CN112351733B - 用于确定远程物体的位置和方向的便携式***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁定位***，所述电磁定位***随时间测量远程物体在隔离的目标检查区域内的位置和方向。所述远程物体为远程微型检查装置。在定位过程中，所述电磁定位***和远程微型检查装置都可能具有预期的或无法预料的、可控的或无法控制的运动。本发明公开的电磁定位***可以将远程微型检查装置的位置和方向信息与时间相联系，当远程微型检查装置在目标检查区域内移动时，采集到的任何信息，如图像信息，都可以与该微型检查装置的时间和定位信息进行动态关联。

Description

用于确定远程物体的位置和方向的便携式***和方法
交叉引用
无
技术领域
本发明涉及利用磁场确定远程物体的方向和运动状态。更具体地，本发明涉及一种便携的磁场发生***对远程微型检查装置的位置进行测定的***和方法。
背景技术
某些情况下，在密闭的、难以进入的或距离较远的空间中配置较小的探测器或传感器执行任务是有用的。例如，本技术领域的人员在微型无线检查装置中配备摄像头进行图像采集，或通过为其配备药物储存室以对消化道的常见区域进行定量给药。目前，医用的微型无线检查装置都是通过消化道的蠕动向前移动。而非医用的探针式微型检查装置可以通过管道内液体的流动和/或重力的作用向前移动。这种方法依赖受检环境中固有的运动条件，探测器的运动和方向在一定程度上具有偶然性，为远程探测提供可控的位置和方向参数是一个很大的挑战。虽然已尝试使用机械驱动的方式来操控远程探测器的移动。但此种方式所需功率大，难以在有限的空间内实现。近年来，人们开发了磁控***，即在微型检查装置内设置永磁偶极子，然后通过外部磁控***与磁偶极子的相互作用，从而实现对微型检查装置的操控。但是，使用永磁偶极子增加了远程微型检查装置的尺寸和重量，而且外部磁控***价格昂贵，因此，有必要采用其他方法来测定远程微型检查装置(如胶囊内窥镜)的位置。
众所周知，电磁定位***可以用于远程测定微型检查装置在消化道中的位置。已公开的电磁定位***，包括一个密封的远程微型检查装置，三个外部励磁线圈和外部数据记录器，所述微型检查装置具有三维磁场传感器、信号处理模块和无线通信模块。在电磁定位***工作时，三个线圈被固定于患者体表，并在励磁电流的作用下相继产生磁场，而位于消化道内的远程微型检查装置检测外部磁场信号，生成数据，并将数据传输至外部记录器。如此，记录器同时接收与外部励磁线圈和远程微型检查装置相关的信息，因此可以追踪远程微型检查装置在消化道内的行程。
由于上述问题和可能存在的其他问题，改进用于定向和移动远程物体的装置、***和方法将对本领域作出有益贡献。此外，鉴于上述情况，需要一种***和方法，能够在磁控***或远程物体发生可预测或不可预测的移动时精准测定远程物体的位置和方向。
发明内容
本发明公开一种电磁定位***，所述***可以随时间测量出远程物体在隔离的目标检查区域内的位置和方向。具体地，所述远程物体为远程微型检查装置。在定位过程中，所述电磁定位***和远程微型检查装置都可能具有预期或无法预料的，可控的或无法控制的运动。本发明公开的电磁定位***可以将远程微型检查装置的位置和方向信息与时间相联系，当远程微型检查装置在隔离的目标检查区域内移动时，采集到的任何信息，如图像信息，都可以与该装置的时间和定位信息进行动态关联。
本发明的一个目的是提供一种以电磁方式确定远程物***置的***，
所述***可以跟踪所述远程物体及其在目标区域内的运动数据。
本发明的另一个目的是提供一种以电磁方式确定远程物***置的***，所述***可以在远程微型检查装置在隔离的目标检查区域内移动时，拍摄高质量的图像，并在所述图像上动态标注时间或地理信息。通过这种方式，可以设定程序，使配备了拍摄装置的远程物体以预定的位置间隔进行拍照，或进行实时拍照，从而大大减少需要拍摄和处理的目标检查区域的图像的总数。
本发明的再一个目的是提供一种以电磁方式确定远程物***置的便携式***，所述***对远程物体的能耗率较低，使远程物体在目标区域内的整个行程中能够一致高效地工作。通过智能开启远程物体或减少高耗能功能的用量来实现低能耗率，例如，在不降低接收信息的数量和质量的前提下，有选择地进行拍照以减少拍摄图像的总量。
本发明的又一个目的是提供一种以电磁方式确定远程物***置的便携式***，其中，便携式外部磁场发生组件可以轻松地移至目标检查区域的附近，或设置成在工作时覆盖所述目标区域，无需采用额外的固定装置。所述便携式***在室内和室外均可使用，且能保持工作精度，不受环境因素影响。
本发明的又一个目的是提供一种以电磁方式确定远程物***置的便携式***，其中，无论所述***处于静止状态还是运动状态，便携式外部磁场发生组件都能准确地检测远程物体的位置。进一步的，无论所述远程物体的运动是否与便携式***的运动同步，通过本发明公开的测量***和计算方法获得的位置信息都是可信的。
根据本发明的第一方面，公开了一种便携式电磁定位***，包括远程微型检查装置和便携式外部磁场发生组件。所述微型检查装置位于隔离的目标检查区域中，包括第一三维磁传感器，信号处理模块和无线通信模块。所述便携式外部磁场发生组件在三个维度分别产生脉冲磁场，而所产生的脉冲磁场由所述第一三维磁场传感器感测。可选地，所述电磁定位***包括参考位置单元，所述参考位置单元至少包括第二三维磁场传感器，所述第二三维磁场传感器设置于隔离的目标检查区域外部的支撑面上。远程物体在目标检查区域内移动时，所述第二三维磁场传感器被放置于所述外部支撑面的预定位置且方向固定。此外，所述电磁定位***包括移动记录器。所述移动记录器向三维线圈组件发送指令，并接收来自远程物体的信息。
在一个实施例中，根据本发明的第一方面，所述远程物体是远程微型检查装置。
在另一实施例中，根据本发明的第一方面，所述便携式外部磁场发生组件是一个三维励磁线圈组件，产生三维的脉冲磁场。所述三维励磁线圈组件产生强度为0.02-12高斯的磁场。在本发明的实施例中，所述三维励磁线圈组件与所述远程物体或远程微型检查装置相距3-20厘米。
在一个示例中，所述三维励磁线圈组件包括三组线圈，其中每组线圈都是围绕一个轴线缠绕而成，共三个轴线，每个轴线都垂直于另外两个轴线，并且三个轴线在三维励磁线圈组件的中心处相交，所述三维励磁线圈组件为球形或立方形。优选地，三维激励线圈的中心到远程物体中心的距离约为10厘米。
在一个优选的实施例中，根据本发明的第一方面，所述便携式外部磁场发生组件可以轻松地移至所述远程区域的附近，或设置成覆盖所述远程区域，无需采用额外的固定装置。
在另一实施例中，根据本发明的第一方面，所述便携式外部磁场发生组件包括三个三维励磁线圈组件，其中，每个励磁线圈组件由一个在x、y和z轴向上缠绕的励磁线圈制成。
根据本发明的第二方面，公开了一种利用电磁定位***精确检测和计算远程物***置的方法，包括以下步骤：确定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场；计算所述远程物体的位置；确定所述远程物体的方向。
本发明公开了三种确定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场的方法。第一种方法是测量环境磁场数据，并将环境磁场数据从测得的三维励磁组件的总磁场数据中去除。
第二种方法是采用双极脉冲序列法测量总磁场数据，其中环境磁场数据是在正方向和负方向上测得的数据，两个总磁场数据相加可以消除环境磁场。
第三种方法是采用组合序列法测量三次总磁场数据，其中至少有一个线圈的电流方向与前一次序列不同。
进一步地，在通过从总磁场中减去环境磁场来获得纯磁场的实施例中，包括在测量总磁场之前测量第一环境磁场。在另一个实施例中，确定环境磁场包括在产生脉冲磁场后测量第二环境磁场。在一个优选的实施例中，确定环境磁场包括在产生脉冲磁场前测量第一环境磁场；在产生脉冲磁场后测量第二环境磁场；取第一环境磁场和第二环境磁场数据的平均值作为环境磁场。
在实施本发明的原理时，根据优选的实施例，本发明提供一种便携式***和简单易用的方法，使远程物体产生或收集的信息能够实时标注地理或状态信息。所述便携式***和方法可以实时或以预先设定的时间间隔跟踪远程物体在目标区域内的运动情况。通过检测到的可靠的地理信息，如远程物体的位置和/或方向，以及有效的无线通信模块，操作者或人工智能界面可以与远程物体进行交互，使其能够更加智能且高效地收集更多的相关信息，以满足本发明的目的。
本发明具有的优势包括但不限于提供以下一个或多个功能：控制远程物体的方向，控制远程物体的运动，对探测器运动***的功耗要求低，以及耐用的运动控制和数据采集元件。本领域普通技术人员在结合附图和对本发明的多种实施例的详细说明后，可以理解本发明的上述以及其他优点、特征和有益效果。
附图说明
通过参照以下附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的电磁定位***的示意图；
图2是根据本发明第二实施例的电磁定位***的示意图；
图3是根据本发明实施例的远程物体的***图；
图4是根据本发明实施例的参考位置组件的示意图；
图5是根据发明实施例的使用场景示意图，其中，人体图像仅为图示目的，不属于发明内容；
图6是三维励磁线圈组件的中心与远程物体的位置之间的空间关系示意图，其中位置O是三维励磁线圈组件的中心；
图7是开启和关闭三维励磁线圈组件的脉冲序列的一个实施例的示意图；
图8是开启和关闭三维励磁线圈组件的脉冲序列的另一实施例的示意图；
图9-12是根据本发明实施例的三维励磁线圈组件的示例图；
图13是确定远程物***置和方向的方法步骤的流程图；
图14是测定环境磁场的方法步骤的示例性流程图；
图15是根据本发明实施例的获得远程物***置和方向的方法步骤的示例性流程图；
图16是根据本发明实施例的获得远程物***置和方向的方法步骤的实例性流程图；
图17示出了测定三维励磁组件产生的三个“纯”磁场的三种途径。
图18是根据本发明实施例的微型医疗设备的示意图。
图19是根据本发明实施例的移动记录器及其与外部线圈组件交互的示意图。
除非另有说明，否则具体实施方式中的参考对应于各附图中的相似参考。书面说明中使用的描述性和方向性术语，如上、下、水平、垂直、上部、侧面等，除非特别注明，否则是指附图本身，而非对本发明的物理限制。附图未按比例绘制，并且示出和讨论的实施例的一些特征被简化或放大以说明本发明的原理和特征以及优点。
具体实施方式
尽管下文中讨论了本发明的各种示例性实施例的制造和使用，但应当理解的是，实现其使用的装置和技术例示了可以体现在各种具体环境中的发明构思。应当理解的是，可以在不改变本发明原理的情况下在各种应用和实施例中实现本发明。为了清晰起见，不包括对本领域技术人员所熟悉的功能、组件和***的详细描述。一般来说，本发明提供了用于移动和定位远程物体的装置、***和方法。本发明将结合有代表性的实施例进行描述。尽管可以对实施例的细节进行修改和替换，但与现有技术相比，每个实施例都具有一个或多个优势。
为了简单起见，本发明公开的微型检查装置被设计为置于体内。目标区域为消化道。一种非侵入式的递送方法是通过吞咽进入消化道。但是，本发明公开的微型检查装置不应被解释为对其形状、尺寸或大小的限制。本发明公开的微型检查装置和三维励磁线圈及其使用方法，只要微型检查装置和三维励磁线圈的运动满足本发明各方面的要求，就可以实现在其他多种应用中使用的目的。
为了简单起见，在三维励磁线圈组件的一些示例中使用电磁线圈表达。在大部分的描述中，所述电磁线圈是指绕在圆柱体上的线圈。但是在本发明的范围内，电磁线圈的示例和计算仅用于说明目的，不应被解释为一种限制。
所述三维电磁线圈组件包括三个相互垂直的线圈。所述三个线圈具有共同的几何中心。每个线圈的横截面可以是圆盘形，也可以是正方形、长方形、椭圆形等形状。横截面积可以相同，也可以略有不同。在一个实施例中，具有可变横截面的是球形线圈或矩形三维线圈组件。
本发明涉及确定远程物***置的计算。在计算中，所有三维电磁线圈组件被做成3个垂直的磁偶极子模型。当远程物体到线圈中心的距离比其几何长度长2倍时，此方法可以获得一个近似值。但是对于均匀的球形线圈，当远程物体到球形线圈中心的距离大于其半径时，所述磁偶极子模型是准确的。当测量点非常靠近电磁线圈时，计算结果是一个近似值。到线圈的距离是其最长尺寸的大约2-3倍时，所述磁偶极子模型效果良好。
根据本发明的各方面，在一些实施例中，“便携式”是指能够被携带且易于运输。在一些实施例中，“便携式”是指可穿戴、适合穿戴或能够穿戴。此外，在一些实施例中，“便携式”是指电磁***被以可预测的或无法控制的方式不断的移动。
根据本发明的各方面，励磁组件(以下也称：励磁线圈组件、电磁线圈组件)与远程物体之间的距离定义为从励磁组件的中心到三维磁传感器在远程物体中的即时位置的距离。所述励磁组件的中心定义为励磁组件的各个磁轴的交汇点。在一实施例中，所述励磁组件的中心是其几何中心。在另一实施例中，所述励磁组件的中心非其几何中心。
根据本发明的各方面，三维磁传感器固定在远程移动物体上。所述远程移动物体包括为所述三维磁传感器供电的电源，可以对所述三维磁传感器检测到的磁场进行数字化处理的微处理器控制单元，以及可选配的无线通信模块。
根据本发明的各方面，在确定所述远程物体的距离和位置的数学计算以及本发明范围内的其他计算中，B代表磁场强度，在Bx中，B旁边的第一个字母x是指磁场强度的来源，例如Bx表示来自X线圈的磁场强度。在Bxx中，B旁边第二个下标字母表示由磁传感器测量的定向或分量磁场强度。例如，Bxx是指由远程物体中的磁传感器测得的X线圈的x分量磁场强度。进一步地，B没有上标表示参考线圈坐标。B’(带有’上标)表示参考三维磁传感器坐标。
所示和所述的发明原理也可应用于体内的其它用途，或应用于其它情况下使用的探测器，如机械、流体、或医疗搬运或输送***。本文中的“远程微型检查装置”与“探测器”可互换使用，一般指代探测装置和类似的远程物体，不受形状影响。应该理解的是，远程微型检查装置可以是球形、圆柱形、具有半球形末端的基本圆柱形，或其他合适的形状或形状的组合。
根据本发明的第一方面，第一实施例公开了一种便携的电磁定位***，包括：远程微型检查装置和便携式外部磁场发生组件。所述微型检查装置放置在隔离的目标检查区域中，包括第一三维磁传感器，信号处理模块和无线通信模块。所述信号处理模块和无线通信模块可以是RF发射器和天线。所述远程微型检查装置还包括图像传感器，镜头和一个或多个LED。
在第一实施例的一个实例中，所述远程物体内部不设置永磁偶极子。在第一实施例的另一个实例中，所述远程物体内部设置永磁偶极子。
参照图1，所述便携的电磁定位***主要包括远程微型检查装置100和便携式外部磁场发生组件101，其中，所述远程微型检查装置100放置在隔离的目标检查区域中，包括第一三维磁传感器；所述便携式外部磁场发生组件101能够产生三维脉冲磁场，而所述脉冲磁场可以由第一三维磁场传感器在外部感测到。所述便携的电磁定位***还包括第二三维磁场传感器103和移动记录器104，其中所述移动记录器104通过线圈驱动模块向所述便携式外部磁场发生组件发送指令，以独立操作每个线圈，并从远程微型检查装置的第一三维磁场传感器接收数据。远程微型检查装置中的第一磁传感器的Z轴与微型检查装置的长度方向一致。所述移动记录器还包括存储模块。
参照图2，类似地，所示便携的电磁定位***包括具有第一三维磁场传感器的远程微型检查装置100，三个便携式外部磁场发生组件101，第二三维磁场传感器103和移动记录器104。
在图1和图2中，所述便携式外部磁场发生组件101和移动记录器104设置在隔离的目标检查区域外部的支撑面上，作为参考磁场传感器；当所述远程检查装置在目标区域内移动时，第二三维磁场传感器被放置在外部支撑面上，具有预定的位置和固定的方向。
图1和图2中描述的***主要区别在于采用的电磁线圈数量不同。图2所示***具有三个电磁线圈。理论上，具有一个电磁线圈的***几乎可以执行与具有三个电磁线圈的***相同的位置测量。但是具有三个电磁线圈的***可以提供更精确的位置测定，并支持更宽的检测范围。因为检测范围取决于磁传感器测量的信噪比。为了提高信噪比，应增加电磁线圈的磁矩。一种增加电磁线圈磁矩的方法是增加励磁电流。由于产生的磁场与电磁线圈的中心到远程物体的距离的三次方成反比，因此为了使检测范围加倍，励磁电流应增加8倍。但是，对于一个设置好的线圈来说，最大允许电流受导线直径，脉冲宽度和电源的最大输出电流限制。导线直径越大，允许的电流越大。脉冲宽度越小，允许的电流越大。电源的最大输出电流即为对电流的限制。换句话说，电磁线圈一旦制成，即明确界定了最大允许电流。在这种情况下，无需制造新的电磁线圈，又能扩大检测范围，可以通过同时使用三个电磁线圈(而不是一个)来容纳更多的脉冲电流。
参照图5，外部磁场发生组件101和移动记录器104固定在包含远程物体100的目标区域的外部，并且围绕目标区域设置，例如以腰带的样式固定在患者的腰部。
在一个实例中，所述微型检查装置为胶囊或胶囊内窥镜。图3和图18示出了胶囊的结构详情。
本发明公开的参考传感器封装在参考传感器组件中，该参考传感器组件还包括处理电路、电池和天线，如图4所示。
三维磁场传感器
本发明公开的***和方法是为了满足便携的应用需求。在本发明的第一方面的第一实施例中，采用可靠、耐用而又高度灵敏的三维磁场传感器。所述三维磁场传感器的检测范围在数个高斯之内，并且运行噪声低。如果远程物体内部没有设置永磁偶极子，则在每次测量之前对所述三维磁场传感器进行校准，以消除地磁场的影响。
根据本发明的各方面，任何三维磁场传感器都可以用来实现本发明的目的。三维磁场传感器可以从包括三维磁阻AMR传感器和六轴传感器的一组传感器中选择。综合考虑检测范围、灵敏度、噪声、功耗和采样速度等因素来选择合适的传感器。所述传感器组还包括三维霍尔传感器、基于MES的磁传感器、基于磁阀或线圈的磁传感器、磁感应传感器、光纤磁传感器以及集成传感器，该集成传感器为集成三维磁传感器和三维加速度传感器的六轴传感器、以及集成三维磁传感器、三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器的九轴传感器等。
一个实例性的三维磁阻AMR传感器是三维磁阻AMR传感器MMC314xMS，其检测范围为+/-4Gauss，灵敏度为2mGauss，噪声小于0.6mGauss，功耗为0.55mA@3V，读取时间为7-10ms。
一个实例性的六轴传感器是六轴传感器LMS303D，其检测范围为+/-12Gauss，灵敏度为0.08m Gauss，噪声小于5mGauss，功耗为[email protected]，采样速度达到100Hz。
另一个实例性的六轴传感器是六轴传感器FXOS8700CQ，其检测范围为+/-12Gauss，灵敏度为0.18m Gauss，噪声小于10m Gauss，功耗为[email protected]，采样速度高达800Hz。
第一三维磁场传感器104与外部励磁线圈组件对准，以感测x、y和z轴磁场。在本实例中，z方向为远程微型检查装置的轴线方向。优选地，由磁场传感器检测的磁场值通过设置在远程微型检查装置100内的RF发射器106和天线108发送出去。可选地，所述远程微型检查装置100包括图像传感器110、透镜112和一个或多个LED114，用于拍摄图像；还包括相关处理电路116，用于处理、存储和/或发送图像数据。在定向和/或移动操作期间，摩擦力可用于稳定所述远程微型检查装置100，因此优选通过相应地修改装置的材料和/或纹理和/或形状，在选定点(如远程微型检查装置的两端附近)增加静态摩擦力。
根据本发明的第一方面，在第二实施例中，所述便携的电磁定位***还包括便携式外部磁场发生组件，所述外部磁场发生组件可以分别依次产生三个维度的脉冲磁场，并且产生的脉冲磁场可以由所述第一三维磁场传感器感测。
图7-10提供了所述便携式外部磁场发生组件的四个示图。在本发明的一个实施例中，磁场发生组件为励磁线圈组件。根据本发明的各方面，所述三维励磁线圈组件包括三组垂直放置的线圈，其中每组线圈都是围绕其中心轴线缠绕而成，每个中心轴线都垂直于另外两个轴线，并且三个中心轴线在三维励磁线圈组件的中心处相交，所述三维励磁线圈组件为球形或立方形。
所述磁场发生组件由多个励磁线圈组成。每个励磁线圈的特征在于线圈长度、线圈半径、围绕线圈轴线的匝数以及相应线圈的负载电流。
在本发明的范围内，所述三维励磁线圈组件由可以产生磁场的三个单独的励磁线圈组成，以时间顺序产生的三个磁场彼此垂直。由于产生的磁场与励磁线圈的磁轴方向一致，因此，包括三个线圈的三维励磁线圈组件相互垂直。所述三个励磁线圈被设置成几何中心彼此重合。每个线圈的横截面可以是圆盘形，也可以是正方形、长方形、椭圆形等形状。三个线圈的横截面积略有不同，但任意两个之间的差异都应小于5％，因此，在作为本发明第二方面描述的计算模型中，该差异可近似为零。
在本发明范围内，所述三维励磁线圈组件根据后述计算所用到的参数和原理设计。在计算中，所有三维励磁线圈被做成3个垂直的磁偶极子模型。进一步地，在一个实例中，在考虑计算模型时，三维励磁线圈组件的中心与远程物体之间的距离至少是三维励磁线圈组件几何长度的2.5倍，其中，三维励磁线圈组件的几何长度是线圈长度中最短的。在另一个实例中，当三维励磁线圈组件为球形，且三维励磁线圈组件与远程物体之间的距离大于球形三维励磁线圈组件的横截面半径时，计算模型准确，其中球形三维励磁线圈组件的半径为三维励磁线圈组件三个半径中的最大半径。
磁矩与匝数、横截面积和线圈电流均成正比。在本发明的范围内，在一个实例中，三个线圈的线圈长度、线圈半径、围绕线圈轴线的匝数以及各个线圈的负载电流相同或基本相同。在另一实例中，上述参数并非完全相同，甚至在认为参数相同的情况下，调整线圈的匝数以使具有相同电流的每个线圈的磁矩彼此接近。
在本实施例的一个示例中，如图9所示，励磁线圈组件包括三个励磁线圈701、702和703。其中，线圈701围绕电磁线圈Y轴连续缠绕；线圈702围绕电磁线圈X轴连续缠绕；线圈703是围绕电磁线圈Z轴连续缠绕，其中，线圈的绕组直径从一个边缘顶部到中间逐渐增大，并且从中间到另一个边缘底部逐渐减小。所述x，y和z三个磁轴在O点相交，该点被定义为励磁线圈组件的中心。在该示例中，三个磁轴x，y和z彼此垂直。在该示例中，每个线圈的横截面均为圆形。横截面直径之间的差异小于5％。
在本实施例的另一个示例中，如图10所示，所述励磁线圈组件包括三个励磁线圈801、802和803。其中，线圈801是围绕电磁线圈Y轴连续缠绕；线圈802是围绕电磁线圈X轴连续缠绕；线圈803围绕电磁线圈Z轴连续缠绕，其中，线圈的绕组直径从一个边缘顶部到中间，再到另一个边缘底部均保持均匀。所述x，y和z三个磁轴在O点相交，该点被定义为励磁线圈组件的中心。在该示例中，三个磁轴x，y和z彼此垂直。在该示例中，每个线圈的横截面均为圆形。
在本实施例的又一个示例中，如图11所示，所述励磁线圈组件包括三个励磁线圈901、902和903。其中，线圈901围绕磁线圈Y轴连续缠绕；线圈902是围绕电磁线圈X轴连续缠绕；线圈903围绕电磁线圈Z轴连续缠绕，其中，线圈的绕组直径从具有第一最小直径的一端持续增大到具有最大直径的中间端，再持续减小到具有第二最小直径的另一端。所述x，y和z三个磁轴在O点相交，该点被定义为励磁线圈组件的中心。在该示例中，三个磁轴x，y和z彼此垂直。在该示例中，每个线圈的横截面均为圆形。在一个示例中，球形构造的三维电磁线圈组件包括以2cm x 4cm x 4cm绕制的电磁线圈。
在本实施例的再一个示例中，如图12所示，所述励磁线圈组件包括三个励磁线圈1001、1002和1003。其中，线圈1001围绕电磁线圈Y轴连续缠绕；线圈1002围绕电磁线圈X轴连续缠绕；线圈1003围绕电磁线圈Z轴连续缠绕，其中，线圈的绕组直径从具有第一最小直径的一端到具有最大直径的中间端再到具有第二最小直径的另一端均保持一致。所述x，y和z三个磁轴在点O相交，该点被定义为励磁线圈组件的中心。在该示例中，三个磁轴x，y和z彼此垂直。在该示例中，每个线圈的横截面为圆形、矩形、或正方形。在一个示例中，如图10所示，矩形构造的三维电磁线圈组件包括在三维方向以2cm×4cm×4cm绕制的电磁线圈，所述三维分别是x、y、z方向。
本发明的唯一目的是确定远程物体的位置，为此，一个检测-测量周期内的磁场测量需要在限定的时间内完成。一方面，限定的时间首先由远程物体的运动频率决定。本发明的一个优势是，即使远程物体没有固定在一个位置上，也可以检测到其位置。另一方面，限定的时间由励磁组件本身的运动频率决定。即使在励磁组件和远程物体同步运动的情况下，由于地磁场的变化，为了准确确定位置，也需要在限定的时间内完成检测-测量周期。根据本发明的各方面，所述励磁组件的每个线圈都可以单独充电。各个线圈需要以精确控制的时序充电。另外，各个线圈需要非常快速地充电和放电，以使在每个序列中产生的三个磁场之间没有干扰。
限定的时间又由包括可接受的检测精度在内的其他因素决定。对于不同的应用和最终使用场景，可接受的检测精度会有所不同。
在一个示例中，所述远程物体是配备磁传感器的胶囊内窥镜，其以10mm/s的速度在目标区域(例如消化道)中移动。为了达到可接受的0.5mm的位置精度目标，规定的测量时间限制小于50ms。
在本发明的范围内，针对以10mm/s的速度在目标区域(如消化道)内运动的磁传感器。为了达到可接受的0.5mm的位置精度目标，规定的测量时间限制小于50ms。
进一步地，需要尽可能地缩短充电时间和放电时间。例如，小于1微秒。充电荷放电的持续时间取决于线圈的材料、线圈直径和线圈匝数。
在本发明的范围内，在一个示例中，矩形三维电磁线圈组件的绕组配置为：一面面积为4厘米×4厘米，匝数为1000匝；另一面为2厘米×4厘米，匝数为2000匝。选择的励磁线圈的横截面直径为0.18mm，电阻率为160欧姆或240欧姆。在一示例中，三维励电磁线圈组件的电流为0.1A。在另一示例中，三维励磁线圈组件中的每个线圈具有约10层缠线。
在三维励磁线圈组件的工作过程中，在脉冲10ms，电压24V和脉冲恒流源0.1A设置励磁电流。电流值可以在实施程序中设置。所述三维励磁线圈组件可提供最大7.2W的线圈功率，2次/秒的检测频率以及小于1W的平均功耗。
出于本发明的目的，当微型检查装置在目标位置时，外部三维励磁线圈组件产生磁场供微型检查装置的第一三维磁场传感器感测。由于三维磁场传感器的检测极限和灵敏度要求，以及外部三维励磁线圈组件与目标位置之间的特定距离配置，在一些示例中，三维励磁线圈组件被配置为产生0.02-12高斯的磁场，供微型检查装置检测。在一些其他示例中，三维励磁线圈组件被配置为产生0.005-1高斯的磁场，供微型检查装置检测。在又一些其他示例中，三维励磁线圈组件被配置为产生0.5-100高斯的磁场，供微型检查装置检测。在又一些其他示例中，三维励磁线圈组件被配置为产生10-2000高斯的磁场，供微型检查装置检测。
另外，当微型检查装置的第一三维磁场传感器感测到由外部三维励磁线圈组件产生的磁场时，所述微型检查装置在限定范围内的目标位置移动。换句话说，在工作或检查过程中，第一三维磁场传感器与外部三维励磁线圈组件之间的距离是相对确定的。在一示例中，当微型检查装置在目标位置运动时，微型检查装置与三维励磁线圈组件之间的距离范围为3-5厘米。在另一示例中，当微型检查装置在目标位置运动时，微型检查装置与三维励磁线圈组件之间的距离范围为5-7厘米。在另一示例中，当微型检查装置在目标位置运动时，微型检查装置与三维励磁线圈组件之间的距离范围为7-11厘米。在另一示例中，当微型检查装置在目标位置运动时，微型检查装置与三维励磁线圈组件之间的距离范围为11-15厘米。在另一示例中，当微型检查装置在目标位置运动时，微型检查装置与三维励磁线圈组件之间的距离范围为15-20厘米。
根据微型检查装置的三维磁传感器检测磁场值的要求以及外部三维励磁线圈组件和三维磁传感器之间的距离约束，所述三维励磁线圈组件被配置为产生0.02-12高斯范围内的磁场。
所述三维励磁线圈组件还包括管理模块，所述管理模块包括天线，该天线从通信单元接收指令，以接通和断开励磁电流和时序协议。
根据本发明的第一方面，在第三实施例中，所述电磁定位***还包括外部参考位置组件。所述外部参考位置组件包括第二三维磁场传感器，该第二三维磁场传感器设置在隔离的目标检查区域外部的支撑面上，用作参考磁场传感器。所述远程物体在目标检查区域内移动时，所述第二三维磁场传感器被放置于所述外部支撑面的预定位置且方向固定。所述第二三维磁场传感器可作为判断所述外部三维激励线圈是否运动的参考，和/或确定远程物体在目标区域内移动时的相对位置以及运动轨迹的参考。
根据本发明的各方面，任何三维磁场传感器都可以用来实现本发明的目的。三维磁场传感器可以从包括三维磁阻AMR传感器和六轴传感器的一组传感器中选择。综合考虑检测范围、灵敏度、噪声、功耗和采样速度等因素来选择合适的传感器。
所述外部参考位置组件还包括控制单元和电池，所述控制单元用于读取和发送数据，，所述电池用于供电。
参考三维磁场传感器104与外部励磁线圈组件对准，以检测x，y和z轴磁场。在本示例中，z方向为参考位置组件的轴线方向。优选地，由参考三维磁场传感器检测到的磁场值通过无线通信模块发送出去，所述无线通信模块包括射频发射器106和天线108。
参照图3，在工作过程中，所述外部励磁线圈组件和参考位置组件放置在环绕目标区域的第一和第二表面上，而传感器放置在两个表面之间的空间、空腔、封闭或半封闭区域。在一个优选的实施例中，环绕目标区域的第一表面和第二表面是两个相对的表面。因此，所述***实现了对所产生的磁场的最大灵敏度。
前述示例是在本发明的范围内实现的一种特定实施方式。本发明的原理并不限于该特定实施方式，还有许多变化是可能的。应当理解的是，在本发明的范围内，可以在组件的细节和设置做出许多其他改变。
如图3所示，在一个示例中，所述远程微型装置是一颗可以在患者的消化道内移动的胶囊装置。本发明提供一种励磁线圈，该励磁线圈与天线一起设置在一根腰带上，腰带穿戴在患者身上。所述腰带的周长约为成年人的腰围。包括所述励磁线圈和天线的三维励磁组件设置在所述腰带的第一位置(患者腹部位置)。参考位置设置在第二位置上，例如在患者背部靠近脊椎的地方。此配置可以通过参考位置来确定所述腰带在位置测量期间是否偏离其预期位置，并可在需要时提供校准。例如，追踪胶囊与参考位置之间的距离随时间的变化作为参考曲线，确定腰带是否发生明显错位，并根据参考曲线的轨迹进行校准。
参照图1和图3，所述三维励磁组件位于穿戴在人体的腰带上，所述第二磁传感器固定在同一腰带上，并且与人体保持一定距离。如图3所示，本示例中的所述距离是腰带周长的1/4。另外，远程物体的三维磁传感器到第二磁传感器的距离与远程物体的三维磁传感器到三维励磁组件之间的距离相同。
考虑到示例性装置的描述，应该理解的是，可以根据以下下公式和原理，通过三维磁传感器和参考位置确定远程微型检查装置的实时位置。
根据本发明的第二方面，公开和描述了一种使用三维励磁组件来确定远程物***置的方法。该方法包括以下步骤：首先，测定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场；然后，计算三维励磁组件与远程物体之间的距离；在计算远程物体的位置后，计算远程物体的方向。
其中，测定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场，包括以下步骤：
确定环境磁场；
测量三维励磁组件产生的脉冲磁场；
从测量的脉冲磁场中去除环境磁场，得到三维励磁组件产生的纯磁场。
其中，测量三维励磁组件产生的磁场包括以下步骤：通过三维励磁组件中的第一、第二和第三线圈中的脉冲序列测量磁场。进一步地，所述三维励磁组件每个独立线圈的第一、第二和第三磁轴方向，与第一、第二和第三方向彼此垂直。
去除环境磁场的三种方法
本发明公开了三种可供选择的方法，用于测定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场。第一种方法是测量环境磁场数据，并将环境磁场数据从测得的三维励磁组件的总磁场数据中去除；根据第一种方法，详细的步骤如图13和14所示。方法步骤之间的区别在于何时进行环境磁场测量，以及在后续计算中是否使用三维励磁组件实际产生的前后总磁场的平均值。可以根据具体的测量条件，选择图13和14中所列的两个方法步骤。如果环境磁场在总磁场数据测量前后变化很大，为了获得最准确的结果，图14中的方法步骤更为合适。
第二种方法是采用双极脉冲序列法测量总磁场数据，其中环境磁场数据是在正负方向上测得，两个总磁场数据相加以消除环境磁场干扰。
第三种方法是采用组合序列法测量三次总磁场数据，其中至少有一个线圈的电流方向与前一次序列不同。
详细说明测定由三维励磁组件产生的三个“纯”磁场的各个备选步骤：
采用第一种方法
本发明公开的三维励磁组件旨在放置在地球上的磁场环境下使用。在测量中必须考虑地磁场的影响，并在远程物体的位置测定时将其从计算中移除。
虽然地磁场随时间变化不大，但环境中的铁氧体材料可能在不同的位置局部地改变地磁场，最重要的是，磁传感器的方向可能会随着移动而发生变化，因此磁场矢量的三个磁场分量可能会随时间变化。最好在执行位置测定的同时测定环境磁场。
在一个示例中，所述远程物体是胶囊内窥镜。当受试者戴上三维励磁线圈组件并吞服一个设有磁传感器的胶囊内窥镜时，在受试者移动时，所测环境磁场可能发生变化。即使环境磁场不变，所述磁传感器也会在人体转动时随之一起转动，从而造成其方向发生变化，因此磁传感器对三维磁场分量的读数也会发生变化。因此，应该在确定位置附近测量环境磁场。
在一个示例中，在应用脉冲磁场对远程物体进行位置测定之前，对环境磁场进行测量，并将测量值作为环境磁场值，在后续的计算中进行扣除。
在另一个示例中，在应用脉冲磁场对远程物体进行位置测定之后，对环境磁场进行测量，并将测量值作为环境磁场值，在后续的计算中进行扣除。
在一个优选的示例中，在应用脉冲磁场对远程物体进行位置测定之前和之后均测量环境磁场，取两次测量的平均值作为环境磁场的值，并在后续计算中扣除。图13和14示出了本发明方法步骤的两个实施例。在第一实施例中，确定环境磁场，并按照预先设定的顺序逐一测量三维励磁线圈组件产生的磁场。
在本发明的一个实施例中，所述三维励磁组件和远程物体被放置在地球上。环境磁场基本上就是地磁场。当线圈电流产生的磁场强度弱于地磁场时，磁传感器的方向变化会造成相当大的误差，例如，传感器方向变化1度，造成的误差可达地磁场总量的1.6％。例如，当总测量周期为50毫秒时，远程物体的转动范围应限制在每秒小于20度，或每1度的方向变化保持3.3rpm的转速。受试者的活动，如快速转动或突然移动，无论是计划中的还是不可避免的，将造成较高的位置测量误差，因此在这些条件下，第二种方法比第一种方法更具优势。
优选的方法包括以下步骤：在脉冲序列测量之前和之后都测量地磁场，然后取平均值，可以大大减少远程物体方向变化造成的误差类型。在第一种方法(优选的示例性方法)还包括两种以上的操作流程。
在第一优选的操作流程中，在电磁线圈产生脉冲序列磁场之前，通过远程物体的三维磁传感器测量第一方向、第二方向和第三方向的磁场，获得第一环境磁场数据。
在第一时序下，电磁线圈在第一方向产生磁场。
在第二时序下，电磁线圈在第二方向产生磁场。
在第三时序下，电磁线圈在第三方向产生磁场。
在电磁线圈产生脉冲序列磁场之后，通过远程物体的三维磁传感器测量第一方向、第二方向和第三方向的磁场，获得第二环境磁场数据；并取第一环境磁场数据和第二环境磁场数据的平均值作为环境磁场值，从测量的磁场数据中扣除。
在第二优选的操作流程中，地磁场的测量和电磁线圈产生的磁场的测量穿插在整个位置测量序列中。所谓穿插是指，对环境磁场的测量至少在三维励磁组件产生的脉冲序列之间发生一次，而不只是在三维励磁组件的脉冲序列之前或之后发生。在一示例中，整个测量过程包括以下步骤：在第二种方法的优选操作流程中，每次可以在一个方向上，或在三个方向上测量地磁场。测量序列的一个示例描述如下：
第一，在电磁线圈产生脉冲序列磁场之前，通过远程物体的三维磁传感器测量第一方向、第二方向和第三方向的环境磁场，获得第一环境磁场数据；然后沿第一方向执行第一电磁线圈脉冲磁场测量；
第二，通过远程物体的三维磁传感器测量第二环境磁场，获取第二环境磁场数据，然后沿第二方向执行第二电磁线圈脉冲磁场测量。
第三，通过远程物体的三维磁传感器测量第三环境磁场，获取第三环境磁场数据，然后沿第三方向执行第三电磁线圈脉冲磁场测量。
第四，可选地，通过远程物体的三维磁传感器测量第一、第二和第三方向上的环境磁场，以获得第四环境磁场数据。
进一步地，当环境磁场基本为地磁场时，测量环境磁场不仅可以帮助测定三维励磁组件产生的纯磁场，而且还可以提供远程物体是否移动或相对于其先前位置移动了多少的指示。如果远程物体的移动超过预设阈值，则需要增加位置测量频率，或者需要减少一个位置测量周期的持续时间，以保持精度目标。由于测量地磁场所需的时间约为10微秒，因此，缩短测量周期的最有效方法是加快电磁线圈的脉冲序列步骤。
例如，在电磁线圈脉冲序列之前和之后，远程物体的三维传感器测得的某一方向的地磁场值大于地磁场的2％或10mGauss时，则认为所述远程物体的运动速度过快，应提高测量速度，以保持准确的位置测定目标。在这种情况下，例如当远程物体的三维磁传感器测到的地磁场变化为20mGauss，代替以10毫秒的阈值完成三维磁场测量，测量时间需要减少到5毫秒。因此，励磁线圈电流脉冲周期也从10毫秒减少到比5毫秒稍长(如5.5毫秒)。同时，由于远程物体的三维磁传感器的噪声增加，测量灵敏度将有所下降。在一个***中，所述三维励磁组件和三维磁传感器的结构固定，可以选择一个预定的最佳脉冲序列，包括脉冲宽度和幅度，以及测量时间，以平衡测量目标的位置精度和灵敏度的误差容限。所述预定的最佳脉冲序列可以采用预设的经验值，也可以在每次测量时通过监测地磁场分量的变化作出适应性改变。因此，可选地，本发明公开的方法还包括以下步骤：在同一测量周期内，测定远程物体相对于其先前位置的的位置变化，如果位置变化的绝对值大于第一阈值，则相应调整脉冲序列测量步骤中的周期时间或持续时间。
采用第二种方法--双极脉冲序列法来消除环境磁场
关于环境磁场消除的步骤，在第二替代方法实施例中，不需要在消除环境磁场之前单独测定环境磁场。相反，在测量总磁场时，可以利用双极脉冲序列法，有效抵消环境磁场的影响。如图7和图8所示，顾名思义，在双极性脉冲序列法中，对任何线圈的任何给定的x、y和z方向都先施加正电流，紧接着施加负电流，反之亦然。
但是，为了使双极脉冲序列法能很好地发挥作用，以满足位置精度和敏感度要求，所述远程物体不应在环境磁场的一定的预定范围，和/或三个分量(x、y、z分量)内移动，在每次脉冲电流测量过程中，在正负电流条件下测量的环境磁场需要沿各测量方向保持一致。消除环境磁场的第二种替代方法没有第一种方法通用，特别是当所述三维励磁组件和远程物体都可能在整个位置测量周期内以计划或意外方式移动。
参照图7和图8，本发明公开并描述了所述双极脉冲序列法的两种操作流程。在示例性脉冲序列中，每个脉冲持续10毫秒，上升沿和下降沿被控制在1毫秒之下。励磁线圈在+x、-x、+y、-y、+z和-z方向上连续或不连续地、提供脉冲电流。
图7示出了第一种操作流程。图7为两个示例性的脉冲序列示意图，其中，脉冲序列向励磁线圈提供脉冲电流，以测量每个励磁线圈在每个坐标方向上产生的磁场。
在脉冲序列的第一示例中，仅在x、y、z的正方向上给励磁线圈充电，每个方向连续充10毫秒。
第一种操作流程的详细描述如下：1)在正振幅方向上向第一电磁线圈施加10毫秒的电流，2)在正振幅方向上向第二电磁线圈施加10毫秒的相同电流，3)在正振幅方向上向第三电磁线圈施加10毫秒的相同电流。此后立即，4)在负振幅方向上向第一电磁线圈施加10毫秒的电流，5)在负振幅方向上向第二电磁线圈施加10毫秒的相同电流，6)在负振幅方向上向第三电磁线圈施加10毫秒的相同电流。
图8示出了第二种操作流程。在脉冲序列的第二示例中，励磁线圈在x、y、z的正负方向分别充电，每个方向连续充10毫秒。因此，每次测量持续60毫秒。这样的测量每0.5秒重复一次。
第二种操作流程的详细描述如下：1)在正振幅方向上向第一电磁线圈施加10毫秒的电流，2)在负振幅方向上向第一电磁线圈施加10毫秒的相同电流；3)在正振幅方向上向第二电磁线圈施加10毫秒的相同电流，4)在负振幅方向上向第二电磁线圈施加10毫秒的电流；5)在正振幅方向上向第三电磁线圈施加10毫秒的相同电流，6)在负振幅方向上向第三电磁线圈施加10毫秒的相同电流。
对线圈组件执行任一操作流程后，将进行以下九种计算。在本示例中，每次检查前都要测量地磁场。进一步地，使用双极脉冲序列法中的一种操作流程，在三个分量坐标方向(x、y和z)上分别对三个电磁线圈X，Y和Z充电。然后从结果中减去环境磁场。公式如下：
BXx＝(BX，(x)-BX(x))/2
Bxy＝(BX，(y)-BX(y))/2
Bxz＝(BX，(z)-BX(z))/2
Byx＝(B)Y，(x)-BY(x))/2
Byy-(BY，(y)-BY(y))/2
Byz＝(BY，(z)-BY(z))/2
Bzx＝(BZ，(x)-BZ(x))/2
BZy-(BZ，(y)-BZ(y))/2
BXz＝(BZ，(z)-BZ(z))/2 (30)
使用每个公式计算后，环境磁场在计算中被成功去除。分别计算上述9个公式产生分量磁场，该分量磁场用于计算电磁线圈的Bx，By和Bz。
上述公式中的各符号说明如下：
BXx是指励磁后X线圈在x分量方向上的磁场，由三维磁传感器测得，包含环境磁场。
BXy为励磁后X线圈在y分量方向上的磁场。
BXz为励磁后X线圈在z分量方向上的磁场。
Byx为励磁后Y线圈在x分量方向上的磁场。
Byy为励磁后Y线圈在y分量方向上的磁场。
Byz为励磁后Y线圈在z分量方向上的磁场。
Bzx为励磁后Z线圈在x分量方向上的磁场。
Bzy为励磁后Z线圈在y分量方向上的磁场。
Bzz为励磁后Z线圈在z分量方向上的磁场。
BX+(x)是指施加正振幅电流后，X线圈在x分量方向上的磁场。
BX-(x)是指施加负振幅电流后，X线圈在x分量方向上的磁场。
是指施加正振幅电流后，X线圈在y分量方向上的磁场。
BX-(y)是指施加负振幅电流后，X线圈在y分量方向上的磁场。
BX+(z)是指施加正振幅电流后，X线圈在z分量方向上的磁场。
BX-(z)是指施加负振幅电流后，X线圈在z分量方向上的磁场。
By+(x)是指施加正振幅电流后，Y线圈在x分量方向上的磁场。
By-(x)是指施加负振幅电流后，Y线圈在x分量方向上的磁场。
By+(y)是指施加正振幅电流后，Y线圈在y分量方向上的磁场。
By-(y)是指施加负振幅电流后，Y线圈在y分量方向上的磁场。
By+(z)是指施加正振幅电流后，Y线圈在z分量方向上的磁场。
By-(z)是指施加负振幅电流后，Y线圈在z分量方向上的磁场。
Bz+(x)是指施加正振幅电流后，Z线圈在x分量方向上的磁场。
Bz-(x)是指施加负振幅电流后，Z线圈在x分量方向上的磁场。
Bz+(y)是指施加正振幅电流后，Z线圈在y分量方向上的磁场。
Bz-(y)是指施加负振幅电流后，Z线圈在y分量方向上的磁场。
Bz+(z)是指施加正振幅电流后，Z线圈在z分量方向上的磁场。
Bz-(z)是指施加负振幅电流后，Z线圈在z分量方向上的磁场。
采用第三种方法--组合混合序列法来消除环境磁场
在本公开的图2和第[0063]段所述的***中，当使用了多个电磁线圈时，则使用第三种方法来消除环境磁场。
所述组合混合序列法包括同时向三个电磁线圈提供电流，并且提供三次。其中，至少一个电流具有与之前电流不同的电流方向。假设环境磁场在整个测量期间保持不变，并且仅改变电流方向，则以组合方式测量三次产生的磁场。在方法命名中，“组合的”表示存在多个组合。“混合序列”是指电流方向可以在一种组合中混合正负方向。在本发明中，组合是指在一个操作流程中，每个电磁线圈组件的一个组成线圈(X，Y，Z)同时被励磁。详细过程可以通过以下说明来理解。
对于一个具有线圈X、Y和Z的电磁线圈组件，每个线圈的磁矩分别为Mx、My和Mz，可以建立以下关系：Mx:My:Mz＝mx:my:1.例如，同时对一个***中的三个电磁线圈进行脉冲励磁时，可以建立三个测量条件，分别是(Mx，My，Mz)，(-Mx，My，Mz)和(-Mx，-My，Mz)。电磁线圈的x、y、z方向如图9-11所示。脉冲电流如图7所示。
对于组合1(Mx，My，Mz)
其中，B1’指第一组合。B1x’为第一电磁线圈沿x分量方向的磁场。B1y’为第一电磁线圈沿y分量方向的磁场。B1z’为第一电磁线圈沿z分量方向的磁场。
对于组合2(-Mx,My,Mz)
其中，B2’指第二组合。
B2x’为该电磁线圈沿x分量方向的磁场。
B2y’为该电磁线圈沿y分量方向的磁场。
B2z’为该电磁线圈沿z分量方向的磁场。
对于组合3(-Mx,-My,Mz)
其中，B3’指第三组合。
B3x’为该电磁线圈沿x分量方向的磁场。
B3y-’为该电磁线圈沿y分量方向的磁场。
B3z’为该电磁线圈沿z分量方向的磁场。
上述公式中的各符号说明如下：
Bxx’为励磁线圈X在x分量方向产生的磁场。Byx’为励磁线圈Y在y分量方向产生的磁场。
Bzz’为励磁线圈Z在z分量方向产生的磁场。
Byx’为励磁线圈Y在x分量方向产生的磁场。Bxy’为励磁线圈X在y分量方向产生的磁场。
Byz’为励磁线圈Y在z分量方向产生的磁场。
Bxz’为励磁线圈X在z分量方向产生的磁场。Bzy’为励磁线圈Z在y分量方向产生的磁场。
Bzx’为励磁线圈Z在x分量方向产生的磁场。
方程组8、9和10中的’表示符号已建立并在与远程物体关联的3D坐标中进行了表征。
结合上面列出的电磁线圈磁场，可以得出每个电磁线圈的磁场为
Bx′x＝(B1′x-B2′x)/2 By′x＝(B2′x-B3′x)/2 Bz′x＝(B1′x+B3′x)/2
Bx′y＝(B1′y-B2′y)/2 By′y＝(B2′y-B3′y)/2 Bz′y＝(B1′y+B3′y)/2
Bx′z＝(B1′z-B2′z)/2 By′z＝(B2′z-B3′z)/2 Bz′z＝(B1′z+B3′z)/2 (11)
通过使用下面的公式(3)-(5)确定九个分量磁场(每个电磁线圈产生x、y和z三个分量磁场，共三个电磁线圈)后，即可得到Bx，By和Bz。在此计算中，mx和my是基于***设计的已知参数。
上述第三种方法提供了一种无需实际测量环境磁场即可去除环境磁场的有效方法。正如在相应的***说明中所公开的那样，当使用三个电磁线圈时，对于具有最大允许电流和固定线径的固定线圈组件来说，提高了位置检测精度和检测范围。当三个电磁线圈同时产生脉冲电流时，会增加整体功率输出范围，并在一定程度上“克服”电源限制。以方程组(8)、(9)、(10)提供组合1、组合2和组合3的三个例子。原则上，每个励磁线圈，可以构建一个包括两个不同电流方向(正向和负向)的组合，总共可以构建23＝8个组合。
根据公式(1)计算远程物体的位置
计算的基本原则是可以准确检测励磁线圈组件产生的磁场。当励磁线圈组件和三维磁传感器之间的距离远大于励磁线圈组件的尺寸时，则可以假定由励磁线圈组件产生的磁场等效于由永磁偶极子产生的磁场。
在得到三维励磁线圈组件的脉冲电流产生的三个“纯”线圈磁场后，可通过以下公式(1)计算三维磁激励组件与远程物体之间的距离，其中三维励磁组件与远程物体之间的距离定义为三维励磁组件中心到远程物体的三维磁传感器中心的距离。
p＝A1/3/[(Bx2+By2+Bz2)/6]1/6 (1)
上述公式中，p是三维励磁组件的中心与远程物体的三维磁性传感器中心的距离。A为
上述公式中，μ0是真空磁导率，M是单个励磁线圈的磁矩，磁矩与线圈总匝数N、线圈电流I和线圈横截面S成正比。此外，M，N和I具有以下关系：
M∝N·I·S
在公式(1)中，假定三维励磁组件中每个线圈的磁矩等于M。
Bx是线圈在x方向上的总磁场。By是线圈在y方向上的总磁场。Bz是线圈在z方向上的总磁场。x、y、z方向是三维励磁线圈组件的磁轴方向。典型的x、y和z方向或轴向如图7-10所示。Bx可以通过公式(2)所示的三分量磁场来计算。
Bx′x,Bx′y,Bx′z是由三维磁传感器测量得到的磁场的三个分量。
相应地，By和Bz是同一线圈在y和z方向上的总磁场，其中每个总磁场由远程物体的三维磁传感器测得的三个分量磁场所组成。
参照图6，出于计算目的，三维励磁线圈组件在三维坐标中的位置坐标为P(a，b，c)，分别对应坐标轴x、y、z，满足以下公式(5)的要求。
Bx，By和Bz，p和A具有与公式(1)-(4)中相同的含义。根据以上公式(1)-(5)，可以得出八个结果组合，其中，考虑到***限制和最后计算位置的连续性，只有一个数据点是有意义的。
使用公式(6)计算距离P
另外，对于上述包括多个电磁线圈的***，根据三维励磁线圈组件中三个励磁线圈的磁矩，可以通过修改公式(1)来计算距离。计算的基本原则是基于可以准确检测励磁线圈组件产生的磁场。当励磁线圈组件和三维磁传感器之间的距离远大于励磁线圈组件的尺寸时，则可以假定由励磁线圈组件产生的磁场等效于由永磁偶极子产生的磁场。当励磁线圈的磁矩为Mx，My和Mz时，具有以下关系：Mx:My:Mz＝mx:my:1.
并且Mz＝M，则公式1变为如下公式(6)
p＝A1/3/[((Bx/mx)2+(By/my)2+Bz2)/6]1/6 (6)
其中，p，A和Bx，By，Bz具有与公式(1)中相同的含义。因此，将公式(5)中与三维励磁线圈组件的三维坐标中的位置有关的公式修改为公式组(7)
确定远程物体的方向
确定远程物体的位置之后，可以通过以下步骤确定其方向。在本发明的范围内，确定远程物体的方向是指确定远程物体相对于其磁轴的旋转角度。进一步地，远程物体的旋转角度定义为与远程物体的三维磁传感器的旋转角度相同并由其表示。三维磁传感器的旋转角度是相对于三个磁轴x’、y’和z’定义的。
首先，计算三维励磁线圈组件坐标中每个励磁线圈(Bx，By和Bz)的磁场。该计算基于磁偶极子模型。
对于三个励磁线圈(X，Y和Z)，根据以下公式按照x、y、z方向计算三维励磁线圈组件坐标中的位置。
其中，磁场分别是(Bxx，Bxy，Bxz)，(Byx，Byy，Byz)，(Bzx，Bzy，Bzz)。
磁传感器对X、Y、Z三个励磁线圈的相应测量结果为
(Bx′x,Bx′y,Bx′z)(By′x,By′y,By′z)(Bz′x,Bz′y,Bz′z)
如果在三维励磁组件坐标中，磁传感器没有旋转，则励磁线圈组件中定义的x、y、z轴与远程物体的磁传感器测量的x’、y’、z’轴分别沿相同方向彼此平行。但是，如果磁传感器存在旋转，则通过旋转矩阵建立远程物体的磁传感器测量的轴和励磁线圈组件中的轴之间的关系。例如，轴z’和轴z具有以下关系，如公式(16)所示。
图6为旋转角度示意图。图中，x、y、z是线圈的坐标，或称为全局坐标；x’、y’、z’是磁传感器的坐标，或称为局部坐标。α围绕X轴旋转，也称为俯仰角；β围绕Y轴旋转，也称为偏航角；γ围绕Z轴旋转，也称为翻滚角。
绕轴旋转
首先，看一下绕每个轴旋转：+X、+Y与+Z。以三种不同方式将三个轴投影到到一个平面，将要旋转的轴指向纸面向外。正旋转方向为逆时针(右手规则)。
绕左(X)轴旋转(俯仰)
上轴(Y)与前轴(Z)的初始值分别为(0,1,0)与(0,0,1)。如果左轴(X)旋转A°，则新的上轴(Y’)变为(0,cosA,sinA)，新的前轴(Z’)变为(0,-sinA,cosA)。新轴作为3×3旋转矩阵的列分量***。旋转矩阵变为：
绕上(Y)轴旋转(偏航)
现在，旋转指向纸面向外的向上向量B°。左(X)轴从(1,0,0)变为X’(cosB,0,-SinB)。前轴(Z)从(0,0,1)变换为Z‘(sinB,0,cosB)。
绕前(Z)轴旋转(翻滚)
旋转前轴(Z)C°，初始左(X)轴(1,0,0)变为X’(cosC,sinC,0)，上(Y)轴(0,1,0)变为Y‘(-sinC,cosC,0)。
角轴
通过将以上3个矩阵相乘，可以将分开的轴旋转结合为一个矩阵。注意矩阵乘法是不可交换的，因此，矩阵乘法的不同顺序会产生不同的结果。共有6中不同的结合方式：RxRyRz、RxRzRy、RyRxRz、RyRzRx、RzRxRy和RzRyRx。
组合旋转矩阵的左列为旋转后的左轴，中间列为上轴，右列为前轴。
其中R是旋转矩阵，Bz是三维励磁线圈组件中z方向的磁场矢量(图6)，Bz’是由磁传感器在远程物体坐标中测得的磁场矢量。此外，所述旋转矩阵R如公式17所示。
下述公式中α、β和γ是旋转角度。
sx＝sin(α) sy＝sin(β) sz＝sin(γ)
cx＝cos(α) cy＝cos(β) cz＝cos(γ)
理论上，通过公式(15)和(16)可以计算α、β和γ的值。但这可能涉及到多个非线性方程的求解，效果不是很好。或者，也可以将计算简化，具体地，可以在数学上利用X、Y和Z励磁线圈磁场的线性组合，使得磁传感器处的三维励磁线圈组件磁场沿z方向；还可以在数学上利用X、Y和Z励磁线圈的磁场的线性组合，使得磁传感器处的三维励磁线圈组件磁场沿y方向。
XYZ分别表示沿xyz轴的XYZ线圈。
其中，为三维励磁线圈坐标中的磁场，磁场方向可以沿x、Bx，也可以沿y、By或沿z、Bz。
其中，是磁传感器坐标中的磁场，磁场方向可以沿x、Bx’，也可以沿y、By’或沿z、Bz’。
公式(18)中的线性组合简化了公式(17)的计算过程。此外，通过公式组(19)和(20),可以更容易计算得到旋转角α和β，如公式(21)和(22)所示。
Bz＝k1Bxz+k2Byz+Bzz
B′x＝Bz′x+k1Bx′x+k2By′x
B′y＝Bz′y+k1Bx′y+k2By′y
B′z＝Bz′z+k1Bx′z+k2By′z (19)
其中，分别是三维励磁线圈组件坐标和磁传感器坐标中的磁场。磁传感器方向的角度为
α＝arctan(By′/Bz′) (21)
β＝arcsin(-Bx′/Bz) (22)
相应地，三维励磁线圈组件在y轴方向上的磁场可以用同样的过程计算，如公式(23)所示。因此,更容易计算出旋转角度γ的值，如公式(25)所示。
By＝k3Bxy+k4Bzy+Byy
B′x′＝By′x+k3Bx′x+k4Bz′x
B′y′＝By′y+k3Bx′y+k4Bz′y
B′z′＝By′z+k3Bx′z+k4Bz′z (23)
γ＝arcsin(B″xcos(β)/By) (25)
综上所述，通过公式(21)、(22)、(25)，可以确定远程物体中的三维磁传感器的旋转角度。
以上公开了一种使用三维励磁线圈组件来确定远程物体的位置和方向的***和方法。在另一种实现方式中，在相同的工作原理下，可以使用3个三维励磁线圈，以更精确地确定远程物体的位置。围绕远程物体的不同位置设置3个三维励磁线圈组件，组成一种高级的***，以协同确定每个三维励磁线圈组件之间的距离。
在一个实施例中，三组三维励磁线圈组件围绕目标区域设置。在一个示例中，将所述三组三维励磁线圈组件设置在患者身体周围的三个不同位置。在一个示例中，第一三维励磁线圈组件设置在(x1，y1，z1)，第二三维励磁线圈组件设置在(x2，y2，z2)，第三三维励磁线圈组件设置在(x3，y3，z3)。第一三维励磁线圈组件与第二三维励磁线圈组件之间的距离为L1，第二三维励磁线圈组件与第三三维励磁线圈组件之间的距离为L2，第一三维励磁线圈组件与第三三维励磁线圈组件之间的距离为L3。
则位置计算公式为
其中，
/>
其中，
x1 2+y1 2+z1 2＝a2
x2 2+y2 2+z2 2＝b2
x3 2+y3 2+z3 2＝c2
y＝Ax+B
z＝Cx+D (27)
通过公式(26)-(27)可以计算出磁传感器的位置(x,y,z)。
在本发明的替代实施例中，采用参考位置进一步确定所述三维励磁线圈组件在位置测定过程中是否移动。
在一个示例中，如图3所示，当一个三维励磁线圈组件佩戴在人体腰部时，所述参考磁传感器贴在人体上，特别是后腰椎位置。在长时间和反复的测定远程微型检查装置在人体内的位置的过程中，所述三维励磁线圈组件可能会发生移位。本发明提供一种方法，包括以下步骤：测量三维励磁线圈组件与远程微型检查装置之间的距离和三维励磁线圈组件与参考位置之间的距离，以消除由于三维励磁线圈组件移动造成的误差。本方法还包括以下步骤：
首先，确定三维励磁线圈组件到远程物体的距离P，其中P是一个矢量。
其次，确定三维励磁线圈组件到参考位置的距离Q，其中Q是一个矢量。
然后，计算P(矢量)和Q(矢量)之间的距离，以消除由于三维励磁线圈组件可能移动而引起的误差。距离P和距离Q的测量同时进行。
医用的远程微型检查装置可以配备以下一种或多种工具：医学诊断工具、医学治疗工具或手术工具。医学诊断工具有助于检查远程微型检查装置所处区域的身体状况，包括拍摄图像或测量温度、压力、pH等的传感器。在本发明的其他实施例中，医学诊断工具还可以包括从该区域采集物理样本并将样本输送到体外以进行进一步检测的设备。医疗治疗工具指的是用于治疗现有病症的治疗设备，例如，可以包括药物输送装置、用于光动力治疗的医用光源或用于低温治疗的受控热源。医疗手术工具包括可以在体内进行外科手术的设备。
本发明公开的装置、***和方法具有一个或多个优点，包括但不限于改进远程物体的方向和运动控制，降低远程传感器功率要求等。虽然已经参照某些说明性实施例对本发明进行了描述，但所描述的实施例并不限制本发明的范围。例如，在不脱离本发明的情况下，可以在特定情况下使用所示和所述实施例中的特征或材料的变型或组合。尽管本文根据特定示例描述了当前优选的实施例，但是本领域技术人员在参考附图、说明书和权利要求书后，对示例性实施例的更改和组合、以及本发明的其他优点和实施例，均包括在本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种用于确定远程物体在目标区域内的位置的便携式电磁定位***，其特征在于，该便携式电磁定位***包括：
远程微型检查装置，配置在目标区域内，包括
第一三维磁场传感器，
信号处理模块和无线通信模块；
便携式外部磁场发生组件，
设置在隔离的目标区域外部的第一支撑面上，分别产生三个维度的脉冲磁场，该脉冲磁场由所述第一三维磁场传感器感测；
第二三维磁场传感器，
设置在隔离的目标区域外部的第二支撑面上，所述第二支撑面与所述第一支撑面相对，所述第二三维磁场传感器相对于所述第一支撑面的位置和方向固定，作为参考磁场传感器，作为判断所述第一支撑面上的所述便携式外部磁场发生组件是否相对所述第二支撑面移位的参考，和确定所述远程微型检查装置在目标区域内移动时的相对位置以及运动轨迹的参考；
移动记录器，通过线圈驱动模块向所述便携式外部磁场发生组件发送指令，使各线圈独立运行，并接收来自所述远程微型检查装置的所述第一三维磁场传感器的数据，根据所述第一三维磁场传感器的数据确定所述远程微型检查装置在所述目标区域的位置。
2.根据权利要求1所述的便携式电磁定位***，其特征在于，所述第一三维磁场传感器选自一组传感器，包括三维磁阻AMR传感器、三维霍尔传感器、基于MES的磁传感器、基于磁阀或线圈的磁传感器、磁感应传感器、光纤磁传感器以及集成传感器，该集成传感器为集成三维磁传感器和三维加速度传感器的六轴传感器、以及集成三维磁传感器、三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器的九轴传感器。
3.根据权利要求1所述的便携式电磁定位***，其特征在于，所述便携式外部磁场发生组件包括三个励磁线圈，所述三个励磁线圈在x、y、z坐标上相互垂直，且通过线圈连接的脉冲或双极脉冲电流发生器产生脉冲磁场，脉冲宽度在1毫微秒到10秒之间。
4.根据权利要求3所述的便携式电磁定位***，其特征在于，包括励磁线圈的外部三维励磁线圈组件在第一三维磁场传感器处产生的磁场的范围为0.0002-1200高斯。
5.根据权利要求3所述的便携式电磁定位***，其特征在于，所述第一三维磁场传感器与包括励磁线圈的外部三维励磁线圈组件的距离为0-80厘米。
6.根据权利要求3所述的便携式电磁定位***，其特征在于，还包括两个额外的便携式外部磁场发生组件，与上述便携式外部磁场发生组件相同。
7.根据权利要求6所述的便携式电磁定位***，其特征在于，所述三个便携式外部磁场发生组件围绕目标区域设置。
8.根据权利要求1所述的便携式电磁定位***，其特征在于，所述移动记录器还包括存储模块。
9.一种用于确定远程物体在目标区域内的位置和方向的***，包括：
设于可穿戴设备上的便携式外部磁场发生组件，所述便携式外部磁场发生组件包括三维励磁组件；
包括三维磁传感器且能够导入封闭或半封闭的目标区域的远程物体，所述三维磁传感器用于测定由三维励磁组件产生的三个纯磁场，便于根据测定的纯磁场计算远程物体的位置和确定远程物体的方向；以及
用于设于人体上的参考磁传感器，所述参考磁传感器相对人体的位置固定，用于判断所述可穿戴设备是否偏离其预期位置。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，通过以下步骤测定由三维励磁组件产生的三个纯磁场：
测量环境磁场数据，并将环境磁场数据从测得的三维励磁组件的总磁场数据中去除，包括：
每次在接收到励磁线圈的脉冲磁场之前或/和之后测量环境磁场矢量，通过去除环境磁场矢量来校准由外部磁场发生组件产生的磁场矢量；
环境磁场检测与接收到励磁线圈的脉冲磁场之间的时间间隔小于环境磁场变化周期的一半。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，通过以下步骤测定由三维励磁组件产生的三个纯磁场：
测量外部磁场发生组件中每个线圈在正方向和负方向上产生的磁场，并将两个磁场数据的结果相加，消除环境磁场。
12.根据权利要求9所述的***，其特征在于，通过以下步骤测定由三维励磁组件产生的三个纯磁场：
采用组合序列法测量三次总磁场数据，其中至少有一个线圈的电流方向与前一次序列不同。
13.根据权利要求9所述的***，其特征在于，通过以下步骤计算远程物体的位置：
通过公式(5)确定远程物体在三轴坐标中的当前位置数据P(a，b，c)；
p＝A1/3/[((Bx/mx)2+(By/my)2+Bz2)/6]-1/6 公式(5)
其中，p为外部磁场发生组件与远程物体之间的距离；μ0是真空磁导率，M是单个励磁线圈的磁矩，Bx为x方向产生的磁场，By为y方向产生的磁场；Bz为z方向产生的磁场；mx为x线圈与z线圈的磁矩之比，my为y线圈与z线圈的磁矩之比，其中，磁矩与线圈电流、线圈横截面积和线圈匝数成正比，三维励磁线圈组件在三维坐标中的位置坐标P(a，b，c)分别对应坐标轴x、y、z，满足以下公式的要求：
通过以下公式确定远程微型检查装置的方向，以远程物体相对于其磁轴的旋转角度α、β及γ表示；
B′x＝-sin(β)Bz
B′y＝sin(α)cos(β)Bz
B′z＝cos(α)cos(β)Bz (6)
B′x＝cos(β)sin(γ)By (7)
其中，Bext为三维励磁线圈坐标中的磁场，Bint是磁传感器坐标中的磁场，位置O是外部磁场发生组件需定位的位置，从O到P的连线分别与三个坐标轴x、y、z形成角度α、β及γ，公式(6)根据三维励磁线圈z向线圈在三维励磁线圈坐标中的磁场与磁传感器坐标中的磁场之间的关系求出α和β，公式(7)根据三维励磁线圈y向线圈在三维励磁线圈坐标中的磁场与磁传感器坐标中的磁场之间的关系求出γ。
14.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述便携式外部磁场发生组件包括一个以上的励磁线圈组件。
15.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述便携式外部磁场发生组件包括外部线圈组件，其中每个线圈组件包括三个励磁线圈，并相互垂直放置。
16.根据权利要求10所述的***，其特征在于，在分别对三个励磁线圈X、Y、Z充电后，测量并减去地磁场，分别确定三个坐标方向的磁场。
17.根据权利要求9所述的***，其特征在于，还包括：追踪远程物体和参考传感器之间的距离随时间的变化作为参考曲线，并确定外部励磁组件是否发生移位，并根据参考曲线的轨迹进行校准。
18.根据权利要求14所述的***，其特征在于，提供三个励磁线圈组件，实现高信噪比。
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