CN101999895B - 一种用于心磁图仪的多点扫描定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于心磁图仪的多点扫描定位系统和方法。所述的系统包括：(1)可调定位杆，其末端装有反光探头，可映射出无磁床在水平方向的移动；(2)反射式红外检测模块，与定位杆反光探头联系，利用反射机理来检测探头是否位于模块正上方；(3)扫描点阵基板，按特定分布排列固定红外发射接收模块；(4)微处理器模块(MCU)，检测红外发射接收模块上接收管状态，识别并发送电平信号给心磁处理软件。定位方法是首先调节无磁床与定位杆，根据已知基准点来基准心脏位置，然后利用红外发射接收对管和利用单片机，移动无磁床，定位若干阵点，完全对应上述需要测试的心脏上方的位置点，通过磁传感器来采集这些位置点的信号，从而得到完整心磁信号。

Description

一种用于心磁图仪的多点扫描定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种用于心磁图仪的多点扫描定位系统及定位方法。

背景技术

心磁图(Magnetocardiogram，MCG)仪是一种无创，无接触，高特异性的新型心脏诊疗仪器。心磁图仪采用极其灵敏的超导量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device，SQUID)作磁传感器，扫描人体心脏上方平面内一定区域内多点心磁信号，对心脏进行磁信息成像【刘亚军，黄华，刘睿，伍洪.超导心磁图仪原理及应用.中国医疗设备.2009年第24卷，第4期】。

要对人体心脏进行磁成像，需要在心脏上方平面给定区域内(如200mm×200mm)多个位置点进行心磁信号的采集，采样的点数决定了最终成像的分别率，目前商用设备大多采用等间距36点采集。如果心磁图仪磁探头的数量少于成像需要的点数，就需要多次移动被测者的位置(传感器探头是固定的)，采用多次扫描的方式，实现所有位置点的心磁信号的采集。

采用多次扫描的方式进行心磁信号探测，需要将探头准确定位到规定的位置点，因此需要借助扫描定位装置来移动被测者。由于心磁图仪是磁敏感的设备，因此一个无磁、低干扰、简单易用的定位系统是多点扫描式心磁图仪使用中的重要组成部分，但目前在这方面鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是开发用于心磁图仪的扫描定位系统及定位方法，利用该定位系统，可实现对人体心脏多点扫描时的精确定位。

所述的系统包括：定位杆、反射式红外检测模块、底盘或基板、微处理器模块。通过定位杆将无磁床(另案申请)的二维水平位置变化反映到定位杆末端探头上，当探头移动到反射式红外传感检测阵列上方时，该位置点将被微处理器检测和识别。操作者按照基板上点阵的位置，移动被测者，即可完成心磁图仪的多点扫描。

本发明的具体设计方案如下：

1、可调定位杆：反映床的位置变化，将床的移动反映到探头上，两段式(图2中3和4)可调节定位杆，实现起始点调节，通过移动床，确定被测者心脏扫描的初始位置，同时调节定位杆，将探头调节到基板相应阵点的上方。该定位杆与心磁仪二维可移动无磁床(图2中5)连接，共分为两段，主杆(图2中4)水平放置并与无磁床长度方向垂直，可伸缩；辅杆与主杆相连，并可在水平面内旋转，范围为180度。在定位杆的末端安装一反射系数高的物质(即探头，图2中2)用来反射红外发射管发射出的红外光并被红外接收管接收。这样，无磁床的移动被反映到定位杆探头的位置变化上。定位杆机械结构见附图3。

2、反射式红外检测模块：利用放射原理，识别定位杆探头是否出现在模块的正上方。该模块集成一个反射式红外接收与发射对管(附图四(7)、(8))，当对管上方出现反射物时，发射管发射出去的红外光经反射被接收管接收感应，使接收管从高阻到导通，通过比较器电路，转换成电平信号输出。其电路原理见附图六。

3、基板或底盘：按特定分布安装若干红外检测模块，即扫描点阵。该底盘扫描点阵与人体心脏上方所需扫描的位置点一一对应，按照前述，目前商用心磁图仪大多采用等间距36点采集，本发明如以4通道磁传感器为例，需要扫描人体心脏的9个位置点，9个位置点均匀分布在一个200mm×200mm的正方形区域内(图8)，从而底盘上扫描点阵的分布应与9个位置点分布一致(图2)。底盘通过PCB布线建立红外检测模块和微处理器模块的连接和联系，其机械构型见图。本发明的定位方法同时适用于其他多通道系统，如9通道，此时需要扫描人体心脏的4个位置点即可，4个位置点均匀分布在200mm×200mm的正方形区域内，从而附图二中底盘上扫描点阵需要4个红外检测模块，并且与4个位置点分布一致。对于6通道，原理一样，需要扫描6个位置点、6个红外检测模块。

4、微处理器模块：该模块集成一个MCU，型号为MSP430F149，用来控制红外发射LED的通断、识别红外接收管产生的电平信号，并将所得信号通过485通信芯片发送给心磁处理软件，具体原理见图4，其中写入MCU的程序流程框图见图7。

综上所述，本发明所述的系统包括：(1)可调定位杆，其末端装有反光探头，可映射出无磁床在水平方向的移动；(2)反射式红外检测模块，与定位杆反光探头联系，利用反射机理来检测探头是否位于模块正上方；(3)扫描点阵基板，按特定分布排列固定红外发射接收模块；(4)微处理器模块(MCU)，检测红外发射接收模块上接收管状态，识别并发送电平信号给心磁处理软件。定位方法是首先调节无磁床与定位杆，根据已知基准点来基准心脏位置，然后利用红外发射接收对管和利用单片机，移动无磁床，定位若干阵点，完全对应上述需要测试的心脏上方的位置点，通过磁传感器来采集这些位置点的信号，从而得到完整心磁信号。

本发明可免去人为识别定位的低灵敏、低精确和低效率等缺点，同时本定位装置相对于其他定位装置如磁传感定位，具有无磁、低干扰、简单易用等性质，能够满足心磁图仪多点扫描定位的要求。

附图说明

图1，本发明提供的红外定位系统整体功能框图；

图2，定位系统机械结构图；

图3：定位杆机械结构图；

图4，红外检测模块工作示意图；

图5，底盘连接联系主板和红外检测模块机械示意图；

图6，反射式红外检测模块工作原理图；

图7，程序流程框图；

图8，心脏测试位置示意图。

图中，1基板(或底盘)；2定位杆终端探头；3辅杆，可在水平面内旋转180度，与主杆相连；4主杆，实线和虚线一起为主杆的总长，虚线为插入无磁床的长度，插入的长度可变，即主杆可伸缩、实线长度可调；5无磁床；6红外检测模块；7红外发射管；8红外接收管；9可紧固螺丝；10主杆上下两侧突起，4和10一起构成主杆；所在平面始终保持水平；11定位杆主杆截面图，与无磁床孔洞尺寸吻合，并且主杆能沿孔洞自由伸缩。12可见LED，用来指示反光探头是否位于红外检测模块上方；13主板；14红外可穿透材料，本发明装置采用有机玻璃；15人体躯干；16人体心脏；17测试人体心脏的九个位置点其中之一。

具体实施方法

下面，通过结合附图说明以进一步阐述清楚本发明的实质性特点和显著的进步。

1、可调定位杆(图2)由主杆、辅杆和辅杆末端的探头构成，主要材质为无磁材料(普通塑料、木头均可)，定位杆终端探头2为一反射系数高的物质(如铝膜)。在无磁床一侧打一通孔，将定位杆主杆插入通孔并适当设计(如本发明采用附图3的设计结构)使之不能任意旋转，但可沿垂直床长度方向伸缩；辅杆3与主杆4通过紧固螺丝9相连，当紧固螺丝9旋紧时辅杆和主杆之间位置固定，辅杆不能自由旋转，放松时，辅杆能以与主杆相连的点为中心点在水平面内旋转，范围为180度，主杆与辅杆的长度设计必须能满足操作者在调节时，辅杆的扫动范围能覆盖整个底盘上阵点。主杆的机械尺寸与无磁床上的孔洞吻合，用来保证主杆不能任意旋转，即整个定位杆所在平面始终保持水平。

2、扫描起始点基准：将底盘或基板调节至水平，在水平面内调节无磁床，使四通道磁传感器对应人体心脏上方某一位置点，一般选取中心点(图8)。然后固定床的位置调节定位杆(伸缩主杆，水平面内旋转辅杆)，使定位杆末端探头正对于位基板或底盘点阵中心的阵点(红外检测模块)。

3、逐点扫描：基准结束后，将定位杆固定，然后调节无磁床位置，人体心脏与四通道磁传感器的相对位置相继变化，当定位杆末端探头正对一红外检测模块的发射接收对管时，红外检测模块上的可见LED指示灯亮，即定位一个扫描点，得到四个心磁信号。如此操作9次，使探头依次扫过底盘上9个阵点，即可得到人体心脏36个点的心磁信号。对于不同的人体心脏，只需要测试图示上这些位置点，即可得到心脏完整丰富的心磁信号，定位杆用来将这些测试位置点映射到电路板上的九个子模块(九个阵点)。

4、作为一个具体是实力本发明公开了一种用于多通道MCG的红外定位装置，并以4通道为例进行实施和设计。本发明的设计思想绝非仅局限于4通道MCG的定位，可用于其他多通道MCG的定位，如6通道(需9个红外子模块)、9通道(需4个红红外子模块)等。本发明提供的定位系统主要包括以下几个方面：

(1)可调定位杆，其末端装有反光探头，可映射出无磁床在水平方向的移动；

(2)反射式红外检测模块，与定位杆反光探头联系，利用反射机理来检测探头是否位于模块正上方；反射式红外检测模块主要由红外发射和接收对管构成，图6(a)是红外发射管的工作原理，由MCU控制管的通断——I/O端接收来高电平时管开通，接收低电平时管处于关断状态；当红外发射管开通时，将发出红外射线，如果反射式红外子模块上方有反光探头，则红外射线经由此探头反射回来，由图6(b)中的红外接收管接收，接收管一直处于高阻状态，当接收到红外射线时，红外接收管由高阻到导通，从而传输给图b中比较器(LM311)“-”端的电平由低电平变为高电平，而“+”端的电平保持不变，因此，“-”、“+”两端的电平信号经由比较器比较由I/O端发送给MCU判断，进而做出一系列的操作——如果红外接收管为高阻状态，说明无反光探头位于检测模块上方，检测模块上的指示灯不亮，不发送位置信号给PC上心磁图软件；如果红外接收管为导通状态，红外检测模块上指示示灯亮，同时将此位置的信号发送给PC心磁图软件；

MCU里的程序实现了该流程框图的功能，定位系统接通电源并初始化各I/O接口以及定时器之后，进入循环状态，n为一变量赋初值1，N为红外检测模块的数目，每一次循环，先判断n与N的大小，如果n≤N，开启第n个红外发射管并延时，然后再判断接收管状态，如果导通则标志位置1，反之置0，然后关闭该发射管，n自增1，进入下一次循环；如果n＞N，则再将n赋值1，接着进行下面的流程。附图中右边的程序框图实现通信中断功能，根据附图左边程序运行状态，接收并判断命令字符是否为读命令，如果是，则发送位置数据给PC上心磁图软件并推出中断；反之直接退出中断；

(3)扫描点阵基板，按特定分布排列固定红外发射接收模块；

(4)微处理器模块，检测红外发射接收模块上接收管状态，识别并发送电平信号给心磁处理软件(图1)。定位方法的特征是首先调节无磁床与定位杆，根据已知基准点来基准心脏位置，然后利用红外发射接收对管的高灵敏度，利用单片机的高稳定性和高可靠性，移动无磁床，来精确、灵敏、离散的定位若干阵点，这些阵点即完全对应上述需要测试的心脏上方的位置点，通过磁传感器来采集这些位置点的信号，从而得到完整丰富的心磁信号。

Claims (9)

1.一种用于心磁图仪的多点扫描定位系统，其特征在于包括：(1)可调定位杆，定位杆的末端装有反光探头，可映射出无磁床在水平方向的移动；(2)反射式红外检测模块，与定位杆反光探头联系，利用反射机理来检测探头是否位于模块正上方；(3)扫描点阵基板，按特定分布排列固定红外发射接收模块；(4)微处理器模块，检测红外发射接收模块上接收管状态，识别并发送电平信号给心磁处理软件。

2.按权利要求1所述的定位系统，其特征在于所述的可调定位杆由主杆、辅杆和辅杆末端的探头构成，主杆和辅杆通过紧固螺丝相连，螺丝紧固时辅杆和主杆位置固定，辅杆不能自由旋转，放松时辅杆能以与主杆相连的点位中心在水平面内旋转，旋转范围为180度。

3.按权利要求2所述的定位系统，其特征在于辅杆末端的探头为反射系数高的铝膜。

4.按权利要求2所述的定位系统，其特征在于主杆的机械尺寸与无磁床上的孔尺寸上吻合，使整个定位杆所在平面保持水平。

5.按权利要求1所述的定位系统的定位方法，其特征在于首先调节无磁床与定位杆，根据已知基准点来基准心脏位置，然后利用红外发射接收对管和利用单片机，移动无磁床，定位若干阵点，所述的阵点完全对应需要测试的心脏上方的位置点，通过磁传感器来采集这些位置点的信号，从而得到完整的心磁信号。

6.按权利要求5所述的定位方法，其特征在于具体步骤是：

①扫描起始点基准：将基板或底盘调节至水平，在水平面内调节无磁床，使四通道磁传感器对应人体心脏上方中心点位置点，然后固定床的位置调节定位杆，伸缩主杆在水平面内旋转辅杆，使定位杆末端探头正对于位于基板或底盘点阵中心的红外检测模块阵点；

②逐点扫描：在步骤①结束后，将定位杆固定，然后调节无磁床位置，人体心脏与四通道磁传感器的相对位置相继变化，当定位杆末端探头正对一红外检测模块的发射接收对管时，红外检测模块上的可见LED指示灯亮，即定位一个扫描点，得到四个心磁信号；如此操作9次，使探头依次扫过底盘上9个阵点，即可得到人体心脏36个点的心磁信号。

7.按权利要求6所述的定位方法，其特征在于所述的通道磁传感器不只限于四通道而为6通道9个红外子模块或9通道4个红外子模块。

8.按权利要求6所述的定位方法，其特征在于所述的红外检测模块由红外发射和接收对管构成；接收红外射线时，红外接收管由高阻到导通，通过比较器端的电平由低电平变为高电平，并发送给MCU判断。

9.按权利要求8所述的定位方法，其特征在于MCU判断步骤是：

①定位系统接通电源并初始化各I/O接口以及定时器之后，进入循环状态，n为一变量赋初值1，N为红外检测模块的数目，每一次循环，先判断n与N的大小，如果n≤N，开启第n个红外发射管并延时；

②然后再判断接收管状态，如果导通则标志位置1，反之置0，然后关闭该发射管，n自增1，进入下一次循环；

③如果n＞N，则再将n赋值1，接着进行下面的流程，接收并判断命令字符是否为读命令，如果是，则发送位置数据给PC上心磁图软件并推出中断；反之直接退出中断。