Early Phase Prototyping of Magnetic Position Detection for Use in Medical Simulations

Abstract

Magnetiske felt kan bevege seg gjennom faste materialer uten at magnetstyrken endrer seg. Derfor har ulike systemer for å bruke magnetisme til å beregne posisjon blitt utviklet i de siste tiårene. Spesielt har magneter blitt brukt mye til å finne posisjonen innendørs, men det er også utviklet mer nøyaktige systemer for å finne posisjon til medisinsk bruk.

Denne masteroppgaven presenterer tidlig-fase-utvikling av et konsept for å finne posisjon ved hjelp av magnetisme, til bruk i medisinsk opplæring og trening. Pasient-simuleringsdukker kan hjelpe medisinsk personale til praktisk trening uten risiko for pasientens sikkerhet. Ved hjelp av magnetiske sensorer i dukken kan posisjonen til en magnet utenfor dukken bli funnet. Dette vil gi rom for mer realistiske treninger og større mulighet for gode tilbakemeldinger. Magnetismens evne til å bevege seg gjennom materialer er derfor en spennende mulighet for å gi nye muligheter i medisinsk trening.

Gjennom oppgaven diskuteres ulike metoder for å måle magnetfelt og beregne posisjon. Ved hjelp av prototyping og testing er ulike magnetiske sensorer sammenlignet. Oppgaven diskuterer også andre faktorer som vil påvirke hvordan magnetfeltet leses. Prototyper er laget for å teste og gi en bedre forståelse av disse faktorene. Både geometri og styrken på magneten påvirker avstanden det er mulig å lese magnetfeltet. En metallskive er brukt for å gi en mer optimal fordeling av magnetfeltet. Magnetfelt påvirkes lite av hvilket materiale som befinner seg i feltet, med untak av metaller. Derimot vil tykkelsen på materialet mellom sensor og magnet påvirke avstanden mellom sensor og magnet og derfor påvirke styrken på feltet gjennom sensoren.

For å ha en rask syklus for prototyping og testing av ulike oppsett for å beregne posisjon er et nevralt nettverk brukt. Etter flere ulike prototyper foreslår oppgaven et konsept med Halleffektsensorer. Disse ga et enkelt forhold mellom avstand og sensorverdier. Ved hjelp av et nevralt nettverk ble det funnet en høy nøyaktighet på en liten kurvet overflate.

Denne oppgaven avrundes med å presentere et konsept for å finne posisjon på en pasientsimulator ved hjelp av magnetiske sensorer. Konseptet som er foreslått gir høy nøyaktighet, men krever en relativ høy tetthet av sensorer. Derfor er denne løsningen mest egnet til å finne høy nøyaktighet innenfor et lite område. Videre er også andre mulige bruksområder i forbindelse med pasientsimulering foreslått.

This master's thesis presents the front end development of a concept for position detecting using magnetism, for use in medical training. Patient simulation can help medical personnel to practice without any risk to patient safety. Detecting the position of an object on a patient simulator can give new possibilities for realistic training and greater opportunity for good feedback. Magnetism's ability to move through materials is therefore an exciting option in providing new opportunities in medical training.

Throughout this master's thesis, various methods for measuring the magnetic field have been tested using Wayfaring and prototyping. A modular test setup was prototyped to give rapid testing cycles of the magnetometers and other influencing properties of the final concept. This thesis also discusses how different geometries and strength of a magnet can be changed to be more beneficial for magnetic position detecting. Another property is the effect of the material between the magnet and sensor. A metal disc is used to provide a more optimal distribution of the magnetic field. The magnetic field is affected little by which material is present in the field, but the thickness of the material between the sensor and the magnet will affect the distance between the sensor and the magnet and therefore affect the strength of the field registered by the sensor.

For calculating the position, different configuration of magnetometers are tested. To have a rapid cycle of prototyping and testing, a neural network is used. However, different approaches to the calculation of position are also discussed.

This master's thesis is presenting a concept to find a position on a patient simulator using magnetic sensors. Hall effect sensors positioned in a triangular unite provides high accuracy, but requires a relatively high density of sensors. Therefore, this solution is most the suitable for finding high accuracy within a small area. At the same time, other possible applications in connection with patient simulation are also proposed.