CN105307553B - 用于抑制操纵装置期间的电磁干扰的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种切换电路包括分别将电线圈的第一端和第二端连接至电压源的正极端的第一开关和第二开关，分别将电线圈的第一端和第二端连接至电压源的负正极端的第三开关和第四开关，以及控制器，其在电流控制模式控制切换电路以交替电压源的电压极性从而控制电线圈的电流的大小和方向并在电流保持模式中控制切换电路以使电线圈和电压源断开且使电线圈短路以当切换电路切换至电流保持模式时在转变时间保持电流的大小和方向。

Description

用于抑制操纵装置期间的电磁干扰的方法和电路

技术领域

本发明总体涉及一种体内定位系统，尤其涉及一种在操纵磁场可操纵装置期间用于抵消或抑制电磁干扰的方法、以及一种执行电磁干扰抵消/抑制方法的电路。

背景技术

在现有技术中已知体内测量系统。一些穿过胃肠(GI)系统的体内装置/系统可包括用于对GI系统内部成像(例如，捕获GI系统内部图像)的一个或多个成像传感器和/或其它类型的传感器。体内装置可通过消化系统施加的蠕动力或通过被操纵(例如，磁性地)而被推动穿过GI系统。一些应用需要知道所涉及的体内装置的当前位置和/或定向(P&O)。例如，为了例如在GI系统中磁性地操纵体内装置，磁性操纵系统应知道体内装置的当前P&O(和目标P&O)以生成正确转向的磁场。因此，为了提供基于其磁性操纵系统可操纵体内装置的定位信息至磁性操纵系统，也可使用定位系统。定位系统可生成可被嵌入在体内装置中的磁场感应器感测到的交流(“AC”)磁场。可通过磁场感应器输出的AC信号确定体内装置的P&O。

先进的操纵系统可使用AC电磁场和直流(“DC”)电磁场来操纵体内装置。同时操作基于电磁的定位系统和基于电磁的操纵系统会导致两个系统之间的相互干扰。例如，通过操纵系统生成的外部操纵AC磁场会对体内装置的定位磁场传感器的读数产生负面作用且通过定位系统生成的外部AC定位信号会对操纵体内装置的操纵力产生负面作用。因此，最好是间歇操作两个系统，在操作一个系统(例如，磁性操纵系统)的同时，暂时禁用另一个系统(例如，基于电磁的定位系统)，反之亦然。然而，由于通常需要大电流以生成操纵电磁场，可利用切换电路/技术生成的磁场可能无法在所需时间(例如当发生定位感测时)内完全及时关闭。无法及时完全关闭操纵磁场会导致引起磁场干扰的残余电磁场，因此错误判断体内装置的P&O。

通常利用脉冲宽度调制(“PWM”)控制电磁线圈的电流。然而，利用PWM导致在定位时间段期间叠加在定位信号上的切换频率分量。因此，将有益的是，在操纵系统不干扰定位系统运行的情况下，存在一种能使磁性操纵系统转向体内系统和磁性定位系统以定位体内装置的方法。

发明内容

使用操纵场是有益的同时，一般而言，从操纵系统的角度来看，将有益的是，存在在发生操纵体内装置的同时产生显著降低电磁干扰的磁场操纵系统。

切换电路可包括分别将电线圈的第一端和第二端连接至电压源的正极端的第一开关和第二开关、分别将电线圈的第一端和第二端连接至电压源的负极端的第三开关和第四开关以及控制切换电路的控制器。控制器可被配置成在电流控制模式或一段时间中或第一周期期间控制切换电路以交替提供至电线圈的电压源的电压极性从而控制流经或流过电线圈的电流的大小、方向/极性。控制器也可被配置成在电流保持模式或一段时间中或不同于第一周期的第二周期期间控制切换电路使电线圈和电压源断开且同时使电线圈短路以在切换电路转变(或作为转变过程的一部分)至电流保持模式之前或在第一周期结束时保持电线圈电流的大小和方向。控制器也可被配置成例如，基于控制器可生成或接收的控制信号，将切换电路在第一状态(电流控制模式)和第二状态(电流保持模式)之间转变。保持线圈的电流(大小和方向)可包括在电流控制模式和电流保持模式之间的转变时间保持线圈的电流。

可以在体内装置中使用切换电路及其操作方法，在体内装置中，磁场操纵系统可使用电流控制模式以动态操纵体内装置，在不需要处理通常由PWM控制的切换电路等切换电路产生的电磁场干扰的情况下，使用电流保持模式能使体内装置感测从定位系统传输的定位信号。

附图说明

以这些示例不是限制性的为目的，在附图中说明各种示例性实施例。将理解的是，为了说明的简单性和清晰性，下面参照的附图中示出的元件不一定按比例绘制。此外，在被认为合适的地方，可在图中重复使用标记以表明相似、相应或类似的元件。附图中：

图1是根据本发明的实施例的用于定位和操纵体内装置的定位和操纵系统的框图；

图2是根据本发明实施例的体内成像系统的框图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的时序图；

图4是根据本发明实施例的示意切换电路；

图5A-5C示出了根据本发明实施例的与PWM相关的信号；

图6示出了根据本发明实施例的电流控制模式的操作和电流保持模式的操作之间的转变；

图7示出了根据本发明实施例的切换电路；

图8示出了根据本发明实施例的电磁场操纵系统；

图9描绘了根据本发明实施例的信号轨迹；

图10描绘了根据本发明实施例的附加信号轨迹；

图11描绘了根据本发明实施例的操作切换电路的方法。

具体实施方式

下面的描述提供了示例性实施例的各种细节。然而，该描述不是旨在限制权利要求的范围，而是解释本发明的各种原理和实施它的方式。

虽然本发明的实施例并不限于此方面，但是利用诸如“处理”、“用计算机计算”、“计算”、“确定”、“推理”、“推导”、“建立”、“分析”检查“等术语可指计算机的操作和/或过程、计算平台、计算系统或其他电子计算设备，其将表示计算机寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操作和/或变换成同样表示计算机寄存器和/或存储器内物理量的其他数据和/或可存储执行操作和/或过程的指令的其他信息非临时性存储介质。除非明确说明，本文中所描述的方法的实施例不受限于步骤、操作或过程的特定顺序或次序。此外，一些所描述的方法、实施例或其元件可在在同一时间点发生或执行。

可在用于感测电磁定位信号和可能用于处理已感测信号的体内装置的工作周期中分配感测时间窗口(简称为“感测窗口”)的磁场。体内装置可根据工作周期运行。“工作周期”可以是分为时隙或阶段的周期或重复的时间段，其包括体内装置，例如，使用第一通信信道将数据(例如数据帧、例如图像帧、元数据、信息等)传输至接收器或数据记录器的传输期和体内装置不使用第一通信信道传输数据的空闲期。感测窗口可足够宽以使得体内装置感测所需要的许多电磁定位信号(例如，坐标系的每一个坐标的电磁定位信号)以确定体内装置的位置和/或定向(P&O)，也可足够窄并位于工作周期中使得其可不与体内装置可执行或涉及的其他活动干扰。使用定位信号可有利于或用于确定体内装置在X、Y、Z坐标系统或极坐标系统中的位置或例如，利用X、Y、Z坐标系统或极坐标系统确定体内装置的位置。在本文中所使用的“定位信号”和“定向信号”统称为“定位信号”和“传感信号”。术语“定位信号”可指表示通过在体内装置外部的定位信号源(“LSS”)生成并通过体内装置感测到的定位磁场的信号，也可指响应于其体内装置的磁场感应器输出的信号。因此，术语“定位信号”应根据上下文理解。

磁性操纵单元(MMU)可使用磁场以操纵体内装置。如上所述，由于需要生成操纵磁场的电流大，可利用PWM切换技术或方案等切换技术生成磁场。由于使用此种技术涉及的电流大，切换频率高，当定位系统运行时，操纵系统可能不会完全关闭。相反，降低和“锁定”磁场强度，从而在关闭操纵系统的同时，在空间(例如将装置保持在相同位置和/或定向)中暂时“冻结”或停止体内装置。虽然降低了操纵磁场的强度，通常具有基频和高次谐波的非周期干扰和周期干扰仍叠加在定位信号上并导致错误的定位确定。本发明的实施例包括电切换电路，其被操作使得如下所述，在不需要频率滤波器(或其他滤波器)或大量计算源的情况下减轻、抑制或消除在定位期或感测窗口期间因PWM切换导致的电磁干扰。

首先，结合图1描述体内装置操纵和定位系统的示例。然后结合图2描述体内系统的示例，然后描述切换电路和切换方法的示例。在国际公开号WO2012/127469的PCT申请中更充分地描述了如图1所示的体内装置操纵和定位系统和如图2所示的体内系统，在此引入其国家阶段申请(美国公开申请2014-0003418)的全部内容以作参考。

图1是根据本发明的实施例的用于定位和操纵体内装置110的定位和操纵系统100的框图。被配置成操纵体内装置110(例如，其可通过射频链路功能联接至数据记录器120)的操纵系统100可包括定位信号源(“LSS”)和磁性操纵单元(MMU)140，其基于响应于从LSS130传输或发射的定位信号通过体内装置110生成或输出和通过体内装置110感测的定位数据操纵体内装置110。MMU 140可包括一套用于生成磁性操纵场的电线圈和用于控制线圈的操作以生成所需要的操纵磁场的控制器。

体内装置110可被配置成(例如，其可包括传感器)感测体内的物理参数。温度、pH值、压力和阻抗是体内装置可感测的物理参数的示例。体内装置110可感测其他物理参数和/或能在体内执行各种外科手术。体内装置110可捕获体内(例如，GI系统/道的各器官的)图像(如，拍照)。体内装置110可包括用于将可与已感测物理参数和/或捕获的图像相关(例如，代表)数据传输至例如，数据记录器120的发射器。体内装置110也可包括位置和转向单元(“PSU”)112。PSU 112可包括用于感测可通过外部定位系统生成并在SCA的电磁感测线圈中感应的(电磁)定位信号的感测线圈组件(“SCA”)。电磁场感测线圈是示例性电磁场传感器/换能器。例如，定位信号可通过定位信号源(LSS)130生成。PSU 120也可包括基于通过SCA的感测线圈感测(感应的)的定位信号用于操纵或转向体内装置110的磁性转向单元(“MSU”)。

数据记录器120可包括在其他项(例如，接收器、数据帧解析器、数据存储单元、处理器等)中的定位数据单元(“LDU”)126。数据记录器120可包括用于从体内装置110接收数据帧116的收发器(如图2所示)。数据记录器120还可包括用于将命令和/或数据118传输至体内装置110的发射器。数据记录器120可将命令传输至体内装置110，例如，以改变运行模式(例如，体内装置的成像器的图像捕获率)或更新体内装置的参数。例如，可通过在状态或模式之间重复或迭代地切换可交替装置的模式或状态。体内装置110可根据工作周期运行。可使用定时恢复单元(“TRU”)122来恢复驱动体内装置110的体内装置110工作周期并基于已恢复的工作周期以在体内装置110、LSS 130(生成/传输定位信号的系统)和MMU 140(生成操纵磁场的系统)之间同步。

LSS 130可以短脉冲的形式传输定位信号，其中每一个定位信号脉冲包括n个可被分隔的定位信号(例如，其可以是连续的)。例如，LSS 130可为坐标系统的每个坐标传输定位信号脉冲。在另一个示例中，可传输定位信号脉冲的每一个定位信号以感测不同坐标。例如，LSS 130在体内装置110的工作周期的感测窗口期间，可传输关于X-轴的定位信号脉冲、然后传输关于Y-轴的定位信号脉冲、然后传输关于Z-轴的定位信号脉冲。LSS 130可重复用于每一个工作周期的定位信号脉冲或用于体内装置的所选工作周期的顺序。

为同时通过TRU 122恢复体内装置的时钟信号和基准时间，同步信号装置(“SSU”)124可以产生符合感测窗口的同步信号128，并且例如通过通信电缆或者无线地将同步信号传送至LSS 130。同步信号128使LSS 130正确地测定生成(和传输)一个或多个定位信号(以磁场的形式)的时间。例如，LSS 130可通过同步信号128设定或符合同步信号128的时间和持续时间内生成磁场132，从而符合已恢复的感测窗口并符合体内装置110最初使用的或预先分配的感测窗口。由于在每一个工作周期或所选工作周期期间，可通过体内装置110使用的感测窗口或通过数据记录器120使用的已恢复感测窗口暂时重叠/匹配(在可操作裕度(operati打开al margin)内)，LSS 130可在时隙中生成/传输定位信号132，时隙是体内装置110可读取(例如通过取样或在取样后)PSU 112的感测线圈组件(SCA)或另一种电磁场传感器/换能器响应于定位信号132输出的电动势(“EMF”)信号的时隙。

由于SCA或一种电磁场传感器在体内装置110的工作周期期间感测电磁信号，例如在下面工作周期的传输期期间，体内装置110在可被传输(例如传输至数据记录器)的数据帧中可嵌入表示EMF信号的数据。表示在体内装置感应的原始EMF信号以及这种信号或数据(例如，表示体内装置的实际坐标或位置/定向)的任何变型、处理或导数的数据在本文中被称为“定位数据”和“传感数据”。如上述所定义，“定位数据”也可指或包括表示体内装置定向的或能确定体内装置定向的附加数据。可替代地，可不利用传输帧的通信信道而是利用单独的通信信道传输定位数据(例如，传输至数据记录器)。

定位数据单元(LDU)126可包括或使用处理器或其他组件和装置，其需要从定位数据或利用定位数据以解释、计算、推导、推断或另外确定体内装置110的当前位置和任选的当前定向。在LDU 126确定体内装置110的P&O后，LDU 126将相对应的定位数据129传递至另一个计算系统。定位数据129可包括表示体内装置110的当前位置或体内装置110的当前定向或体内装置110的当前位置和当前定向的数据。例如，其他计算系统可显示P&O数据(不管是原始数据还是其处理版本)和/或它可利用过去及当前P&O数据来显示体内装置穿过的路线或轨迹和/或表示GI系统的路线上的点和/或它可使用定位数据129来操纵、引导或转向体内装置110。

LDU 126可将作为反馈的位置/定向数据129传递至MMU 140以生成操纵磁场142来引导、转向或操纵体内装置110至新的、目标或所期望的位置和/或新的、目标或所期望的定向。也就是说，“知道”体内装置110的当前位置(例如，从位置数据129)，MMU 140可生成操纵磁场142来操纵体内装置110至所需要或目标位置或定向。PSU 112可包括，例如可包括一个或多个永久磁铁的MSU。MSU的永久磁铁可与磁信号142相互作用以产生转向体内装置的磁力和/或转矩。MMU 140可基于，例如，LDU 126提供的位置/定向信号(例如，位置/定向数据129)控制体内装置110的转向。

MMU 140的运行与LSS 130的运行可同步以便保证MMU 140和LSS 130不在相同时间中分别生成操纵信号142和定位信号132。同步信号144可与同步信号128或其处理或导数相同。同步信号144可使MMU 140在终止感测窗口后不久生成用于体内装置的每一个工作周期的短操纵信号(例如，“操纵脉冲”)或一系列操纵脉冲形式的信号。

图2示出了根据示例实施例的体内成像系统。图1参照传输可与任何类型感测数据(例如pH值数据)相关或可包括任何类型感测数据(例如pH值数据)的数据帧的体内装置(体内装置110)，图2示出了带有作为传感器示例的成像器的体内装置110，在这种情况下，体内装置110可被称为“体内成像装置”或“体内成像器”，通过或从体内装置110传输的(数据/图像)帧可被称为“图像帧”(尽管图像帧也可包括含有定位数据和/或其他类型感测数据的其他类型数据)。图1和图2的系统可具有相似组件，因此如图1所示的系统可具有如图2所示的一些或全部元件，反之亦然。体内成像系统200可包括体内装置206、数据记录器208、例如，可以使工作站或个人计算机的用户工作站230以及用于显示，例如，图像和/或者视频片段或从图像产生的移动图像流和用于显示体内装置的位置和/或定向的显示器202等。体内装置206可包括体内装置110的一些组件或一些方面，反之亦然。

体内成像装置可包括一个或多个成像器。举例来说，体内装置206包括一个成像器(例如，成像器)。体内装置206还可包括照明待成像的GI段/部位/器官的光源214、用于为每一个已捕获图像产生图像帧的帧发生器220、计算机处理器或控制器260、用于存储，例如，数据和可执行指令代码或软件的存储单元240、用于传输图像帧和任选地用于从数据记录器208接收数据和/或命令的发射器或收发器250以及为这些组件和电路供电的电源203。

体内装置206还可包括位置和转向单元(PSU)272(可能类似于PSU 112)。PSU 272可包括用于感测，例如，通过图1的LSS 130生成的定位信号的感测线圈组件(SCA)210。SCA210可包括数量为n的用于通过电磁感应感测定位电磁场/定位电磁信号的例如，可互相垂直的电磁感测线圈，其中n是等于或大于1的整数(例如，n＝3的感测线圈)。可使用两个感测线圈或多于三个感测线圈。在不同方向/定向可使用每个电磁感测线圈来感测电磁场。例如，可使用一个线圈来感测在“X”方向或在YZ平面内的电磁场，可使用另一线圈来感测在“Y”方向或在XZ平面电磁场，等。

体内装置206还可包括，例如，通过可利用类似于图1的磁性操纵单元生成的磁场的相互作用磁性操纵体内装置206的磁性转向单元(MSU)211。MSU 211可包括，例如，磁铁，其可与外部生成的磁信号(例如，图1的磁信号142)相互作用以产生磁力和/或磁矩以在所期望的方向转向体内装置206或在所期望的定向/方向定向或定位体内装置206。

尽管在发生通过SCA 210感测定位信号的同时，优选的是，完全关闭MMU 140，但是出于上述指定的原因(例如，用于生成操纵磁场的电流和切换平率大)，可运行MMU 140使得其仍会输出相对大的磁场，在不干扰定位信号的生成和感测的情况下，它可以这样做。

可通过在图像帧中嵌入数据和/或通过利用可有助于这种数据传递的帧利用发射器250将表示在SCA 210中感应的EMF信号或从在SCA 210中感应的EMF信号衍生的数据，例如传输(242)至数据记录器208。帧发生器220可接收表示已捕获图像的图像数据213并产生包含图像数据的相应图像帧(或简称“帧”)。

控制器260可以操作其他物件中光源214以照明体内装置206横跨的GI区域并相应安排图像捕获时间。控制器260可在数据存储单元240中存储已捕获的图像和相关的图像帧。控制器260也可执行各种计算并在数据存储单元240中存储中间计算结果。控制器260也可在分配感测窗口(在此期间)读取SCA 210的EMF输出，以便计算或推导出体内装置206的位置和/或定向(例如，通过控制器260或通过外部系统，例如数据记录器208)。控制器260可测定将定位数据(例如，感测线圈读出或其处理版本)写入(例如，加入、追加或嵌入)相应帧，例如，待传输至感应线圈输出读取结果的帧的时间，例如一端时间或立即或同时。在帧发生器220产生用已捕获图像的帧并将定位数据嵌入帧中后，控制器260可利用收发器250以将帧无线传递至数据记录器208。控制器260通过执行软件或指令可执行通过帧发生器220执行的步骤和体内装置206中的其他功能，因此可用作这些装置。

数据记录器208还可包括接收器或收发器244、帧解析器270和用于管理接收器或收发器244和帧解析器270的处理器290。收发器244可接收对应于特定已捕获图像的数据帧，帧解析器270可解析数据帧以提取包含在其中的各种数据(例如，图像数据、与特定已捕获图像相关的抽样图像、定位数据等)。

用户工作站230可包括显示器或可功能地连接至一个多个外部显示器，例如，连接至显示器202。工作站230可从数据记录器208接收帧(例如，图像帧、定位帧等)或图像，并且例如作为实时视频实时呈现它们或产生也包含P&O信息也可在例如显示器202上显示的视频流。工作站230可包括用于存储从数据记录器208传递的帧和可能相关的元数据的存储器(例如，存储器204)和用于处理已存储帧和相关数据的处理器(例如，处理器205)。工作站230可显示已选择图像或从人工操作员、保健师或看护、医师等的图像中编译得到的视频片段(例如，移动图像流)。

图3示出了通过根据本发明实施例的体内装置内部使用的时序图300。曲线图310是主时钟(MSCLK)信号。可通过体内装置内部使用MSCLK信号310以同步通过体内装置执行的活动。曲线图320是基于MSCLK信号310定时的主信号。也就是说，MSCLK信号310使主信号320的逻辑值“1”或“高电平”状态在所示的322和324处定时，主信号320的逻辑值“0”或“低电平”状态在所示的326处定时。

可设置主信号320的高电平状态(例如高电平状态322和高电平状态324)的持续时间以符合上述讨论的传输期。可设置主信号320的低电平状态(例如低电平状态326)的持续时间以符合上述讨论的空闲期。因此，工作周期的示例时间周期T_周期328包括空闲期326和传输期324。在空闲期326期间，禁用生成MSCLK信号310的时钟发生器的输出一段时间312以提高命令和/或来自数据记录器的数据的接收质量并在一般情况下以降低体内装置中的电噪声。

曲线图350是感测窗口信号。感测窗口信号352可在体内装置可准备接收定位信号(例如，从定位型号源(LSS 130))、处理定位信号和在存储装置(例如，在存储装置240)存储相对应的定位数据的时隙(例如，感测窗口)中向体内装置的控制器发出信号。

曲线图360是窗口信号，其在体内装置可通过在窗口362期间，例如，激活照明源(例如，光源/照明源214)和成像器(例如，成像器212)和执行相关过程(例如，图像捕获和处理、存储图像数据等)来捕获图像的时隙(例如，感测窗口)中向体内装置的控制器发出信号。

曲线图370是帧信号，其在体内装置可激活发射器(例如，发射器250)以传输数据帧(例如，数据帧)的时隙(例如，传输期372)中向体内装置的控制器发出信号。数据帧可包括图像数据、定位数据、前缀数据位、后缀数据位以及其他类型数据的任意组合。

可通过，例如，对时间时钟的脉冲进行计数来定时脉冲/窗口352(和在其他工作周期中的类似脉冲/窗口)、脉冲/窗口362(在其它工作周期中的和类似脉冲/窗口)和脉冲/窗口372(在其他工作周期中的类似脉冲/窗口)。

在感测窗口期间352，定位信号可传输至体内装置的SCA(例如，SCA 210)。为了正确地/可靠地推断或推导出体内装置的P&O，如下所述，操纵体内装置的磁性操纵系统降低在感测窗口(体内装置的每一个工作周期的感测窗口)期间的操纵信号的频率谐波的大小。

图4示意性示出根据本发明实施例的用于操作电线圈(L)的切换电路400。(磁性操纵系统可包括多个相似于线圈L的线圈，每一个线圈以类似的方式运行，如本文所述。)切换电路400可包括分别连接电线圈L的第一端T1和第二端T2至为线圈L供电的电压源402的正极端+V或插入在电线圈L的第一端T1和第二端T2和为线圈L供电的电压源402的正极端+V之间的第一开关S1和第二开关S2、分别连接电线圈L的第一端(T1)和第二端(T2)至电压源402的负正极端-V或插入在电线圈L的第一端T1和第二端T2和电压源402的负极端-V之间的第三开关S3和第四开关S4。

控制器(例如，图7中的控制器810或类似控制器)可被配置成在电流控制模式(“控制模式”)和电流保持模式(“保持模式”)之间切换或转变切换电路400。在电流控制模式或周期期间或在第一周期期间，控制器可控制切换电路400以(及时地)交替提供至电线圈L的电压源402的电压极性(例如从正极到负极，反之亦然)从而控制线圈的电线圈电流的大小和方向。(在一些实施例中，可在几十安培和几百安培之间，例如，15安培和350安培之间，控制电线圈电流的大小。)极性的交替可包括，例如，从负极到正极、再到负极等切换，例如重复切换极性。在电流保持模式或周期期间或在不同于第一周期的第二周期期间，控制器可控制切换电路400以使电线圈L和电压源断开(例如，电断开)且使电线圈短路(例如，线圈的一个电端电连接至线圈的另一个电端)以在第一周期(例如在第一周期和第二周期之间的转变时间或在电流控制模式和电流保持模式之间转变时间)结束时来保持线圈电流的大小和方向。

参照图4，当关闭开关S1和S4开关(并且同时打开开关S2和开关S3)，线圈L的端T1连接至电压源的正极端，线圈L的端T2连接至电压源的负极端。因此，线圈L的电流是在如410(从线圈的左手侧至线圈的右手侧)处所示的第一方向流动的电流I1。在预定时间过后，打开开关S1和开关S4，关闭开关S2和开关S3以将线圈L的端T1连接至电压源的负极端、将线圈L的端T2连接至电压源的正极端。因此，反转提供给线圈L的电压源的电压极性，导致线圈L的电流是在如420处所示的第二(相对)方向流动的电流I2。

在电流控制模式或第一周期期间，可如上所述操作切换电路400以动态控制线圈L的电流，例如，以磁性地操纵，例如，体内装置。(下面结合图5和图6进一步描述电流控制模式)在电流保持模式或不同于第一周期的第二周期期间，在转变至电流保持模式前，也可如下所述操作切换电路以保持线圈L的电流，例如，在不需要处理切换诱导的电磁干扰的情况下，通过体内装置有利于可通过定位系统传输的定位信号的感测。(有利于定位信号的感测可包括在激活电流保持模式的期间减少切换诱导的电磁干扰、增加(提高)涉及感测定位信号的信噪比(“SNR”)，从而提高确定装置的位置和/或定向的精度。)

参照图4，通过同时打开开关S1和S2并关闭开关S3和开关S4可实现向电流保持模式或第二周期的转变或切换。由方程(1)给出线圈电压和线圈电流之间的关系：

其中v是线圈的瞬时电压，L为线圈的电抗，i是线圈的瞬时电流。

打开开关S1和开关S2使线圈L的两个端T1和T2与电压源(例如，电压源的正极)断开，关闭开关S3和开关S4使线圈L短路(线圈的一个电端电连接至线圈的另一个电端)，从而虽然实际上(例如，由于开关的电气特性)，它可大约为零，小于阈值，例如，小于1伏特)，但是从理论上被迫使线圈L的电压V为零。从上述方程(1)可以得出，di/dt被迫为零(di/dt＝0)，这意味着线圈的电流理论上保持恒定。(由于线圈电阻消散的功率/能量，线圈的电流可以稍微变动。)关闭S3和开关S4使线圈L短路，其结果是在切换电路400从电流控制模式转变或切换到电流保持模式的时刻产生符合线圈电流的电流闭环I3。(“符合”意味着在切换电路400从电流控制模式转变或切换到电流保持模式的时刻电流I3的大小和方向与线圈的电流，I1或I2的大小和方向相同。)

在电流保持模式周期期间，控制器可被配置成通过同时、在基本上相同时刻或在重叠的时间或同时关闭第一开关和第四开关(例如，开关S1和开关S4)和打开第二开关和第三开关(例如，开关S2和S3)，然后同时、在基本上相同时刻或在重叠的时间或同时(或在大约相同时间)打开第一开关和第四开关(例如，开关S1和开关S4)和关闭第二开关和第三开关(例如，开关S2和S3)并根据需要或从在每一个电流控制模式周期期间或用于每一个电流控制模式周期的所需要的磁性操纵力计算或基于所需的磁性操纵力，多次迭代这种次序来交替提供至线圈电压的电压极性。只要切换电路将要处于电流控制模式的操作，控制器可被配置成迭代“交替电压极性”的次序。控制器也被配置成利用脉冲宽度调制(PWM)方案或任何其它合适方案来交替提供至电线圈(L)的电压源的电压极性。

在电流保持模式周期期间(在第二周期期间)，控制器可被配置成通过同时、在基本上相同时刻或在重叠时间或同时打开第一开关和第二开关(例如，开关S1和S2)或他们中的一个(如果已经打开另一个)并关闭第三开关和第四开关(例如，开关S3和S4)以使电线圈和电源完全断开，从而通过(包括)电线圈的环路关闭电流环路(例如，电流环路I3)。

图5A-5C示出了PWM控制方案中涉及的典型信号，其显示根据本发明实施例的利用PWM方案的线圈电流的控制。图5A示出了包括诸如周期C的周期的切换控制信号510(是时间的函数)。每一个周期可具有“打开”周期(例如，“打开”周期D1)和“关闭”周期(例如，“关闭”周期D2)。例如，可通过未切换电路的开关提供与控制信号510相同的控制信号在电流控制模式实施切换电路，例如切换电路400的操作。更具体地说，例如，可通过关闭一对“非对称”开关(例如，开关对S1和S4)并在相同时间打开相对的“非对称”开关(例如，开关对S2和S3，当信号510处于“打开”状态时，相反地，关闭其它/相反的一对非对称对开关(例如，S2和S3))并当信号510处于“关闭”状态时，打开开关S1和S4，实施电流控制模式。可通过改变信号510的占空比实施线圈电流的控制。例如，信号510对应于50％的占空比，意味着信号510周期中的“打开”状态占周期的一半，“关闭”状态占周期的另一半。(换言之，D1/C等于0.50)

假设每一个“打开”脉冲使开关S1和开关S4关闭并使开关S2和开关S3打开，每一个“关闭”脉冲使开关S1和开关S4打开并使开关S2和开关S3关闭，如图5所示，占空比是50％。线圈的电流可与图5B的信号520相似。也就是说，由于相同电流在相对方向流经线圈，对于相同时间段(例如，在周期D1期间的一个方向，然后在本实施例中，等于周期D1的周期D2期间的一个相反方向)，线圈的平均电流保持恒定。然而，如果占空比大于50％(即，D1/C>0.50)，线圈的电流随着切换控制信号的每个周期C增加，如图5C的530所示。(通过利用小于50％(即，D1/C<0.50)的占空比，线圈的电流可减小。)

图6示出了当切换电路在电流控制模式的操作和电流保持模式的操作之间转变或切换时线圈的电流610。虽然可通过利用除PWM以外的技术控制线圈的电流，但是本文所使用的术语“电流控制模式”和“PWM模式”可互换。虽然当装置以这种模式运行时通过体内装置可执行除感测定位信号以外的操作，但是本文所使用的术语“电流保持模式”和“感测模式”可互换。例如，通过重复状态或模式之间的切换可交替装置的模式或状态。

在t0-t1的时间周期期间，在电流控制模式操作切换电路(例如切换电路400)，在此期间，根据磁性操纵的需要可改变线圈的电流。(举例来说，通常在时刻t0和t1之间增加线圈电流610。)在时刻t1，切换电路的操作模式或状态从电流控制模式转变或切换至电流保持模式，其该模式期间，在转变或切换之前，保持线圈的电流。(在如图6所示的实施例中，在时刻t1和时刻t2之间线圈的电流恒定，例如具有值Ic1。)

在时刻t2，切换电路的操作模式或状态从电流保持模式转变或切换至电流控制模式，在此期间，根据磁性操纵的需要允许改变线圈的电流。(在如图6所示的实施例中，在时刻t2和t3之间增加线圈电流。)在时刻t3，切换电路的操作模式或状态从电流控制模式转变或切换至电流保持模式，其该模式期间，在转变或切换之前，保持线圈的电流。(在如图6所示的实施例中，在时刻t3起，线圈的电流恒定，例如具有值Ic2。)

在每一个特定电流保持模式期间，待保持的线圈电流(例如，保持恒定)是当在特定电流保持模式周期之前的电流控制模式周期结束时刻的线圈电流或在从电流控制模式向特定电流保持模式的相关转变或切换时刻或相关转变时间之前不久的电流。由于在每一个电流控制模式周期期间，线圈的电流的方向变化，操作用于控制线圈电流的切换电路使得在特定电流控制模式之后的电流保持模式期间保持每一个特定电流控制模式结束时的线圈电流的大小和方向。(虽然图6未示出线圈电流的方向，但是其可从电流610斜率推导出；即，正斜率表明第一方向而负斜率表明与第一方向相反的第二方向。)任何“PWM模式”周期和任何“感测模式”周期(例如，周期t0-t1，t1-t2、t2-t3和连续周期)的时间长度可以是固定的/恒定的或可变的。每种应用程序可设置周期的时间长度或相邻周期之间的比例。

图7示意性示出了开关电路的实施例实施。开关电路700可包括命名为T1、T2、T3和T4的四个晶体管，其中每一个晶体管用作(操作为)开关。例如，晶体管T1可用作图4的开关S1。晶体管T2可用作图4的开关S2，等等。开关可以是除晶体管或单个晶体管之外的装置，每一个晶体管具有控制输入C。例如，晶体管T1具有控制输入端C1，晶体管T2具有控制输入端C2，等等。每一个晶体管可控制地处于晶体管具有低阻抗(因此晶体管能通过电流)的导电状态或处于晶体管具有高阻抗(因此晶体管不能通过电流)的截止状态。如果处于导电状态，每一个晶体管可在如图7所示的方向通过电流。晶体管T1可在方向710通过电流，晶体管T2可在方向720通过电流，晶体管T3可在方向730通过电流，晶体管T4可在方向740通过电流。切换电路700可包括用于控制切换电路操作的四个控制输入端(C1，C2、C3和C4)和两个命名为Out1和Out2的连接至电线圈L的输出端。切换电路700还可包括二极管，例如命名为D1、D2、D3和D4的四个二极管。开关可仅包括一个电气组件(例如，晶体管)或一个以上的组件，例如，两个组件(例如，晶体管和二极管)。每一个晶体管T1-T4可具有与其相联的以保护相联的二极管免受线圈L产生的高反向电压的保护二极管。晶体管T1可具有与其相联的二极管D1，晶体管T2可具有与其相联的二极管D2，晶体管T3可具有与其相联的二极管D3，晶体管T4可具有与其相联的二极管D4。

特定晶体管(Ti)被配置成在激活所述电流控制模式的周期期间通过电线圈(L)将电流持续在第一方向，与所述特殊晶体管相关的二极管在激活所述电路保持模式的周期期间通过电线圈将电流环路持续在第二方向，其中第二方向不同于第一方向。举例来说，当相联晶体管的导通方向与环路电流的方向相反时，可使用二极管(例如D2、D4)通过线圈L来关闭电流环路(例如，经由D4的环路I1’、经由D2的环路I2’)。因此，“开关”可包括当使用电流控制模式(并且使保持模式失活)时，将线圈电流持续在第一方向的晶体管和当使用电流保持模式(并且使控制模式失活)时，将线圈的环路电流持续在第二方向的二极管，其中第二方向不同于第一方向。例如，晶体管T2和二极管D2形式、组成或共同限启用(ⅰ)在电流控制模式周期期间的电流(电流I1)和(ii)在电流保持模式周期期间的线圈的环路电流(环路电流I2’)的可控制开关。晶体管T4和二极管D4形式、组成或共同限启用(ⅰ)在电流控制模式周期期间的电流(电流I2)和(ii)在电流保持模式周期期间的线圈的环路电流(环路电流I1’)的可控制开关。

可通过控制器实施切换电路700的操作，在对应于电流控制模式的第一周期期间，控制器控制切换电路700以交替提供至电线圈L的电压源的电压极性从而控制电线圈的电流的大小和方向；在不同于第一周期对应于电流保持模式的第二周期期间，控制器控制切换电路700以使电线圈L和电压源断开且使电线圈短路以在第一周期结束时保持线圈的电流的大小和方向。例如，在第一周期或电流控制模式期间，控制器可将“打开”控制信号提供至控制端C1和控制端C2以转变晶体管T1和晶体管T2导通状态或保持导通状态，同时，将“关闭”控制信号提供至控制端C3和控制端C4以转变晶体管T3和晶体管T4截止状态或保持截止状态，从而获得电流I1。然后，(当仍然在第一周期期间，是时候改变线圈电流的方向)，在第二周期或电流保持模式期间，控制器可将“关闭”控制信号提供至控制端C1和控制端C2以将晶体管T1和晶体管T2转变成截止状态，同时，将“打开”控制信号提供至控制端C3和控制端C4以将晶体管T3和晶体管T4转变成“打开”状态，从而获得可与电流I1相同或相似的但是在反方向流动的电流I2。在第一周期期间，控制器可将与控制信号510相似的信号提供至控制端C1-C4以操作处于电流控制模式的切换电路并改变信号的占空比以改变线圈L的电流。

控制器可通过将控制信号提供至控制端C1和控制端C3以将晶体管T1和晶体管T3转变(或保持)成截止状态从而使线圈L与电压源断开并通过同时将控制信号提供至控制端C2和控制端C4以将将晶体管T2和晶体管T4转变(或保持)成“打开”状态从而启用经由线圈L的电流环路I1’或I2’(“或”-取决于在转变时刻线圈电流的方向)将切换电路700从电流控制模式转变至电流保持模式。(I1’是方向与I1相同并具有与电流I1类似值的电流，I2’是方向与I2相同并具有与电流I2类似值的电流。)

由于电流只能在720和740示出的方向上在晶体管T2和晶体管T4中流动，可通过晶体管T2和二极管D4关闭电流环路I1’，可通过晶体管T4和二极管D2关闭电流环路I2’，其分别如图6通过椭圆形750和760所示。理论上，如果切换电路700中没有损耗，I1’应该等于I1，I2’应该等于I2。然而，例如，由于散热形式的电路损耗，在电流保持模式周期期间，流经线圈L的电流逐渐减小。然而，由于电流的逐渐减小是事先已知的，这种现象可以妥善处理。此外，在许多应用中，电流保持模式可用于相对较短的周期并且在这种情况下，线圈的电流减少几乎忽略不计。

在开关电路中使用的开关可以是绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)。绝缘栅双极晶体管或IGBT)是结合了高效率和快速切换能力的三端功率晶体管。因为它被设计成快速打开和关闭，这种装置通常用于脉冲宽度调制。

图8示意性示出了用于生成操纵，例如，诸如体内装置110和体内装置206等体内装置的磁性操纵力的切换控制系统800。切换控制系统800可包括计算机处理器或控制器810和用于控制n个线圈的电流的n个线圈控制电路(“CCCs”)820-830，命名为L1-Ln。每一个CCC可包括与切换电路400或切换电路700相似的或作用与切换电路400或切换电路700相似的切换电路。控制器800可根据操作周期(例如，图5A的周期C)以本文所描述的方式，例如，与切换电路400或切换电路700连接，单独操作n个CCCs的每一个。

控制器810可，例如，操作CCCs处于电流控制模式以控制操纵体内装置的磁性操纵力、操作CCCs处于电流保持模式以将磁性操纵力保持在一个值或多个值，当切换电路从电流控制模式切换至电流保持模式时，磁性操纵力可具有转变时间。控制器810可，例如，操作每一个CCC的切换电路或切换功能处于每一个操作周期，在第一周期期间以在操作区域内控制操纵体内装置的磁性操纵力、在第二周期期间，在转变为第二周期之前以将磁性操纵力保持在一个值。体内装置可感测一个或多个定位信号的第二周期可重叠体内装置的感测窗口。

控制器810可应用/激活电流控制模式的操作以控制施加至磁性可操纵装置(例如，图2的MSU 211)的磁力并应用/激活电流保持模式的操作以启用(另一个系统)用于确定可操纵装置的位置和/或定向的电磁信号(例如，通过图2的SCA)的感测。控制器810可被配置成，例如，通过执行软件或指令执行本文所公开的方法的实施例。

图9描绘了根据本发明实施例的信号轨迹。假定信号轨迹源自或表示包含体内装置、用于传输定位信号至体内装置的定位系统和用于操纵体内装置的磁场操纵系统的体内系统中的信号。参照图9，当操纵系统生成磁性操纵信号和定位系统能传输定位信号时，信号912可以是显示在体内装置、定位系统和操纵系统的信号。

在时间周期910期间，操纵系统生成操纵体内装置的磁场操纵信号。信号914是在电流控制模式期间(例如，在周期910期间)通过磁场操纵系统生成的线圈电流。线圈电流914符合例如，线圈电流914利用PWM控制信号控制的电流控制模式周期。因此，线圈电流914是符合PWW控制信号的频率和占空比的锯齿信号。

时间周期920是保持线圈电流不变的电流保持模式周期。在时间周期920期间，为了通过体内装置感测到它/在体内装置中被感测到，操纵系统停止生成磁场操纵信号并且定位系统停止为体内装置输送定位信号。如图9所示，与在电流控制模式周期910期间的交替变化的线圈电流914截然相反，在周期950(电流保持模式周期)期间，线圈电流914基本上恒定，如922处所示。

信号950表示通过体内装置感测的定位信号。通常，仅在周期920(例如，当不执行设备操纵时)期间为体内装置传输定位信号。然而，为了比较，在操纵系统生成锯齿线圈电流期间也将定位信号传输至体内装置以评估因其在定位信号感测线圈中导致的电磁场干扰。如图9所示，在操纵系统的正常运行期间，因体内装置的感测线圈导致的电磁场干扰(当使用电流控制模式时)导致具有相对大的振幅(952)和等于PWM切换频率的主频率F(F＝1/TC)的噪声信号(950)。然而，在电流保持模式的操作期间，当关闭PWM且切换电路转变成电流保持模式的操作(在周期920期间)时，消除因线圈电流导致的噪声，剩余的噪声更容易过滤。

图10描绘了根据本发明实施例的附加信号轨迹。在电流控制模式的操作1010期间，体内装置的定位感测线圈可感测在此期间因操作操纵线圈(例如，通过利用PWM)的操纵系统导致的非常嘈杂信号(1012)。然而，在电流保持模式的操作1020期间，体内装置的定位感测线圈可感测显著降低噪声(1030)。

图11描绘了根据本发明实施例的操作用于控制电线圈电流的切换电路的方法。假设电线圈通过切换电路连接至电压源。在步骤1110，在第一周期或在电流控制模式周期中，可控制切换电路以交替提供至电线圈的电压源的电压极性，从而控制电线圈电流的大小和方向。在步骤1120，在不同于第一周期的第二周期期间或在电流保持模式周期中，可控制切换电路以使电线圈和电压源断开且使电线圈短路以在第一周期(例如，在切换电路从第一周期或电流控制模式转变成第二周期或电流保持模式的转变时间)结束时保持电线圈电流的大小和方向。(可使用其它或不同的操作次序。)

当在第一周期中或在电流控制模式下操作切换电路启用可操纵体内装置(例如，体内装置110)的电磁操纵力(例如，通过MMU 140生成的)的控制，在第二周期中或在电流保持模式下操作切换电路可保持电磁操纵力在当切换电路从电流控制模式切换至电流保持模式的转变时间的数值。

如上所述，在感测窗口(例如，图3所示的感测窗口352)期间，体内装置可感测定位信号，如本文所解释的，为了不叠加对在感测窗口期间通过体内装置感测的定位信号的PWM的原始干扰，抑制PWN切换是有利的。因此，体内装置可感测一个或多个定位信号的第二周期(使用或激活电流保持模式的周期)可重叠体内装置的感测窗口。

本文所使用的冠词“一个”是指一个或一个以上(例如，至少一个)冠词的语法对象，其取决于上下文。举例来说，取决于上下文，“一个元件”可意味着一个元件或一个以上元件。本文所使用的术语“包含”意味着包含但不限于并与短语“包含但不限于”交替使用。在本文使用术语“或”与“和”意味着“和/或”并与短语“和/或”交替使用，除非上下文另外明确指出。在本文使用术语“诸如”意味着“诸如但不限于”并与短语“诸如但不限于”交替使用。

本文公开不同的实施例。某些实施例的特征可与其他实施例的特征结合，因此，某些实施例可以是其他或多个实施例特征的组合。本发明的实施例可包括诸如例如，计算机或处理器非临时性存储介质，诸如例如编码、包括或存储当由处理器或控制器执行本发明的方法时所用的指令，例如，计算机可执行指令的存储器、磁盘驱动器、或USB闪存存储器等物品。例如，系统可包括诸如存储单元240、计算机可执行指令和诸如控制器260或控制器810等的控制器的非临时性存储介质。在可包括在其上存储可用于为电脑或其他可编程装置编程以执行上述公开的方法的指令的非临时性机器可读介质的计算机程序产品中可提供一些实施例。具有如此描述的本发明的示例性实施例，对本领域技术人员来说是显而易见的是，已公开实施例的变型将会在本发明的范围内。相应地，替代实施例可包括跟多模块、更少模块和/或功能上等价的模块。本公开与各种类型的体内装置(例如，具有一个或多个成像器的体内装置，没有成像器的体内装置等)、各种类型的接收器、各种类型的磁性操系统相关。因此，随附权利要求的范围不受限于本文的公开内容。

Claims (10)

1.一种用于控制线圈电流的系统，其包括：

切换电路，其包括：

第一开关和第二开关，其分别被插入在电线圈的第一端和第二端和为所述电线圈供电的电压源的正极端之间；

第三开关和第四开关，其分别被插入在电线圈的第一端和第二端和所述电压源的负极端之间；

控制器，其在电流控制模式和电流保持模式之间切换所述切换电路，所述控制器被配置成：

在所述电流控制模式周期期间，控制所述切换电路以交替所述电压源的电压极性从而控制所述电线圈的电流的大小和方向，

在所述电流保持模式周期期间，控制所述切换电路以使所述电线圈和所述电压源断开且使所述电线圈短路，以当所述控制器将所述切换电路从电流控制模式切换至电流保持模式时保持所述电线圈电流的大小和方向；

其中，所述控制器被配置成激活所述电流控制模式以控制施加至磁性可操纵装置的磁力、激活所述电流保持模式以有利于感测用于确定所述磁性可操纵装置的位置和/或定向的电磁信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中在所述电流控制模式周期期间，所述控制器被配置成通过同时关闭所述第一开关和所述第四开关并打开所述第二开关和所述第三开关，然后，同时打开所述第一开关和所述第四开关并关闭所述第二开关和所述第三开关并重复此顺序来交替所述电压源的电压极性。

3.如权利要求1所述的系统，其中在所述电流保持模式周期期间，所述控制器被配置成同时打开所述第一开关和所述第二开关并关闭所述第三开关和所述第四开关从而关闭包括所述电线圈的电流环路。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过使用脉冲宽度调制方案来交替提供至所述电线圈的所述电压源的电压极性。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关中的每一个均包括晶体管。

6.如权利要求5所述的系统，其中每一个晶体管与二极管相关。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一开关的晶体管、所述第二开关的晶体管、所述第三开关的晶体管和所述第四开关的晶体管中的其中一个特定的晶体管被配置成在激活所述电流控制模式的周期期间通过电线圈将电流持续在第一方向，与所述特定的晶体管相关的二极管在激活所述电流保持模式的周期期间通过电线圈将电流环路持续在第二方向，其中所述第二方向不同于所述第一方向。

8.如权利要求1所述的系统，其中操作所述电流控制模式是控制磁性操纵力以操纵体内装置，并且操作所述电流保持模式是当所述切换电路从所述电流控制模式切换至所述电流保持模式时将磁性操纵力保持在处于转变时间的值。

9.如权利要求8所述的系统，在所述体内装置感测定位信号的所述体内装置的感测窗口期间施加所述电流保持模式。

10.如权利要求1所述的系统，其中使用脉冲宽度调制(PWM)方案交替所述切换电路的状态。