消化道目標物的無線跟蹤裝置制造方法
【專利摘要】一種消化道目標物的無線跟蹤裝置，包括設置在體外的磁場發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。本實用新型采用傾角式傳感與磁場傳感相結合的方法，僅使用單個勵磁線圈即可實現(xiàn)多自由度的方位跟蹤，減少了跟蹤系統(tǒng)中磁場發(fā)生器的體積和功耗，縮短了跟蹤算法的求解時間，縮減了每輪跟蹤的采樣數(shù)據(jù)量和采樣時間，提高了跟蹤精度。
【專利說明】消化道目標物的無線跟蹤裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及醫(yī)療器械，尤其涉及一種用于跟蹤體內的吞咽式電子膠囊方位的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]吞咽式電子膠囊可由口服進入消化道，通過其攜帶的微型攝像系統(tǒng)將消化道內的圖像無線傳輸?shù)襟w外，或者通過其攜帶的多個傳感器對胃腸道內的多元信息進行檢測和采集，或者通過執(zhí)行機構對局部組織進行取樣活檢。然而，醫(yī)生無法獲知吞咽式電子膠囊在體內的位置，由此無法將診查信息與具體部位對應，并且也無法根據(jù)膠囊的方位準確地驅動膠囊運動。
[0003]目前，針對吞咽式電子膠囊的跟蹤定位，眾多科研人員取得了大量研究成果。英國的Lab-1n-a-Pill膠囊內鏡采用磁標記物定位法，跟蹤范圍為18cm以內。Aziz等人在膠囊內放置圓柱形永磁體，通過體外的三軸磁阻傳感器檢測磁場來跟蹤膠囊，在IOcmX IOcmX IOcm的跟蹤范圍內，最大的跟蹤誤差達到3cm。Kim等人通過在膠囊內安裝四個霍爾效應傳感器，檢測外部的磁場強度，以跟蹤膠囊方位。報導的跟蹤范圍為:膠囊與磁場源的相對距離在X方向從O至50mm,在y方向從_50mm至+50mm,在z方向從200mm至300_，最大位置誤差15_。以上靜態(tài)或準靜態(tài)磁場檢測方法的跟蹤范圍和跟蹤精度仍有提聞的空間。
[0004]由于電子元件的低頻噪聲和地磁場信號難以在靜磁信號中濾除，且僅通過磁場檢測確定方位，導致磁場逆問題中未知量個數(shù)多、求解復雜。因此采用交變磁場傳感結合傾角傳感的方法，跟蹤體內電子膠囊的方位，具有抗干擾能力強、跟蹤范圍寬、方位求解時間短、每輪跟蹤的采樣數(shù)據(jù)量和采樣時間短等優(yōu)點。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的，就是為了提供一種新型的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，用于跟蹤吞咽式電子膠囊在人體消化道內的方位。
[0006]為了達到上述目的，本實用新型采用了以下技術方案:一種消化道目標物的無線跟蹤裝置，包括設置在體外的磁場發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。
[0007]所述磁場發(fā)生器僅由單個勵磁線圈組成，不需要分時勵磁。
[0008]所述傾角式無線磁傳感模塊主要包括傾角傳感子模塊、磁傳感子模塊和無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，傾角傳感子模塊和磁傳感子模塊的輸出分別連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述傾角傳感子模塊由加速度傳感器、信號調理電路組成，加速度傳感器的輸出連接信號調理電路，信號調理電路的輸出連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述磁傳感子模塊包括信號控制電路、三軸磁傳感器、多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉換電路，其中信號控制電路的輸出分別與多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、采樣及A/D轉換電路及無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉換電路順序電信相連，采樣及A/D轉換電路的輸出連接信號控制電路。
[0009]在傾角傳感子模塊中，加速度傳感器將消化道目標物的方位信號轉換為電信號，輸出至信號調理電路，信號調理電路輸出至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至體外。
[0010]在磁傳感子模塊中，三軸磁傳感器將消化道目標物所處空間位置的磁場信號轉換為電信號，并輸出至多路模擬開關。多路模擬開關的輸入同時連接至信號控制電路，由信號控制電路控制模擬開關的通斷，依次將三軸磁傳感器三個軸向的輸出信號傳送至后續(xù)電路?？删幊谭糯蠹盀V波電路的輸入連接至多路模擬開關的輸出，并且，同時連接至信號控制電路，由信號控制電路發(fā)送的控制信號調節(jié)可編程放大及濾波電路的增益倍數(shù)?？删幊谭糯蠹盀V波電路的輸出連接至峰值檢測電路。峰值檢測電路的輸出連接至采樣及A/D轉換電路。采樣及A/D轉換電路同時與信號控制電路雙向連接，一方面采樣及A/D轉換電路將峰值檢測電路輸出的模擬量轉換為數(shù)字量，輸送至信號控制電路，再由信號控制電路傳送至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；另一方面，采樣及A/D轉換電路接收信號控制電路輸出的控制量，實現(xiàn)采樣及A/D轉換功能。
[0011]在磁傳感模塊中，可編程放大及濾波電路的增益調節(jié)形成了一個閉環(huán)反饋調節(jié)方式。初始時，信號控制電路輸出一個初始的增益控制值至可編程放大及濾波電路，此時，可編程放大及濾波電路按照初始控制值產(chǎn)生相應的增益值，對三軸磁傳感器的輸出信號進行初始放大，并經(jīng)過峰值檢測、采樣及A/D轉換后，傳送至信號控制電路。信號控制電路將讀入值與程序內設定的上限值、下限值進行比較。若讀入值在設定的上限值和下限值之間，則信號控制電路將讀入值傳送至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；若讀入值大于設定的上限值，則信號控制電路重新輸出一個更小的增益控制值至可編程放大及濾波電路，等待讀取A/D轉換后的新值；若讀入值小于設定的下限值，則信號控制電路重新輸出一個更大的增益控制值至可編程放大及濾波電路，等待讀取A/D轉換后的新值。
[0012]所述無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊提供便攜式數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理平臺實時監(jiān)測兩種方式；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線斷開時，接收到的數(shù)據(jù)被存儲至無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中的多媒體存儲卡中，待檢查結束后，由讀卡器一次性讀入數(shù)據(jù)處理平臺中；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線連通時，接收到的數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺中，進行后續(xù)處理。
[0013]本實用新型的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點和特點:
[0014]1、磁場發(fā)生器僅由單個勵磁線圈組成，磁場發(fā)生器不需要分時激磁的時序控制電路。由此減小了磁場發(fā)生器的體積和功耗，縮減了每輪跟蹤的采樣數(shù)據(jù)量和采樣時間，縮短了信號的接收處理時間，提高了跟蹤的實時性。
[0015]2、采用傾角傳感與磁場傳感相結合的方式跟蹤電子膠囊。傾角傳感方式的引入，減少了磁場逆問題求解的未知量個數(shù)，縮短了求解時間，提高了定位精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的結構框圖。[0017]圖2是坐標旋轉示意圖。
[0018]圖3是傾角式無線磁傳感模塊的結構框圖。
【具體實施方式】
[0019]參見圖1，本實用新型消化道目標物的無線跟蹤裝置，包括設置在體外的磁場發(fā)生器1、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2和數(shù)據(jù)處理平臺3，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊4 ;傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。
[0020]參見圖3，本實用新型中的傾角式無線磁傳感模塊4主要包括傾角傳感子模塊41、磁傳感子模塊42和無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊43，傾角傳感子模塊和磁傳感子模塊的輸出分別連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊。其中，傾角傳感子模塊41由加速度傳感器411和信號調理電路412組成，加速度傳感器的輸出連接信號調理電路，信號調理電路的輸出連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊。磁傳感子模塊42包括信號控制電路421、三軸磁傳感器422、多路模擬開關423、可編程放大及濾波電路424、峰值檢測電路425和采樣及A/D轉換電路426，其中信號控制電路的輸出分別與多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、采樣及A/D轉換電路及無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉換電路順序電信相連，采樣及A/D轉換電路的輸出連接信號控制電路。
[0021]當每輪跟蹤采樣開始時，傾角式無線磁傳感模塊和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊均處于接收狀態(tài)，不斷查詢是否接收到操作指令。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊上電初始化后，立即無線發(fā)送一個“握手請求”信號至傾角式無線磁傳感模塊，則處于接收等待狀態(tài)；若每等待2秒后仍沒有收到“握手成功”信號，則再次發(fā)送“握手請求”信號。傾角式無線磁傳感模塊接收到“握手請求”信號后，即發(fā)送一個“握手成功”信號，返回給無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收到“握手成功”信號后，則輸出控制信號至磁場發(fā)生器，使其開始激磁。磁場發(fā)生器產(chǎn)生一定電流強度的正弦電流，通入單個勵磁線圈的諧振回路，使其在空間產(chǎn)生一定頻率的交變磁場。此時，傾角式無線磁傳感模塊即檢測電子膠囊處的磁場信號和加速度信號，電子膠囊所處的方位與磁場信號的峰值、加速度信號的分量都有確定的函數(shù)關系式，因此，通過檢測電子膠囊所處方位的交流磁場信號峰值和加速度信號分量，將它們轉換為電信號，并無線傳輸?shù)襟w外的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。
[0022]設三軸加速度傳感器的三個軸向輸出分別SAx,、Ay,、AZ,，三軸兩兩互相垂直。在三軸磁傳感器上建立動坐標系V -X, l' Z'，其中以磁傳感器的幾何中心點為坐標原點O'，三個軸向輸出分別為o' X'、o' y'、o' Z'。安裝時，使加速度傳感器的Ax,方向平行于三軸磁傳感器o' X'，加速度傳感器的Ay,方向平行于o' j'，加速度傳感器的Az,方向平行o' Z'。設體外的基準坐標系為o-xyz，則根據(jù)歐拉角坐標旋轉，如圖2所示，動坐標系O' -X' Y1 Z1繞Z'軸旋轉角度Y1,此時o' X'與N軸重合；再繞N軸旋轉角度此時Z'軸與z軸重合；最后繞z軸旋轉角度Y 3,三次旋轉后o' -X' Y' Z'與o-xyz重合。
[0023]根據(jù)加速度傳感器三個軸向的靜態(tài)加速度輸出，可獲得磁傳感子模塊中三軸磁傳感器與基準坐標系o-xyz的三個旋轉角Yl、Y2, Y3，即三軸磁傳感器經(jīng)過以旋轉角Yl、Y 2> Y3為參數(shù)的坐標旋轉后，其三個輸出軸均平行于基準坐標系o-xyz的三個坐標軸。因此將坐標旋轉角y2> Y3獲得后，代入空間磁場矢量與電子膠囊方位的磁場模型中，計算化簡后，磁場非線性方程組中僅包含了電子膠囊的空間位置坐標，從而減少了磁場逆問題求解的未知量個數(shù)，縮短了求解時間，提高了定位精度?？臻g磁場矢量的大小可由磁傳感子模塊測量獲得。
[0024]無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將接收到的磁場信號和傾角信號傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺，進行方位求解。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的工作方式分為:便攜式數(shù)據(jù)存儲和上位機實時監(jiān)測。當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線斷開時，接收到的數(shù)據(jù)被存儲至裝置中的多媒體存儲卡中，待檢查結束后，由讀卡器一次性讀入數(shù)據(jù)處理平臺中；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線連通時，接收到的數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺中，進行后續(xù)處理。
[0025]數(shù)據(jù)處理平臺的軟件算法，采用了改進式人工蜂群算法對方位信息的非線性方程組進行求解。模擬蜂群的集體智能行為，首先將非線性方程組轉換為函數(shù)尋優(yōu)問題，將蜜源的位置對應了優(yōu)化函數(shù)的一個可行解，蜂群尋找最優(yōu)蜜源的過程就是搜索函數(shù)最優(yōu)解的過程，最優(yōu)蜜源的位置則是函數(shù)的最優(yōu)解，即電子膠囊的空間位置。標準的人工蜂群算法具有較好的全局搜索能力，但局部搜索能力較差，為了提高算法的精度，避免出現(xiàn)過早收斂陷入局部極值和停滯現(xiàn)象的發(fā)生，對人工蜂群算法的搜索步長進行了自適應調整，提高了求解速度和求解精度。
[0026]通過上述設計，消化道目標物的無線跟蹤裝置可實時顯示電子膠囊的空間方位，或者將方位信息存儲至多媒體卡中，待檢查結束后，通過讀卡器一次性讀出，進行數(shù)據(jù)的分析和后處理。
【權利要求】
1.一種消化道目標物的無線跟蹤裝置，其特征在于:包括設置在體外的磁場發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。
2.如權利要求1所述的消化道目標物的無線跟蹤裝置，其特征在于:所述磁場發(fā)生器僅由單個勵磁線圈組成，不需要分時勵磁。
3.如權利要求1所述的消化道目標物的無線跟蹤裝置，其特征在于:所述傾角式無線磁傳感模塊主要包括傾角傳感子模塊、磁傳感子模塊和無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，傾角傳感子模塊和磁傳感子模塊的輸出分別連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述傾角傳感子模塊由加速度傳感器、信號調理電路組成，加速度傳感器的輸出連接信號調理電路，信號調理電路的輸出連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述磁傳感子模塊包括信號控制電路、三軸磁傳感器、多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉換電路，其中信號控制電路的輸出分別與多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、采樣及A/D轉換電路及無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉換電路順序電信相連，采樣及A/D轉換電路的輸出連接信號控制電路。
【文檔編號】A61B1/00GK203749415SQ201420098259
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權日:2014年3月5日
【發(fā)明者】郭旭東, 葛斌, 嚴榮國, 翟剛, 楊菲 申請人:上海理工大學