專利名稱：一種多磁性目標(biāo)的定位方法及定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線定位技術(shù)，尤其涉及一種對多目標(biāo)定位的方法和定 位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，無線定位技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。諸如對交通工具和 活動目標(biāo)的跟蹤、虛擬現(xiàn)實制作、機器人定位、人體內(nèi)部微型醫(yī)療設(shè)備 跟蹤、手術(shù)導(dǎo)航、地下鐵磁材料定位等等。目前，普遍應(yīng)用的無線定位
技術(shù)有GPS、射頻無線信號強度定位、計算機視覺定位、磁定位，以及 基于圖像的X射線檢查、CT檢查、核磁共振險查、三維超聲檢查等。 其中，GPS和射頻無線信號強度定位適用于無遮擋空間中定位，對于室 內(nèi)和有物體阻擋時，定位誤差較大。計算機視覺定位是基于視覺圖像分 析的定位，在被跟蹤目標(biāo)的圖像不可采集(或不可見)的情況下該種定 位技術(shù)便不再適用。而對于人體內(nèi)物體活內(nèi)置于人體內(nèi)裝置的位置確 定，可用X射線檢查、CT檢查、核磁共振檢查、三維超聲檢查。這些 方法可以提供清晰度比較高的二維或三維影像，但是這些方法提供的是 圖像信息，需要進一步的處理計算才能給出體內(nèi)裝置的三維位置，盡管 如此還是不能給出體內(nèi)裝置的面對方向。同時由于X射線、CT、核磁 共振、三維超聲這些設(shè)4^格昂貴而且操作復(fù)雜，不可能長時間來對微 型設(shè)備進行實時跟蹤，且X射線、CT等設(shè)備長時間跟蹤對人伴會有副 作用，應(yīng)用受到限制。而對于某些周圍有非磁性材料阻擋物體的近距離
目標(biāo)，如人體內(nèi)置目標(biāo)(人體本身是非磁性材料)，采用磁場定位會有 較高的精度，是一種合適的定位方法。并且在某些應(yīng)用場合，希望定位 系統(tǒng)能同時跟蹤兩個或多個目標(biāo)，以滿足應(yīng)用需要。
目前，現(xiàn)有技術(shù)之一，在人體內(nèi)設(shè)置多個具有電磁場發(fā)生器的設(shè)備,
電磁場發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的磁場，通it/磁場傳感器檢測電磁場計算磁 場源的位置和方向，可實現(xiàn)對體內(nèi)多個設(shè)備進行跟蹤。但是這種采用時 變的電》茲場定位有著明顯的缺陷首先，電i茲場會使周圍電導(dǎo)體產(chǎn)生渦 流，影響磁場分布，從而影響系統(tǒng)定位精度；其次，用于微型設(shè)備跟蹤 時發(fā)射電磁場會消耗微型設(shè)備的電能，并需要特定的電磁激勵電路，不 利于目標(biāo)的微型化。
現(xiàn)有技術(shù)之二，采用磁傳感器來對人體內(nèi)置有永磁體的一微型設(shè)備 進行定位，即釆用磁場矢量和方法，用磁場傳感器測量體內(nèi)7lc^體發(fā)出 的磁場強度。但是，該方法不能對吞入微型設(shè)備的隨意走動和運動的測 試者進行檢測。因此，美國專利2005/0143648A1將小的永磁體放入無 線膠嚢內(nèi)鏡中，并將兩根圓環(huán)分別固定在人體的胸部和腰部。兩根圓環(huán) 上分別固定了 4個磁感受器，使磁傳感器與體內(nèi)無線膠嚢內(nèi)鏡的相對位 置固定，來檢測膠嚢內(nèi)鏡的位置和方向。但是，此方法無法消除在長時 間的檢測過程中，人體呼吸、轉(zhuǎn)動、和相對伸縮引起的人體相對檢測傳 感器的移動帶來的測量誤差，從而導(dǎo)致定位誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多磁性目標(biāo)的定位方法及 定位系統(tǒng)，解決對多目標(biāo)的定位問題。
本發(fā)明另一 目的是解決運動物體內(nèi)置目標(biāo)的精確定位跟蹤問題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為
一種多磁性目標(biāo)的定位方法，包括以下步驟
A、 獲取傳感器陣列上各傳感器所處的空間位置，以及測量各》茲性 目標(biāo)作用在所述各傳感器處的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，所述磁性目標(biāo)內(nèi)置永磁 體；
B、 利用測量獲得的所述各傳感器點的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)以及畢奧-薩 伐爾定律，定義一誤差目標(biāo)函數(shù)；
C、 利用非線性優(yōu)化算法尋找所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)，使 所述誤差目標(biāo)函數(shù)最小，此時所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)即為各磁 性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。
所述的定位方法，其中所述步驟A包括如下測量各傳感器所在 位置磁場的三個正交磁感應(yīng)強度分量；所述步驟B中的所述誤差目標(biāo)函 數(shù)按照如下步驟獲取
Bp利用測量得到的所述傳感器處的三個正交-茲感應(yīng)強度分量定義 誤差函數(shù)三個分量分別為
3[，, -a" + w/乃-6^ + / /^ -c』fa,- J 加《J 及& 及紐J
3[附/x, - aj + "々,-W + p/z, - c』廣》—W J 及// 及'/j,
3[wi/jc, - a" + "々,-V + p/z, — c》,- J "J 及紐 及~ j,
其中和Sfe為各傳感器所在位置磁場的三個正交磁感應(yīng)強 度分量測量值；ag, ~, q為第q個磁性目標(biāo)的位置參數(shù)；m9， ,；^為 第《個磁性目標(biāo)的方向^; x,、為、z,為第/個傳感器的空間位置坐標(biāo)； N表示傳感器陣列中的傳感器數(shù)量，M表示磁性目標(biāo)的數(shù)量；^為第g<formula>formula see original document page 8</formula>
個磁性目標(biāo)的磁體常數(shù)；并且有<formula>formula see original document page 9</formula>
B2、所述誤差目標(biāo)函數(shù)為所述三個誤差函數(shù)分量之和。
所述的定位方法，其中當(dāng)所ii^性目標(biāo)內(nèi)置的永磁體被視為磁偶 極子時，所述傳感器數(shù)量至少為所ii^性目標(biāo)的5倍。
所述的定位方法，其中當(dāng)所ii^磁性目標(biāo)中至少一個祐:設(shè)定為被測 目標(biāo)，其余被設(shè)定為參考目標(biāo)時，所述步驟C之后還包括執(zhí)行步驟D:
D、 計算所述被測目標(biāo)相對所述參考目標(biāo)的運動軌跡，對所述被測 目標(biāo)進行相對定位。
所述的定位方法，其中所述步驟D包括如下用所述被測目標(biāo)的 坐標(biāo)減去所述參考目標(biāo)的坐標(biāo)，得到所述被測目標(biāo)校正后的位置參數(shù)。
所述的定位方法，其中所述被測目標(biāo)設(shè)置在一運動物體內(nèi)，并相 對所述運動物體移動，所述參考目標(biāo)相對所述運動物體靜止。
所述的定位方法，其中所述步驟D之后還包括執(zhí)行以下步驟
E、 分析各磁性目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的合理性，剔除誤差大的不合理數(shù)據(jù) 后，用綜合優(yōu)化擬合算法對所述定位數(shù)據(jù)進行處理，獲取各磁性目標(biāo)的 定位定向結(jié)果。
F、 將所述定位定向結(jié)果作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。
所述的定位方法，其中所述磁性目標(biāo)之間的距離大致大于所述永 磁體自身長度的10倍。
所述的定位方法，其中在所述步驟A之前還執(zhí)行以下步驟A0: 對所述傳感器陣列中的各傳感器進行定標(biāo)，獲得各傳感器定標(biāo)參數(shù)。
所述的定位方法，其中所述傳感器定標(biāo)參數(shù)包括傳感器靈敏度、 傳感器位置坐標(biāo)和傳感器對準(zhǔn)方向；所述步驟AO包括如下步驟在定
位區(qū)域內(nèi)規(guī)定至少一個空間點作為校正點，
AOl、將一個標(biāo)定磁體按確定方向置于一所述校正點上，測試所述 傳感器陣列中各傳感器的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，以及用畢奧-薩伐爾定律計算 所述各傳感器處的磁場強度；
A02、比較各傳感器計算獲取的磁場強度和測量獲取的磁感應(yīng)強度 數(shù)據(jù)，得到一誤差分值；
A03、重復(fù)步驟A01和A02,得到所述標(biāo)定磁體在各校正點時的所 述誤差分值，并獲得一誤差值，所述誤差值為所述各誤差分值之和；
A04、調(diào)整所述傳感器的靈敏度、位置和方向參數(shù)定標(biāo)參數(shù)，使所 述誤差值為最小，此時，所述傳感器的靈敏度、位置和方向即為傳感器 的標(biāo)定WL
所述的定位方法，其中所述步驟F之后還包括執(zhí)行以下步驟跟 蹤記錄各磁性目標(biāo)的定位定向結(jié)果數(shù)據(jù)，并顯示各J茲性目標(biāo)運動軌跡的 三維圖形。
所述的定位方法，其中當(dāng)所述磁性目標(biāo)數(shù)量大于2,且把所述》茲 體常數(shù)作為變量時，所述傳感器數(shù)量至少為所述磁性目標(biāo)的6倍。
所述的定位方法，其中所述步驟C中的非線性優(yōu)化算法采用 L6venb6rg-Marquardt算法。
一種多磁性目標(biāo)的定位系統(tǒng)，包括至少二個內(nèi)置永磁體的磁性目 標(biāo)，測量裝置、以及多目標(biāo)定位計算單元，所述測量裝置至少包括傳感 器數(shù)量多于所述》茲性目標(biāo)5倍的磁傳感器陣列，與磁傳感器陣列電連接 的數(shù)據(jù)采集處理單元；所述磁傳感器陣列用于測量所述磁性目標(biāo)在所述 磁傳感器空間各點上產(chǎn)生的磁場強度信號，所述數(shù)據(jù)采集處理單元用于 對所述磁場強度信號進行數(shù)據(jù)采集和處理，并輸出磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，所 述多目標(biāo)定位單元用于計算得到各磁性目標(biāo)的位置和Wt。
所述的定位系統(tǒng)，其中當(dāng)所述》茲性目標(biāo)中至少一個被設(shè)定為被測 目標(biāo)，其余被設(shè)定為參考目標(biāo)時，所述多目標(biāo)定位計算單元還用于根據(jù) 所述被測目標(biāo)相對所述參考目標(biāo)的運動軌跡，對所述被測目標(biāo)進行相對 定位，獲取所述被測目標(biāo)校正位置M。
所述的定位系統(tǒng)，其中還包括三維圖形引擎，用于描述所逸磁性 目標(biāo)的三維運動軌跡。
所述的定位系統(tǒng)，其中所述永磁體為圓柱體或圓環(huán)，所述磁傳感 器為單軸或雙軸或三軸的磁場傳感器。
所述的定位系統(tǒng)，其中所述測量裝置釆用非磁性材料。
本發(fā)明的有益效果為采用本發(fā)明的定位方法和定位系統(tǒng)，可以實 現(xiàn)對多目標(biāo)的定位跟蹤，由于被跟蹤目標(biāo)內(nèi)置的微小永磁體產(chǎn)生的是靜 態(tài)磁場，對人體沒有副作用，系統(tǒng)可以長時間運行，滿足應(yīng)用需求；由 于永》茲鐵占用空間小，并且在定位跟蹤過程中，被跟蹤目標(biāo)沒有能量損 耗，不需要配備能源，被跟蹤目標(biāo)結(jié)構(gòu)簡單，極易實現(xiàn)微型化，因此特 別適宜于人體內(nèi)目標(biāo)的定位和跟蹤，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷技術(shù)領(lǐng)域 中。并且，通過多目標(biāo)磁定位，以及利用被測目標(biāo)與參考目標(biāo)進行相對 定位，可以實現(xiàn)對運動物體(人體)內(nèi)置目標(biāo)的精確定位跟蹤，將人體 呼吸、運動、扭曲等對被測目標(biāo)位置的影響得以補償，還能抵消環(huán)境擾 動對多目標(biāo)產(chǎn)生的同步干擾，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的高精度跟蹤。


圖1為多磁性目標(biāo)定位系統(tǒng)示意圖2為本發(fā)明一實施例的多磁性目標(biāo)定位系統(tǒng)框圖3為7JU茲體的磁場示意圖4為4U茲體^茲場的位置和方向坐標(biāo)示意圖； 圖5為多》茲體目標(biāo)坐標(biāo)和方向示意圖 圖6為本發(fā)明一實施例的多磁性目標(biāo)定位方法流程圖； 圖7為多磁性目標(biāo)定位用于對人抓體內(nèi)目標(biāo)跟蹤時，消除人體移動 對定位跟蹤影響的示意圖8為定位跟蹤數(shù)據(jù)和三維顯示界面。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明 參見圖1和2， 一種多磁性目標(biāo)的定位系統(tǒng)，包括多個內(nèi)置永磁體 的磁性目標(biāo)11和12，測量裝置、以及多目標(biāo)定位計算單元。測量裝置 包括磁傳感器陣列20，以及與磁傳感器陣列電連接的數(shù)據(jù)采集處理單元 21 ，磁傳感器陣列用于測量磁性目標(biāo)在磁傳感器空間各點上產(chǎn)生的磁場 強度信號，如圖2所示，其包括數(shù)量上等于或多于磁性目標(biāo)5倍的磁場 傳感器、M大電路和信號預(yù)處理電路，而信號預(yù)處理電路可以包括傳 感器調(diào)節(jié)電路和復(fù)位電路，傳感器調(diào)節(jié)電路用于對傳感器零點偏置的調(diào) 節(jié)，以使傳感器工作在較佳的線性區(qū)域，并排除地磁和環(huán)境磁場的影響； 復(fù)位電路則能使傳感器在受到強磁的干擾或長時間工作下，性能發(fā)生變 化后進行復(fù)位，使傳感器回到最佳的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集處理單元用于 對磁場強度信號進行數(shù)據(jù)采集和處理，并輸出磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，可以包 括多路切換、AD轉(zhuǎn)換、和數(shù)據(jù)傳送部分。多目標(biāo)定位計算單元用于接 收和處理數(shù)據(jù)采集處理單元輸出磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，計算各磁性目標(biāo)的位 置和參數(shù)。實際應(yīng)用中，還包括基于環(huán)境虛擬模型下的三維圖形引擎， 用于顯示磁性目標(biāo)的三維運動軌跡，其中多目標(biāo)定位計算單元和三維圖 形引擎可釆用工作站或個人計算機40實現(xiàn)，磁性目標(biāo)中的7lU茲體為圓 柱體或圓環(huán)，》茲傳感器可采用單軸或雙軸或三軸的i茲場傳感器。
利用上述定位系統(tǒng)并采用以下方法就可以實現(xiàn)對多磁性目標(biāo)的定 位和1E艮蹤。
當(dāng)傳感器陣列中的傳感器以及測量裝置的其它單元機構(gòu)采用非磁 性材料時，可認(rèn)為永磁體產(chǎn)生的磁場和周圍非鐵磁材料所構(gòu)成的環(huán)境結(jié) 構(gòu)無關(guān)，只同磁體目標(biāo)的位置和方向有關(guān)。如圖3所示，7Jc磁體周圍空
間的磁場分布是靜態(tài)場，是不變的。當(dāng)選用的7JC^體為沿軸均勻磁化的
圓柱形或圓環(huán)永久磁鐵，并且永磁體的尺寸遠小于檢測點和永磁體間的
距離時，7Jc^體可等效為圖4所示的磁偶極子，圖中X-Y-Z為全局坐標(biāo) 系，(a，6，c)為磁體目標(biāo)設(shè)備的位置；(x/，凡z/)為傳感器所在空間上位置 點；Ho為》茲體磁場的方向，用矢量<formula>formula see original document page 13</formula>)表示。此時，可以套 用畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart定律)具體算出空間各點的磁感應(yīng)強度， 其磁感應(yīng)強度計算可簡化如公式(l)。
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，fi。是7JCF茲體的磁矩向量，ii。= (m, ",/ ) ;5是7Jc^體中心(a, 6, c)與某一被測點(;c,乂z)的距離向量(jc-a，,6,z-c),及是fi的標(biāo)量，即 距離值；5是與磁體材料和體積有關(guān)的常量，A是真空磁導(dǎo)率，人體的 磁導(dǎo)率可視為與真空一致。
假定有N個磁傳感器，且第/個磁場傳感器的位置為(x,，力，z/ )， 1 S /SN，則空間各點的磁感應(yīng)強度B,有
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中U,k代表三個坐標(biāo)軸的單位矢量，&， ，^為磁感應(yīng)強度的三個 分量，即
<formula>formula see original document page 13</formula> <formula>formula see original document page 14</formula>
式中，A表示一個與磁體體積和磁化強度有關(guān)的常量，為磁性目標(biāo)的磁 體常數(shù)<formula>formula see original document page 14</formula>若在磁體周圍空間點上放置傳感器，則空間上傳感器點的坐標(biāo)
(x,，少,，A )是預(yù)先可確定的，所以未知參數(shù)為磁體的位置(a, b, c)和方 向(m,n,p)。這六個參數(shù)就是定位參數(shù)。由于采用磁偶極子表示磁體的 磁場，它是繞其中心線對稱的，所以磁體的方向H。是2維變化的，也即 (m,n,p)T可是任意大小的，因此我們對其加上如下的約束
m2+n2+p2=1 (6)
由此可見，這樣的定位問^A發(fā)現(xiàn)5維位置方向參數(shù)的問題。若能 用5個(或更多)^茲場傳感器測量得到磁體周圍的磁場強度Blx或Bly或 Blc，就可以用以上的公式解出這些參數(shù)。因此，本發(fā)明采用如下方法獲 取多磁性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)，如圖6所示，其中(aq,bq,cq) q=1，2, ... M 表示各磁體的空間位置；H1, H2，…HM表示各磁體的磁場方向，且HM 用矢量( )表示。所述方法包括以下步驟
A、 測量獲得所述傳感器陣列上各傳感器所處的空間位置，以及測 量得到各磁性目標(biāo)作用在所述各傳感器處的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)；
B、 利用測量獲得的所述M感器點的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)以及畢奧-薩 伐爾定律，定義一誤差目標(biāo)函數(shù)；
C、 利用非線性優(yōu)化算法尋找所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)，使 所述誤差目標(biāo)函數(shù)最小，此時所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)即為各磁 性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。
以下以多目標(biāo)中的特例單目標(biāo)為例，說明本發(fā)明方法首先已知傳
感器陣列上各傳感器所處的空間位置，通過各》茲傳感器測量得到其空間
點上的磁感應(yīng)強度丑to取y和5fe，可以計算單目標(biāo)磁體的位置# U, 6， c)和方向參數(shù)(m, ,/ )。確定五個未知定位定向W:至少需要五個 傳感器，即，可以選擇五個傳感器來完成定位參數(shù)的確定，也可以使用 更多的傳感器來解決這一問題，即有更多的求解選擇。但是，由于測量 值中有噪聲，對于單目標(biāo)來講無論是使用5個或5個以上的傳感器，都 需要定義一個綜合所有傳感器信號的目標(biāo)函數(shù)，并使其為最小來獲得各 參數(shù)的解。針對三個正交的f茲感應(yīng)強度分量定義如下的誤差函數(shù)三個分 量分別為
3<formula>formula see original document page 15</formula>(9)
7-9公式中，5to 和5&為各傳感器所在位置磁場的三個正交磁感 應(yīng)強度分量測量值，a, 6, c為磁性目標(biāo)的位置參數(shù)；w, w, / 為磁性目 標(biāo)的方向參數(shù)，W表示傳感器陣列中的傳感器數(shù)量，x,、 y,、 z,為第/ 個傳感器的空間位置坐標(biāo)；其中A、 a、力、z,、和/ ,均為已知值，未 知量有",6，c,附,"，p。定義總目標(biāo)誤差函數(shù)為以上三個誤差份量之和
<formula>formula see original document page 15</formula>五=五- +五y +五2
(10)
這樣問題就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ易詈线m的參數(shù)U, 6, c)和(m， ",； )，使誤 差目標(biāo)函數(shù)五為最小，這樣求得的結(jié)果即為磁性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。求解 誤差目標(biāo)函數(shù)￡為最小的過程需要應(yīng)用非線性優(yōu)化方法，如 Levenberg-Marquardt算法來完成。
對于磁性目標(biāo)等于或多于2個的多目標(biāo)定位，具體實施方法為假 定有M個磁性目標(biāo)，如圖5所示，A/義于爭f2,并假定Af個磁性目 才示的位置參數(shù)分另'J為(6/， q ) , (a2， 62， c2)...，和(aM fe似ca/);方向
參數(shù)分另U為(附/, "7, )，(附2, "2, ) ，，和(附m "a* pa/ )。當(dāng)各個磁性
目標(biāo)之間的距離相對磁性目標(biāo)內(nèi)置7^體的尺寸較大，例如大于10倍
磁體長度以上，傳感器上的磁場可視為各永磁體產(chǎn)生的磁場之線性疊
加，即S-^+S2+.,.+、。則在第/個傳感器位置(A》z,)上的磁感應(yīng) 強度的三個分量為
<formula>formula see original document page 16</formula>式中<formula>formula see original document page 16</formula> ，并且有加,2+"X:l
目標(biāo)誤差函數(shù)E為誤差函數(shù)三個分量之和
<formula>formula see original document page 16</formula>這里，l=1，2，...，N，表示傳感器的序號；g = l，2，...,M，表示磁體的序 號，Blq為第q個磁性目標(biāo)的磁體常數(shù)。由此可見，問題轉(zhuǎn)化為通過測量
各個傳感器上磁感應(yīng)強度A。 Ay和5fe (/ = 1,2，...,〃)，然后用優(yōu)化算法 計算磁體的位置參數(shù)( ，~， C》和方勿參數(shù)(/Wg,pl,2，…，M)， 使目標(biāo)誤差函數(shù)f為最小。此時求解得到的位置參數(shù)( ，~, )和方 向參數(shù)( ， ,A)即為各磁性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。本發(fā)明方法中，由于
每一個磁性目標(biāo)都有5個未知參數(shù)(3個位置、2個方向)，所以M個 磁性目標(biāo)就有5xM個未知量，這就要求傳感器陣列中的傳感器數(shù)量最 少為5xM個，即傳感器數(shù)量至少為磁性目標(biāo)的5倍以確定這些未知量。 例如對3個磁性目標(biāo)的定位，傳感器數(shù)量至少應(yīng)為15個。對于多目標(biāo) 來講，無論是使用5xM個或5xM個以上的傳感器，同樣都需要定義一 個綜合所有傳感器信號的目標(biāo)函數(shù)，并使其為最小來獲得各參數(shù)的解。 由于當(dāng)被跟蹤的磁性目標(biāo)為多個時(超過2個)，在進行實時定位時， 預(yù)先確定磁體常數(shù) 是困難且不便的，因此，在實際應(yīng)用中，在多目標(biāo)
定位時可將^作為變量來處理，此時，當(dāng)有M個^F茲性目標(biāo)時要求傳感 器陣列中的傳感器數(shù)量最少為6xAf個，即傳感器數(shù)量至少為磁性目標(biāo) 的6倍以確定這些未知量。而對傳感器數(shù)目上限沒有限制，由于傳感器 信號強度與傳感器和磁體之間間距的逆三次方關(guān)系，可以布置更多的傳 感器，使某^傳感器到磁體的間距縮小，有利于信噪比提高；同時更多 的傳感器對信號4^平均的作用;可見所有傳感器都在計算中有貢獻，布 置更多的傳感器會改善定位精度。
釆用本發(fā)明方法，實現(xiàn)了對多目標(biāo)的定位跟蹤，由于被跟蹤目標(biāo)內(nèi) i的永磁體產(chǎn)生的是靜態(tài)磁場，對人體沒有副作用，系統(tǒng)可以長時間運 行，并且由于永磁鐵占用空間小，沒有能量損耗，不需要配備能源，極 易實現(xiàn)微型化，因此本發(fā)明多目標(biāo)定位方法特別適宜于人體內(nèi)微型裝置 的定位和if艮蹤。
本系統(tǒng)的一個4艮好的應(yīng)用是對一個運動物體(如人體)內(nèi)部的目標(biāo) 進行定位跟蹤，解決運動物體內(nèi)置目標(biāo)的精確定位跟蹤問題。例如在醫(yī)
療診斷中，通常通過對人體內(nèi)的微型裝置的定位跟蹤來獲取人體內(nèi)的病 理信息。由于傳感器陣列的位置是固定的，含有磁體的微型裝置(如內(nèi) 窺鏡)設(shè)置在人體內(nèi)，人體在檢查過程中會因呼吸、轉(zhuǎn)動、相對伸縮引 起人體相對傳感器陣列的移動，尤其是運動時的呼吸會使橫膈膜被迫下 降而壓擠腹內(nèi)各臟器，使大小腸等較柔軟的器官產(chǎn)生位置的變化發(fā)生相 對傳感器坐標(biāo)系的移動，使被跟蹤目標(biāo)的位置或方向會隨運動物體的位 置方向變化而變化，因此會造成對人體內(nèi)微型裝置定位跟蹤的誤差。采 用本發(fā)明同時對多目標(biāo)跟蹤定位的方法，可以消除定位跟蹤時人體動作 對體內(nèi)目標(biāo)的影響，消除這種定位誤差，因此可以廣泛應(yīng)用于人體醫(yī)療
診斷領(lǐng)域中。
如圖1和圖7所示，將磁性目標(biāo)中的之一 12設(shè)定為被測目標(biāo)，該 被測目標(biāo)置于運動物體內(nèi)，相對運動物體移動，例如人體吞服一個包含 有磁體的微型裝置，如膠嚢內(nèi)窺鏡;其余磁性目標(biāo)11被設(shè)定為參考目標(biāo)， 例如采用兩個或多個參考目標(biāo)11，并將參考目標(biāo)ll固定在運動物體的 某些特殊部位上，參考目標(biāo)ll相對運動物體靜止，由于人的軀體和其它 動作，會使被測目標(biāo)和參考目標(biāo)均隨運動物體(人體)相對測量系統(tǒng)中 的磁傳感器陣列移動。測量裝置和多目標(biāo)定位計算單元對體內(nèi)的被測目 標(biāo)和體外的參考目標(biāo)進行同時的跟蹤，同時獲取體內(nèi)被測目標(biāo)和參考目 標(biāo)的定位數(shù)據(jù)，即在絕對坐標(biāo)系的位置變化；然后多目標(biāo)定位計算單元 還計算被測目標(biāo)相對參考目標(biāo)的軌跡，相比較后計算獲得體內(nèi)被測目標(biāo) 相對參考目標(biāo)的4氐消了人體移動的運動軌跡。對被測目標(biāo)與參考目標(biāo)進 行相對定位，可補償由呼吸、心跳、人體運動所產(chǎn)生對被測目標(biāo)12位 置的跟蹤影響，提高定位精度。具體方法是對被測目標(biāo)及一參考目標(biāo) ^Kl^(ii多艮3冢^;^用(a s標(biāo)，6 n標(biāo)，C s標(biāo))一 (a參考,6參考,c參考 )來表示，用被
跟蹤的體內(nèi)被測目標(biāo)坐標(biāo)U s標(biāo)，6 s標(biāo)，C s標(biāo))減去體外參考目標(biāo)的坐標(biāo)(a
參考,6麥考,c麥考 )，得到( a目標(biāo)畫a麥考，6目標(biāo)一6麥考，c目標(biāo)-c參考 )，這一結(jié)果就是相
對于參考目標(biāo)的體內(nèi)被測目標(biāo)的坐標(biāo)，即被測目標(biāo)校正后的位置參數(shù)。 長時間紀(jì)錄這一坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就形成相對參考目標(biāo)點的體內(nèi)目標(biāo)的精確軌 跡，可以將人體呼吸、運動、扭曲等影響得以補償，消除定位跟蹤時人 體動作對體內(nèi)目標(biāo)的影響，病人可以實現(xiàn)更自由的活動，而不影響診斷
結(jié)果，為相關(guān)的i貪斷治療提供準(zhǔn)確的病理信息，為具體病狀和病變部位 提供精確定位。特別是作為消化道的微型醫(yī)療設(shè)備時，可提供微型醫(yī)療 設(shè)備在消化道內(nèi)的運動軌跡、方向、和速度信息，以使醫(yī)生能準(zhǔn)確地確 定進一步治療和手術(shù)位置。通過多目標(biāo)磁定位并利用被觀測目標(biāo)與參考 目標(biāo)進行相對定位，還能抵消環(huán)境擾動對多目標(biāo)產(chǎn)生的同步干擾，從而 實現(xiàn)對目標(biāo)的高精度跟蹤。同時，通過掌握目標(biāo)的位置方向信息，使進 一步實現(xiàn)對微型設(shè)備的反饋控制成為可能。
在具體應(yīng)用中，完成了上述定位參數(shù)的計算后，系統(tǒng)還對得到的各 磁性目標(biāo)三維定位結(jié)果參數(shù)U, 6, c)和三個定向參數(shù)(m， ", p)進行數(shù)據(jù) 合理性分析和處理，包括以下步驟
E、 跟蹤歷史數(shù)據(jù)分析各磁性目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的合理性，若誤差明顯 偏大，將剔除本次數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)是合理的，進一步用綜合優(yōu)化擬合算法 對已得到的定位(位置和方向)數(shù)據(jù)進行處理，如實施二次拋物線函數(shù) 進行擬合，獲取更為穩(wěn)定的各個磁性目標(biāo)的定位定向結(jié)果。
F、 將所述定位定向結(jié)果作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。 采用步驟E和F的優(yōu)點在于依靠信號動態(tài)擬合技術(shù)來濾除各種噪
聲，濾除外界對跟蹤系統(tǒng)的隨機干擾，從而大幅度提高定位系統(tǒng)的精度， 從而在不同的應(yīng)用環(huán)境下保證測量精度，使跟蹤穩(wěn)定性大大提高，跟蹤 軌跡更為光滑，結(jié)果更為精確，相對的有效定位區(qū)域更為擴大。
由于本發(fā)明定位系統(tǒng)還采用基于虛擬環(huán)境才莫型下的3維圖形引擎， 可完成對跟蹤環(huán)境的3維虛擬圖像輸出，即，將被跟蹤目標(biāo)的運動軌跡 結(jié)合在虛擬環(huán)境中進行3維圖像輸出，因此可在跟蹤過程中記錄環(huán)境的
相對運動和跟蹤數(shù)據(jù)，并在計算機顯示器上進行數(shù)據(jù)和3維顯示，如圖 8所示，給人以直觀和真實的展示。
在實際應(yīng)用中，為提高對磁性目標(biāo)定位跟蹤的準(zhǔn)確性，傳感器陣列 和定位系統(tǒng)需要經(jīng)過定標(biāo)以后才能進行應(yīng)用。定標(biāo)內(nèi)容包括傳感器陣 列中各個傳感器的靈敏度測量和校準(zhǔn)；多軸(雙軸或三軸)傳感器位置 的精確確定；多軸(雙軸或三軸)傳感器(最靈敏)的方向確定與校準(zhǔn)。 其步驟如下
AOl、將一個標(biāo)定磁體按確定方向放在有效定位區(qū)域內(nèi)若干規(guī)定的 空間點上，該空間各點為校正點；測試各個傳感器的響應(yīng)數(shù)值，即其輸 出電壓信號，通過預(yù)定的傳感器靈敏度，可以得到傳感器所在位置的磁 場強度。由于這些校正點的坐標(biāo)和磁體的位置方向事先已知，傳感器位 置上的磁場強度可用Biot-Savart定律的公式(3 ) ~ ( 5 )計算。
A02、比較標(biāo)定磁體在某一校正點時通過計算獲取的磁場強度和測 量獲取的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，得到一誤差分值；
A03、將標(biāo)定磁體在各校正點時得到的誤差分值相加，得到一總誤 差值；
A04、重復(fù)地微小調(diào)整傳感器靈敏度、位置坐標(biāo)和對準(zhǔn)方向數(shù)值， 使總誤差值為最小，此時各傳感器的靈敏度、位置和對準(zhǔn)方向即為傳感 器的標(biāo)定后的Wt。在確定了這些參數(shù)后，在實時的定位程序中對測量 值和算法計算時都進行參數(shù)校準(zhǔn)，以提高精度和測量的穩(wěn)定性。定標(biāo)中， 至少規(guī)定一個空間點作為校正點，多個校正點可以提高定標(biāo)準(zhǔn)確性。
綜上，本發(fā)明實施的多磁性目標(biāo)定位方法包括如下步驟
1、 根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和追蹤對象確定被測目標(biāo)和參考目標(biāo)數(shù)量， 即，磁性目標(biāo)的總數(shù)量；
2、 選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅麝嚵蓄愋?，如單軸、雙軸、或三軸；選取傳感 器數(shù)量規(guī)4莫以及傳感器分布方式；
3 、 系統(tǒng)對傳感器陣列和定位系統(tǒng)進行定標(biāo)；
4、 對所有磁場傳感器進行復(fù)位和靈敏度校正；
5、 系統(tǒng)濾除應(yīng)用環(huán)境中的靜態(tài)磁場(主要為地磁)；
6、 磁場傳感器陣列對所有磁性目標(biāo)中永磁體產(chǎn)生的磁場強度進行 檢測；
7、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對各傳感器信號進行轉(zhuǎn)換；
8、 計算機對采集的數(shù)據(jù)進行濾波和靈敏度調(diào)整。由于傳感器所采集 的磁場傳感器信號是很低的，采集信號經(jīng)it^L大后噪聲較大，應(yīng)進行 相關(guān)信號處理。即對各磁場傳感器的信號進^f于快速采集，并用二次拋 物線函數(shù)進行擬合，以降低傳感器信號的隨機噪聲，濾除時間漂移、 白噪聲、環(huán)境擾動等對微型設(shè)備定位結(jié)果的影響。
9、 計算機利用非線性優(yōu)化算法(Levenberg-Marquardt算法)計算各 個磁體目標(biāo)的位置和方向，使誤差目標(biāo)函數(shù)最小。
10、 計算被測目標(biāo)相對參考目標(biāo)的運動軌跡，濾除環(huán)境相對運動對被 測目標(biāo)設(shè)備的影響。
11、 分析結(jié)果合理性，并用適當(dāng)?shù)木C合優(yōu)化擬合算法對定位結(jié)果進行 進一步濾波、優(yōu)化，獲取更精確的定位定向結(jié)果；
12、 新的結(jié)果將被儲存作為下一次的計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。
13、 記錄環(huán)境的相對運動和跟蹤數(shù)據(jù)，并在計算機顯示器上進行數(shù)據(jù) 和3維顯示。
對于多目標(biāo)跟蹤的一個必須考慮的問題是人體和周圍物體對定位 的影響。本系統(tǒng)要求在磁體目標(biāo)和磁場傳感器陣列之間，以及它們的周 圍避免出現(xiàn)任何鐵》茲材料物體；因此可以用非l5U茲材料的部件構(gòu)成測量 裝置，如銅、鋁等。人體對靜態(tài)磁場的分布是沒有影響的，所以本系統(tǒng) 特別適宜于人體體內(nèi)目標(biāo)的跟蹤。多磁性目標(biāo)定位系統(tǒng)操作流程為本 發(fā)明的定位系統(tǒng)在系統(tǒng)運行前需檢測并保存應(yīng)用環(huán)境的靜態(tài)磁場，在應(yīng)
用中環(huán)境設(shè)置參考目標(biāo)；將帶有永磁體的微型設(shè)備放入跟蹤區(qū)域，傳感 器陣列進行信號采樣，然后實施跟蹤定位。在跟蹤過程中記錄環(huán)境的相 對運動和跟蹤數(shù)據(jù)，并在計算機顯示器上進行數(shù)據(jù)和3維顯示。
本發(fā)明方法和系統(tǒng)具有以下優(yōu)點本系統(tǒng)采用7la茲體作多目標(biāo)信號 源，被跟蹤的微型設(shè)備只要包含微型磁體即可實現(xiàn)系統(tǒng)定位，被跟蹤目 標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)十分簡單，不會給跟蹤微型目標(biāo)設(shè)備帶來額外的能量 損耗，定位可以以無線方式實現(xiàn)；本系統(tǒng)和方法在完成多目標(biāo)同時定位 時，可以選擇其中一個或幾個作參考目標(biāo)，其它目標(biāo)作相對參考目標(biāo)的 定位，所以可實現(xiàn)運動物體(如人體)內(nèi)目標(biāo)的相對精確定位；因此本 系統(tǒng)特別適用于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，并且由于磁體信號強度較弱，可以長時 間運行，不會對人體造成傷害；本系統(tǒng)采用普通永磁體作信號源和通用 商業(yè)磁傳感器作檢測元件，并用通用微計算機作主處理平臺，實現(xiàn)容易； 本系統(tǒng)采用模塊式優(yōu)化設(shè)計的磁場傳感器陣列，可根據(jù)不同的精度、穩(wěn) 定性、定位空間范圍等應(yīng)用要求靈活配置系統(tǒng)。
可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技 術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng) 屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種多磁性目標(biāo)的定位方法，其特征在于所述方法包括以下步驟A、獲取傳感器陣列上各傳感器所處的空間位置，以及測量各磁性目標(biāo)作用在所述各傳感器處的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，所述磁性目標(biāo)內(nèi)置永磁體；B、利用測量獲得的所述各傳感器點的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)以及畢奧-薩伐爾定律，定義一誤差目標(biāo)函數(shù)；C、利用非線性優(yōu)化算法尋找所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)，使所述誤差目標(biāo)函數(shù)最小，此時所述磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)即為各磁性目標(biāo)的定位數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位方法，其特征在于所述步驟A包 括如下測量各傳感器所在位置磁場的三個正交磁感應(yīng)強度分量；所述 步驟B中的所述誤差目標(biāo)函數(shù)按照如下步驟獲取Bp利用測量得到的所述傳感器處的三個正交》茲感應(yīng)強度分量定義 誤差函數(shù)三個分量分別為<formula>formula see original document page 2</formula> 其中5to5/"和Bfe為各傳感器所在位置》茲場的三個正交i茲感應(yīng)強 度分量測量值；"g,Zv^為第q個磁性目標(biāo)的位置參數(shù)；Wg， ,/ g為第 《個磁性目標(biāo)的方向參數(shù)；a、乃、z,為第/個傳感器的空間位置坐標(biāo)； N表示傳感器陣列中的傳感器數(shù)量，M表示磁性目標(biāo)的數(shù)量；^為第《 個磁性目標(biāo)的磁體常數(shù)；并且有及/, = V" -。9)2 +(乃-~)2 -C9)2B2、所述誤差目標(biāo)函數(shù)為所述三個誤差函數(shù)分量之和。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于當(dāng)所述磁性目 標(biāo)內(nèi)置的永磁體被視為磁偶極子時，所述傳感器數(shù)量至少為所逸磁性目 標(biāo)的5倍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的定位方法，其特征在于當(dāng)所逸磁性目 標(biāo)中至少一個被設(shè)定為被測目標(biāo)，其余被設(shè)定為參考目標(biāo)時，所述步驟 C之后還包括執(zhí)行步驟D:計算所述被測目標(biāo)相對所述參考目標(biāo)的運動 軌跡，對所述#:測目標(biāo)進行相對定位。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的定位方法，其特征在于所述步驟D包 括如下用所述,皮測目標(biāo)的坐標(biāo)減去所述參考目標(biāo)的坐標(biāo)，得到所述被 測目標(biāo)校正后的位置參數(shù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位方法，其特征在于所述被測目標(biāo) 設(shè)置在一運動物體內(nèi)，并相對所述運動物體移動，所述參考目標(biāo)相對所 述運動物體靜止。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位方法，其特征在于所述步驟D之 后還包括執(zhí)行以下步驟E、分析各磁性目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的合理性，剔除誤差大的不合理數(shù)據(jù) 后，用綜合優(yōu)化擬合算法對所述定位數(shù)據(jù)進行處理，獲取各磁性目標(biāo)的 定位定向結(jié)果。 F、將所述定位定向結(jié)果作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位方法，其特征在于所述磁性目標(biāo) 之間的距離大致大于所述永磁體自身長度的10倍。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至8任一權(quán)利要求所述的定位方法，其特征在 于在所述步驟A之前還執(zhí)行以下步驟AO:對所述傳感器陣列中的各 傳感器進行定標(biāo)，獲得各傳感器定標(biāo)參數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的定位方法，其特征在于所述傳感器定 標(biāo)Wt包括傳感器靈敏度、傳感器位置坐標(biāo)和傳感器對準(zhǔn)方向；所述步 驟AO包括如下步驟在定位區(qū)域內(nèi)規(guī)定至少一個空間點作為校正點，AOl、將一個標(biāo)定磁體按確定方向置于一所述校正點上，測試所述 傳感器陣列中各傳感器的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，以及用畢奧-薩伐爾定律計算 所述各傳感器處的磁場強度；A02、比較各傳感器計算獲取的磁場強度和測量獲取的磁感應(yīng)強度 數(shù)據(jù)，得到一誤差分值；A03、重復(fù)步驟A01和A02,得到所述標(biāo)定磁體在各校正點時的所 述誤差分值，并獲得一誤差值，所述誤差值為所述各誤差分值之和；A04、調(diào)整所述傳感器的靈敏度、位置和方向參數(shù)定標(biāo)參數(shù)，使所 述誤差值為最小，此時，所述傳感器的靈敏度、位置和方向即為傳感器 的標(biāo)定W:。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的定位方法，其特征在于所述步驟F 之后還包括執(zhí)行以下步驟跟蹤記錄各磁性目標(biāo)的定位定向結(jié)果數(shù)據(jù)， 并顯示各》茲性目標(biāo)運動軌跡的三維圖形。
12、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于當(dāng)所iM性目 標(biāo)數(shù)量大于2,且把所述磁體常數(shù)作為變量時，所述傳感器數(shù)量至少為 所述萬茲性目標(biāo)的6倍。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所迷的定位方法，其特征在于所迷步驟C中的非線性優(yōu)化算法采用Levenberg-Marquardt算法。
14、 一種多磁性目標(biāo)的定位系統(tǒng)，其特征在于包括至少二個內(nèi)置 永磁體的磁性目標(biāo)，測量裝置、以及多目標(biāo)定位計算單元，所述測量裝 置至少包括傳感器數(shù)量多于所述磁性目標(biāo)5倍的磁傳感器陣列，與磁傳 感器陣列電連接的數(shù)據(jù)采集處理單元；所述磁傳感器陣列用于測量所述 磁性目標(biāo)在所述磁傳感器空間各點上產(chǎn)生的磁場強度信號，所述數(shù)據(jù)采 集處理單元用于對所述》茲場強度信號進行數(shù)據(jù)采集和處理，并輸出磁感 應(yīng)強度數(shù)據(jù)，所述多目標(biāo)定位單元用于計算得到各磁性目標(biāo)的位置和參 數(shù)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的定位系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)所述磁性 目標(biāo)中至少一個被設(shè)定為被測目標(biāo)，其余被設(shè)定為參考目標(biāo)時，所述多軌跡，對所述被測目標(biāo)進行相對定位，獲取所述被測目標(biāo)校正位置參數(shù)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的定位系統(tǒng)，其特征在于還包括 三維圖形引擎，用于描述所述^f茲性目標(biāo)的三維運動軌跡。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的定位系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體 為圓柱體或圓環(huán)，所述》茲傳感器為單軸或雙軸或三軸的》茲場傳感器。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的定位系統(tǒng)，其特征在于所述測量裝 置采用非磁性材料。
全文摘要
一種多磁性目標(biāo)的定位方法及定位系統(tǒng)，設(shè)置至少兩個內(nèi)置永磁體的磁性目標(biāo)，以及設(shè)置傳感器數(shù)量多于磁性目標(biāo)5倍的磁傳感器陣列，方法包括A.獲取各傳感器的空間位置，以及各磁性目標(biāo)作用在各傳感器處的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)；B.利用測量獲得的磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)以及畢奧-薩伐爾定律，定義一誤差目標(biāo)函數(shù)；C.利用非線性優(yōu)化算法尋找磁性目標(biāo)的位置和方向參數(shù)，使誤差目標(biāo)函數(shù)最小，獲得各磁性目標(biāo)包括位置和方向參數(shù)的定位數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)多磁性目標(biāo)絕對坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)，對所述被測目標(biāo)進行相對定位，實現(xiàn)對運動物體(人體)內(nèi)置目標(biāo)的精確定位跟蹤。
文檔編號A61B5/06GK101361660SQ20081006727
公開日2009年2月11日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者孟慶虎, 戴厚德, 超 胡, 陽萬安, 陳冬梅, 馬同星 申請人:深圳先進技術(shù)研究院