CN109717871A - 基于正交分布磁源的磁标记定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法，将正交分布的磁源作为标记物，固定于待追踪对象，利用磁源建立空间磁场；通过位置姿态已知的磁检测传感器，获得传感器位置上，由磁源建立的空间磁场叠加环境噪声的磁场磁通密度分布信息，结合磁源正向磁偶极子模型计算所得传感器位置上由磁源激发空间磁场分布的理论值，以及传感器阵列测量所得该位置上空间磁场磁通密度实际分布信息，建立待追踪对象的实时空间位置和姿态参数逆向求解数学模型，通过最优化算法，实现待追踪对象空间运动轨迹位置和姿态的在线实时追踪识别。通过正交分布磁源实现高信噪比的磁源激发空间磁场分布信息地获取，实现磁源位置、姿态信息求解精度的提高。

Description

基于正交分布磁源的磁标记定位方法

技术领域

本发明涉及一种追踪定位技术，特别涉及一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法。

背景技术

在运动对象定位技术中，尤其是生物医学领域中的定位需求，常常要求定位技术采用非接触、传播不依赖于介质和无副作用等特性，如用于胃肠道检测的内窥镜胶囊定位，或者用于失语症治疗的口腔内舌体运动检测等。磁标记技术因其具有的非接触性、传播不依赖于介质以及成熟的数理模型等优势，而被广泛地应用于解决生物医学领域的定位问题。

磁标记定位方法通过将励磁源固定于待追踪对象，作为标记物，用励磁源的空间位置和姿态表征待追踪对象的空间位置和姿态，通过求解励磁源激发的空间磁场分布与其位置和姿态参数之间满足的数学模型，实现标记磁源定位，称为磁逆问题求解。在磁源定位技术中，磁源激发的空间磁场磁通密度分布信息的信噪比对磁逆问题求解结果的精度具有明显地影响。高的空间磁场磁通密度分布测量信息信噪比，将获得更高的定位精度。然而，励磁源激发的空间磁场强度会随着观测点与励磁源之间距离剧烈地衰减。此外，由于励磁源的磁偶极矩具有指向性，使得当励磁源的磁偶极矩与励磁源指向观测点矢量接近正交时，观测点检测到的励磁源激发空间磁场磁通密度强度较弱。因此，如何在现有的磁定位技术基础上，减弱因励磁源磁偶极矩指向性对检测所得磁场强度的影响，获得更高的信噪比，实现高精度磁源定位结果是磁标记定位技术研究领域的重点。

发明内容

本发明是针对基于磁标记的定位技术存在的问题，提出了一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法，实现高精度、快速定位。

本发明的技术方案为：一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法，具体包括如下步骤：

1)在待追踪对象上放置正交分布磁源，用于标记待追踪对象，正交分布磁源由两个独立的磁源构成，磁源采用磁偶极子模型，两个磁源的磁偶极矩互相垂直，形成正交分布，正交磁源在待追踪对象周围形成空间磁场分布；

2)利用在全局直角坐标系中空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列，测量该正交磁源建立的空间磁场磁通密度分布情况，磁检测传感器是单轴或者多轴的；

3)基于磁源磁偶极子模型以及空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列测量所得传感器位置上的空间磁场磁通密度分布信息，建立正交磁源实时空间位置和姿态参数的逆向求解模型；

4)通过优化算法，求解正交磁源实时空间位置和姿态参数求解模型，获得待追踪对象实时空间位置和姿态。

所述步骤1)中正交分布磁源的两个独立磁源均采用磁偶极子进行建模，两个磁源的位置参数分别为r_p和r_p⊥，两个磁源的磁偶极矩强度分别为m和m_⊥，两个磁源的磁偶极矩方向分别为M和M_⊥，并且它们的磁偶极矩相互垂直，即满足M·M_⊥＝0；

第i个磁检测传感器在全局直角坐标系x-y-z中位置参数为r_si，根据两个独立磁源磁偶极子激发的空间磁场磁通密度分布的理论计算，得到第i个磁检测传感器位置的空间磁场磁通密度分布值为两个独立磁源激发的空间磁场磁通密度分布B_ci和B_ci⊥的线性叠加B_Σc(i)，

μ₀为真空磁导率。

所述步骤2)中磁检测传感器阵列由N个单轴或者多轴传感器按照一定的形式分布组成，其中，第i个磁检测传感器的位置和姿态参数表示为r_si和M_si，磁检测传感器阵列实际测量所得空间磁场磁通密度分布为{B_m}，

{Bm}＝{Bm(1),Bm(2),…,Bm(i),…Bm(N)},(i＝1，2，...,N)；

基于最小二乘准则建立正交磁源实时空间位置和姿态参数逆向求解模型为

通过最小二乘优化算法求解公式，获得正交磁源实时空间位置参数r_p和r_p⊥，以及空间姿态参数M和M_⊥。

所述待追踪对象及其附近没有除标记用正交分布磁源之外的磁场发生源或铁磁性材料，环境噪声磁场被认为是强度定常的，通过预先测量进行标定，并通过差分方法直接剔除掉。

本发明的有益效果在于：本发明基于正交分布磁源的磁标记定位方法，将磁偶极矩互相垂直的正交分布磁源作为标记物，固定于待追踪对象，建立空间磁场，通过位置姿态已知的磁检测传感器，获得传感器位置上，由磁源建立的空间磁场的磁通密度分布信息，结合磁源正向磁偶极子模型和测量所得空间磁场磁通密度分布信息，建立待追踪对象的实时空间位置和姿态参数逆向求解数学模型，通过最优化算法，实现待追踪对象空间运动轨迹位置和姿态的在线实时追踪识别。本发明通过正交分布磁源实现高信噪比的磁源激发空间磁场分布信息地获取，实现磁源位置、姿态信息求解精度的提高，为基于磁标记定位技术提供了一种高精度方法。

附图说明

图1为本发明基于正交分布磁源的磁标记定位方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于正交分布磁源的磁标记定位方法作具体阐述。

一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法主要包括以下步骤：

步骤一，选择用于标记待追踪对象的正交分布磁源，正交分布磁源由两个独立的磁源构成，磁源包括永磁体或电磁线圈两种形式，两个磁源的磁偶极矩互相垂直，形成正交分布，正交磁源在待追踪对象周围形成空间磁场分布，建立磁源磁偶极子模型。

步骤二，建立全局直角坐标系x-y-z，利用全局直角坐标系中空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列，测量该正交磁源建立的空间磁场磁通密度分布情况，磁检测传感器可以是单轴或者多轴的。

步骤三，基于磁源磁偶极子模型以及空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列测量所得传感器位置上的空间磁场磁通密度分布信息，建立正交磁源实时空间位置和姿态参数的逆向求解模型。

步骤四，通过优化算法，求解正交磁源实时空间位置和姿态参数求解模型，获得待追踪对象实时空间位置和姿态。

如图1所示，两个独立磁源，磁源1和磁源2置于全局直角坐标系x-y-z中，正交分布构成标记磁源，它们均可采用磁偶极子进行建模，其中，磁源1的位置参数表示为r_p，磁源2的位置参数表示为r_p⊥，磁源1的磁偶极矩强度和磁偶极矩方向分别表示为m和M，磁源2的磁偶极矩强度和磁偶极矩方向分别表示为m_⊥和M_⊥，并且它们的磁偶极矩相互垂直，即满足M·M_⊥＝0。

N个单轴或者多轴传感器按照一定的形式分布组成了磁检测传感器阵列，其中，第i个磁检测传感器的位置和姿态参数表示为r_si和M_si，其上测量结果为B_m(i)。那么，磁检测传感器阵列实际测量所得空间磁场磁通密度分布为{B_m}，{Bm}＝{Bm(1),Bm(2),…,Bm(i),…Bm(N)},(i＝1，2，...,N) (1)

每个磁检测传感器测量结果B_m(i)为正交磁源激发的空间磁场B_ci和B_ci⊥与环境噪声磁场B_n的叠加

B_m(i)＝B_ci+B_ci⊥+B_n

在所有的磁检测传感器上，环境噪声磁场被认为是强度定常的，因而可以通过预先测量进行标定，并通过差分方法直接剔除掉。

第i个磁检测传感器在全局直角坐标系x-y-z中位置参数为r_si，第i个磁检测传感器位置上由两个独立磁源磁偶极子分别激发的空间磁场磁通密度分布的理论分布B_ci和B_ci⊥，

公式(2)和(3)中，μ₀为真空磁导率。

位于r_si处，由正交分布磁源激发的空间磁场磁通密度分布的理论计算值B_Σc(i)是由正交分布磁源的两个独立磁源激发的空间磁场磁通密度分布的线性叠加构成，

基于最小二乘准则建立正交磁源实时空间位置和姿态参数逆向求解模型为f(r_p,r_p⊥,M,M_⊥)，

通过最小二乘优化算法求解公式(5)，获得正交磁源实时空间位置参数r_p和r_p⊥，以及空间姿态参数M和M_⊥。

本实施例提供了一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法，将磁偶极矩互相垂直的正交分布磁源作为标记物，固定于待追踪对象，建立空间磁场，通过位置姿态已知的磁检测传感器阵列，获得传感器位置{r_s}上由磁源建立的空间磁场磁通密度分布信息，结合磁源正向磁偶极子模型计算所得传感器位置上由磁源激发空间磁场分布的理论值{B_Σc}和传感器阵列测量所得该位置上空间磁场磁通密度实际分布信息{B_m}，建立待追踪对象的实时空间位置和姿态参数逆向求解数学模型f(r_p,r_p⊥,M,M_⊥)，通过最优化算法，实现待追踪对象空间运动轨迹位置和姿态的在线实时追踪识别。本实施例通过正交分布磁源实现高信噪比的磁源激发空间磁场分布信息地获取，实现磁源位置、姿态信息求解精度的提高，为基于磁标记定位技术提供了一种高精度方法。

上述实施方法为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于正交分布磁源的磁标记定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在待追踪对象上放置正交分布磁源，用于标记待追踪对象，正交分布磁源由两个独立的磁源构成，磁源采用磁偶极子模型，两个磁源的磁偶极矩互相垂直，形成正交分布，正交磁源在待追踪对象周围形成空间磁场分布；

2)利用在全局直角坐标系中空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列，测量该正交磁源建立的空间磁场磁通密度分布情况，磁检测传感器是单轴或者多轴的；

3)基于磁源磁偶极子模型以及空间位置和姿态已知的磁检测传感器阵列测量所得传感器位置上的空间磁场磁通密度分布信息，建立正交磁源实时空间位置和姿态参数的逆向求解模型；

4)通过优化算法，求解正交磁源实时空间位置和姿态参数求解模型，获得待追踪对象实时空间位置和姿态。

2.根据权利要求1所述基于正交分布磁源的磁标记定位方法，其特征在于，所述步骤1)中正交分布磁源的两个独立磁源均采用磁偶极子进行建模，两个磁源的位置参数分别为r_p和r_p⊥，两个磁源的磁偶极矩强度分别为m和m_⊥，两个磁源的磁偶极矩方向分别为M和M_⊥，并且它们的磁偶极矩相互垂直，即满足M·M_⊥＝0；

第i个磁检测传感器在全局直角坐标系x-y-z中位置参数为r_si，根据两个独立磁源磁偶极子激发的空间磁场磁通密度分布的理论计算，得到第i个磁检测传感器位置的空间磁场磁通密度分布值为两个独立磁源激发的空间磁场磁通密度分布B_ci和B_ci⊥的线性叠加B_Σc(i)，

μ₀为真空磁导率。

3.根据权利要求2所述基于正交分布磁源的磁标记定位方法，其特征在于，所述步骤2)中磁检测传感器阵列由N个单轴或者多轴传感器按照一定的形式分布组成，其中，第i个磁检测传感器的位置和姿态参数表示为r_si和M_si，磁检测传感器阵列实际测量所得空间磁场磁通密度分布为{B_m}，

{B_m}＝{B_m(1),B_m(2),…,B_m(i),…B_m(N)},(i＝1，2，...,N)；

基于最小二乘准则建立正交磁源实时空间位置和姿态参数逆向求解模型为f(r_p,r_p⊥,M,M_⊥)，

通过最小二乘优化算法求解公式，获得正交磁源实时空间位置参数r_p和r_p⊥，以及空间姿态参数M和M_⊥。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述基于正交分布磁源的磁标记定位方法，其特征在于，所述待追踪对象及其附近没有除标记用正交分布磁源之外的磁场发生源或铁磁性材料，环境噪声磁场被认为是强度定常的，通过预先测量进行标定，并通过差分方法直接剔除掉。