CN110869707B

CN110869707B - 磁式方位·位置测量装置

Info

Publication number: CN110869707B
Application number: CN201880041416.4A
Authority: CN
Inventors: 本蔵义信; 本蔵晋平
Original assignee: Asahi Intecc Co Ltd
Current assignee: Asahi Intecc Co Ltd
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: EP3644018A1; JP2019007936A; JP6256962B1; WO2018235481A1; EP3644018B1; US20200124396A1; CN110869707A; US11112229B2; EP3644018A4

Abstract

【课题】开发一种磁式方位·位置测量装置，其在大小足可容纳患者全身的空间中产生三维磁场，在足够大的三维空间中，对内置有磁场传感器的导入装置的方位和位置，实现20μm以下的空间分辨率、0.2度以下的方位分辨率，以及100μm以下的位置误差和1度以下的方位误差。【解决方案】提供一种磁式方位·位置测量装置，其包括：能够利用沿X轴、Y轴和Z轴产生的磁场而在预定的三维空间内产生均匀磁场和倾斜磁场的三维磁场发生装置；用于测量磁场强度的单轴磁场传感器；以及用于算出磁场传感器在三维空间中的位置和方位的运算装置。

Description

磁式方位·位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种在人工产生的三维磁场空间中求出内置有磁场传感器的导入装置的位置和方位的磁式方位·位置测量装置。

背景技术

随着医学领域的高度化，诸如胃摄像机、导管和血管内视镜等生物体内导入装置大为普及，但对它们位置和方位的掌握需求也在增加。正在进行的研究有以下方法：在装置侧内置磁铁或电磁铁、利用外部的磁场传感器来测量其位置和方位的方法(专利文献1)；对装置侧的单轴磁场传感器与设置在位置特定的两点处的两个磁场传感器及外部的磁场发生装置进行组合的方式(对比文件2)；以及对三个外部磁场发生装置和内置于导引器前端的磁场传感器进行组合的方式(专利文献3)等。

导管前端部的用于传感器内置的空间非常小，其直径为0.2mm，长度为0.5mm以下。可以设置在前端部的磁铁或磁场传感器越小，位置测量精度就越低。并且，目标三维空间越大，则磁场传感器的位置测量精度就越低。由于磁场传感器的尺寸、测量对象的空间尺寸与定位精度之间呈背反关系，因此精确测量导管前端部的位置，是一个困难的课题。

因此，空间分辨率在20μm以下、方位分辨率在0.2度以下、以及位置误差在100μm以下、方位误差在1度以下，尚未实现。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2003-117004号公报

专利文献2：特开2010-179116号公报

专利文献3：特开2015-134166号公报

专利文献4：特许第5839527号公报

发明内容

发明要解决的课题

开发一种磁式方位·位置测量装置，其在大小足可容纳患者全身的空间中产生三维磁场，在足够大的三维空间中，对内置有磁场传感器的导入装置的方位和位置，实现20μm以下的空间分辨率、0.2度以下的方位分辨率，以及100μm以下的位置误差、和1度以下的方位误差(的测量)。

解决手段

本申请发明人发现，采用本说明书中引用的日本专利第5839527号(专利文献4)的超灵敏微磁传感器、即GSR传感器，通过对设置在导入装置的预定位置的单轴GSR传感器、与外部可产生三维均匀磁场和倾斜磁场的三维磁场发生装置进行组合，可以解决上述课题。

三维磁场发生装置可以使用由在产生倾斜磁场的X轴、Y轴和Z轴方向产生倾斜磁场的三对线圈、与在X轴、Y轴和Z轴方向产生均匀磁场的三对线圈组合而成的装置。或者，可以通过使流过倾斜磁场发生装置的电流的方向反转来产生均匀磁场，从而省下产生该方向均匀磁场的均匀磁场线圈对。此外，倾斜磁场发生线圈对以及用于均匀磁场产生的线圈对的线圈结构，可以适当选择。

本发明的测量原理是，利用三维磁场发生装置按照X轴、Y轴和Z轴方向的线圈顺序产生各轴方向的、作为参考的均匀磁场，通过单轴磁场传感器依次测量该均匀磁场，得到测量值hx、hy和hz。磁场传感器相对于各轴的方向余弦为hx＝cosθ、hy＝cosη、

此外，可以通过方位矢量和方向余弦求得方位角θ、η和

根据该值确定三维空间(O-XYZ空间)中的方位矢量n(hx、hy、hz)。

在此，X轴方向线圈是指，能够在X轴方向上提供均匀磁场的线圈对。

接着，通过具有配置在X轴、Y轴和Z轴方向上的三对线圈的三维磁场发生装置，按照X轴、Y轴和Z轴方向的线圈顺序产生倾斜磁场。

X轴方向线圈在X、Y和Z轴上产生具有预定比率的倾斜梯度的倾斜磁场。在麦克斯韦线圈对的情况下，若X轴的倾斜梯度设为1，则Y轴和Z轴的倾斜梯度为-0.5。另外，在平行四线式线圈对的情况下，将X轴方向上的两个线圈对在Y轴方向或Z轴方向上排列而将四个线圈作为一组线圈对，并配置成在内侧的四条线电流向Y轴方向或Z轴方向流动，当四条线电流配置成向Y轴方向流动时，仅在X轴和Z轴上产生倾斜磁场，当四条线电流配置成向Z轴方向流动时，仅在X轴和Y轴上产生倾斜磁场。此时，X轴的倾斜梯度与Z轴或Y轴的倾斜梯度相等。

在本发明中，倾斜磁场发生装置的结构，可以根据需要妥善选择。

用单轴磁场传感器依次测量这些倾斜磁场强度，获得测量值mHx、mHy和mHz。这些测量值是利用单轴传感器检测X轴、Y轴和Z轴方向的倾斜磁场而测出的。换句话说，当产生由X轴方向线圈带来的倾斜磁场(Hxx，Hxy，Hxz)、由Y轴方向线圈带来的倾斜磁场(Hyx，Hyy，Hyz)、由Z轴方向线圈带来的倾斜磁场(Hzx，Hzy，Hzz)时，考虑到单轴传感器的方位，建立以下联立方程式(1)。

当仅Z轴为平行四线式线圈而使四条线电流在Y轴方向上流动、且X轴和Y轴采用麦克斯韦线圈对时，使X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈依次产生倾斜磁场，若将X轴线圈带来的倾斜梯度设置为ax、将Y轴线圈带来的倾斜梯度设置为ay、将Z轴线圈带来的倾斜梯度设置为az，则针对磁场传感器的位置R(X，Y，Z)，以下的9个算式成立。

Hxx＝aX、Hxy＝-0.5aY、Hxz＝-0.5aZ、

Hyx＝-0.5aX、Hyy＝aY、Hyz＝-0.5aZ、

Hzx＝aZ、Hzy＝0、Hzz＝aX

将上述算式代入算式(1)，得到以下联立方程式(2)。

当三对线圈均采用平行四线式线圈时，若X轴线圈的四条线电流为Z轴方向、Y轴线圈的四条线电流为X轴方向、Z轴线圈的四条线电流为Y轴方向，则得到以下的联立方程式(3)。

mHx＝ax(X·cosη+Y·cosθ)

从算式(2)和(3)，可以算出磁场传感器的位置R(X，Y，Z)。

关于奇异点的处理，即，当各轴的方向余弦即hx＝cosθ、hy＝cosη和

中的某个轴的方向余弦为零时，若使三维磁场发生装置以与方向余弦为零值的轴和具有最大值的特定轴所形成的面相垂直的剩余轴为旋转轴，使磁场发生空间仅旋转预定角度，则可使相对于各轴的方向余弦值不为零，进而可以去除奇异点。

例如，当Hx＝0时，以与X轴、Y轴或Z轴中具有较大方向余弦的两个轴垂直的轴作为旋转轴旋转预定角度。在旋转后的磁场空间坐标系中，求得方位矢量n(hx，hy，hz)和位置R(X，Y，Z)。之后，从坐标旋转的算式求得原始坐标系中的位置和方位。

另外，当存在来自地磁、铁制机械装置、钢筋建筑物等的外部磁场时，用三维磁场发生装置抵消这些外部磁场，将测量开始前的所述三维空间的磁场维持在零值，从而能够精确测量出磁场传感器的坐标系中的方向矢量坐标位置。

为了在短时间内连续进行上述操作，优选对磁场的施加方法进行细化。例如，将使各轴线圈通电的时间设置为，首先使各轴产生5m秒左右的均匀磁场，接着使各轴产生5m秒的倾斜磁场，若重复此过程，则可以在30m秒内执行一次测量，这样1秒内可以测量33次。

另外，如果使脉冲DC电流在各轴的线圈中流通0.1m秒并依次切换，则可以0.6m秒进行1次测量。此外，还可以使DC电流和AC电流在各轴的线圈中叠加流动，根据AC电流的值来算出方位、根据DC电流的值来检测倾斜磁场，从而计算出传感器位置。这些细化仅仅是使本发明的计算更有效进行而已。

三维磁场发生装置的线圈的尺寸，考虑到患者的患处的大小、部位等因素，优选直径为50cm到3m左右。均匀磁场的三维空间的大小为直径的10％左右。如果直径为1m，则其为10cm左右。当治疗对象的患处较大时，需要扩大测量区域。在这种情况下，优选可以使三维磁场发生装置或患者的病床沿各轴移动±5cm左右。

倾斜磁场的强度，优选在距原点5cm～10cm的位置为1G～10G左右、倾斜度为0.02mG/1μm～0.2mG/1μm左右。

单轴磁场传感器，采用GSR传感器元件与电子电路ASIC形成为一体的GSR传感器。其尺寸为可内置在导管等导入装置中的尺寸。在导管的情况下，优选宽度为0.1mm～0.3mm、厚度为0.05mm～0.3mm、长度为0.3mm～1.5mm的小型尺寸。由于GSR传感器仅设置为单轴元件，磁敏元件即磁导线的长度可以为0.2mm～1.0mm。当线圈节距为2μm～5μm时，则可以采用灵敏度从40mV/G到1000mV/G、磁场灵敏度的分辨率从0.05mG/位到1mG/位的非常高灵敏度的磁场传感器。

此外，ASIC还将AD转换后的数字信号传输到外部的运算装置，并在那里通过预定程序进行方位·位置的计算。

通过将上述GSR传感器安装到导管前端部，能够同时兼具足够的三维空间大小(直径为10cm的球体)、以及位置·方位分辨率和精度(20μm以下的空间分辨率和0.2度以下的方位分辨率、以及位置误差100μm以下、方位误差1度以下)这两种特性。

发明效果

通过对产生均匀磁场和倾斜磁场的三维磁场发生装置与单轴磁场传感器进行组合，可以高精度地计算出生物体内导入装置在生物体内的位置和方位。

附图说明

图1是GSR传感器的概略图。

图2是电子电路图。

图3是内置有GSR传感器的导管的概略图。

图4是三个轴由平行四线式线圈构成的三维磁场发生装置的结构概要图。

图5是一个轴由平行四线式线圈构成的三维磁场发生装置的结构概要图。

图6是由形成倾斜磁场的线圈和形成均匀磁场的亥姆霍兹线圈构成的三维磁场发生装置的结构概要图。

图7是磁式方位·位置测量装置的概念图。

具体实施方式

本发明的实施方式如下。

本发明的磁式方位·位置测量装置，其由三维磁场发生装置、单轴磁场传感器和运算装置构成，该三维磁场发生装置能够利用沿X轴、Y轴和Z轴产生的磁场而在预定的三维空间内产生均匀磁场和倾斜磁场，该单轴磁场传感器用于测量磁场的强度，该运算装置用于对磁场传感器在三维空间中的位置和方位进行计算。

并且，在本发明的磁式方位·位置测量装置中，三维磁场发生装置的X轴、Y轴和Z轴中的至少一个轴由平行四线式线圈构成。

此外，在本发明的磁式方位·位置测量装置中，三维磁场发生装置由形成倾斜磁场的线圈和形成均匀磁场的亥姆霍兹线圈这两种类型的线圈构成。

并且，本发明的磁式方位·位置测量装置使用三维磁场发生装置在X轴、Y轴和Z轴依次产生作为参考的均匀磁场，并用磁场传感器测量其值，根据这三个测量值求得磁场传感器的三维空间(O-XYZ空间)内的方位矢量和磁场传感器相对于各轴的方向余弦。

接着，在方位处保持磁场传感器的方位的状态下，在X轴、Y轴和Z轴依次产生倾斜磁场，并通过处于预定位置的磁场传感器测量其值，根据这三个测量值及磁场传感器相对于各轴的方向余弦，求得磁场传感器的预定位置。

此外，在本发明的方位·位置测量装置中，使用磁场传感器以1mG以下的分辨率测量三维空间内的磁场分布强度，对测量值进行数字转换并传送到外部的运算装置，在那里以20μm以下的空间分辨率检测、以100μm以下的精度计算磁场传感器在三维空间内的位置，并且以0.2度以下的方位分辨率检测、以1度以下的精度计算磁场传感器在三维空间内的方位。

此外，本发明的磁式方位·位置测量装置，可以通过三维磁场发生装置抵消外部磁场，使得测量开始前的三维空间中的外部磁场维持为零。

并且，在本发明的磁式方位·位置测量装置中，当某个轴的方向余弦为零时，若以与具有最大值的特定轴和方向余弦为零值的轴所形成的面相垂直的剩余轴为旋转轴，并使磁场发生空间仅旋转预定角度，则相对于各轴的方向余弦值不为零。

以下参考图1～图7，对本发明的实施方式进行说明。

作为安装到导管3前端的磁场传感器(图1和图3)，GSR传感器31(1)的尺寸为宽度0.1mm～0.2mm、厚度0.05mm～0.10mm、长度0.4mm～1.0mm。将单轴的GSR元件11与ASIC12一体化，并将测量值转换为数字信号，并通过两条电缆32(13)传送到外部的运算装置，在那里被转换为位置和方位的值。

GSR传感器的性能为，灵敏度为40mV/G～1000mV/G、标准误差为1mG以下、分辨率在16位时为0.05mG/位～1mG/位。

如图2所示，电子电路2采用与引用的专利文献4记载的电子电路相同的电路。向磁导线通电的脉冲电流的换算频率为0.2GHz～4GHz，并且脉冲电流的强度为在磁导线表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的强度。

脉冲通电时产生的线圈电压，经由脉冲对应型缓冲电路被传送到采样保持电路。当线圈的匝数Nc较小时，也可以直接传送到采样保持电路。

三维磁场发生装置4如图4～6所示，在各轴方向上配置线圈对，大致为立方体形状，其大小为一边50cm～3m。产生均匀磁场的空间的大小为，以立方体中心为原点的±2.5cm～±15cm。倾斜磁场在距原点5cm～10cm的位置处为1G～10G左右，倾斜度为0.05mG/1μm～1mG/1μm左右。

在三维磁场发生装置4的形成倾斜磁场的线圈中，至少单轴配置平行四线式线圈。在图4所示的三维磁场发生装置4中，X轴、Y轴和Z轴的所有三个轴均配置有平行四线式线圈。在X轴的1个面(图中近前的面)上配置41a、41b这2个线圈、在其他面(图中被省略的面)上配置2个线圈，平行地配置这4个线圈。接着，在Y轴的1个面(图中右侧的面)上配置42a、42b这2个线圈，在其他面(图中被省略的左侧的面)上配置2个线圈，平行地配置4个线圈。接着，同样在Z轴的1个面(上面)上配置43a、43b这2个线圈，在其他面(图中被省略的下侧的面)上配置2个线圈，平行地配置4个线圈。

配置在X轴的面(近前的面)的线圈对，在电流在线圈41a和线圈41b中向同一方向流动时，产生Z轴方向的均匀磁场。相反，当电流向相反方向流动时，在Y轴和Z轴两者中都会产生相同梯度的倾斜磁场。

接着，图5所示的三维磁场发生装置4，仅在图4中的一个轴上，配置作为Z轴线圈的平行四线式线圈。其他的两个轴配置通常的线圈对，Y轴线圈配置在近前的面和后面上，X轴线圈配置在左右的面上。

在任何线圈对中，当电流向相同方向流动时产生均匀磁场，当电流向相反方向流动时产生倾斜磁场。

另外，图6所示的三维磁场检测装置4，包括形成倾斜磁场的平行四线式线圈的三组线圈对、以及形成均匀磁场的亥姆霍兹线圈的三组线圈对。通过使均匀磁场发生线圈独立，可以实现提高均匀磁场的精度，即可以提高单轴磁传感器的方位精度、并且容易改善传感器的定位精度。

图7示出了磁式方位·位置测量装置的概念图，以下对测量方法进行说明。

方位·位置测量装置由线圈51、电源52、控制装置53、运算装置(Host CPU)54、显示装置55和GSR传感器56构成。

控制装置53借助电源52依次切换流过线圈51X1、51Y1、51Z1的电流来产生三维均匀磁场。接着，使用控制装置53通过电源52依次切换流过线圈51X2、51Y2、51Z2的电流来产生三维倾斜磁场。磁场由GSR传感器56测量，传送到运算装置，在那里求得传感器的方位和位置作为测量值。

方位计算可以通过：产生依次要测量的均匀磁场，使用单轴磁场传感器依次测量X轴、Y轴和Z轴方向作为参考的均匀磁场，根据得到的测量值hx、hy、hz、并根据磁场传感器相对于各轴的方向余弦即hx＝cosθ、hy＝cosη、

来求得。此外，可以通过方位矢量和方向余弦求得方位角θ、η和

根据该值确定三维空间(O-XYZ空间)内的方位矢量n(hx、hy、hz)。

其次，位置计算通过：单轴磁传感器测量由X轴、Y轴和Z轴的线圈产生的倾斜磁场，根据此时的测定值mHx、mHy、mHz和测量到的方向余弦，使用下述联立方程式来求得。

当仅在Z轴上采用平行四线式线圈使4条线电流沿Y轴方向流动，其余采用麦克斯韦线圈对时，可以通过以下联立方程式求出。

当三对线圈均采用平行四线式线圈时，若X轴线圈的四条线电流为Z轴方向、Y轴线圈的四条线电流为X轴方向、Z轴线圈的四条线电流为Y轴方向，则可以通过以下的联立方程式来求出。

mHx＝ax(X·cosη+Y·cosθ)

在方位和位置的测量中，将在X轴、Y轴和Z轴上依次向各轴线圈通电的时间设置为，首先使各轴产生5m秒左右的均匀磁场，接着使各轴产生0.005秒(以下记为5m秒)的倾斜磁场，重复此过程，则可以在30m秒内进行一次测量，这样1秒内可以测量33次。

并且，为了更高速地进行测量，在相同方向上流过0.1m秒至0.3m秒宽的脉冲DC电流以产生均匀磁场，接着在相反方向上流过电流以产生倾斜磁场，如果以0.6m秒到1.8m秒的间隔重复测量，则可以在1秒内进行560次到1600次左右的测量。

关于奇异点的处理，即，当各轴的方向余弦即hx＝cosθ、hy＝cosη、

中某个轴的方向余弦为零时，若使三维磁场发生装置以与方向余弦为零值的轴和具有最大值的特定轴所形成的面相垂直的剩余轴为旋转轴，使磁场发生空间仅旋转预定角度，则可使相对于各轴的方向余弦值不为零，进而可以去除奇异点。

例如，若Hx＝0，则以与X轴、Y轴或Z轴中具有较大方向余弦的两个轴垂直的轴为旋转轴旋转15度到30度左右。在旋转后的磁场空间坐标系中，求得方位矢量n(hx，hy，hz)和位置R(X，Y，Z)。之后，根据该坐标旋转的算式，求得在原始坐标系中的位置和方位。

当存在来自地磁、铁制机械装置、钢筋建筑物等的、0.5G到2G左右的外部磁场时，通过用三维磁场发生装置抵消这些外部磁场，将测量开始前的所述三维空间的磁场维持在0G，从而能够精确测量出磁场传感器坐标系中的方向矢量坐标位置。

根据本实施方式，能够以1mG(100nT)以下的分辨率测量三维空间内的磁场分布强度，并以50μm以下的精度测量磁场传感器在三维空间内的位置、以1度以下的精度测量三维空间的方位。

换言之，能够在以立方体形状的三维磁场发生装置的原点为中心、±5cm～±10cm大小的空间中，实现方位分辨率为0.05度～0.2度、方位误差为0.2度～1度、位置分辨率为0.4μm～20μm、位置误差为20μm～50μm以下的性能。

实施例

本发明的实施例如下所示。

安装到导管3前端的GSR传感器1(31)的尺寸为，宽度0.15mm、厚度0.07mm、长度0.5mm。将单轴的GSR元件11与ASIC12一体化，并将测量值转换为数字信号，并通过两条电缆13传送到外部的运算装置，在那里转换为位置和方位的值。

GSR传感器的性能为，灵敏度为500mV/G、标准偏差σ为0.1mG、分辨率在16位时为0.1mG/位。

电子电路2采用与引用的专利文献4记载的电子电路相同的电路(图2)。向磁导线通电的脉冲电流的换算频率为1.3GHz，并且脉冲电流的强度为在磁导线表面上产生各向异性磁场1.5倍以上的圆周方向磁场所需的强度。

脉冲通电时产生的线圈电压，经由脉冲对应型缓冲电路被传送到采样保持电路。

三维磁场发生装置4为图6所示的结构，立方体形状的大小为一边1.5m。产生均匀磁场的空间的尺寸为以立方体中心为原点的±10cm。倾斜磁场在距原点10cm的位置处为2G左右，倾斜度为0.2mG/1μm。

在用于产生均匀磁场和倾斜磁场的6个线圈上分别安装电源。在X轴、Y轴和Z轴上依次沿同一方向流过5m秒宽的DC电流以产生均匀磁场，接着使电流沿相反方向流动以产生倾斜磁场，以30m秒的间隔反复进行测量，在1秒内测量33次。

通过三维磁场发生装置，按照X轴、Y轴和Z轴的顺序产生作为参考的均匀磁场，并利用单轴磁场依次测量磁场得到测量值hx、hy和hz，并根据该值确定方位矢量n(hx、hy、hz)。在这里，hx＝cosθ、hy＝cosη、

以求得方位角θ、η、

接着，位置计算通过：单轴磁传感器测量由X轴、Y轴和Z轴的线圈产生的倾斜磁场，根据此时的测定值mHx、mHy、mHz和所述测量到的方向余弦，

通过下述联立方程式来求得。

mHx＝ax(X·cosη+Y·cosθ)

中某个轴的方向余弦为零时，若使三维磁场发生装置以与方向余弦为零值的轴和具有最大值的特定轴所形成的面相垂直的剩余轴为旋转轴，使磁场发生空间仅旋转30度，则可使相对于各轴的方向余弦值不为零，进而可以去除奇异点。

例如，若Hx＝0，则以与X轴、Y轴或Z轴中具有较大方向余弦的两个轴垂直的轴为旋转轴旋转15度到30度左右。在旋转后的磁场空间坐标系中，求得方位矢量n(hx、hy、hz)和位置R(X、Y、Z)。之后，根据该坐标旋转的算式，求得在原始坐标系中的位置和方位。

当存在来自地磁、铁制机械装置、钢筋建筑物等的、0.5G到2G左右的外部磁场时，通过在三维磁场发生装置中流过预定电流来抵消这些外部磁场、而将测量开始前的所述三维空间的磁场维持在0G，可以精确测量出磁场传感器的坐标系中的方向矢量坐标位置。

本实施例在以立方体形状的三维磁场发生装置原点为中心、±7.5cm大小的空间中，能够实现方位分辨率为0.2度、方位误差为1度、位置分辨率为10μm、位置误差为50μm以下的性能。

产业上的可利用性

本发明能够对诸如导管、血管内视镜等生物体内导入装置在生物体内的方位·位置进行测量。这使得这些高度治疗的机器人治疗成为可能，可望对其普及做出巨大贡献。

附图标记说明

1：GSR传感器

11：GSR元件12：ASIC 13：电缆

2：电子电路

21：脉冲振荡器22：信号处理电路221：GSR元件23：缓冲电路24：采样保持电路241：电子开关242：电容器25：放大器26：AD转换器27：通信单元28：Host CPU(运算装置)

3：导管

31：GSR传感器32：电缆33：GSR传感器(长型)34：电缆

4：三维磁场发生装置的结构

40：原点41：Z轴线圈近前侧(Z轴均匀和倾斜)42：Y轴线圈右侧(Y轴均匀和倾斜)43：X轴线圈上侧(X轴均匀和倾斜)44：Y轴线圈(Y轴均匀和倾斜兼用)45：Z轴线圈(Z轴均匀和倾斜兼用)46：亥姆霍兹线圈47：亥姆霍兹线圈48：亥姆霍兹线圈

5：三维磁场发生装置的结构

51：线圈51X1：X轴均匀磁场线圈51X2：X轴倾斜磁场线圈51Y1：Y轴均匀磁场线圈51Y2：Y轴倾斜磁场线圈51Z1：Z轴均匀磁场线圈51Z2：Z轴倾斜磁场线圈52：电源53：控制装置54：运算装置(Host CPU)55：显示装置56：GSR传感器。

Claims

1.一种磁式方位·位置测量装置，其特征在于，其包括：

三维磁场发生装置，其在预定的三维空间内，沿X轴、Y轴和Z轴、并各轴独立地产生均匀磁场和倾斜磁场；

单轴磁场传感器，其用于测量所述磁场的强度；以及

运算装置，其用于计算所述磁场传感器在所述三维空间中的位置和方位，

使用所述三维磁场发生装置，通过在X轴、Y轴和Z轴的各轴的线圈中流过脉冲DC电流而在各轴上依次产生作为参考的均匀磁场，并用所述磁场传感器测量其值，根据这三个测量值求得所述磁场传感器在所述三维空间O-XYZ空间内的方位矢量和所述磁场传感器相对于各轴的方向余弦，接着在所述方位处保持所述磁场传感器的方位的状态下，通过在X轴、Y轴和Z轴的各轴的线圈中流过电流方向为相反方向的脉冲DC电流而在各轴上依次产生所述倾斜磁场，并利用处于预定位置的所述磁场传感器测量其值，根据这三个测量值及所述磁场传感器相对于各轴的方向余弦，求得所述磁场传感器的预定位置。

2.根据权利要求1所述的磁式方位·位置测量装置，其特征在于，

使用所述磁场传感器，以1mG以下的分辨率测量所述三维空间内的磁场分布强度，并以10μm以下的精度测量所述磁场传感器在所述三维空间内的位置、且以1度以下的精度测量所述磁场传感器在所述三维空间的方位。

3.根据权利要求1所述的磁式方位·位置测量装置，其特征在于，

利用所述三维磁场发生装置抵消外部磁场，以使得测量开始前的所述三维空间中的磁场维持为零。

4.根据权利要求2所述的磁式方位·位置测量装置，其特征在于，

5.根据权利要求1-4中任一项所述的磁式方位·位置测量装置，其特征在于，

当某个轴的所述方向余弦为零时，以与具有最大值的特定轴和所述方向余弦为零值的轴所形成的面相垂直的剩余轴为旋转轴、使磁场发生空间仅旋转预定角度，从而使相对于各轴的所述方向余弦的值不为零。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的磁式方位·位置测量装置，其特征在于，

当所述三维磁场发生装置形成的所述倾斜磁场从各轴的中心线偏离的位置的强度与轴的位置相比发生微小偏离时，预先测量它们的偏离量，利用该值作为校正值来进行高精度的位置计算。