核磁共振線圈的無源RFID定位

蔣家駒++雒江濤

摘要：核磁共振成像以其高分辨率，動態造影等優點越來越多的被應用在醫學診斷中，核磁共振線圈的定位研究也逐漸受到企業重視。本文從射頻信號傳播模型出發，闡述了采用無源標簽RFID技術進行線圈定位的原因，并通過三角定位算法對無源RFID定位技術的可行性進行了計算與分析，證明了無源RFID定位的適用性，并討論了該領域的發展方向。

關鍵詞：核磁共振 無源RFID 室內定位

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0121-02

隨著醫療水平的不斷提高，核磁共振檢測（MRI）[1]越來越多的被使用在臨床診斷中，核磁共振成像以及核磁共振儀的創新升級成為醫療企業和高等院校的研究重點。在眾多研究課題中核磁共振線圈的定位問題成為幾大醫療企業的研究方向。因為核磁共振系統處于強磁場之中，所以找到一個既不干擾系統工作又擁有較高的定位精度的定位方法就成為研究難點。RFID（射頻識別）[2]作為一種非接觸式的識別技術，在室內定位中廣泛應用。無源RFID系統的適用性強，對核磁共振系統影響較小，價格低廉等特點，使其成為核磁共振線圈定位的潛在解決方案。

1 核磁共振系統

核磁共振，又叫核磁共振成像技術。核磁共振是一種物理現象[3]，最初被廣泛的使用在物理化學分析領域，直到1973它才作為一種診斷方式被應用于臨床檢測。從上世紀70年代應用以來，它以極快的速度得到發展，被視為既CT后醫學影像學的又一重大進步[4]。

核磁共振成像的基本原理是將人體置于特殊的磁場中[5]，用無線電射頻脈沖激發體內氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。射頻脈沖停止發射后，氫原子核按特定頻率發出射電信號，并將吸收的能量釋放，接收端記錄下該能量信號并將其傳送給分析端，計算機會根據接收到的信號繪制圖形，這就叫做核磁共振成像。

核磁共振線圈是核磁共振系統的重要組成部分，它通常起到發射脈沖及接收信號的作用。在工作流程中，它需要接入系統才能被識別并正常運行。但是因為操作醫師的疏忽，線圈有時會沒有接入系統而被誤放在操作臺上，這會導致系統故障并對待診患者造成傷害。所以無線定位核磁共振線圈，并在線圈擺放錯誤時及時提醒醫師就變得非常重要了。

2 RFID定位系統

RFID是一種非接觸式的自動識別技術[6]，它通過射頻信號與目標建立連接并獲取相應的數據。RFID系統主要由標簽、讀寫器和數據系統構成，根據標簽的工作方式又分為有源標簽RFID和無源標簽RFID。

有源標簽RFID的標簽能量由外部電池提供，當標簽接上電池后它會周期發射射頻信號，讀寫器會根據接收到的信號獲取相關信息。有源標簽RFID具有識別范圍廣，精度高，性能穩定等特點，但因為標簽會周期性的發射射頻信號，對核磁共振儀的成像質量存在一定的影響。

無源標簽RFID標簽內部沒有電池，當標簽進入讀寫器作用范圍時，它會反饋讀寫器發送來的射頻信號，讀寫器根據這一信號獲取相應的數據[7]。無源標簽RFID體積小，且不會主動發射射頻信號影響核磁共振儀的工作。但是無源標簽RFID存在識別精度較低的缺點，所以需要找到一個合適的算法并驗證其可行性。

3 無線傳播模型

無源標簽RFID定位技術通過分析射頻信號在傳播過程中的信號衰減量來分析待測點與信號源的距離，而核磁共振診斷室一般為封閉的室內空間，所以無線射頻信號可以用室內傳播模型來模擬[8]，

公式（1）中，lt為傳播過程中信號衰減的強度，fc為載波頻率，n為信號強度系數，d為傳播距離，sf*（nf）為層間系數，它由信號源與接收源之間的樓層數決定。

為了得到距離d與信號衰減量lt之間方程，可將公式（1）化簡為：

如公式（5）所示，我們可以通過測量信號衰減量lt來計算距離d[9s]。公式（2）及（3）中的參數可通過線性測試來估測，使用載波頻率為865Mhz的射頻信號進行測量，測的數據如表1所示，并據此做圖1估計參數。

根據圖1的曲線的形狀，可以近似得到參數n=3.2，sf*（nf）=6，a0=36.74，a1=32。帶入式（5）可得距離d與信號衰減量lt之間的表達式（6）：

4 RFID定位算法

公式（6）證明了使用信號衰減量lt計算信號源與被測源之間的距離d的可行性，但是空間定位需要提供待測點的坐標，圖2的三角定位法提供了通過d計算坐標的方法。

圖2中ABCD為四個信號發射源，T為待測目標。將T到四個信號源的信號強度衰減量lt帶入公式（6）可以求出T到每個信號源對應的距離d，并通過公式（7）求得待測點的空間坐標（x，y，z）。

在實際場景下使用該定位算法進行三組實驗，設坐標原點為A點，三個待測點分別為（94.8cm，36cm）、（121cm，6cm）、（151cm，22cm），帶入算法計算后可得三個點的坐標分別為（103.1cm，39.6cm）、（115cm，4cm）、（158cm，24cm）。三組定位計算實例中，最大誤差為8.1cm，處在核磁共振定位可識別精度之內。

5 結語

隨著核磁共振檢測的普及，核磁共振儀的周邊問題越來越成為企業及大專院校的研究重點方向。核磁共振線圈定位問題因其特殊的應用環境，使得無源定位RFID成為潛在的解決方案。本文通過對傳播模型的計算及三角定位算法的運用證明了無源RFID定位算法的可行性，為以后的研究建立了基礎。但是無源RFID定位依然存在著精度不足的弊端，所以未來優化定位算法以提高精度成為了下一步的研究方向。

參考文獻

[1]胡春洪，汪文勝.方向明MRI診斷手冊[M].人民軍醫出版社，2013.

[2]中國射頻識別技術政策編委會.中國射頻識別技術政策白皮書[M].中華人民共和國科學技術部等十五部委，2006.

[3]喬梁，涂光忠.藥學實驗室技術系列-NMR核磁共振[M].化學工業出版社，2009.

[4]嚴寶珍.圖解核磁共振技術與實例[M].科學出版社，2010.

[5]熊國欣，李立本.核磁共振成像原理[M].科學出版社，2007.

[6]李魏峰.基于RFID的室內定位技術研究[D].上海交通大學，2010.

[7]安文霞.超高頻無源RFID標簽距離測量方法研究[D].西華大學，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.