CN115251878B - 基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及了一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统、方法，旨在解决现有基于霍尔元件的磁场测定系统，检测能力有限、灵活性低，数据映射关系不准确的问题。本发明包括：霍尔元件阵列进行待测定空间定位及采集磁场信号；磁场区域扫描平台，固定并驱动霍尔元件阵列进行旋转和平移，遍历采集磁场信号；支架用于固定磁场区域扫描平台，并进行姿态调整；数据采集与预处理模块，对阵列中的霍尔元件检测信号进行收集、滤波、放大和模数转换；磁场自由区域标定模块，进行检测磁场强度区分和磁场自由区域标定。本发明能够较为精准且量化地标定磁场区域中磁场自由线空间位置，且可根据实际应用场景进行测量边界拓展。

Description

基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统、方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及了一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统、方法。

背景技术

磁粒子成像系统(MPI，Magnetic Particle Imaging)是基于功能和断层影像技术检测磁性纳米颗粒空间分布的示踪方法。作为功能学成像，MPI在不使用放射性物质的同时，提高了成像的分辨率，使其成为近20年来，最具有临床转化潜力的技术。伴随新一代基于超顺磁粒子的MPI的出现，磁场自由区域的检测、量化、标定与可视化日益成为MPI硬件设备研制及系统调试不可或缺的步骤之一。

现有的基于霍尔原件的磁场测定设备，例如高斯计等，通常为手持式点阵信号检测方式，对于空间内具体位置与磁场变化的量化映射关系描述能力有限，人工操作误差较大，灵活性不高，所产生的数据不易于后期量化分析与可视化。

因此，在磁场区域精准检测基础上构建空间位点与磁场强度的唯一映射关系，描述传感器检测空间内磁场分布特性并进行可视化展示，对推动MPI的研制、发展与市场转化极具意义。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有基于霍尔元件的磁场测定系统，检测能力有限、灵活性低，数据映射关系不准确的问题，本发明提供了一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，所述检测及标定系统包括霍尔元件阵列、磁场区域扫描平台、支架、数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块；

所述霍尔元件阵列，用于进行待测定空间定位以及采集磁场信号；

所述磁场区域扫描平台，用于固定所述霍尔元件阵列，并驱动所述霍尔元件阵列在所述待测定空间的旋转和平移，遍历采集所述待测定空间的磁场信号；

所述支架，用于固定所述磁场区域扫描平台，并调整所述磁场区域扫描平台在磁场区域的姿态；

所述数据采集与预处理模块，用于对阵列中的霍尔元件检测信号进行收集、滤波、放大和模数转换；

所述磁场自由区域标定模块，基于数据采集与预处理模块输出的信号进行检测磁场强度区分，并与所检测元件的几何位置对应，实现磁场自由区域标定。

在一些优选的实施例中，所述检测及标定系统还包括可视化模块；

所述可视化模块，用于对扫描空间做空间内点标定可视化，实现磁场自由区域检测结果可视化。

在一些优选的实施例中，所述霍尔元件阵列包括N个霍尔元件；

所述N个霍尔元件按照设定方式排列，N为霍尔元件阵列中霍尔元件的数量。

在一些优选的实施例中，所述霍尔元件阵列，其霍尔元件的数量N以及霍尔元件的间距，根据所述待测定空间的内径和深度确定。

在一些优选的实施例中，所述N个霍尔元件，其相邻霍尔元件之间通过逆磁性连接杆链接。

在一些优选的实施例中，所述霍尔元件和所述磁性连接杆之间通过螺纹固定。

在一些优选的实施例中，所述霍尔元件阵列，通过传动杆固定设置于所述磁场区域扫描平台上；

调整所述传动杆在磁场区域的姿态，使所述传动杆与磁场区域的几何中心重叠。

本发明的另一方面，提出了一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法，基于上述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，所述检测及标定方法包括：

步骤S1，获取待测定空间的内径及深度，并基于所述待测定空间的内径及深度，获取霍尔元件阵列中霍尔元件的数量和霍尔元件的间距；

步骤S2，以待测定空间的几何中心与最外侧截面中心构成的水平线为旋转轴，通过磁场区域扫描平台驱动霍尔元件阵列的旋转和平移；

步骤S3，采集霍尔元件阵列的旋转和平移中的磁场信号，并进行滤波、放大和模数转换；

步骤S4，将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，并对不同强度范围内的磁场信号进行标记；

步骤S5，将磁场强度为0的区域标定为磁场自由区域，并基于坐标定位获取磁场自由区域的体积。

在一些优选的实施例中，步骤S2之后还设置有系统校准的步骤，其方法为：

以霍尔元件阵列的旋转角度为0和平移距离为0的位置，进行断层扫描，检测霍尔元件的工作状态以及数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块的运行状态，完成系统校准。

在一些优选的实施例中，步骤S4中将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，其方法为：

将霍尔元件阵列与传动杆连接处的质心作为坐标系原点(0，0，0)，霍尔元件位置记作(r，0，0)，r为霍尔元件与所述质心的距离，将每次位移的位置偏移量记作(Δθ，Δd)，Δθ代表旋转角度，Δd代表平移距离；

基于霍尔元件的位置(r，0，0)和每次位移的位置偏移量(Δθ，Δd)，获得位置更新后的霍尔元件的坐标(rcos(Δθ)，rsin(Δθ)，Δd)。

本发明的有益效果：

本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，能够较为精准且量化地标定磁场区域中磁场自由线空间位置并借助软件实现可视化展示，且不局限于实际测量尺寸，可根据实际应用场景进行测量边界拓展，所测得磁场区域均能与空间内三维坐标构建唯一映射关系。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统的组成示意图；

图2是本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统一种实施例的霍尔元件阵列示意图；

图3是本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，受核磁共振影像层间分辨率干扰较小并能够有效联合各层之间的语义信息，进而发挥基于经验学习方法在磁共振图像分类问题中的优势。基于深度强化学习针对核磁共振影像实现拟人读图行为下的样本分类方法，从磁共振图像中找到有效分析区域，实现量化分析，并基于该分析区域实现个体级别的样本分类的框架和方法。

本发明的一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，所述检测及标定系统包括霍尔元件阵列、磁场区域扫描平台、支架、数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块；

所述霍尔元件阵列，用于进行待测定空间定位以及采集磁场信号；

所述磁场区域扫描平台，用于固定所述霍尔元件阵列，并驱动所述霍尔元件阵列在所述待测定空间的旋转和平移，遍历采集所述待测定空间的磁场信号；

所述支架，用于固定所述磁场区域扫描平台，并调整所述磁场区域扫描平台在磁场区域的姿态；

所述数据采集与预处理模块，用于对阵列中的霍尔元件检测信号进行收集、滤波、放大和模数转换；

所述磁场自由区域标定模块，基于数据采集与预处理模块输出的信号进行检测磁场强度区分，并与所检测元件的几何位置对应，实现磁场自由区域标定。

为了更清晰地对本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，包括霍尔元件阵列、磁场区域扫描平台、支架、数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块，各模块详细描述如下：

霍尔元件阵列，用于进行待测定空间定位以及采集磁场信号。

如图2所示，为本发明基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统一种实施例的霍尔元件阵列示意图，其结构为：

霍尔元件阵列包括N个霍尔元件(a)，N个霍尔元件(a)按照设定方式排列，N为霍尔元件阵列中霍尔元件(a)的数量；

霍尔元件阵列，其霍尔元件(a)的数量N以及霍尔元件(a)的间距，根据所述待测定空间的内径和深度确定。

N个霍尔元件(a)，其相邻霍尔元件(a)之间通过逆磁性连接杆(b)链接。

霍尔元件(a)和磁性连接杆(b)之间通过螺纹固定。

磁场区域扫描平台，用于固定霍尔元件阵列，并驱动霍尔元件阵列在待测定空间的旋转和平移，遍历采集待测定空间的磁场信号。

霍尔元件阵列，通过传动杆(c)固定设置于所述磁场区域扫描平台上，调整所述传动杆在磁场区域的姿态，使所述传动杆与磁场区域的几何中心重叠。

支架，用于固定所述磁场区域扫描平台，并调整所述磁场区域扫描平台在磁场区域的姿态。

数据采集与预处理模块，用于对阵列中的霍尔元件检测信号进行收集、滤波、放大和模数转换。

磁场自由区域标定模块，基于数据采集与预处理模块输出的信号进行检测磁场强度区分，并与所检测元件的几何位置对应，实现磁场自由区域标定。

检测及标定系统还包括可视化模块，用于对扫描空间做空间内点标定可视化，实现磁场自由区域检测结果可视化。

本发明第二实施例的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法，如图3所示，基于上述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，所述检测及标定方法包括：

步骤S1，获取待测定空间的内径及深度，并基于所述待测定空间的内径及深度，获取霍尔元件阵列中霍尔元件的数量和霍尔元件的间距。

首先对待测物体最小半径做几何测量，用于确定霍尔元件阵列总体尺寸。通过定义在测量截面的测量半径的检测分辨率、磁场密度分布，确定霍尔元件装配总量与在扫描半径上的排列方式。霍尔元件间采用逆磁性连接杆链接。霍尔元件与逆磁性链接杆之间通过螺纹固定。

步骤S2，以待测定空间的几何中心与最外侧截面中心构成的水平线为旋转轴，通过磁场区域扫描平台驱动霍尔元件阵列的旋转和平移。

确定测量区域的几何中心与最外侧截面中心，以两点做水平轴引导传动轴部署，传动轴应尽可能穿过待测区域几何中心并与待测区域外边界呈平行分布。通过调整两端支架高度实现上述要求。

通过传动平台对传动轴做自旋转和Z轴方向平移测试，确保传动平台正常运转。

步骤S2之后还设置有系统校准的步骤，其方法为：

以霍尔元件阵列的旋转角度为0和平移距离为0的位置，进行断层扫描，检测霍尔元件的工作状态以及数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块的运行状态，完成系统校准。

霍尔元件阵列与传动杆连接，通过传动装置控制传动杆，在初始位置进行断层扫描，用于校准系统。扫描区域为以传动杆为轴心，以霍尔元件阵列长度为半径的扫描平面。系统校准首先为霍尔元件阵列在扫描平面0度位置进行多个霍尔元件的工作状态检查，包括信号输出是否正常、采集系统是否正常、量化分析程序是否正常、坐标匹配是否正常及可视化功能是否正常。

步骤S3，采集霍尔元件阵列的旋转和平移中的磁场信号，并进行滤波、放大和模数转换。

通过传动设备对传动轴的控制，带动霍尔元件阵列，在待测区域内进行空间扫描，扫描方案可先以XY平面进行逐面断层扫描，再辅以阵列在Z轴移动完成对磁场区域扫描；也可延Z轴做螺旋扫描方式提高检测效率。

步骤S4，将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，并对不同强度范围内的磁场信号进行标记。

步骤S4中将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，其方法为：

将霍尔元件阵列与传动杆连接处的质心作为坐标系原点(0，0，0)，霍尔元件位置记作(r，0，0)，r为霍尔元件与所述质心的距离，将每次位移的位置偏移量记作(Δθ，Δd)，Δθ代表旋转角度，Δd代表平移距离；

基于霍尔元件的位置(r，0，0)和每次位移的位置偏移量(Δθ，Δd)，获得位置更新后的霍尔元件的坐标(rcos(Δθ)，rsin(Δθ)，Δd)。

霍尔元件与所述质心的距离即霍尔元件所在扫描平面同心圆半径。

步骤S5，将磁场强度为0的区域标定为磁场自由区域，并基于坐标定位获取磁场自由区域的体积。

将坐标与磁场检测信号叠加，构建可视化显示。像素点通过不同颜色标定磁场强度。

将经检测磁场强度为0的区域标定为磁场自由区域，并基于坐标定位进行区域体积计算。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法。

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述检测及标定系统包括霍尔元件阵列、磁场区域扫描平台、支架、数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块；

所述霍尔元件阵列，用于进行待测定空间定位以及采集磁场信号；

所述磁场区域扫描平台，用于固定所述霍尔元件阵列，并驱动所述霍尔元件阵列在所述待测定空间的旋转和平移，遍历采集所述待测定空间的磁场信号；

所述支架，用于固定所述磁场区域扫描平台，并调整所述磁场区域扫描平台在磁场区域的姿态；

所述数据采集与预处理模块，用于对阵列中的霍尔元件检测信号进行收集、滤波、放大和模数转换；

所述磁场自由区域标定模块，基于数据采集与预处理模块输出的信号进行检测磁场强度区分，并与所检测元件的几何位置对应，实现磁场自由区域标定。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述检测及标定系统还包括可视化模块；

所述可视化模块，用于对扫描空间做空间内点标定可视化，实现磁场自由区域检测结果可视化。

3.根据权利要求1或2所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述霍尔元件阵列包括N个霍尔元件；

所述N个霍尔元件按照设定方式排列，N为霍尔元件阵列中霍尔元件的数量。

4.根据权利要求3所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述霍尔元件阵列，其霍尔元件的数量N以及霍尔元件的间距，根据所述待测定空间的内径和深度确定。

5.根据权利要求4所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述N个霍尔元件，其相邻霍尔元件之间通过逆磁性连接杆链接。

6.根据权利要求5所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述霍尔元件和所述磁性连接杆之间通过螺纹固定。

7.根据权利要求1所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，其特征在于，所述霍尔元件阵列，通过传动杆固定设置于所述磁场区域扫描平台上；

调整所述传动杆在磁场区域的姿态，使所述传动杆与磁场区域的几何中心重叠。

8.一种基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定系统，所述检测及标定方法包括：

步骤S1，获取待测定空间的内径及深度，并基于所述待测定空间的内径及深度，获取霍尔元件阵列中霍尔元件的数量和霍尔元件的间距；

步骤S2，以待测定空间的几何中心与最外侧截面中心构成的水平线为旋转轴，通过磁场区域扫描平台驱动霍尔元件阵列的旋转和平移；

步骤S3，采集霍尔元件阵列的旋转和平移中的磁场信号，并进行滤波、放大和模数转换；

步骤S4，将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，并对不同强度范围内的磁场信号进行标记；

步骤S5，将磁场强度为0的区域标定为磁场自由区域，并基于坐标定位获取磁场自由区域的体积。

9.根据权利要求8所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法，其特征在于，步骤S2之后还设置有系统校准的步骤，其方法为：

以霍尔元件阵列的旋转角度为0和平移距离为0的位置，进行断层扫描，检测霍尔元件的工作状态以及数据采集与预处理模块、磁场自由区域标定模块的运行状态，完成系统校准。

10.根据权利要求8所述的基于霍尔原件阵列的磁场自由区域检测及标定方法，其特征在于，步骤S4中将转换后的信号与磁场区域扫描平台的坐标系结合，其方法为：

将霍尔元件阵列与传动杆连接处的质心作为坐标系原点(0，0，0)，霍尔元件位置记作(r，0，0)，r为霍尔元件与所述质心的距离，将每次位移的位置偏移量记作(Δθ，Δd)，Δθ代表旋转角度，Δd代表平移距离；

基于霍尔元件的位置(r，0，0)和每次位移的位置偏移量(Δθ，Δd)，获得位置更新后的霍尔元件的坐标(rcos(Δθ)，rsin(Δθ)，Δd)。