英语原文共 11 页

立方3轴磁传感器阵列，用于无线跟踪磁体位置和方向

Chao Hu，Mao Li，Shuang Song，Wanan Yang，Rui Zhang，and Max Q. -H.Meng

摘要 - 在医学诊断和治疗，例如内窥镜检查，剂量转换监测中，通常期望无线跟踪移动通过人类胃肠道的物体。在本文中，我们提出了一种用于这种应用的磁定位和定向系统。该系统使用包围在物体中的小磁体作为激励源，因此不需要用于激励信号的连接线和电源。当磁体移动时，其在其周围建立静态磁场，其强度与磁体的位置和取向相关。利用磁传感器，可以检测在一些预定空间位置中的磁强度，并且可以基于适当的算法来计算磁体的位置和取向参数。在这里，我们提出了一个由霍尼韦尔3轴磁传感器HMC1043制成的立方磁传感器阵列开发的实时跟踪系统。使用一些高效的软件模块和校准方法，如果立方传感器阵列具有足够数量的3轴磁传感器，则系统可以实现令人满意的跟踪精度。实验结果表明，平均定位误差为1.8 mm。

索引术语 - AMR传感器阵列，立方磁传感器阵列，磁体，实时跟踪。

I.引言

最近，许多研究人员建议用于跟踪短距离物镜（例如，人体内的医疗设备[1] - [5]）的磁畴定位和定向技术。这是因为人体的磁导率非常接近空气的磁导率，并且对静态（或低频）磁信号施加的影响非常小，因此可以实现高定位精度。此外，磁性技术具有更高的速度，并且与其他可能的技术（例如，CT，MRI和3-D超声技术）相比可以更容易地实现。通常，该技术使用具有一个或多个磁偶极子（或线圈）的磁激发源，其产生可以由磁性线圈（或传感器）检测的磁信号。基于这些检测到的信号，系统可以通过应用适当的算法来定位定位和定向参数。在一些应用中，低频交流信号可以用于激发偶极子[6]，[23] - [25]。然而，对于跟踪人体内的目标，例如无线胶囊内窥镜[8] - [11]和监测药丸传输[7]，[14]，[16]，无线技术是优选的。由于这种应用需要尽可能小的功率和空间，小的永磁体是用作激励偶极而不是磁线圈的更好的选择。

这种磁体的定位是5-D（3-D位置和2-D定向）问题，因此需要具有5个（或更多个）高灵敏度磁传感器的检测系统。一些研究人员建议使用超导量子干涉仪（SQUID）技术来监测磁标记的传输[7，16，26]。然而，SQUID需要冷却，并且测量通常在磁屏蔽室中执行。期望找到可以在正常环境中实现的更方便的磁检测技术。这种技术可以由Schlageter等人提出的系统来引用。 [14]和Golden et al。 [15]。他们建立了一个使用16个霍尔传感器的2-D阵列来跟踪由稀土圆柱形磁体制成的磁性标记的系统。然而，霍尔传感器的灵敏度太低，并且当磁体移离传感器阵列时，来自平面传感器阵列的检测信号变得太弱，这导致低信噪比（SNR）和低定位性准确性。磁传感器是用于定位系统的关键元件，并且存在许多类型的磁传感器，例如霍尔传感器[28]，[29]，巨磁阻（GMR）传感器[30] - [32]，各向异性磁阻（AMR）传感器[33] - [35]和磁通门[36]，[37]。为了保证检测到的信号具有足够的SNR，传感器必须具有高灵敏度，宽范围和强抗干扰能力。在我们以前的研究[12]，我们尝试这些磁性传感器，最终选择霍尼韦尔3轴AMR磁传感器，HMC1043（或HMC1053）。其分辨率和灵敏度适合于由Nd-Fe-B磁体产生的磁信号如果磁体和传感器之间的距离在磁体长度的30倍内，则磁体的尺寸（或更大）。

如图1所示。如图1所示，早先通过使用16个HMC1053传感器构建了平面磁阵系统[12]。该系统的平均定位误差在3mm以内，（Nd-Fe-B）磁体，在传感器阵列上方在150mm内移动。然而，当磁体远离传感器阵列平面移动超过150mm时，精度急剧下降，因为磁信号随着磁体到传感器之间的距离衰减太多（反向立方）。为了保证精度和稳定性，我们设计了一个新的系统，通过使用更多的（64）3轴磁传感器来形成大小为大约的立方传感器阵列，并通过组合线性矩阵和非线性优化方法改进了定位算法。此外，我们对传感器参数应用了特定的校准方法。因此，定位和定向结果更准确和标准。

本文的结构如下。在第二部分，我们介绍系统的硬件设计。在第三部分，我们讨论定位算法和实时软件设计。在第四部分，我们建议传感器阵列的校准方法。在第五节中，我们提出真实的实验结果和一些分析的结果，其次是第六部分的结论。

II。 传感器阵列硬件设计

图2示出了立方磁传感器阵列。它由磁传感器的四个平面组成，形成立方体内部磁体可以在传感器阵列内自由移动。磁体的尺寸可以小或大作为应用程序，并且磁铁越大，SNR越高。在