CN103356150A

CN103356150A - 方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统

Info

Publication number: CN103356150A
Application number: CN2012100887586A
Authority: CN
Inventors: 郭旭东; 宋成利; 严荣国
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，包括用于设置在体外的信号发生模块、磁力驱动模块和上位机，以及用于设置在胶囊内的信号接收处理模块和永磁驱动体；信号发生模块和信号接收处理模块组成方位实时跟踪机构，用于实时跟踪胶囊内窥镜在体内的空间方位；磁力驱动模块借助方位实时跟踪机构实时获取胶囊内窥镜的空间方位，产生所需的外磁场梯度和方向，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。本发明采用交流励磁方位实时跟踪技术，实现了胶囊内窥镜空间位置和姿态的非接触式连续测量，以此引导磁力驱动模块调整磁场源的梯度大小和磁场方向，实现了胶囊内窥镜准确可靠的驱动控制。

Description

方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别涉及一种方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统。

背景技术

随着微光机电技术、机器人技术、无线通信技术的发展，医疗仪器开始向微型化、智能化、无创诊查方向发展，电子胶囊逐渐成为研究热点。胶囊内窥镜极大地拓展了医生的消化道检查视野，填补了胃镜、肠镜检查的盲区，解决了多年来小肠疾病和胃肠道隐血诊断方面的难题。与传统医用内窥镜相比，胶囊内窥镜具有操作简单、检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响患者的正常工作等优点，尤其对小肠可疑性病变具有很高的诊断价值，被医学界誉为21世纪内窥镜发展的革命与方向。

然而，目前的胶囊内窥镜不具备驱动装置，只能利用消化道自然蠕动来遍历整个检查区域，并最终随排泄物排出。这必然导致在临床实际应用中存在如下缺点：观察过程不受控制，完成检查的时间较长；在移动过程中无法进行干预，只能将被测的图像和生理参数进行传输和保存，限制了在诊查的同时做活体组织切片和药物释放治疗等功能；由于其移动完全依靠消化道的蠕动，还可能存在胶囊内窥镜嵌顿、胃内滞留等问题。因此，研究和开发带驱动机构的胶囊内窥镜更加符合临床应用需要。

对胶囊内窥镜的驱动，已有的驱动方案大多在胶囊内窥镜内部集成了驱动系统，存在如下局限：一是驱动机构要消耗胶囊内窥镜内部的能量，由此导致体载电池及外部射频供能无法满足其总体能量需求；二是驱动力由胶囊内窥镜的外壁与消化道内壁之间摩擦力提供，限制了驱动速度，并可能对消化道造成损害。目前，采用外磁场驱动胶囊内窥镜的方法已有研究人员提出，但该方法采用计算机辅助人工调整的方式进行，仅依据胶囊内窥镜采集的肠道内壁图像找出胶囊内窥镜正确的前进方向，以此调整胶囊内窥镜运动方向。依据肠道内壁图像调整胶囊运动方向的方法不便于操作、无法实现准确可靠的自动调节。

发明内容

本发明的目的，就在于克服上述现有技术的不足，提供一种方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统。

为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：一种方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，包括用于设置在体外的信号发生模块、磁力驱动模块和上位机，以及用于设置在胶囊内的信号接收处理模块和永磁驱动体；信号发生模块和信号接收处理模块组成方位实时跟踪机构，用于实时跟踪胶囊内窥镜在体内的空间方位；磁力驱动模块借助方位实时跟踪机构实时获取胶囊内窥镜的空间方位，产生所需的外磁场梯度和方向，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

所述的信号发生模块包括交变励磁时序控制电路和励磁线圈阵列，交变励磁时序控制电路的输出连接励磁线圈阵列的输入，励磁线圈阵列产生交变磁场信号；所述的信号接收处理模块包括顺序电信相连的微型三轴磁场传感器、自适应信号调理电路和无线数据发送电路，微型三轴磁场传感器检测励磁线圈阵列的交变磁场信号，并将检测到的信号转换为电信号；自适应信号调理电路将此电信号进行处理，提取有用信号；有用信号通过无线数据发送电路无线传送至体外的磁力驱动模块。

所述的磁力驱动模块包括顺序电信相连的无线数据接收电路、高速信号处理电路、磁场源驱动控制电路和三维正交磁场源，高速信号处理电路还与上位机电信相连；无线数据接收电路接收信号接收处理模块的信号，三维正交磁场源向永磁驱动体提供驱动磁力。

所述的三维正交磁场源包括六个多层圆柱线圈，且形成三组正交布置的线圈对，每组线圈对由两个同轴的圆柱线圈组成，两圆柱线圈的电流方向相反，可以得到线圈轴线方向的梯度磁场；所述磁场源驱动控制电路控制三组正交线圈对产生所需的驱动磁场梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁场，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

所述的自适应信号调理电路包括自适应增益控制及滤波模块、有效值检测模块、采样及AD转换模块和信号控制模块；自适应增益控制及滤波模块的数据输出连接有效值检测模块，有效值检测模块的数据输出连接采样及AD转换模块，采样及AD转换模块的数据输出连接信号控制模块；信号控制模块的多个信号输出端分别连接自适应增益控制及滤波模块、有效值检测模块和采样及AD转换模块，控制各模块按流程协调工作。

本发明方位跟踪引导的胶囊内窥镜磁场驱动控制系统具有以下的优点和特点：

1、结合胶囊内窥镜定位跟踪引导的外磁场驱动方式，使驱动系统不需消耗胶囊本体能量，且胶囊内置执行机构简单可靠、易于微型化。

2、采用交流励磁方位实时跟踪技术，实现了胶囊内窥镜空间位置和姿态的非接触式连续测量，以此引导外磁场驱动装置调整磁场源的梯度大小和磁场方向，实现胶囊内窥镜准确可靠的驱动控制。

3、交流励磁方位实时跟踪技术抗干扰能力强，不受圆柱形永磁体产生的静态磁场的影响。并且，采用了与外磁场驱动装置分时工作的方式，确保方位跟踪装置与外磁场驱动控制装置互不影响。

4、三维正交磁场源采用六个多层圆柱线圈，形成三组正交布置的线圈对。其中，每组线圈对由两个同轴的圆柱线圈组成，两线圈的电流方向相反，由此得到线圈轴线方向的梯度磁场。由磁场源驱动控制电路控制三组正交线圈对产生所需的驱动磁场梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁场。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明中的自适应信号调理电路的结构框图。

具体实施方式

参见图1，本发明方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，包括用于设置在体外的信号发生模块1、磁力驱动模块2和上位机3，以及用于设置在胶囊内的信号接收处理模块4和永磁驱动体5。信号发生模块1和信号接收处理模块4组成方位实时跟踪机构，用于实时跟踪胶囊内窥镜在体内的空间方位；磁力驱动模块2借助方位实时跟踪机构实时获取胶囊内窥镜的空间方位，产生所需的外磁场梯度和方向，驱动永磁驱动体5运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

信号发生模块1包括交变励磁时序控制电路11和励磁线圈阵列12，交变励磁时序控制电路11的输出连接励磁线圈阵列12的输入，交变励磁时序控制电路11产生正弦波信号，并通过其中的时序控制电路，保证每个励磁线圈分时激磁，分时产生交变磁场信号。

信号接收处理模块4包括顺序电信相连的微型三轴磁场传感器41、自适应信号调理电路42和无线数据发送电路43，微型三轴磁场传感器41检测励磁线圈阵列12的交变磁场信号，并将检测到的信号转换为电信号；自适应信号调理电路42将此电信号进行处理，提取有用信号；有用信号通过无线数据发送电路43无线传送至体外的磁力驱动模块2。

磁力驱动模块2包括顺序电信相连的无线数据接收电路21、高速信号处理电路22、磁场源驱动控制电路23和三维正交磁场源24，高速信号处理电路22还与上位机3电信相连；无线数据接收电路21接收信号接收处理模块4的信号，三维正交磁场源24向永磁驱动体5提供驱动磁力。

三维正交磁场源24包括六个多层圆柱线圈，且形成三组正交布置的线圈对，每组线圈对由两个同轴的圆柱线圈组成，两圆柱线圈的电流方向相反，可以得到线圈轴线方向的梯度磁场；所述磁场源驱动控制电路控制三组正交线圈对产生所需的驱动磁场梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁场，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

参见图2，自适应信号调理电路42包括自适应增益控制及滤波模块421、有效值检测模块422、采样及AD转换模块423和信号控制模块424。自适应增益控制及滤波模块421的数据输出连接有效值检测模块422，有效值检测模块422的数据输出连接采样及AD转换模块423，采样及AD转换模块423的数据输出连接信号控制模块424；信号控制模块424的多个信号输出端分别连接自适应增益控制及滤波模块421、有效值检测模块422和采样及AD转换模块423，控制各模块按流程协调工作。

本发明的工作原理是，由微型三轴磁场传感器、自适应信号调理电路和无线数据发送电路组成的信号接收处理模块4封装于胶囊内，随着胶囊内窥镜一起处于消化道内，由交变励磁时序控制电路和励磁线圈阵列组成的信号发生模块1布置在体表的相应位置。初始工作时，交变励磁时序控制电路首先与无线数据发送电路进行握手通信。握手通信成功后，由交变励磁时序控制电路按照激励时序对各个励磁线圈进行分时激磁，使励磁线圈依次工作，产生特定频率的交变磁场。微型三轴磁场传感器检测到空间交变磁场的变化，并将空间交变的磁信号转换为电信号，实现非电信号的电测量。自适应信号调理电路对微型三轴磁场传感器的输出进行自适应放大、滤波、提取交变信号的特征量、最终得到包含交变电信号特征量的有用电信号，将有用的信号进行数据采样及AD转换后写入无线数据发送电路，无线发送到体外的磁力驱动模块2。

由于体外的励磁线圈阵列有多个励磁线圈分时工作，不同位置的励磁线圈工作时，微型三轴磁场传感器接收的信号大小不同，因此，胶囊内的微型三轴磁场传感器按照工作时序依次接收不同位置的励磁线圈在胶囊方位处产生的磁场数据，并保证接收数据与励磁线圈的对应关系。每一轮次的励磁线圈激励都按相同的激励时序进行，在每一轮激励开始前，使交变励磁时序控制电路与无线数据发送电路进行握手通信，则此后按照励磁时序依次接收数据，即可将微型三轴磁场传感器检测的磁场数据与相应的励磁线圈对应起来。

无线数据接收电路无线接收无线数据发送电路传送的数据，并将数据送至高速信号处理电路进行分析、处理和运算。由交流励磁线圈的空间磁场分布可知，胶囊内窥镜所处的交变磁场强度与胶囊内窥镜的方位具有确定的函数关系式。因此微型三轴磁场传感器输出的电信号与胶囊内窥镜空间坐标具有函数关系，根据不同位置励磁线圈在微型三轴磁场传感器上输出的电信号值，结合磁场强度与空间方位的函数关系，可联立得到一个非线性方程组，由优化算法可求出目标物的空间方位。

同时，高速信号处理电路还接收上位机的驱动控制指令。高速信号处理电路一方面获取胶囊的空间位置和姿态数据，另一方面根据上位机的驱动控制指令，计算出所需的磁场梯度和磁场方向。由磁场源驱动控制电路为三维正交磁场源进行激励，依次给三组正交布置的线圈对输入所需的激励电流，从而产生所需的磁场梯度和方向，使胶囊内窥镜在消化道内完成平动和转动。

方位实时跟踪机构采用交变磁场跟踪方法，抗干扰能力强，不受圆柱形永磁驱动体产生的静态磁场的影响。并且，采用了与外磁场驱动装置分时工作的方式，确保方位跟踪装置与外磁场驱动控制装置互不影响。

Claims

1.一种方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，其特征在于：包括用于设置在体外的信号发生模块、磁力驱动模块和上位机，以及用于设置在胶囊内的信号接收处理模块和永磁驱动体；信号发生模块和信号接收处理模块组成方位实时跟踪机构，用于实时跟踪胶囊内窥镜在体内的空间方位；磁力驱动模块借助方位实时跟踪机构实时获取胶囊内窥镜的空间方位，产生所需的外磁场梯度和方向，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

2.如权利要求1所述的方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，其特征在于：所述的信号发生模块包括交变励磁时序控制电路和励磁线圈阵列，交变励磁时序控制电路的输出连接励磁线圈阵列的输入，励磁线圈阵列产生交变磁场信号；所述的信号接收处理模块包括顺序电信相连的微型三轴磁场传感器、自适应信号调理电路和无线数据发送电路，微型三轴磁场传感器检测励磁线圈阵列的交变磁场信号，并将检测到的信号转换为电信号；自适应信号调理电路将此电信号进行处理，提取有用信号；有用信号通过无线数据发送电路无线传送至体外的磁力驱动模块。

3.如权利要求1所述的方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，其特征在于：所述的磁力驱动模块包括顺序电信相连的无线数据接收电路、高速信号处理电路、磁场源驱动控制电路和三维正交磁场源，高速信号处理电路还与上位机电信相连；无线数据接收电路接收信号接收处理模块的信号，三维正交磁场源向永磁驱动体提供驱动磁力。

4.如权利要求3所述的方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，其特征在于：所述的三维正交磁场源包括六个多层圆柱线圈，且形成三组正交布置的线圈对，每组线圈对由两个同轴的圆柱线圈组成，两圆柱线圈的电流方向相反，可以得到线圈轴线方向的梯度磁场；所述磁场源驱动控制电路控制三组正交线圈对产生所需的驱动磁场梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁场，驱动永磁驱动体运动，从而带动胶囊内窥镜运动并控制其运动方向。

5.如权利要求2所述的方位跟踪引导下的胶囊内窥镜磁场驱动系统，其特征在于：所述的自适应信号调理电路包括自适应增益控制及滤波模块、有效值检测模块、采样及AD转换模块和信号控制模块；自适应增益控制及滤波模块的数据输出连接有效值检测模块，有效值检测模块的数据输出连接采样及AD转换模块，采样及AD转换模块的数据输出连接信号控制模块；信号控制模块的多个信号输出端分别连接自适应增益控制及滤波模块、有效值检测模块和采样及AD转换模块，控制各模块按流程协调工作。