基于磁场的跟踪方法和系统技术方案

提供了一种基于磁传感器的跟踪系统、方法和计算机可读介质，用于在具有一致磁场的环境中跟踪具有磁场生成设备的装置。基于磁传感器的跟踪系统包括具有磁场生成设备的装置、一个或多个磁场感测设备以及控制器。一个或多个磁场感测设备中的每一个在操作中被配置为在磁场生成设备穿过环境时位于磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，预期路径包括多个区域。控制器耦合到一个或多个磁场感测设备并且在操作中被配置为利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测通过从一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数并基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集计算该装置在环境中的位置和取向来跟踪环境内的装置。置。置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于磁场的跟踪方法和系统
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2020年11月4日提交的新加坡专利申请第10202010982R号的优先权。


[0003]本专利技术总体上涉及磁场跟踪，并且更具体地涉及用于对磁场一致且已知的物体进行磁场跟踪的方法和系统。

技术介绍

[0004]胃内球囊(IGB)是治疗肥胖症的方法之一。磁膨胀球囊胶囊(MIBC)是一种IGB，其球囊膨胀由嵌入式永磁体和外部永磁体之间的相互作用触发。MIBC的一个问题是，如果在MIBC位于食管内时触发膨胀，那么可能会造成损害。如果能够提供MIBC没有位于食管内的信息，则可以安全地使MIBC膨胀。然而，没有用于在体内跟踪可吞咽IGB的方法或系统。
[0005]然而，在内窥镜胶囊跟踪的研究中可以找到各种相关方法。基于电磁、磁力、视频、反射标记、超声波、X射线和伽马射线的定位为内窥镜胶囊跟踪提供了可行的解决方案。虽然由于尺寸限制，优选在胶囊中没有额外的组件，但利用嵌入式永磁体的磁定位是一种合适的方法。
[0006]典型的基于磁场的跟踪涉及求解逆磁体模型或利用正向磁体模型进行优化。然而，由于难以采用逆磁体模型，因此经常使用优化。与优化相关的挑战包括对传感器数量和计算强度的要求。由于跟踪精度取决于所采用的传感器数量，因此通常需要许多传感器。此外，许多传感器的优化需要大量的计算工作并导致低跟踪频率。
[0007]因此，需要这样的基于磁场的跟踪方法和系统：其克服现有技术的缺点并且更简单和更具成本效益，并且可以提供大的跟踪范围和快速的计算速度，适用于IGB体内跟踪。此外，结合附图和本公开的背景，从随后的详细描述和所附权利要求中，其他期望的特征和特性将变得显而易见。

技术实现思路

[0008]根据本实施例的至少一个方面，提供了一种基于磁传感器的跟踪系统，用于通过具有恒定磁场的环境跟踪装置。基于磁传感器的跟踪系统包括具有磁场生成设备的装置、一个或多个磁场感测设备和控制器。一个或多个磁场感测设备中的每一个在操作中被配置成在所述磁场生成设备穿过所述环境时位于所述磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，所述预期路径包括多个区域。控制器耦合到一个或多个磁场感测设备并且在操作中被配置为利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测通过以下方式跟踪所述环境内的所述装置：从所述一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数；以及基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集来计算所述装置在所述环境内的位置和取向。
[0009]根据本实施例的另一个方面，提供了一种用于跟踪磁性物体的方法。该方法包括：
从第一磁场传感器获得磁场读数，以及在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索所述磁场读数，以获得搜索阈值内的解集。该方法还包括：基于所述解集来计算所述磁性物体的位置和取向；以及基于所述跟踪方法的所需使用或跟踪所述磁性物体所处的环境中的一者或两者，更新用于后续搜索的所述搜索阈值和所述瞬时搜索范围。
[0010]根据本实施例的另一方面，提供了一种计算机可读介质，用于利用一个或多个磁场感测设备的磁场感测来跟踪磁性物体。计算机可读介质存储用于处理器件执行以下操作的指令：从一个或多个磁场感测设备中的每一个获得磁场读数；以及在预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围内搜索磁场读数，以获得在搜索阈值内的解集。该计算机可读介质还存储用于处理器件执行以下操作的指令：基于所述解集来计算磁性物体的位置和取向；以及基于跟踪方法的所需使用或跟踪磁性物体所处的环境中的一者或两者，来更新用于后续搜索的搜索阈值和瞬时搜索范围。
附图说明
[0011]附图用于说明各种实施例和解释根据本实施例的各种原理和优点，其中相同的附图标记在各个单独的视图中指代相同或功能相似的元件，并且附图与下面的详细描述并入并形成说明书的一部分。
[0012]图1描绘了根据本实施例的基于磁传感器的跟踪方法和系统的传感器布置相对于普通成年人的食管的图示。
[0013]图2描绘了根据本实施例的示例性基于磁传感器的跟踪系统的框图。
[0014]图3A、图3B和图3C描绘了根据本实施例的图2的示例性系统中的元件的照片，其中图3A描绘了用于嵌入磁膨胀胃内球囊胶囊中的示例性永磁体，图3B描绘了示例性传感器，并且图3C描绘了Arduino UNO和示例性传感器屏蔽。
[0015]图4，包括图4A和图4B，描绘了根据本实施例的食管搜索区域的图示，其中图4A描绘了显示瞬时和全局搜索范围的侧视图，图4B描绘了显示瞬时和全局搜索范围的3D视图。
[0016]图5描绘了根据本实施例的比例微分控制器搜索阈值调制器的电路图。
[0017]图6描绘了根据本实施例的根据本实施例的基于两个磁传感器的跟踪方法的流程图。
[0018]图7描绘了根据本实施例的用于测试基于磁传感器的跟踪方法和系统的跟踪精度的实验设置的照片。
[0019]图8，包括图8A和图8B，描绘了根据本实施例的通过图7的实验设置获得的机器人轨迹的图表，其中图8A描绘了在侧x
‑
z平面中获得的轨迹的图表，并且图8B描绘了在前y
‑
z平面中获得的轨迹的图表。
[0020]图9描绘了根据本实施例的用于等式(9)的比例微分调制器的α(z)的图表。
[0021]并且，图10，包括图10A至图10F，描绘了根据本实施例的笛卡尔坐标及其位置误差的原始估计结果和五个估计结果的平均值的图表，图10A描绘了z轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，图10B描绘了z轴的原始估计结果的位置误差图和最后五次估计的平均值的图表，图10C描绘了x轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，图10D描绘了x轴的原始估计结果的位置误差和最后五次估计的平均值的图表，图10E描绘了y轴的原始估计结果和最后五次估计的平均值的图表，并且图10F描绘了y轴的原始估计结果的
位置误差和最后五次估计的平均值的图表。
[0022]熟练的技术人员将理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的并且不一定按比例描绘。
具体实施方式
[0023]下面的详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本专利技术或本专利技术的应用和用途。此外，无意受限于本专利技术的前述背景或以下详细描述中提出的任何理论。本实施例的目的是提出方法和系统，以在磁膨胀球囊胶囊(MIBC)通过食管时跟踪其位置，直到确认食管内没有MIBC。此外，对于本实施例，提出了用于磁定位的实用且成本有效的方法和系统，包括利用嵌入在MIBC中的永磁体，以用于MIBC跟踪。
[0024]虽然传统的基于磁场的跟踪涉及求解逆磁体模型或利用正向磁体模型进行优化，但是根据本实施例的基于磁场的跟踪方法和系统既不涉及求解逆模型也不涉及优化。相反，根据本实施例的方法和系统依赖于通过预先获得的磁场阵列搜索传感器读数。与传统的方法和系统相比，这些方法和系统提供了大的跟踪范围和快速的计算速度，传统的方法和系统依赖于计算密集型优化，需要高性能计算机和大量传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于磁传感器的跟踪系统，用于通过具有恒定磁场的环境来跟踪装置，该基于磁传感器的跟踪系统包括：所述装置，其包括磁场生成设备；一个或多个磁场感测设备，其中所述一个或多个磁感测设备中的每一个在操作中被配置成在所述磁场生成设备穿过所述环境时位于所述磁场生成设备的预期路径的可感测范围内，所述预期路径包括多个区域；以及控制器，其耦合到所述一个或多个磁感测设备中的每一个，所述控制器在操作中被配置为利用所述一个或多个磁感测设备的磁场感测，以通过以下方式跟踪所述环境内的所述装置：从所述一个或多个磁感测设备中的至少一个获得至少一个磁场读数；以及基于从预先获得的磁场模型获得的至少一个解集来计算所述装置在所述环境内的位置和取向，所述至少一个解集响应于所述至少一个磁场读数和搜索阈值而生成。2.根据权利要求1所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述磁场生成设备是永磁体。3.根据权利要求1所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述磁场生成设备是电磁铁。4.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述环境是生物环境。5.根据权利要求4所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述生物环境是人或动物的体内环境并且所述体内环境包括食道。6.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述装置是磁膨胀胃内球囊胶囊(MIBC)。7.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述控制器在操作中被配置为通过搜索所述预先获得的磁场模型的瞬时搜索范围的搜索阈值内的所述至少一个磁场读数来生成所述预先获得的磁场模型的至少一个解集，以获得所述至少一个解集。8.根据权利要求7所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，全局搜索范围包括所述装置在所述多个区域内的所有可能位置和取向，并且其中所述控制器在操作中进一步被配置为基于所述环境和/或所述基于磁传感器的跟踪系统的所需使用将所述瞬时搜索范围定义为所述全局搜索范围的预定子区域。9.根据前述权利要求中的任一项所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述控制器在操作中进一步被配置为通过确定用于在三维空间中定位所述装置的坐标、所述装置的俯仰旋转或所述装置的滚动旋转中的一个或多个来计算所述装置的位置和取向。10.根据权利要求9所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，用于在三维空间中定位所述装置的所述坐标包括三个笛卡尔坐标。11.根据任意前述权利要求所述的基于磁传感器的跟踪系统，其中，所述一个或多个磁场感测设备包括第一磁感测设备和第二磁感测设备，其中所述第一磁感测设备和第二磁感测设备在操作中被配置为当所述磁场生成设备穿过所述环境时相对于所述磁场生成设备的预期路径布置，以便于基于所述第一磁场感测设备和所述第二磁场感测设备的磁场感测
来跟踪所述装置。12.一种磁性物体的跟踪方法，包括以下步骤：从第一磁场传感器获得磁场读数；在预先...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫坂宗明，彭树捷，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：