CN100394888C

CN100394888C - 基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统

Info

Publication number: CN100394888C
Application number: CNB2005101110300A
Authority: CN
Inventors: 颜国正; 姜萍萍
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shenzhen Sayes Medical Technology Co ltd
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: CN1803094A

Abstract

本发明涉及一种基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统，包括内带磁标记物的胶囊、六个磁场传感器和体外定位控制装置。体外定位控制装置由多路开关、主控制器、电源管理器、电池组、存储子系统、外部接口模块组成，六个磁场传感器分布固定在体表确定位置，并与体外定位控制装置的电源管理器和多路开关相连。本发明以静磁场理论为依据，利用胶囊内的磁标记物在人体周围产生的磁场分布与磁标记物位置的对应函数关系，通过体外定位控制装置采样并保存每一采样时刻六个磁场强度数据及其所对应的时间值，在胶囊从体内排出后，通过计算机求解描绘出胶囊在体内运动的三维轨迹，定位精度高。

Description

基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统

技术领域

本发明涉及一种基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统，属于微型机电系统和生物医学工程技术领域。

背景技术

随着微电子技术、微传感技术、无线通讯技术、系统集成技术的发展，各种可吞服的电子遥测胶囊应运而生。它们外形呈胶囊状，可以方便的从口腔服入，然后随消化道的正常蠕动在体内运行，同时对消化道进行各种检查或操作，如图像检查、腔内压力、温度、PH值检测、定点释放药物、活体采样等。这些系统相对于传统的医学检查仪器和方法而言，具有体积小、对人体无损伤、无痛苦的优点，易于被广大患者和医生接受，因此成为当前国际生物医学工程领域研究和应用的热点之一。如以色列和日本开发的胶囊内窥镜，上海交通大学开发的胃肠生理参数遥测胶囊，重庆大学开发的药物释放胶囊等。

电子遥测胶囊进入体内后，按设定的时间间隔，以无线方式将测得的生理信息实时发送至体外。必须将检测到的数据与此数据对应的消化道的具体部位相联系，才能对消化道的表面状况、动力性能、运输过程进行分析，为医生明确诊断和选择治疗方法提供必要的依据。这就要求对遥测胶囊在消化道内的位置进行测量和跟踪。体内目标的定位目前临床上一般采用X线透视法、B型超声检查法、放射性同位素照相定位，以上方法都要求有专用的检查设备，必须在具有相应条件的医院里进行，从而给患者的日常生活、工作带来很多不便，限制了其活动自由。以色列开发的M2A胶囊内窥镜在体表处布置多个天线接收体内胶囊发射的无线信号，然后根据电磁信号的强弱和相互之间的关系通过三角法计算胶囊位置。Smart Pill公司生产的Smart Pill胃肠道检测胶囊，利用穿在病人身上的传感器内衣进行定位，传感器内衣中有用来跟踪胶囊位置的接收天线、电磁激发天线、共振检测线圈和射频子系统。根据传感器内衣接收到的信号，采用神经网络的方法来计算胶囊在体内的坐标位置和指向角。这两种定位方法利用的都是体内胶囊发射的电磁信号，由于人体是一种非常复杂的电磁结构，电磁波在人体组织内的传播受辐射源位置、方向、组织电磁特性、组织结构等多种因素影响，因此体表处电磁场强度和体内辐射源之间迄今为止没有准确定量的对应关系。同时利用电磁场方法定位涉及到大量的电磁正问题和逆问题的计算，使得系统结构异常复杂，同时定位准确性和精度不高，定位误差最大可达6cm。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统，可以确定任意时刻在消化道内运动的胶囊在体内的位置，并具有mm级的定位精度。

为实现这一目的，本发明设计的定位系统主要包括一个内带磁标记物的胶囊、六个磁场传感器和体外定位控制装置。体外定位控制装置由多路开关、主控制器、电源管理器、电池组、存储子系统、外部接口模块组成，六个磁场传感器分布固定在体表确定位置，并与体外定位控制装置的电源管理器和多路开关相连。本发明利用胶囊内安装的磁标记物在人体周围产生的磁场分布即空间任一位置处的磁感应强度和磁标记物的位置有确定的函数关系，确定胶囊在人体内的通过过程、通过时间，描绘出胶囊在体内的三维轨迹。

本发明体外定位控制装置可携带在腰部皮带上，其中各组成部件的连接关系为：电池组与电源管理器相连，通过电源管理器为整个装置提供电源。电源管理器分别和主控制器、多路开关、存储子系统、计时模块和外部接口模块相连，将电池组提供的原始电源转换成各模块所需的工作电压后提供给这些模块。主控制器分别和电源管理器、存储子系统、多路开关、计时模块和外部接口模块相连。主控制器按设定的采样周期依次读取多路开关输出的六个磁场传感器信号和计时模块输出的时间信号存入存储子系统。胶囊从人体排出后，主控制器通过外部接口模块将存储子系统内保存的数据全部传送给计算机。

系统工作时：将磁标记物安装在吞服式电子遥测胶囊内，试验者佩戴好体外定位控制装置，将六个磁场传感器按一定的位置关系布置在人体前面的测量平面内。检测者吞下胶囊。体外定位控制装置按设定的采样周期依次读出六个磁场传感器的输出结果，并将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，然后将每一采样时刻所对应的时间值和六个磁场强度数据保存到体外定位控制装置的存储子系统中。当胶囊从体内排出后，取下体外定位控制装置和磁场传感器。计算机通过体外定位控制装置的接口模块将存储子系统中保存的每一时刻对应的六个磁场强度值读出，用计算机软件求解六元方程组，得到该时刻胶囊的位置坐标，最后将所有位置点按时间先后顺序连接起来，就可以描绘出胶囊在体内运动的三维轨迹。

本发明与其他方法相比，具有如下优点：(1)利用了人体组织非导磁的特性，改电磁场检测为静磁场检测，避免了大量不确定因素影响，避开了复杂电磁场计算问题，以静磁场理论为依据，原理可靠，定位精度高，可以达到mm级的定位精度；(2)系统结构简单，磁场由磁标记物产生，采用的磁场传感器体积小，功耗低，工作方式简单，无需外围电路，输出模拟信号可直接利用；(3)检测过程对人体完全无损伤，装置携带固定方便，对人的工作生活无任何限制和不利影响。

附图说明

图1为本发明采用磁标记物的原理示意图。

图2为本发明中胶囊与磁场传感器之间的关系示意图。

图2中，1-6为磁场传感器，7为吞服式电子遥测胶囊内的磁标记物。

图3为体外定位控制装置内部功能模块连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明根据磁场原理设计了基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统。人体组织是非导磁性的，磁场在人体内的传播特性和在自由空间中完全相同。如果磁标记物被均匀磁化，且其外形尺寸远小于它和传感器之间的距离时，可以将其看作一个磁偶极子，那么由磁标记物引起的磁场在空间的分布仅由其位置、方向和磁偶极矩决定。图1为本发明采用磁标记物的原理示意图，给出了磁偶极子、磁偶极矩与传感器之间的关系。

设磁偶极子磁矩为

沿三个坐标轴的分量分别为m_x，m_y和m_z，

与Z轴之间的夹角为α，

在XY平面上的投影与X轴之间的夹角为β，如图1所示，则在空间任意位置r_i(x_i，y_i，z_i)处任意指向的磁偶极子在周围空间点r(x，y，z)所产生的磁感应强度分布规律为：

\{\begin{matrix} B_{x_{i}} = \frac{μ_{0}}{4 π {| r - r_{i} |}^{5}} {[3 {(x - x_{i})}^{2} - {| r - r_{i} |}^{2}] m_{x i} + 3 (x - x_{i}) (y - y_{i}) m_{y_{i}} + 3 (x - x_{i}) (z - z_{i}) m_{z_{i}}} \\ B_{y_{i}} = \frac{μ_{0}}{4 π {| r - r_{i} |}^{5}} {3 (x - x_{i}) (y - y_{i}) m_{x_{i}} + [3 {(y - y_{i})}^{2} - {| r - r_{i} |}^{2}] m_{y_{i}} + 3 (y - y_{i}) (z - z_{i}) m_{z_{i}}} \\ B_{z_{i}} = \frac{μ_{0}}{4 π {| r - r_{i} |}^{5}} {3 (x - x_{i}) (z - z_{i}) m_{x_{i}} + 3 (y - y_{i}) (z - z_{i}) m_{y_{i}} + [3 {(z - z_{i})}^{2} - {| r - r_{i} |}^{2}] m_{z_{i}}} \end{matrix}

其中：μ₀为空气磁导率，

m_x＝msinαcosβ

m_y＝msinαsinβ

m_z＝mcosα

| r - r_{i} | = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2} + {(z - z_{i})}^{2}}

可见：B_i＝f(x_i，y_i，z_i，m，α，β)。因此如果任一时刻，知道空间6个已知位置处的磁感应强度的某一分量，就可以得到由6个方程构成的方程组，利用数值计算的方法可以求得符合特定条件的数值解，从而确定磁偶极子任一时刻的空间位置和姿态信息(x_i，y_i，z_i，m，α，β)。将磁标记物安装在生物遥测胶囊中，即可得出生物遥测胶囊的空间方位。

本发明系统主要包括：内带磁标记物的胶囊、六个磁场传感器和体外定位控制装置。磁场传感器的布置及其与胶囊之间的关系如图2所示，用于吞服的微型胶囊内安装磁标记物7，六个磁场传感器1-6分布固定在体表确定位置，并与体外定位控制装置的电源管理器和多路开关相连。

体外定位控制装置可携带在被测试者的腰部皮带上。其结构组成和连接关系如图3所示，由电池组、电源管理器、主控制器、多路开关、存储子系统、计时模块和外部接口模块组成。电池组与电源管理器相连，通过电源管理器为整个装置提供电源。电源管理器分别和主控制器、多路开关、存储子系统、计时模块和外部接口模块相连，将电池组提供的原始电源转换成各模块所需的工作电压后提供给这些模块。主控制器分别和电源管理器、存储子系统、多路开关、计时模块和外部接口模块相连。主控制器按设定的采样周期依次读取多路开关输出的六个磁场传感器信号和计时模块输出的时间信号存入存储子系统。胶囊从人体排出后，主控制器可以通过外部接口模块将存储子系统内保存的数据全部传送给计算机。

本发明基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统具体工作过程如下：(1)将六个磁场传感器按图1所示可靠固定在人体的确定位置。将体外定位控制装置8固定在人的腰部皮带上；(2)打开体外定位控制装置8和遥测胶囊的电源开关，吞下遥测胶囊；(3)6个磁场传感器检测其所在位置处的磁感应强度，体外定位控制装置8按设定的采样周期，通过多路开关依次选择每个磁场传感器的输出模拟信号，经A/D转换后，送入存储子系统保存，在每一个采样周期结束前保存计时模块输出的时间值；(4)胶囊从体内排出时，体外定位控制装置能提供报警信息，提醒测试者结束测试；(5)取下体外定位控制装置。外部接口模块通过电缆和计算机串口相连，计算机和主控制器通讯，主控制器读出存储子系统内的数据后再经外部接口模块传送给计算机，获得每一采样时刻对应的六个磁感应强度值和时间值；(6)利用每一采样时刻对应的六个磁感应强度值，通过计算机软件计算出该时刻胶囊在人体内的方向和位置信息(x_i，y_i，z_i，m，α，β)；(7)按时间先后连接胶囊通过的每一位置后，就可以描绘出胶囊在体内的三维运行轨迹，清楚了解胶囊在人体内的通过过程和通过时间。

Claims

1.一种基于磁标记物的吞服式电子遥测胶囊连续跟踪定位系统，其特征在于包括内带磁标记物的胶囊、六个磁场传感器和体外定位控制装置，六个磁场传感器分布固定在体表设定位置，并与体外定位控制装置的电源管理器和多路开关相连；所述体外定位控制装置由电池组、电源管理器、主控制器、多路开关、存储子系统、计时模块和外部接口模块组成，电池组与电源管理器相连，电源管理器分别和主控制器、多路开关、存储子系统、计时模块和外部接口模块相连，将电池组提供的原始电源转换成各模块所需的工作电压后提供给这些模块，主控制器分别和电源管理器、存储子系统、多路开关、计时模块和外部接口模块相连，主控制器按设定的采样周期依次读取多路开关输出的六个磁场传感器信号和计时模块输出的时间信号存入存储子系统，并通过外部接口模块将存储子系统内保存的数据传送给计算机处理，得到胶囊在体内运动的三维轨迹。