磁标记定位信号检测电路设计及信号预处理研究

论文摘要

磁标记定位方法的原理是利用磁场对非磁屏蔽物体(人体)的穿透性,可以实现非可视状态下的三维定位,在医疗领域有广泛的应用。与信号强度定位、X射线透视定位、超声波定位,放射性元素标记定位相比,磁标记定位具有无损害、操作简便等特点。本论文对用于消化道微型诊疗系统的磁定位方法中的磁传感器阵列设计和磁信号的预处理方法进行了深入研究。本文设计出两种基于不同原理的磁场定位硬件电路:基于霍尔传感器的阵列和基于磁通传感器的阵列。前者通过霍尔传感器将磁场的变化转变成电压信号,通过滤波放大,由采集卡传输到PC机中;后者则利用磁通传感器及其控制芯片共同来完成对三维磁场的测量。通过对比实验,我们对以上两种传感器阵列进行选择来寻求一种适合于本系统的磁定位电路。由传感器阵列采集的原始信号需要进行预处理以提高信号的信噪比。平滑滤波、中值滤波以及小波分析都是信号预处理的常用方法。通过实验发现,小波默认阈值的方法可以滤除静态磁场信号中大部分频率段的噪声,而平滑滤波级联中值滤波的方法则对动态信号的处理有比较好的效果。在本论文中,作者对以上处理方法进行综合,共同处理磁场信号,大大提高了信噪比。实验是本文工作的重点。作者分别进行了霍尔传感器匹配、磁场信号采集、传感器排布、信号预处理和地磁场干扰补偿实验。通过对两种硬件电路的比较发现,磁通传感器阵列在采集磁场信号的灵敏度和稳定性方面均优于霍尔传感器阵列。综上所述,采用磁通传感器阵列并结合有效的信号预处理方法,可以大大提高磁定位的精确度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 消化道微型诊疗系统定位技术及其国内外发展现状
• 1.1.1 信号强度定位法
• 1.1.2 体外超声定位方法
• 1.1.3 Gamma 闪烁扫描法
• 1.1.4 磁标记检测法
• 1.2 课题的提出及研究内容和意义
• 1.2.1 课题的提出
• 1.2.2 课题研究内容和意义
• 1.2.3 研发目标及技术要求
• 1.3 论文组织结构
• 2 磁定位系统关键技术
• 2.1 磁定位系统总体设计
• 2.2 永磁体的选择
• 2.3 磁场模型的建立
• 2.3.1 永磁体的磁场模型
• 2.3.2 磁偶极子理论
• 2.3.3 磁偶极子空间磁场分布
• 2.4 接收端磁传感器
• 2.4.1 霍尔传感器
• 2.4.2 半导体磁阻传感器
• 2.4.3 磁通传感器
• 2.4.4 超导量子干涉器
• 2.4.5 磁传感器的比较和选择
• 2.5 信号的预处理
• 2.6 地磁场干扰补偿
• 2.7 本章小结
• 3 磁信号采集电路设计
• 3.1 设计原则及技术路线
• 3.2 基于霍尔传感器的电路设计方案
• 3.2.1 总体设计
• 3.2.2 霍尔传感器模块
• 3.2.3 滤波电路
• 3.2.4 放大电路
• 3.2.5 电源模块设计
• 3.2.6 信号采集装置
• 3.3 基于磁通传感器的磁信号采集电路设计
• 3.3.1 总体设计
• 3.3.2 磁通传感器及专用集成电路
• 3.3.3 SPI-USB 接口转换模块
• 3.3.4 通道选择模块
• 3.4 系统的抗干扰设计
• 3.4.1 系统布局
• 3.4.2 印刷电路板的布线
• 3.4.3 接地
• 3.4.4 屏蔽设计
• 3.5 本章小结
• 4 磁信号的预处理方法研究
• 4.1 磁信号特性
• 4.2 平均滤波方法
• 4.2.1 数字信号处理理论
• 4.2.2 滑动平均滤波器
• 4.2.3 中值平均滤波器
• 4.3 小波默认阈值方法
• 4.3.1 小波分析概论
• 4.3.2 小波分析用于信号消噪处理
• 4.4 信号预处理实验
• 4.4.1 静态信号处理
• 4.4.2 动态信号处理
• 4.4.3 实验结果及讨论
• 4.5 本章小结
• 5 磁定位系统实验研究
• 5.1 霍尔传感器模块匹配实验
• 5.2 磁场信号采集实验
• 5.2.1 采集静态磁信号实验
• 5.2.2 永磁体多点信号采集实验
• 5.2.3 连续信号采集实验
• 5.3 传感器排布实验
• 5.4 地磁场干扰补偿实验
• 5.4.1 补偿地磁干扰的方法
• 5.4.2 实验数据及处理
• 5.4.3 试验结果
• 5.4.4 结论
• 5.5 误差分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录