CN112432586A - 实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法 - Google Patents

实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法，射线成像系统包括射线源、束光器、平板探测器及实时空间精确磁定位装置，其中，磁定位装置包括处理器、磁场发生装置以及磁传感器阵列，磁场发生装置与束光器同轴设置，磁传感器阵列的多个磁传感器分布设置在平板探测器上；磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器，磁传感器阵列的多个磁传感器能够独立检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，处理器根据各个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小确定束光器与平板探测器之间的位置关系。本发明实现室内环境中厘米级的定位精度，适用于医疗器械和工业控制，且抗干扰能力强。

Description

实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法
优先权声明
本申请要求于2020年6月16日提交中国专利局、申请号为2020105471548的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及医疗器械定位技术领域，特别涉及一种实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法。
背景技术
目前用于定位的技术主要有卫星定位技术、无线定位技术(Wi-Fi定位，蓝牙定位等)、环境特征磁定位技术、加速度计定位技术等。
其中卫星定位技术是通过测量定位点至不同卫星的电磁波传播时间差，进而换算成定位点至卫星的距离来确定定位点的位置；无线定位技术是通过测量定位点处的无线信号强度(Wi-Fi和蓝牙等信号的强度)来确定定位点的位置；环境特征磁定位技术是通过测试定位点所在的环境磁场，通过数据库的对比来确定定位点的位置；加速度计定位技术是通过实时测量物体的加速度，两次在时间上的积分得到定位点的运动轨迹。目前，根据应用的领域，这些定位技术相互组合补充，形成了形形色色的应用方案。
但是以上定位技术各有缺陷：卫星定位技术由于测试定位点至卫星的相对位置，所以要求在定位点上能收到三颗以上的卫星信号才能确定位置，只能应用于室外且成本高；此外，由于电磁波的传播速度非常快，即使使用原子钟授时，定位误差也在米级别。
无线定位技术和特征磁定位技术可应用于室内和室外，但是由于需要把定位点的测试数据和数据库对比，所以在定位前需要进行环境的标测和数据库的建立，只能应用于已知的环境中，且由于干扰大，定位精度不高，一般也在米级别。
加速度计定位技术由于只能确定测试点的相对运动，在开始定位前需要其他技术进行位置校准，如在某个指定位置开始运动等；此外，由于该技术仅仅测试加速度随时间的变化，其误差随时间的增加而累积，一般若干分钟后定位精度即超过一米。
而医疗器械的定位精度需求为厘米级，现有技术中缺少一种可以在室内环境中应用在医疗器械上的精确定位技术。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种实时空间精确磁定位装置、射线成像系统及磁定位方法，能够在室内使用且定位精度达到厘米级甚至小于一厘米，所述技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种实时空间精确磁定位装置，用于实现第一物体对准第二物体上的参考区域，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器，所述磁传感器阵列被配置为所述磁传感器阵列的每个磁传感器到所述参考区域中心点的距离相等；
所述磁传感器阵列的多个磁传感器能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器比较各个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小；
调节所述第一物体和/或第二物体的位置，直至所述处理器比较得到超过一半的磁传感器实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，则判定当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域。
作为另一种技术方案，本发明还提供第二种实时空间精确磁定位装置，用于确定第一物体与第二物体上的参考区域之间的位置关系，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器，所述磁传感器阵列被配置为其多个磁传感器的设置位置与所述参考区域中心点具有确定的位置关系；
所述磁传感器阵列的多个磁传感器能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器根据所述磁感应强度数据计算各个磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标；
所述处理器根据超过一半的磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及该磁传感器与所述参考区域中心点的位置关系，得到参考区域中心点相对于所述第一物体的位置坐标。
针对第二种实时空间精确磁定位装置的技术方案，所述处理器得到所述参考区域中心点相对于所述第一物体的位置坐标为x/y/z轴三维坐标，所述处理器分析所述三维坐标，若与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则判定当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域。
针对以上两种实时空间精确磁定位装置的技术方案，进一步地，所述磁场发生装置还包括用于偏置磁传感器至预设的工作磁场范围的偏置磁体，所述偏置磁体为永磁体或电磁体。
针对以上两种实时空间精确磁定位装置的技术方案，进一步地，所述交变磁场发生器能够进行磁场编码，所述磁场发生装置与磁传感器阵列能够双向通信。
进一步地，所述交变磁场发生器根据所述第一物体和第二物体的相对位置调节其产生的磁场强度变弱。
可选地，所述交变磁场发生器为以下三种方式中的任意一种：
所述交变磁场发生器包括三个正交的调制线圈，通过对线圈电流的调制，使得磁场发生装置产生的磁场在三维空间内能够发生磁场大小和/或方向上的变化；或者，
所述交变磁场发生器包括两个成预设角度的调制线圈，两个调制线圈交替工作，若所述传感器处于其中一个线圈的磁场梯度小于0.01mT/m的位置时，由于两个线圈具有预设的角度，该传感器所在位置在另一个线圈产生的磁场的梯度必然大于0.01mT/m，此时磁场传感器依靠第二个线圈产生的磁场获取第一物体与第二物体之间的相对位置；或者，
所述交变磁场发生器包括永磁体及用于带动所述永磁体移动的机械传动装置，所述永磁体在所述机械传动装置的带动下，在空间中产生交变磁场，所述磁场能够通过所述机械传动装置进行调制。
作为进一步的第一种方案，所述交变磁场发生器和传感器阵列各自带有角度传感器，所述角度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别计算所述第一物体和第二物体的方位角，以确定两个物体间的姿态。
作为进一步的第二种方案，所述交变磁场发生器和传感器阵列各自带有加速度传感器，所述加速度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别计算所述第一物体和第二物体的三维加速度数据，以确定所述第一物体和第二物体的加速度、速度及其相对位置。
另一方面，本发明提供了一种具有磁定位功能的射线成像系统，包括射线源、束光器、平板探测器及实时空间精确磁定位装置，其中，所述磁定位装置包括处理器、磁场发生装置以及磁传感器阵列，所述磁场发生装置与所述束光器同轴设置，所述磁传感器阵列的多个磁传感器分布设置在所述平板探测器上；
所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器，所述磁传感器阵列的多个磁传感器能够独立检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器根据各个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小确定所述束光器与平板探测器之间的位置关系。
再一方面，本发明提供了第一种实时空间精确磁定位方法，包括以下步骤：
S11、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，使所述磁传感器到所述中心点的距离相同；
S12、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S13、比较多个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小；
S14、若超过一半的磁传感器实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S15；
S15、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S12-S14。
再一方面，本发明提供了第二种实时空间精确磁定位方法，包括以下步骤：
S21、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S22、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S23、根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生装置的位置坐标；
S24、若存在一个或少于一半的磁传感器的位置坐标偏离其余磁传感器的位置坐标所确定的平面，则该一个或少于一半的磁传感器作为受干扰的磁传感器被排除，仅根据所述其余磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及所述其余磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；
S25、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S26；
S26、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S22-S25。
再一方面，本发明提供了第三种实时空间精确磁定位方法，包括以下步骤：
S31、将磁场发生器的两个线圈成预设角度地设置在第一物体上，所述预设角度不等于90°，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S32、所述磁场发生器的两个线圈交替工作，产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S33、两个线圈交替工作一次记为一组，把磁感应强度的检测数据分为若干组；根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生器的位置坐标；
S34、若某组内的两个位置坐标差值超过预设阈值，通过和其他磁传感器检测的数据进行比较，抛弃偏移较大的位置坐标数据；
S35、根据S34处理后剩余的位置坐标数据以及所述其他磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；
S36、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S37；
S37、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S32-S36。
另外，本发明还提供了一种实时空间精确磁定位修正方法，包括以下步骤：
S41、利用如上所述的磁定位方法，使用磁场传感器的三维磁场数据计算出t0时刻下第一物体与第二物体的相对位置；
S42、在t1时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t1时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S43、根据t1时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt1；根据t1时刻的三维加速度数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对速度v1；
S44、在t2时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t2时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S45、根据t2时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2；根据t2时刻的三维加速度数据和t1时刻的相对速度v1，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2’；
S46、比较pt2和pt2’，若两者的误差在1cm以内，则t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置为pt2和pt2’的均值，否则执行S47-S48；
S47、比较t2时刻的三维加速度值和t1时刻的速度v1，若所述速度v1和三维加速度均大致为0，则t2时刻第一物体与第二物体的相对位置为pt2，否则为pt2’；
S48、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S41-S46。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.在若干米的空间范围内小于1cm的定位精度；
b.抗干扰能力强；
c.成本可控，适合广泛应用于工业控制和医疗器械领域中器件的定位对准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的实时空间精确磁定位装置在射线成像系统中的安装应用示意图；
图2是本发明实施例提供的磁定位装置中交变磁场发生器包括三个正交的调制线圈的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的磁定位装置中交变磁场发生器包括机械传动装置和永磁体的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的第一种精确磁定位方法流程图；
图5是本发明实施例提供的第二种精确磁定位方法流程图。
其中，附图标记包括：1-第一物体，2-第二物体，31-交变磁场发生器，32-偏置磁体，4-磁传感器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提出了一种使用单个磁体或磁体阵列配合磁传感器阵列的高精度定位方案。其磁体/磁体阵列由一个或若干个永磁体或电磁体或其两者的组合构成，磁传感器由若干个磁场传感器构成，两者能够进行无线通信。该技术能够在若干米的范围内提供小于一厘米的定位精度，填补了厘米级精度定位的空白，在工业控制和医疗器械中具有广泛的应用。
在本发明的一个实施例中，提供了一种实时空间精确磁定位装置，用于实现第一物体1对准第二物体2上的参考区域，如图1所示，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体1同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体2上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器31，所述磁传感器阵列被配置为所述磁传感器阵列的每个磁传感器4到所述参考区域中心点的距离相等。具体地，所述交变磁场发生器31可以有多种表现形式：
在本发明的一个实施例中，所述交变磁场发生器31包括永磁体及用于带动所述永磁体移动的机械传动装置，所述磁场能够通过所述机械传动装置进行调制，比如将永磁体固定在电机上，如图3所示，当电机以一定的转速带动永磁体转动时，该永磁体能在空间中产生交变磁场。通过控制电机的转速，可以调制空间磁场。更优选地，永磁体可以和线圈组合，使得永磁体的磁场强、无功耗等优点与线圈磁场控制方便等优点相互补充结合，降低成本的同时提高定位精度。
在本发明的另一个实施例中，所述交变磁场发生器31包括三个正交的调制线圈，如图2所示，通过对线圈电流的调制，使得磁场发生装置产生的磁场在三维空间中进行任意磁场大小和/或磁场方向的改变。在这种情况下，可以使用如下的定位方式：
一种可能的定位方式为扫描式。磁场发生装置产生的磁场在三维空间中以一定的速度扫描。当磁传感器阵列中的某个磁传感器轴正好与之平行时，其值达到最大。由于磁传感器阵列和磁场发生装置能够相互通信，当磁场完成全空间的一周扫描后，磁传感器阵列可以计算出其相对于磁场发生装置的位置。
另一种可能的定位方式为引导式。首先磁传感器对全空间完成一次搜索，找到磁传感器的位置。然后磁场发生装置仅在小范围内扫描，确保其方向(不一定是磁场方向，仅为概念上的方向，例如磁场的反方向、磁场的垂直方向等)始终指向磁传感器阵列。由于不需每次全空间扫描磁场，该模式可以大大提高定位的效率。
除了交变磁场发生器，在本发明的一个优选实施例中，所述磁场发生装置还包括用于偏置磁传感器4至预设的工作磁场范围的偏置磁体32，所述偏置磁体32为永磁体或电磁体。具体来说，磁场发生装置在空间中产生非均匀的磁场，其包含两部分：一部分是偏置磁体，该部分磁场由永磁体或电磁体产生，用于偏置磁传感器至合适的工作磁场范围；另一部分是交变磁场，该磁场由交变电流线圈或者运动的磁体产生，其交变磁场的频率可以通过控制交变电流或者控制磁体运动的机械结构的运动频率来控制，进行磁场编码。需要说明的是，偏置磁场可以集成在交变磁场发生器中，即在交变电流上叠加恒定电流；如果磁传感器不需要偏置磁场即能进行高精度测量，则偏置磁体32也可以省略。
所述磁传感器阵列的多个磁传感器4能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器比较各个磁传感器4实时检测到的磁感应强度大小；
调节所述第一物体1和/或第二物体2的位置，直至所述处理器比较得到超过一半的磁传感器4实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，具体比如磁感应强度最大值与磁感应强度最小值之间的磁感应强度差值小于1mGs，或者，磁感应强度差值与当前磁感应强度平均值的比值小于1％，则判定当前位置的第一物体1对准第二物体2上的参考区域。
具体地，所述第二物体2优选具有平整表面，在所述平整表面上设置待与所述第一物体1对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点。以所述磁定位装置应用在射线成像系统中为例，所述射线成像系统包括射线源、束光器、平板探测器，所述磁定位装置包括处理器、磁场发生装置以及磁传感器阵列，所述磁定位装置的磁场发生装置与所述束光器同轴设置(即所述束光器为第一物体1)，可选一个偏置线圈和一个交变磁场线圈，并共轴心，在如此配置下，磁体将在空间中产生以X光光束为轴线的中心对称的空间磁场；所述磁传感器阵列的多个磁传感器4分布设置在所述平板探测器上(即所述平板探测器为第二物体2)，并不限定于如图1中所示的四个磁传感器4位于平板的四个角这种磁传感器4设置数量及位置设置形式。
如图1中四个磁传感器的设置形式为例，当开始摆位时，四个磁传感器同时工作，通过锁相滤波放大技术解调出磁场发生器产生的磁场幅值。根据幅值可以计算出各个磁传感器相对于束光器的位置。由于使用4个磁传感器，如果其中一个受到干扰而出现磁场幅值测试不准，探测器也能够通过其余三个确定平板的位置。为了进一步系统的抗干扰性，可以使用更多的磁传感器组成的阵列，例如使用八个磁传感器组成阵列，则最多三个传感器干扰后仍能精确定位，具体下述。
所述平板探测器在拍摄时需要紧贴被拍摄者的待拍摄区域，并要求X光束的中心线与平板探测器的中心区域(平板中心附近的区域范围)对准并垂直。这就要求医师需要精确地确定所述平板探测器与X射线源(束光器)的相对摆放位置，本发明实施例提供的磁定位技术方案可以给医生提供摆位指导，主要发明构思如下：所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器，所述磁传感器阵列的多个磁传感器能够独立检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器根据各个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小确定所述束光器与平板探测器之间的位置关系。
为了进一步提高定位的可靠性，所述交变磁场发生器31能够进行磁场编码，所述磁场发生装置与磁传感器阵列能够双向通信，所述交变磁场发生器31能够根据若干次确定的所述第一物体和第二物体的相对位置来调节其产生的磁场强度，确定两个物体的相对位置的方法具体如下详述，比如调节所述交变磁场发生器31产生的磁场强度变弱。当磁传感器阵列感知每个磁传感器每个轴的磁场均较弱时，磁传感器阵列可以通过无线通信方式通知磁场发生装置尝试提高磁场强度；反之，当磁场磁传感器阵列感知到磁场过强，超过其量程时，则通知所述磁场发生装置降低磁场。
在本发明的一个实施例中，提供了一种实时空间精确磁定位方法，如图4所示，所述磁定位方法包括以下步骤：
S11、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，使所述磁传感器到所述中心点的距离相同；
S12、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S13、比较多个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小；
S14、若超过一半的磁传感器实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S15；
S15、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S12-S14。
由上可以看出，在布置的全部磁传感器到第二物体上待与第一物体对准的参考区域的中心点的距离相同的情况下，通过几何关系可以得知，三个点可以确定一个平面，因此，优选地，所述磁传感器的个数大于或等于三个。在大于或等于三个的情况下，仅在磁场发生装置正对这三个或三个以上磁传感器所在圆的圆心的情况下，才有可能多个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小相同。在实际操作中，第一物体完全正对第二物体的该中心点是最理想的情况；在允许出现一定偏差的情况下，则当磁传感器实时检测到的磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值时，也应该可以作为判定对准的依据，比如所有的磁传感器检测到的磁感应强度值中的最大值减去磁感应强度最小值得到磁感应强度差值，若此磁感应强度差值小于1mGs，或者，所述磁感应强度差值与当前磁感应强度均值的比值小于1％，则判定当前位置的第一物体1(在允许的误差范围内)对准第二物体2上的参考区域。
优选将磁传感器的数量设置为三个以上，比如四个，那么，当其中有一个磁传感器发生被干扰的情况，也不会影响磁定位；或者设置八个磁传感器，若其中三个磁传感器被干扰，那么，还是可以依据没被干扰的其余五个磁传感器来确定第一物体与第二物体是否对准。具体地，比如八个磁传感器中有六个实时检测到的磁感应强度大小相同，而其余两个检测到的磁感应强度值不同，那么，可以判定该两个磁传感器被干扰，可以排除其受干扰下的检测结果。
以上实施例的技术方案是限定了磁传感器与中心点距离相同，在此条件下，可以不考虑具体磁传感器(或中心点)与磁场发生装置之间的距离和坐标值。在本发明的以下实施例中，提供了基于另一种发明构思的实时空间精确磁定位装置，用于确定第一物体1与第二物体2上的参考区域之间的位置关系，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体1同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体2上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器31，所述磁传感器阵列被配置为其多个磁传感器4的设置位置与所述参考区域中心点具有确定的位置关系；
在本实施例中，可以随意设置磁传感器4的位置，然后来确定所述磁传感器4与中心点的位置关系。比如，在一个预建立的坐标系中，以所述磁传感器4为原点，所述中心点的坐标为(x1,y1,z1)。
所述磁传感器阵列的多个磁传感器4能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，由于磁场变化的频率已知，可以使用锁相放大等技术进行噪声的滤波和抑制，获得高精度的磁场测量值，所述处理器根据各个磁传感器的检测结果经过相应运算可以获得磁传感器相对于磁场发生装置的精确位置，即各个磁传感器4相对于所述磁场发生装置的位置坐标。这里的位置坐标是基于与上述相同的同一坐标系(x/y/z轴方向相同称为同一坐标系)中，以所述磁场发生装置为原点，所述磁传感器的坐标为(x2,y2,z2)，则所述中心点相对于所述磁场发生装置的坐标为(x1+x2,y1+y2,z1+z2)。
具体通过磁传感器实时检测磁感应强度即可以得到磁场赋值，根据幅值计算各个磁传感器相对于磁场发生装置的位置的经典算法之一为毕奥-萨伐尔定律(Biot-SavartLaw)：电流元Idl在空间某点P处产生的磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比，与电流元Idl所在处到P点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角的正弦成正比，而与电流元Idl到P点的距离的平方成反比。经典公式如下：
Figure BDA0002812886640000121
Figure BDA0002812886640000122
其中，I是源电流，L是积分路径，dl是源电流的微小线元素，
Figure BDA0002812886640000123
为电流元指向待求场点的单位向量，μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7N/A2，dB的方向垂直于Idl和
Figure BDA0002812886640000124
所确定的平面，r为磁传感器相对于磁场发生装置的距离，
Figure BDA0002812886640000125
为由磁传感器指向磁场发生装置的向量。
以上公式计算得出的矢量
Figure BDA0002812886640000131
可以转化为坐标系中的坐标。
如果线圈相对于磁传感器位置足够远，可以使用如下近似：
Figure BDA0002812886640000132
其中，m＝NSIn，
其中，N是线圈的匝数，S是线圈的面积，I是线圈的电流，n表示方向，为沿着线圈轴心，垂直于线圈面。
原理上，仅需一个磁传感器就可以确定所述中心点相对于磁场发生装置的位置关系。但是，为了提高定位精度，防止磁传感器受干扰而导致定位结果错误的现象，所述磁传感阵列优选设置三个或三个以上的磁传感器，如果一个磁传感器受到干扰，不会影响到整个阵列的位置判断，稳定性高。
所述处理器根据超过一半的磁传感器4相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及该磁传感器4与所述参考区域中心点的位置关系，得到参考区域中心点相对于所述第一物体1的位置坐标。举例说明，比如磁传感器的数量为六个，其中根据四个磁传感器的实时检测结果得到的中心点坐标均为(x’,y’,z’)，而另外两个磁传感器的实时检测结果得到的中心点坐标与之不同，则可以判定该两个磁传感器被干扰，可以排除其受干扰下的检测结果。
针对该实时空间精确磁定位装置的技术方案，所述处理器得到所述参考区域中心点相对于所述第一物体1的位置坐标为x/y/z轴三维坐标，所述处理器分析所述三维坐标，若与所述第一物体1所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0，则判定当前位置的第一物体1对准第二物体2上的参考区域。在实际操作中，第一物体完全正对第二物体的该中心点是最理想的情况，比如，以磁场发生装置为原点建立坐标系，且以束光器的中心线为x轴(也可以为y轴或z轴)，那么当所述中心点的坐标值为(50,0,0)，则说明当前第一物体1正对第二物体2的中心点；在允许出现一定偏差的情况下，比如中心点的坐标值中，y轴和z轴的坐标值处于靠近0的预设范围内，比如[-5,+5]范围，比如不同的磁传感器对应得出的中心点坐标为(50,5,-5)、(50,-5,5)、(50,5,5)、(50,-5,-5)等等，可以判定当前位置的第一物体1(在允许的误差范围内)对准第二物体2上的参考区域。
同上一实施例，除了交变磁场发生器，本实施例的磁场发生装置优选还包括用于偏置磁传感器4至预设的工作磁场范围的偏置磁体32，所述偏置磁体32为永磁体或电磁体。
为了进一步提高定位的可靠性，所述交变磁场发生器31能够进行磁场编码，所述磁场发生装置与磁传感器阵列能够双向通信，所述交变磁场发生器31能够根据若干次确定的所述第一物体和第二物体的相对位置来调节其产生的磁场强度，比如调节所述交变磁场发生器31产生的磁场强度变弱。即当磁传感器阵列感知每个磁传感器每个轴的磁场均较弱时，磁传感器阵列可以通过无线通信方式通知磁场发生装置尝试提高磁场强度；反之，当磁场磁传感器阵列感知到磁场过强，超过其量程时，则通知所述磁场发生装置降低磁场。
在本发明实施例中，提供了另一种实时空间精确磁定位方法，参见图5，包括以下步骤：
S21、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S22、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S23、根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生装置的位置坐标；
S24、若存在一个或少于一半的磁传感器的位置坐标偏离其余磁传感器的位置坐标所确定的平面，则该一个或少于一半的磁传感器作为受干扰的磁传感器被排除，仅根据所述其余磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及所述其余磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；若不存在偏离的情况，即所有的磁传感器位于同一平面，则可以根据全部或任意部分磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及所述全部或任意部分磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标。
S25、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束，具体参见上述；否则执行S26；
S26、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S22-S25。
需要说明的是：上述磁定位方法实施例与上述实施例提供的磁定位装置属于同一构思，其具体实现过程详见装置实施例，即上述装置实施例中的所有特征都可以通过引用的方式引入方法实施例，这里不再赘述。
本发明实施例针对所述交变磁场发生器31提出了第三种结构形式：所述交变磁场发生器31包括两个成预设角度的调制线圈，两个调制线圈交替工作，若磁传感器处于一个线圈梯度小于0.01mT/m的区域，则可以根据另一个线圈获得第一物体1与第二物体2之间的相对位置。
具体地，所述交变磁场发生器31和传感器阵列各自带有角度传感器，所述角度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别计算所述第一物体(1)和第二物体2的方位角，以确定两个物体间的姿态；及/或
所述交变磁场发生器31和传感器阵列各自带有加速度传感器，所述加速度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别计算所述第一物体1和第二物体2的三维加速度数据，以确定所述第一物体1和第二物体2的加速度、速度及其相对位置，用于对磁定位进行修正，具体的修正方法在下文详述。
上述根据另一个线圈获得第一物体1与第二物体2之间的相对位置的方法具体包括以下步骤：
S31、将磁场发生器的两个线圈成预设角度地设置在第一物体上，所述预设角度不等于90°，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S32、所述磁场发生器的两个线圈交替工作，产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S33、两个线圈交替工作一次记为一组，把磁感应强度的检测数据分为若干组；根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生器的位置坐标；
S34、若某组内的两个位置坐标差值超过预设阈值，通过和其他磁传感器检测的数据进行比较，抛弃偏移较大的位置坐标数据；
S35、根据S34处理后剩余的位置坐标数据以及所述其他磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；
S36、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S37；
S37、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S32-S36。
上文所述的对磁定位进行修正的方法包括以下步骤：
S41、利用如上所述的磁定位方法，使用磁场传感器的三维磁场数据计算出t0时刻下第一物体与第二物体的相对位置；
S42、在t1时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t1时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S43、根据t1时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt1；根据t1时刻的三维加速度数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对速度v1；
S44、在t2时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t2时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S45、根据t2时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2；根据t2时刻的三维加速度数据和t1时刻的相对速度v1，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2’；
S46、比较pt2和pt2’，若两者的误差在1cm以内，则t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置为pt2和pt2’的均值，否则执行S47-S48；
S47、比较t2时刻的三维加速度值和t1时刻的速度v1，若所述速度v1和三维加速度均大致为0，则t2时刻第一物体与第二物体的相对位置为pt2，否则为pt2’；
S48、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S41-S46。
本发明可以允许同时定位多个磁传感器阵列，即实现多个物体的定位。这是因为不同的磁传感器阵列可以独立和磁场发生装置进行通信，确定其相对于磁场发生装置的位置。为了更好的控制空间磁场，提高定位精度，也可使用多个磁场发生装置，放置于不同的空间位置。
一些磁敏感的设备，例如心脏起搏器等不能应用于磁定位中，这是因为虽然使用弱磁场，但是磁场仍有可能大于地球磁场，特别是在磁场发生装置附近。为此，可以把额外的磁传感器阵列安装在这些磁场敏感的器件附近。正如上文所述，本技术可以使用一个磁场发生装置定位多个磁传感器阵列，为此在定位时可以实时确定磁敏感器件的位置，通过主动降低磁敏感器件附近的磁场至地球磁场水平，保证其不受影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种实时空间精确磁定位装置，其特征在于，用于实现第一物体(1)对准第二物体(2)上的参考区域，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体(1)同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体(2)上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器(31)，所述磁传感器阵列被配置为所述磁传感器阵列的每个磁传感器(4)到所述参考区域中心点的距离相等；
所述磁传感器阵列的多个磁传感器(4)能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器比较各个磁传感器(4)实时检测到的磁感应强度大小；
调节所述第一物体(1)和/或第二物体(2)的位置，直至所述处理器比较得到超过一半的磁传感器(4)实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，则判定当前位置的第一物体(1)对准第二物体(2)上的参考区域。
2.一种实时空间精确磁定位装置，其特征在于，用于确定第一物体(1)与第二物体(2)上的参考区域之间的位置关系，所述磁定位装置包括处理器、与所述第一物体(1)同轴设置的磁场发生装置以及设置在所述第二物体(2)上的磁传感器阵列，所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器(31)，所述磁传感器阵列被配置为其多个磁传感器(4)的设置位置与所述参考区域中心点具有确定的位置关系；
所述磁传感器阵列的多个磁传感器(4)能够独立实时检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器根据所述磁感应强度数据计算各个磁传感器(4)相对于所述磁场发生装置的位置坐标；
所述处理器根据超过一半的磁传感器(4)相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及该磁传感器(4)与所述参考区域中心点的位置关系，得到参考区域中心点相对于所述第一物体(1)的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述处理器得到所述参考区域中心点相对于所述第一物体(1)的位置坐标为x/y/z轴三维坐标，所述处理器分析所述三维坐标，若与所述第一物体(1)所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则判定当前位置的第一物体(1)对准第二物体(2)上的参考区域。
4.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述磁场发生装置还包括用于偏置磁传感器(4)至预设的工作磁场范围的偏置磁体(32)，所述偏置磁体(32)为永磁体或电磁体。
5.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述交变磁场发生器(31)能够进行磁场编码，所述磁场发生装置与磁传感器阵列能够双向通信。
6.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述交变磁场发生器(31)根据所述第一物体(1)和第二物体(2)的相对位置调节其产生的磁场强度变弱。
7.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述交变磁场发生器(31)为以下三种方式中的任意一种：
所述交变磁场发生器(31)包括三个正交的调制线圈，通过对线圈电流的调制，使得磁场发生装置产生的磁场在三维空间内能够发生磁场大小和/或方向上的变化；或者，
所述交变磁场发生器(31)包括两个成预设角度的调制线圈，两个调制线圈交替工作，若所述传感器(4)处于其中一个线圈的磁场梯度小于0.01mT/m的位置时，由于两个线圈具有预设的角度，该传感器所在位置在另一个线圈产生的磁场的梯度必然大于0.01mT/m，此时磁场传感器依靠第二个线圈产生的磁场获取第一物体(1)与第二物体(2)之间的相对位置；或者，
所述交变磁场发生器(31)包括永磁体及用于带动所述永磁体移动的机械传动装置，所述永磁体在所述机械传动装置的带动下，在空间中产生交变磁场，所述磁场能够通过所述机械传动装置进行调制。
8.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述交变磁场发生器(31)和传感器阵列各自带有角度传感器，所述角度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别测量所述第一物体(1)和第二物体(2)的方位角，以确定两个物体间的姿态。
9.根据权利要求1或2所述的实时空间精确磁定位装置，其特征在于，所述交变磁场发生器(31)和传感器阵列各自带有加速度传感器，所述加速度传感器用于在磁传感器进行磁场测量的同时分别计算所述第一物体(1)和第二物体(2)的三维加速度数据，以确定所述第一物体(1)和第二物体(2)的加速度、速度及其相对位置。
10.一种具有磁定位功能的射线成像系统，其特征在于，包括射线源、束光器、平板探测器及实时空间精确磁定位装置，其中，所述磁定位装置包括处理器、磁场发生装置以及磁传感器阵列，所述磁场发生装置与所述束光器同轴设置，所述磁传感器阵列的多个磁传感器(4)分布设置在所述平板探测器上；
所述磁场发生装置至少包括用于产生交变磁场的交变磁场发生器(31)，所述磁传感器阵列的多个磁传感器(4)能够独立检测磁感应强度，并将实时检测到的磁感应强度数据发送至处理器，所述处理器根据各个磁传感器(4)实时检测到的磁感应强度大小确定所述束光器与平板探测器之间的位置关系。
11.一种实时空间精确磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，使所述磁传感器到所述中心点的距离相同；
S12、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S13、比较多个磁传感器实时检测到的磁感应强度大小；
S14、若超过一半的磁传感器实时检测到的磁感应强度大小相同或磁感应强度差值小于预设的阈值或比例阈值，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S15；
S15、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S12-S14。
12.一种实时空间精确磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21、将磁场发生装置与第一物体同轴设置，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S22、所述磁场发生装置产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S23、根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生装置的位置坐标；
S24、若存在一个或少于一半的磁传感器的位置坐标偏离其余磁传感器的位置坐标所确定的平面，则该一个或少于一半的磁传感器作为受干扰的磁传感器被排除，仅根据所述其余磁传感器相对于所述磁场发生装置的位置坐标以及所述其余磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；
S25、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S26；
S26、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S22-S25。
13.一种实时空间精确磁定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S31、将磁场发生器的两个线圈成预设角度地设置在第一物体上，所述预设角度不等于90°，在第二物体上设定待对准的参考区域，确定所述参考区域的中心点；并在第二物体上布置多个磁传感器，获取各个磁传感器与所述中心点的位置关系；
S32、所述磁场发生器的两个线圈交替工作，产生交变磁场，所述多个磁传感器独立实时检测磁感应强度；
S33、两个线圈交替工作一次记为一组，把磁感应强度的检测数据分为若干组；根据磁感应强度的检测数据，分别计算各个磁传感器相对于磁场发生器的位置坐标；
S34、若某组内的两个位置坐标差值超过预设阈值，通过和其他磁传感器检测的数据进行比较，抛弃偏移较大的位置坐标数据；
S35、根据S34处理后剩余的位置坐标数据以及所述其他磁传感器与所述中心点的位置关系，得到所述中心点相对于所述第一物体的位置坐标；
S36、若所述中心点相对于第一物体的x/y/z轴三维坐标中，与所述第一物体所在平面平行的两个坐标轴的坐标为0或者处于靠近0的预设范围内，则当前位置的第一物体对准第二物体上的参考区域，定位结束；否则执行S37；
S37、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S32-S36。
14.一种实时空间精确磁定位修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S41、利用如权利要求11-13中任意一项所述的磁定位方法，使用磁场传感器的三维磁场数据计算出t0时刻下第一物体与第二物体的相对位置；
S42、在t1时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t1时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S43、根据t1时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt1；根据t1时刻的三维加速度数据，计算出t1时刻下第一物体与第二物体的相对速度v1；
S44、在t2时刻，使用磁传感器、加速度计和角度传感器分别获得t2时刻下的三维磁场数据、三维加速度数据、三维姿态数据；
S45、根据t2时刻的三维磁场数据和三维姿态数据，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2；根据t2时刻的三维加速度数据和t1时刻的相对速度v1，计算出t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置pt2’；
S46、比较pt2和pt2’，若两者的误差在1cm以内，则t2时刻下第一物体与第二物体的相对位置为pt2和pt2’的均值，否则执行S47-S48；
S47、比较t2时刻的三维加速度值和t1时刻的速度v1，若所述速度v1和三维加速度均大致为0，则t2时刻第一物体与第二物体的相对位置为pt2，否则为pt2’；
S48、调整第一物体和/或第二物体的位置，再重复执行步骤S41-S46。
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