核磁共振线圈的无源RFID定位

蒋家驹++雒江涛

摘要：核磁共振成像以其高分辨率，动态造影等优点越来越多的被应用在医学诊断中，核磁共振线圈的定位研究也逐渐受到企业重视。本文从射频信号传播模型出发，阐述了采用无源标签RFID技术进行线圈定位的原因，并通过三角定位算法对无源RFID定位技术的可行性进行了计算与分析，证明了无源RFID定位的适用性，并讨论了该领域的发展方向。

关键词：核磁共振 无源RFID 室内定位

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0121-02

随着医疗水平的不断提高，核磁共振检测（MRI）[1]越来越多的被使用在临床诊断中，核磁共振成像以及核磁共振仪的创新升级成为医疗企业和高等院校的研究重点。在众多研究课题中核磁共振线圈的定位问题成为几大医疗企业的研究方向。因为核磁共振系统处于强磁场之中，所以找到一个既不干扰系统工作又拥有较高的定位精度的定位方法就成为研究难点。RFID（射频识别）[2]作为一种非接触式的识别技术，在室内定位中广泛应用。无源RFID系统的适用性强，对核磁共振系统影响较小，价格低廉等特点，使其成为核磁共振线圈定位的潜在解决方案。

1 核磁共振系统

核磁共振，又叫核磁共振成像技术。核磁共振是一种物理现象[3]，最初被广泛的使用在物理化学分析领域，直到1973它才作为一种诊断方式被应用于临床检测。从上世纪70年代应用以来，它以极快的速度得到发展，被视为既CT后医学影像学的又一重大进步[4]。

核磁共振成像的基本原理是将人体置于特殊的磁场中[5]，用无线电射频脉冲激发体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。射频脉冲停止发射后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放，接收端记录下该能量信号并将其传送给分析端，计算机会根据接收到的信号绘制图形，这就叫做核磁共振成像。

核磁共振线圈是核磁共振系统的重要组成部分，它通常起到发射脉冲及接收信号的作用。在工作流程中，它需要接入系统才能被识别并正常运行。但是因为操作医师的疏忽，线圈有时会没有接入系统而被误放在操作台上，这会导致系统故障并对待诊患者造成伤害。所以无线定位核磁共振线圈，并在线圈摆放错误时及时提醒医师就变得非常重要了。

2 RFID定位系统

RFID是一种非接触式的自动识别技术[6]，它通过射频信号与目标建立连接并获取相应的数据。RFID系统主要由标签、读写器和数据系统构成，根据标签的工作方式又分为有源标签RFID和无源标签RFID。

有源标签RFID的标签能量由外部电池提供，当标签接上电池后它会周期发射射频信号，读写器会根据接收到的信号获取相关信息。有源标签RFID具有识别范围广，精度高，性能稳定等特点，但因为标签会周期性的发射射频信号，对核磁共振仪的成像质量存在一定的影响。

无源标签RFID标签内部没有电池，当标签进入读写器作用范围时，它会反馈读写器发送来的射频信号，读写器根据这一信号获取相应的数据[7]。无源标签RFID体积小，且不会主动发射射频信号影响核磁共振仪的工作。但是无源标签RFID存在识别精度较低的缺点，所以需要找到一个合适的算法并验证其可行性。

3 无线传播模型

无源标签RFID定位技术通过分析射频信号在传播过程中的信号衰减量来分析待测点与信号源的距离，而核磁共振诊断室一般为封闭的室内空间，所以无线射频信号可以用室内传播模型来模拟[8]，

公式（1）中，lt为传播过程中信号衰减的强度，fc为载波频率，n为信号强度系数，d为传播距离，sf*（nf）为层间系数，它由信号源与接收源之间的楼层数决定。

为了得到距离d与信号衰减量lt之间方程，可将公式（1）化简为：

如公式（5）所示，我们可以通过测量信号衰减量lt来计算距离d[9s]。公式（2）及（3）中的参数可通过线性测试来估测，使用载波频率为865Mhz的射频信号进行测量，测的数据如表1所示，并据此做图1估计参数。

根据图1的曲线的形状，可以近似得到参数n=3.2，sf*（nf）=6，a0=36.74，a1=32。带入式（5）可得距离d与信号衰减量lt之间的表达式（6）：

4 RFID定位算法

公式（6）证明了使用信号衰减量lt计算信号源与被测源之间的距离d的可行性，但是空间定位需要提供待测点的坐标，图2的三角定位法提供了通过d计算坐标的方法。

图2中ABCD为四个信号发射源，T为待测目标。将T到四个信号源的信号强度衰减量lt带入公式（6）可以求出T到每个信号源对应的距离d，并通过公式（7）求得待测点的空间坐标（x，y，z）。

在实际场景下使用该定位算法进行三组实验，设坐标原点为A点，三个待测点分别为（94.8cm，36cm）、（121cm，6cm）、（151cm，22cm），带入算法计算后可得三个点的坐标分别为（103.1cm，39.6cm）、（115cm，4cm）、（158cm，24cm）。三组定位计算实例中，最大误差为8.1cm，处在核磁共振定位可识别精度之内。

5 结语

随着核磁共振检测的普及，核磁共振仪的周边问题越来越成为企业及大专院校的研究重点方向。核磁共振线圈定位问题因其特殊的应用环境，使得无源定位RFID成为潜在的解决方案。本文通过对传播模型的计算及三角定位算法的运用证明了无源RFID定位算法的可行性，为以后的研究建立了基础。但是无源RFID定位依然存在着精度不足的弊端，所以未来优化定位算法以提高精度成为了下一步的研究方向。

参考文献

[1]胡春洪，汪文胜.方向明MRI诊断手册[M].人民军医出版社，2013.

[2]中国射频识别技术政策编委会.中国射频识别技术政策白皮书[M].中华人民共和国科学技术部等十五部委，2006.

[3]乔梁，涂光忠.药学实验室技术系列-NMR核磁共振[M].化学工业出版社，2009.

[4]严宝珍.图解核磁共振技术与实例[M].科学出版社，2010.

[5]熊国欣，李立本.核磁共振成像原理[M].科学出版社，2007.

[6]李魏峰.基于RFID的室内定位技术研究[D].上海交通大学，2010.

[7]安文霞.超高频无源RFID标签距离测量方法研究[D].西华大学，2013

[8]Ranvier S.， Path Loss Models， S-72.333 Physical Layer Methods in Wireless Communication Systems， Helsinki University of Technology， SMRAD Centre of Excellence， 2004.

[9]Retscher G.， Q. Fu， Integration of RFID， GNSS and DR for Ubiquitous Positioning in Pedestrian Navigation. in： Papers presented at the ION GNSS 2007 Conference， 2007， Fort Worth， Texas， USA， CD-Rom Proceedings.