CN104739411A - 一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，包括：步骤1，磁传感器把x,y,z三个传感轴方向的入射磁感应强度B_x、B_y、B_z转换成模拟信号差动电压V_x、V_y、V_z，输出信号送至信号调理器，信号调理器将模拟信号转换成数字信号；步骤2，磁传感器对磁目标进行采样测量，把采样点位置和测量值送至中央控制器；步骤3，在中央控制器内通过A/D模数转换把每一组V_x、V_y、V_z还原成B_x、B_y、B_z，并建立空间坐标系；步骤4，计算磁目标的角度和运动方向；步骤5，重复步骤1至4，直至超出检查床的预定检测区域；步骤6，中央控制器将处理得到的数据信息送至数据存储器存储；步骤7，绘制磁性物质空间运动轨迹。

Description

一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法

技术领域

本发明涉及医学检测领域，特别是一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法。

背景技术

目前常见的医学定位方法有核医学图像定位法、超声定位法、射频信号定位法、交流激磁定位法、磁标记物定位法和电磁定位法。核医学图像定位法的缺点是具有高辐射性；超声定位法、射频信号定位法和交流激磁定位法的缺点是定位精度低并且实现模型复杂；磁标记物定位法和电磁定位法的缺点是成本高。由于人体的磁导率与空气，水或者其它非铁磁性物质的磁导率很接近，而非铁磁性物质对于静磁场几乎没有影响，因此磁定位方法的定位精度会很高，而且对人体没有辐射性，实现成本低。

由于磁定位方法适用于非可视状态下的磁性物质三维定位，所以磁定位方法在各行业领域都有着一定的应用，如：室内导航，车模定位，水下定位以及医用介入设备的定位等。随着科技的进步，医学检测领域对磁定位检测方法有了更高的精度、性能和技术要求。

中国专利申请201310715156.3提出了“一种磁定位装置、具有该磁定位装置的车模及其定位方法”，该方案虽然能够运用磁感应元件在磁场下生成电流信号，以识别车模位置，具有成本较低、操作简单等优点，但还存在以下明显不足：一是使用多个磁感应元件在不同的道路板上进行检测，增加了成本和定位的复杂度；二是磁感应元件相对道路板保持不动，位置取决于道路板，容易受到车辆挤压影响，增加了定位难度。

中国专利申请201210404303.0提出了“一种基于三轴矢量磁传感器阵的磁性目标定位方法”，该方案利用由五个三轴磁传感器组成磁梯度张量测量阵列来对磁性目标进行定位，该方案虽然具有受地磁场倾角、偏角影响小等优点，但还存在以下明显不足：一是需要使用五个磁传感器来组成传感阵，成本较高；二是布置磁梯度张量测量阵列时需要保证所有三轴矢量传感器对应的三个敏感轴均相互平行，导致操作复杂。

中国专利申请201210227393.0提出了“一种磁传感器定位方法”，该方案用于水下定位，定位精度可达0.2m，该方案虽然具有抗干扰能力强、环境适应性强等优点，但是还存在以下明显不足：一是该方案用于水下大范围定位，相对于医学定位精度仍然不够；二是磁传感器位置固定不动，操作相对复杂。

综上所述，磁定位方法在不同领域内已经有了一定的研究，但是尚未有成熟的产品出现，现有产品的缺点集中表现在磁传感器位置固定，数量多，定位算法复杂，操作困难以及成本较高。如何克服现有技术以上的不足，并将磁定位技术应用到医学检测领域是一个亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，该方法可以使用检测定位装置进行，检测定位装置一般由上位机软件部分和下位机硬件部分组成，下位机硬件部分包括圆形扫描轨道、位于圆形扫描轨道上的磁传感器、以及位于圆形扫描轨道内的检查床，圆形扫描轨道由伺服电机驱动皮带带动旋转，磁传感器电连接第一无线数据收发器，第一无线数据收发器与第二无线数据收发器无线连接；第二无线数据收发器与所述伺服电机之间依次电连接信号调理器、中央控制器、电转接模块以及伺服驱动器，中央控制器连接上位机。

该方法包括以下步骤：

步骤1，磁传感器把x,y,z三个传感轴方向的入射磁感应强度B_x，B_y，B_z转换成模拟信号差动电压V_x，V_y，V_z，输出信号通过无线数据收发模块送至信号调理器，信号调理器将模拟信号转换成数字信号；

步骤2，磁传感器在圆形扫描轨道上匀速旋转，在相邻两个采样点之间时间间隔足够短的情况下，可以认为该时间段内的磁目标的位置不变，把这两个相邻的采样点作为一组，然后进行下一组采样，由中央控制器设置每旋转一周内在轨道上取N组采样组，即2N个采样点，磁传感器在每一个采样点上对检查床上人体内外的磁目标进行采样测量得到测量值，并把采样点位置和测量值送至中央控制器，N的取值范围为100～600；每旋转一周内在轨道上取2N个采样点(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，(x₂₂,y₂₂,z₂₂)…，(x_N1,y_N1,z_N1)，(x_N2,y_N2,z_N2),磁传感器在每一个采样点上对检查床上人体内外的磁目标进行采样测量，测量值依次为(V_x11,V_y11,V_z11)，(V_x12,V_y12,V_z12)，(V_x21,V_y21,V_z21)，(V_x22,V_y22,V_z22)，…，(V_xN1,V_yN1,V_zN1)，(V_xN2,V_yN2,V_zN2)，并把采样点位置和测量值送至中央控制器；

步骤3，在中央控制器内通过A/D模数转换把每一组V_x，V_y，V_z还原成B_x，B_y，B_z，并建立空间坐标系；

步骤4，在中央控制器中利用传感器的位置(u,v,w)和磁目标位置(a,b,c)计算磁目标的角度和运动方向，其中运动方向由所得磁性目标的相邻两组采样点计算得出相对空间位置即可得出，若令α、β、γ分别为磁性目标在XOY、YOZ、XOZ平面上的倾角，则可以根据如下公式计算得出：

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{b-v}{a-u}\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{c-w}{b-v}\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{c-w}{a-u}\right)$

步骤5，中央控制器控制控制检查床进行匀速前进或后退运动，重复步骤1至4，直至超出检查床的预定检测区域；

步骤6，中央控制器将处理得到的数据信息包括磁传感器位置、角度以及运动方向送至数据存储器存储；

步骤7，上位机调用数据存储器中的数据，在LabVIEW软件中结合空间模型和位置重建信息，绘制人体内外磁性物质空间运动轨迹，为医学诊断提供参考。

检测定位装置的上位机软件部分包括空间数学模型建立，定位数据重建以及磁性目标运动轨迹显示，空间数学模型建立包括运用硬件部分固定支架，磁校准的参考数据为每次检测建立空间模型，定位数据重建包括运用建立完成的空间模型，以及数据存储器的记录的数据计算出每次测定的磁目标位置信息。

检测定位装置的下位机硬件部分的功能包括：

中央控制器：控制磁传感器沿扫描轨道旋转运动，控制检查床匀速前进或后退运动，建立坐标系和求解位置方程并把信息发送到上位机以及数据存储模块；

信号调理器：包括模拟信号处理器和数字信号处理，模拟信号处理器包括信号预处理电路和低通滤波电路，模拟信号处理器将磁传感器的输出信号进行放大、滤波处理，模拟信号处理器利用二阶巴特沃斯低通滤波器滤出外界高频磁场干扰，数字信号处理器包括A/D模数转换电路，将模拟信号处理器的输出信号进行A/D模数转换；

数据存储器：存储来自信号调理器的输出数据，数据被上位机软件调用；

磁传感器：由磁传感器和校准电路组成，经校准后的磁传感器用以感应磁场强度来测量人体内外磁目标的位置三个方向等物理参数；

机架：磁传感器的圆形扫描轨道；

检查床：用于病人平躺，在中央控制器的控制下保持匀速前进或后退运动；

本发明中，电转接模块用于中央控制器以及伺服驱动器的电线汇接。。

步骤3中建立空间坐标系，使用如下3个方程：

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](u-a)}{r^5}-\frac{n}{r^3}\},$

$B_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](v-b)}{r^5}-\frac{p}{r^3}\},$

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](w-c)}{r^5}-\frac{q}{r^3}\},$

其中(n,p,q)表示磁偶极矩，磁偶极矩是描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量，n、p、q分别代表磁偶极矩在x,y,z三轴上的分量，μ₀代表真空中的磁导率，μ₀＝4π×10^-7(H/m)，r代表磁传感器与磁目标之间的距离。同一周内的2N个采样点提供6N组磁传感器位置参数和对应入射磁感应强度，即能得到N个磁目标位置解并求出磁偶极矩。

本发明适用于人体表面以及非可视状态下人体内的磁性物质三维定位，如：呼吸曲线的测量、人体内磁性药物颗粒的循迹、内窥胶囊的示踪以及插入导管的检测等等。

有益效果：本专利中使用磁传感器对磁性目标进行检测定位，磁传感器可在圆形轨道上移动，增加扫描次数，提供更多磁性目标的位置信息，并且很大程度地减少了磁传感器的数量，硬件容易实现并操作简单而且成本降低。本发明可以进行可视或者非可视状态下的磁性目标定位，定位算法容易实现且精度大幅提高，降低了检测难度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是空间坐标系示意图。

图2是生物体内磁目标定位检测装置结构示意图。

图3是呼吸曲线示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，目的在于协助解决磁定位方法难以实现且精度不高的问题，满足医学诊断提供需求。

本实施例公开了一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，该方法可以使用检测定位装置进行，检测定位装置一般由上位机软件部分和下位机硬件部分组成，检测定位装置如图2所示，其中，下位机硬件部分通常包括磁传感器1、圆形扫描轨道2、皮带3、磁性目标4、伺服电机5、电转接模块6，伺服驱动器7、第一无线数据收发器8与第二无线数据收发器9、检查床10、中央控制器11、信号调理器12等，磁传感器1位于圆形扫描轨道2上，,检查床10位于圆形扫描轨道2内，磁性目标4位于检查床10上，磁传感器1连接第一无线收发模块8，第一无线数据收发器8与第二无线数据收发器9无线连接；第二无线数据收发器9电连接信号调理器12、中央控制器11、电转接模块6以及伺服驱动器7。圆形扫描轨道2通过皮带3由伺服电机5驱动，伺服电机5连接伺服驱动器7，中央控制器11连接上位机。磁性目标4设置在检查床10上方的空间内。

作为本发明的一种优选方案，本发明方法可以包括以下步骤：

步骤1：磁传感器把x,y,z三个传感轴方向的入射磁感应强度B_x，B_y，B_z转换成模拟信号差动电压V_x，V_y，V_z，输出信号通过无线数据收发模块送至信号调理器，信号调理器将模拟信号转换成数字信号。

步骤2：磁传感器在圆形扫描轨道上匀速旋转，每旋转一周内在轨道上取2N个采样点(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，(x₂₂,y₂₂,z₂₂)…，(x_N1,y_N1,z_N1)，(x_N2,y_N2,z_N2)，磁传感器在每一个采样点上对检查床上人体内外的磁目标进行采样测量，测量值依次为(V_x11,V_y11,V_z11)，(V_x12,V_y12,V_z12)，(V_x21,V_y21,V_z21)，(V_x22,V_y22,V_z22)，…，(V_xN1,V_yN1,V_zN1)，(V_xN2,V_yN2,V_zN2)，并把采样点位置和测量值送至中央控制器。

步骤3：在中央控制器内通过A/D模数转换把每一组V_x，V_y，V_z还原成B_x，B_y，B_z，并建立空间坐标系，如图1所示，可以建立如下3个方程：

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](u-a)}{r^5}-\frac{n}{r^3}\},$

$B_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](v-b)}{r^5}-\frac{p}{r^3}\},$

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](w-c)}{r^5}-\frac{q}{r^3}\},$

其中传感器的位置(u,v,w)是已知量，磁目标位置(a,b,c)和磁偶极矩(n,p,q)一共是6个未知量，故需得到两个方程组即6个方程，然后联立即可解出这6个未知量。在磁传感器旋转一周时间内，只要满足两个采样点的采样位置以及时间间隔足够小，可以认为磁目标位置(a,b,c)不变，则同一周内的2N个采样点可以提供6N组位置参数和磁感应强度数据，即能得到N个磁目标位置解并求出未知量(a,b,c,n,p,q)，而磁目标位置(a,b,c)是检测定位装置和方法要得到的结果。

步骤4：在中央控制器中利用磁传感器的位置(u,v,w)和磁目标位置(a,b,c)计算磁目标的角度和运动方向。

步骤5：中央控制器控制控制检查床进行匀速前进或后退运动，重复步骤1至4，直至超出检查床的预定检测区域。

步骤6：中央控制器处理将得到的数据信息包括磁传感器位置、角度以及运动方向送至数据存储器存储。

步骤7：上位机调用数据存储器中的数据，结合空间模型和位置重建信息，绘制人体内外磁性物质空间运动轨迹，为医学诊断提供参考。

以下进一步说明本发明的具体实施例。

实施例2：

以应用于病人呼吸曲线的测量为例：

测量目的：测量病人呼吸曲线作为呼吸监测的一部分，为呼吸方法和装置疾病的诊断提供参考。

测量装置：小磁铁。

测量方法：患者平躺在检查床上，在其左侧第二肋间隙处粘贴小磁铁，螺旋扫描磁检测装置测试工作正常。本发明应用于病人呼吸曲线的测量的具体步骤如下：

步骤1：磁传感器把x,y,z三个传感轴方向的入射磁感应强度B_x，B_y，B_z转换成模拟信号差动电压V_x，V_y，V_z，输出信号送至信号调理器，信号调理器将模拟信号转换成数字信号。

步骤2：磁传感器在圆形扫描轨道上匀速旋转，每旋转一周内在轨道上取300个采样点(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，(x₂₂,y₂₂,z₂₂)…，(x_N1,y_N1,z_N1)，(x_N2,y_N2,z_N2),磁传感器在每一个采样点上对病人胸廓上粘贴的小磁铁进行采样测量，测量值依次为(V_x11,V_y11,V_z11)，(V_x12,V_y12,V_z12)，(V_x21,V_y21,V_z21)，(V_x22,V_y22,V_z22)，…，(V_xN1,V_yN1,V_zN1)，(V_xN2,V_yN2,V_zN2)，并把采样点位置和测量值送至中央控制器。

步骤3：在中央控制器内通过A/D模数转换把每一组V_x，V_y，V_z还原成B_x，B_y，B_z，并建立空间坐标系，可以建立如下3个方程：

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](u-a)}{r^5}-\frac{n}{r^3}\},$

$B_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](v-b)}{r^5}-\frac{p}{r^3}\},$

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](w-c)}{r^5}-\frac{q}{r^3}\},$

其中传感器的位置(u,v,w)是已知量，小磁铁(a,b,c)和磁偶极矩(n,p,q)一共是6个未知量。在磁传感器旋转一周时间内，只要满足两个采样点的采样位置以及时间间隔足够小，可以认为磁目标位置(a,b,c)不变，则同一周内的2N个采样点可以提供6N组位置参数和磁感应强度数据，即能得到N个小磁铁的位置，并求出未知量(a,b,c,n,p,q)，而小磁铁位置(a,b,c)是检测定位装置和方法要得到的结果。

步骤4：在中央控制器中利用磁传感器的位置(u,v,w)和小磁铁位置(a,b,c)计算磁目标的角度和运动方向。

步骤5：中央控制器控制控制检查床进行匀速前进或后退运动，重复步骤1至4，直至超出检查床的预定检测区域。

步骤6：中央控制器将处理得到的数据信息包括磁传感器位置、角度以及运动方向送至数据存储器存储。

步骤7：上位机调用数据存储器中的数据，在LabVIEW软件中结合空间模型和位置重建信息，绘制出病人呼吸曲线，为医学诊断提供参考，显示并储存测得的三轴方向分别的呼吸曲线，图3为所获得的X,Y,Z三个传感轴上测得两个周期的呼吸曲线图，其中3a为胸廓左右方向的运动曲线,3b为胸廓头脚方向的运动曲线,3c为胸廓前后壁方向的运动曲线，通过图3可以得出呼吸周期约为3s/次，正常人体每分钟呼吸16-20次，与实际相符。

本发明提供了一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，该方法使用的检测定位装置包括上位机软件部分和下位机硬件部分；下位机硬件包括圆形扫描轨道、位于圆形扫描轨道上的磁传感器、以及位于圆形扫描轨道内的检查床，圆形扫描轨道由伺服电机驱动皮带带动旋转，磁传感器电连接第一无线数据收发器，第一无线数据收发器与第二无线数据收发器无线连接；第二无线数据收发器与所述伺服电机之间依次电连接信号调理器、中央控制器、电转接模块以及伺服驱动器，中央控制器连接上位机；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1，磁传感器把x,y,z三个传感轴方向的入射磁感应强度B_x、B_y、B_z转换成模拟信号差动电压V_x、V_y、V_z，输出信号送至信号调理器，信号调理器将模拟信号转换成数字信号；

步骤2，磁传感器在圆形扫描轨道上匀速旋转，把两个相邻的采样点作为一组，由中央控制器设置每旋转一周内在轨道上取N组采样组，即得到2N个采样点，磁传感器在每一个采样点上对检查床上人体内外的磁目标进行采样测量得到测量值，并把采样点位置和测量值送至中央控制器，N的取值范围为100～600；

步骤3，在中央控制器内通过A/D模数转换把每一组测量值，转换成入射磁感应强度，并建立空间坐标系；

步骤4，在中央控制器中利用磁传感器的位置(u,v,w)和磁目标位置(a,b,c)计算磁目标的角度和运动方向；

步骤5，中央控制器控制控制检查床进行匀速前进或后退运动，重复步骤1至4，直至超出检查床的预定检测区域；

步骤6，中央控制器将处理得到的数据信息包括磁传感器位置、角度以及运动方向送至数据存储器存储；

步骤7，上位机调用数据存储器中的数据，结合空间坐标系绘制人体内外磁性物质空间运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，其特征在于，所述中央控制器用于控制磁传感器沿扫描轨道旋转运动，控制检查床匀速前进或后退运动，建立坐标系和求解位置方程并把数据发送到上位机以及数据存储器；

信号调理器包括模拟信号处理器和数字信号处理，模拟信号处理器包括信号预处理电路和低通滤波电路，模拟信号处理器将磁传感器的输出信号进行放大、滤波处理，模拟信号处理器利用二阶巴特沃斯低通滤波器滤出外界高频磁场干扰，数字信号处理器包括A/D模数转换电路，将模拟信号处理器的输出信号进行A/D模数转换；

数据存储器用于存储来自信号调理器的输出数据，数据被上位机软件调用；

磁传感器用于感应磁场强度来测量人体内外磁目标的位置三个方向的物理参数。

3.根据权利要求2所述的一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，其特征在于，步骤3中建立空间坐标系，使用如下3个方程计算磁目标位置(a,b,c)和磁偶极矩(n,p,q)：

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](u-a)}{r^5}-\frac{n}{r^3}\},$

$B_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](v-b)}{r^5}-\frac{p}{r^3}\},$

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\{\frac{3[n(u-a)+p(v-b)+q(w-c)](w-c)}{r^5}-\frac{q}{r^3}\},$

其中(n,p,q)表示磁偶极矩，磁偶极矩是描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量，n、p、q分别代表磁偶极矩在x,y,z三轴上的分量，μ₀代表真空中的磁导率，μ₀＝4π×10^-7(H/m)，r代表磁传感器与磁目标之间的距离，同一周内的2N个采样点提供6N组磁传感器位置参数和对应入射磁感应强度，即能得到N个磁目标位置解并求出磁偶极矩。

4.根据权利要求1所述的一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，其特征在于，所述磁传感器为两个以上的偶数，对称的设置在圆形扫描轨道上。

5.根据权利要求1所述的一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，其特征在于，中央控制器控制扫描轨道旋转运动以及检查床的运动。

6.根据权利要求1所述的一种使用磁传感器对磁性目标进行检测定位的方法，其特征在于，信号调理器包括模拟信号处理器和数字信号处理器，用于实现数字信号和模拟信号之间的转换。