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        基于AMR傳感器的磁定位技術研究

        2017-06-03 21:51:43蔡希昌馬令芹
        物聯(lián)網(wǎng)技術 2017年5期
        關鍵詞:傳感器

        蔡希昌+馬令芹

        摘 要:隨著科技的發(fā)展,醫(yī)療器械開始向微型化、智能化發(fā)展,而這也為很多疾病的無創(chuàng)診療打下了堅實的基礎[1]。磁性膠囊正是實現(xiàn)消化道疾病無創(chuàng)診療的一個成功應用,膠囊的定位技術是該系統(tǒng)的關鍵之一。文中重點介紹的基于AMR傳感器的磁定位算法滿足了系統(tǒng)要求。3×4 AMR的立體磁定位系統(tǒng)具有測量誤差小,定位準確等優(yōu)點。作者在完成理論算法的基礎上,進行了硬件磁定位系統(tǒng)模型的搭建,通過實時測量進一步驗證了算法的準確性。

        關鍵詞:定位算法;AMR;傳感器;磁定位系統(tǒng)

        中圖分類號:TP212 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1302(2017)05-00-02

        0 引 言

        消化系統(tǒng)疾病隨著人們生活水平的提高及經(jīng)濟的發(fā)展,發(fā)生率也隨之增長。磁性膠囊定位是近年來興起的新技術,該技術可實時測量膠囊在消化道中的位置[2],并記錄其在各部位存留的時間,而醫(yī)生則可根據(jù)以上測量數(shù)據(jù)對消化道疾病做出更科學的診斷。

        本文研究的是在磁性膠囊定位系統(tǒng)中起重要作用的磁定位技術,論文在磁偶極子理論基礎上,提出了一個立體測量模型(3×4 AMR)并進行了實地測量,達到了預期效果。

        1 磁偶極子模型

        磁偶極子模型在目標的定位檢測中得到了廣泛應用,在目標磁體遠遠小于檢測距離時[3],該物體就可以被認為是磁偶極子。磁偶極子示意圖如圖1所示。

        在理論研究中,磁偶極子的經(jīng)典矢量數(shù)學表達式更為常用,如公式(1)所示:

        (1)

        其中,為磁偶極子的矢量磁感應強度,為矢量磁力矩和矢量距離的函數(shù);為矢量磁矩,在不同的坐標系下可展開;為測量點到磁偶極子中心的矢量距離, 而r為的模;μ為介質(zhì)的磁導率,真空中和空氣中的磁導率為4π×10-7 H/m。

        2 磁性膠囊定位原理及算法理論

        利用磁偶極子模型,進行磁性膠囊定位這一技術在國內(nèi)外都取得了比較可喜的成果[4]。本系統(tǒng)也基于這一模型,由于人體消化系統(tǒng)的特殊性,在對消化系統(tǒng)進行診斷方面,采用磁性膠囊進行定位跟蹤有著較大優(yōu)勢。

        本系統(tǒng)一共用了7個傳感器,1個在原點,3個在坐標軸上(它們到原點的距離相等),剩余的3個在面上。這些傳感器組成一個共定點的三面交匯立體結構,使用比較少的傳感器便可構成一套立體磁定位系統(tǒng)。

        我們在膠囊中放置了一個永久磁鐵作為標記物[5],利用3個磁傳感器陣列面的輸出結果進行定位。每一次測量都會得到7個不同的測量值,只需要其中任意4個傳感器的值就可以得到一組坐標值,即每一次測量都可以得到C47的坐標值,再利用求平均值的方法得到相對比較準確的結果。磁定位系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

        圖2 磁定位系統(tǒng)結構圖

        傳感器1的坐標為(x1,y1,z1),傳感器2的坐標為(x2,y2,z2),傳感器3的坐標為(x3,y3,z3),傳感器4的坐標為(x4,y4,z4),傳感器5的坐標為(x5,y5,z5),傳感器6的坐標為(x6,y6,z6),傳感器7的坐標為(x7,y7,z7);磁性膠囊內(nèi)永久磁鐵的坐標為(x,y,z);磁性膠囊到各傳感器的矢量分別為r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7;永久磁鐵磁距用m表示,且m=[mx,my,mz]T,永久磁鐵的磁距可以通過實驗測定。

        根據(jù)磁偶極子模型得到公式(1)后,再由各傳感器的坐標位置以及在實際測量中得到的磁感應強度值[2]可以得出以下公式:

        (2)

        其中,rn為各傳感器到磁性膠囊的矢量距離,u0為真空條件下的磁導率,其值為4π×10-7 H/m。

        由于地磁場的影響,公式所得到的B(rn)并非傳感器的實際輸出值,而是地磁場和磁性膠囊共同作用的結果;因為測量結果受磁場影響較大,所以需要去掉磁場影響,文中采用比較簡單的差分方法。傳感器實際輸出值表達式如下:

        Bo(rn)=B(rn)+Bear,n=1,2,…7 (3)

        公式中Bear為地磁場強度值。各傳感器的差值表達式如式(4)所示:

        Bon=Bo(rm)-Bo(rn) (4)

        公式中m、n分別可取1、2、3、4、5、6、7,且m!=n;Bon為任意兩個不同傳感器測量值的差值。磁距應滿足:

        (5)

        由公式(4)可知,當m、n取不同值時可得到多個方程,任取其中6個即可求得磁性膠囊的位置(x,y,z)。

        3 實驗步驟及結果分析

        初始化傳感器的位置坐標[6],把傳感器1的位置設置為坐標原點,各傳感器的坐標分別為:傳感器1(0,0,0)、傳感器2(100,0,0)、傳感器3(0,0,100)、傳感器4(0,100,0)、傳感器5(100,0,100)、傳感器6(0,100,100)、傳感器7(100,100,0),磁性膠囊的位置為(x,y,z)。

        該磁定位系統(tǒng)是一個立體結構,在假設傳感器1坐標為原點的情況下,不難找出比較精確的幾個坐標值,如(10,10,10)、(20,20,20)、(30,30,30)、(40,40,40)、(50,50,50)、(60,60,60)、(70,70,70)、(80,80,80)、(90,90,90)、(100,100,100)。

        在完成上述步驟后,把磁性膠囊分別放在以上10個坐標上,記錄每一個位置對應的傳感器輸出值,并根據(jù)第三部分的算法計算該位置的坐標;比較實際坐標和計算坐標的誤差。

        繪制出實際坐標和測量坐標的比較圖,評估磁定位系統(tǒng)的可靠性。具體比較結果如圖3、圖4所示。

        4 結 語

        該磁定位系統(tǒng)利用磁偶極子模型理論,得出了一種相對比較簡潔的定位算法;系統(tǒng)包含三個相互垂直的面,構成了一個立體結構;每一次測量都可以得到C47中不同的結果,采用均值理論得到了相對準確的數(shù)據(jù);為了減小環(huán)境磁場的影響,論文采用差分方法,使測量值更加準確;通過根據(jù)預設坐標值和實際測量坐標值的比較得出在誤差允許范圍內(nèi)該磁性膠囊定位系統(tǒng)具有良好的可靠性和實用性的結論。

        參考文獻

        [1]侯文生,鄭小林,彭承琳,等.體內(nèi)微型診療裝置磁定位簡化模型的實驗研究[J].儀器儀表學報,2005,26(9):895-897.

        [2]辛文輝.人體消化道微型診查裝置無線供能技術研究[D].上海:上海交通大學,2010.

        [3]李建青.用畢奧-薩伐定律計算磁偶極子的磁場分布[J].物理與工程,2004,14(4):14-15.

        [4] R Stolz,L Fritzsch,HG Meyer.LTS SQUID sensor with a new configuration[J]. Superconductor Science & Technology, 1999, 12(11):806.

        [5]陳曉冬,杜承陽,朱曉田,等.一種用于介入式內(nèi)窺手術的多傳感融合定位方法[J].中國激光,2014,41(12):97-101.

        [6]王森,陳曉冬,杜承陽,等.磁干擾環(huán)境下基于多傳感器的內(nèi)窺鏡姿態(tài)定位技術[J].傳感技術學報,2013,26(8): 1110-1115.

        [7]王建云,馬穎才,褚行琦,等.影響膠囊內(nèi)鏡檢查質(zhì)量因素的探討[J].青海醫(yī)療雜志,2006,25(8):59-60.

        [8]王超.基于ARM效應的磁阻角度傳感器的設計[D].西安:西北工業(yè)大學,2007.

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