基于AMR传感器的磁定位技术研究

蔡希昌+马令芹

摘 要：随着科技的发展，医疗器械开始向微型化、智能化发展，而这也为很多疾病的无创诊疗打下了坚实的基础[1]。磁性胶囊正是实现消化道疾病无创诊疗的一个成功应用，胶囊的定位技术是该系统的关键之一。文中重点介绍的基于AMR传感器的磁定位算法满足了系统要求。3×4 AMR的立体磁定位系统具有测量误差小，定位准确等优点。作者在完成理论算法的基础上，进行了硬件磁定位系统模型的搭建，通过实时测量进一步验证了算法的准确性。

关键词：定位算法；AMR；传感器；磁定位系统

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-02

0 引 言

消化系统疾病随着人们生活水平的提高及经济的发展，发生率也随之增长。磁性胶囊定位是近年来兴起的新技术，该技术可实时测量胶囊在消化道中的位置[2]，并记录其在各部位存留的时间，而医生则可根据以上测量数据对消化道疾病做出更科学的诊断。

本文研究的是在磁性胶囊定位系统中起重要作用的磁定位技术，论文在磁偶极子理论基础上，提出了一个立体测量模型（3×4 AMR）并进行了实地测量，达到了预期效果。

1 磁偶极子模型

磁偶极子模型在目标的定位检测中得到了广泛应用，在目标磁体远远小于检测距离时[3]，该物体就可以被认为是磁偶极子。磁偶极子示意图如图1所示。

在理论研究中，磁偶极子的经典矢量数学表达式更为常用，如公式（1）所示：

（1）

其中，为磁偶极子的矢量磁感应强度，为矢量磁力矩和矢量距离的函数；为矢量磁矩，在不同的坐标系下可展开；为测量点到磁偶极子中心的矢量距离， 而r为的模；μ为介质的磁导率，真空中和空气中的磁导率为4π×10-7 H/m。

2 磁性胶囊定位原理及算法理论

利用磁偶极子模型，进行磁性胶囊定位这一技术在国内外都取得了比较可喜的成果[4]。本系统也基于这一模型，由于人体消化系统的特殊性，在对消化系统进行诊断方面，采用磁性胶囊进行定位跟踪有着较大优势。

本系统一共用了7个传感器，1个在原点，3个在坐标轴上（它们到原点的距离相等），剩余的3个在面上。这些传感器组成一个共定点的三面交汇立体结构，使用比较少的传感器便可构成一套立体磁定位系统。

我们在胶囊中放置了一个永久磁铁作为标记物[5]，利用3个磁传感器阵列面的输出结果进行定位。每一次测量都会得到7个不同的测量值，只需要其中任意4个传感器的值就可以得到一组坐标值，即每一次测量都可以得到C47的坐标值，再利用求平均值的方法得到相对比较准确的结果。磁定位系统结构图如图2所示。

图2 磁定位系统结构图

传感器1的坐标为（x1，y1，z1），传感器2的坐标为（x2，y2，z2），传感器3的坐标为（x3，y3，z3），传感器4的坐标为（x4，y4，z4），传感器5的坐标为（x5，y5，z5），传感器6的坐标为（x6，y6，z6），传感器7的坐标为（x7，y7，z7）；磁性胶囊内永久磁铁的坐标为（x，y，z）；磁性胶囊到各传感器的矢量分别为r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7；永久磁铁磁距用m表示，且m=[mx，my，mz]T，永久磁铁的磁距可以通過实验测定。

根据磁偶极子模型得到公式（1）后，再由各传感器的坐标位置以及在实际测量中得到的磁感应强度值[2]可以得出以下公式：

（2）

其中，rn为各传感器到磁性胶囊的矢量距离，u0为真空条件下的磁导率，其值为4π×10-7 H/m。

由于地磁场的影响，公式所得到的B（rn）并非传感器的实际输出值，而是地磁场和磁性胶囊共同作用的结果；因为测量结果受磁场影响较大，所以需要去掉磁场影响，文中采用比较简单的差分方法。传感器实际输出值表达式如下：

Bo（rn）=B（rn）+Bear，n=1，2，…7 （3）

公式中Bear为地磁场强度值。各传感器的差值表达式如式（4）所示：

Bon=Bo（rm）-Bo（rn） （4）

公式中m、n分别可取1、2、3、4、5、6、7，且m！=n；Bon为任意两个不同传感器测量值的差值。磁距应满足：

（5）

由公式（4）可知，当m、n取不同值时可得到多个方程，任取其中6个即可求得磁性胶囊的位置（x，y，z）。

3 实验步骤及结果分析

初始化传感器的位置坐标[6]，把传感器1的位置设置为坐标原点，各传感器的坐标分别为：传感器1（0，0，0）、传感器2（100，0，0）、传感器3（0，0，100）、传感器4（0，100，0）、传感器5（100，0，100）、传感器6（0，100，100）、传感器7（100，100，0），磁性胶囊的位置为（x，y，z）。

该磁定位系统是一个立体结构，在假设传感器1坐标为原点的情况下，不难找出比较精确的几个坐标值，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）。

在完成上述步骤后，把磁性胶囊分别放在以上10个坐标上，记录每一个位置对应的传感器输出值，并根据第三部分的算法计算该位置的坐标；比较实际坐标和计算坐标的误差。

绘制出实际坐标和测量坐标的比较图，评估磁定位系统的可靠性。具体比较结果如图3、图4所示。

4 结 语

该磁定位系统利用磁偶极子模型理论，得出了一种相对比较简洁的定位算法；系统包含三个相互垂直的面，构成了一个立体结构；每一次测量都可以得到C47中不同的结果，采用均值理论得到了相对准确的数据；为了减小环境磁场的影响，论文采用差分方法，使测量值更加准确；通过根据预设坐标值和实际测量坐标值的比较得出在误差允许范围内该磁性胶囊定位系统具有良好的可靠性和实用性的结论。

参考文献

[1]侯文生，郑小林，彭承琳，等.体内微型诊疗装置磁定位简化模型的实验研究[J].仪器仪表学报，2005，26（9）：895-897.

[2]辛文辉.人体消化道微型诊查装置无线供能技术研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[3]李建青.用毕奥-萨伐定律计算磁偶极子的磁场分布[J].物理与工程，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]陈晓冬，杜承阳，朱晓田，等.一种用于介入式内窥手术的多传感融合定位方法[J].中国激光，2014，41（12）：97-101.

[6]王森，陈晓冬，杜承阳，等.磁干扰环境下基于多传感器的内窥镜姿态定位技术[J].传感技术学报，2013，26（8）： 1110-1115.

[7]王建云，马颖才，褚行琦，等.影响胶囊内镜检查质量因素的探讨[J].青海医疗杂志，2006，25（8）：59-60.

[8]王超.基于ARM效应的磁阻角度传感器的设计[D].西安：西北工业大学，2007.