串模干擾是指干擾信號與被測信號串聯(lián)在一起 它成為被測信號的一部分 被送到放 大器進行放大 影響很大 產(chǎn)生的原因 外部高壓供電線交變電磁場通過寄生電容耦合進 傳感器一端 電源交變電磁場對傳感器一端的漏電流耦合 2 共模干擾 共模干擾指在信號地和儀器地 大地 之間的干擾 產(chǎn)生的原因 1 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 附近有大功率的電器設(shè)備 電磁場以電感或電容形式耦合到傳感器和傳輸導(dǎo)線中 2 電源 絕緣不良而引起的漏電或三相動力電網(wǎng)負載不平衡致使零線有較大的電流時 存在著較大 的地電流和地電位差 如果系統(tǒng)有兩個以上的接地點 則地電位差就會造成共模干擾 3 電氣設(shè)備的絕緣性能不良時 動力電源會通過漏電阻耦合到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號回路 形 成干擾 4 在交流供電的儀器中 交流電會通過原 副邊繞組間的寄生電容 整流濾波電 路 信號電路與地之間的寄生電容到地構(gòu)成回路 形成干擾 2 2 5 軟件方面的干擾源 主要表現(xiàn)在以下幾個方面 1 不正確的算法產(chǎn)生錯誤的結(jié)果 最主要的原因是由于計 算機處理器中的程序指數(shù)運算是近似計算 產(chǎn)生的結(jié)果有時有較大的誤差 容易產(chǎn)生誤動 作 2 由于計算機的精度不高 而加減法運算時要對階 大數(shù) 吃掉 了小數(shù) 產(chǎn)生了 誤差積累 導(dǎo)致下溢的出現(xiàn) 也是噪聲的來源之一 3 由于計算機處理器是高速數(shù)字器件 所以它的運算器 控制器及控制寄存器易受電磁干擾 以上硬件受到干擾引起的計算機出 現(xiàn)的諸如 程序計數(shù)器p c 值變化 數(shù)據(jù)采集誤差增大 控制狀態(tài)失靈 r a m 數(shù)據(jù)受干擾 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn) 死鎖 等現(xiàn)象 干擾的來源是多方面的 有時是錯綜復(fù)雜的 必須從減少噪聲源 抑制噪聲在傳播路 徑上的傳播 抑制電路對噪聲的感受能力幾方面入手 才能保證數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的正 常工作 2 3f a s t r a k 電磁場扭曲的模型描述 電磁場v 與發(fā)射器的距離 之間的關(guān)系可以如下表示 v c 一3 2 1 則可導(dǎo)出發(fā)射器與接收器之間的距離r 與電磁場v 的關(guān)系式如下 r 芘v v 3 2 2 進而可導(dǎo)出由于測量v 產(chǎn)生的誤差 v 所引起的在距離 上產(chǎn)生的誤差 r 之間的關(guān)系 可以描述如下 車 v 2 3 聯(lián)合前式 2 2 則知 r 4 v 2 4 因此若干擾電磁場一定即接收器距離一定 如 v 為常數(shù) 則計算出的位置誤差與發(fā) 射器和接收器之間距離矗的四次方成正比 即 缸z 以4 2 5 因此當(dāng)電磁跟蹤設(shè)備附近有金屬物的時候 對電磁場的影響分別來自發(fā)射器與該金屬 物之間的距離如和該金屬物與接收器之間的距離九 這樣 v 則可表示為 舢 矗旁 陋6 把上式與前式 2 5 進行合并 由于金屬物體引起的誤差 可以表示如下 舨喪 2 7 接收器 圖2 5 金屬導(dǎo)體 發(fā)射器與接收器之間的距離與誤差的關(guān)系 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 除去電磁場的漩渦因素 鐵磁物質(zhì)的高滲透性對電磁場的影響甚為明顯 由此而產(chǎn)生 的電磁場扭曲即可用上式 2 7 描述 如圖2 5 所示 若p 3 以則金屬導(dǎo)體對電磁跟蹤器的 影響可以忽略 2 3 1 電磁場干擾 由于電磁跟蹤器是建立在電磁場中的 它們?nèi)菀资艿酵獠看艌龅母蓴_ 主要來源是輸 電線網(wǎng)和附近的顯示器 下面從四個方面來說明 第一 輸電線的噪聲和跟蹤器采樣頻 率之間的關(guān)系 包括同步問題 第二 顯示器的垂直刷新頻率 顯示器和接收器之間的距 離 第三 發(fā)射器和接收器數(shù)據(jù)傳輸線之間的距離 第四 發(fā)射器和接收器之間的距離 1 采樣頻率 直流電磁跟蹤設(shè)備和交流電磁跟蹤設(shè)備對于外界的干擾有著不同的磁化系數(shù) 如 f a s 職a k p o l h e m u s 是一個以8 l o 1 2 1 4 千赫茲為中心的帶寬為1 千赫的交流電 系統(tǒng) 而b i r d a s c e n s i o nf l o c k 是一個帶寬末端延伸至接近直流的準(zhǔn)直流系統(tǒng) 在辦公室環(huán) 境里最常存在的電磁場來源是電動辦公用具和輸電線產(chǎn)生的磁場 直流電磁跟蹤器b i r d 比 交流電磁跟蹤器f a s t r a k 受到的影響更嚴重 無論采樣頻率高低 后者都表現(xiàn)出很低的 噪聲干擾 從一開始每個測量周期包括三個分散的激發(fā)脈沖和同步的傳感器測量 結(jié)果是在采樣 之前無法對傳感器的信號濾波 因此 有可能因為頻率關(guān)系混淆噪聲與實際跟蹤器的運動 為了避免混淆這些干擾 就要使得采樣頻率工大于或等于輸電線頻率 的兩倍 即 2 厶 然而 輸電線的頻率并不是固定不變的 在實際應(yīng)用中 有細微的變化 如果用一個 不變的頻率z 來對數(shù)據(jù)采樣 厶將會改變?yōu)V波器傳遞函數(shù) 工 2 的零點 干擾不會完全 消除 為了有效地消除干擾 必需要求與跟蹤器同步采樣 2 顯示器 圖2 6c r t 顯示器 發(fā)射器與接收器之問的距離與誤差的關(guān)系 在跟蹤器的使用環(huán)境中另一個到處存在的電磁干擾來源是計算機顯示器陰極射線管 產(chǎn)生的磁場 根據(jù)公式 2 5 可知電磁跟蹤器的數(shù)據(jù)誤差與發(fā)射器和接收器之間的距離吐 有 第1 2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 關(guān) 但在d 一定的情況下改變接收器與顯示器之間的距離 仍可發(fā)現(xiàn)顯示器會影響電磁跟 蹤器的數(shù)據(jù) 這是因為c r t 顯示器的工作原理即存在固有的垂直刷新周期 影響了工作環(huán) 境周圍的電磁場 如圖2 6 中所示 3 發(fā)射器線和接收器線之間的距離 當(dāng)發(fā)射器電纜和接收器電纜靠得很近或是纏在一起的時候 也會影響電磁跟蹤器的數(shù) 據(jù) 而且影響可能很大 仍由前式 2 4 可知 產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是由于兩根電纜線中具 有金屬塊以及兩者產(chǎn)生的電磁偶合對跟蹤器的電磁場起到了干擾作用 4 發(fā)射器線和接收器之問的距離 據(jù)本節(jié)開始對電磁跟蹤器誤差產(chǎn)生的模