CN114787647A - 使用磁场梯度体内监测哺乳动物的内部体积 - Google Patents

使用磁场梯度体内监测哺乳动物的内部体积 Download PDF

Info

Publication number
CN114787647A
CN114787647A CN202080079140.6A CN202080079140A CN114787647A CN 114787647 A CN114787647 A CN 114787647A CN 202080079140 A CN202080079140 A CN 202080079140A CN 114787647 A CN114787647 A CN 114787647A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
field gradient
axis
dimensional
gradient
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080079140.6A
Other languages
English (en)
Inventor
S.夏尔马
M.沙皮罗
A.埃马米
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
California Institute of Technology CalTech
Original Assignee
California Institute of Technology CalTech
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by California Institute of Technology CalTech filed Critical California Institute of Technology CalTech
Publication of CN114787647A publication Critical patent/CN114787647A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07—Endoradiosondes
    • A61B5/073—Intestinal transmitters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
    • A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/062—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/07—Endoradiosondes
    • A61B5/076—Permanent implantations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6847—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
    • A61B5/6861—Capsules, e.g. for swallowing or implanting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B7/31—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/022—Measuring gradient
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
    • A61B2503/40—Animals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0223—Magnetic field sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0538—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body invasively, e.g. using a catheter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/0206—Three-component magnetometers

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Endoscopes (AREA)

Abstract

一种用于体内监测哺乳动物的目标内部体积的方法，包括：(a)将目标内部体积放置在三维磁场发生器附近；(b)沿着相互正交的相应的第一轴、第二轴和第三轴生成第一磁场梯度、第二磁场梯度和第三磁场梯度；(c)用设置在可摄取胶囊中的三维磁传感器测量第一磁场、第二磁场和第三磁场，可摄取胶囊设置在目标内部体积中；(d)用与三维磁传感器电通信的控制器，生成对第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量进行编码的磁传感器输出信号；(e)从设置在可摄取胶囊中的天线广播磁传感器输出信号，以及(f)用接收器接收磁传感器输出信号。所接收的磁场数据可用于确定可摄取胶囊的三维位置。

Description

使用磁场梯度体内监测哺乳动物的内部体积
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年11月13日提交的题为“Real-Time GI Tract Monitoringwith High Precision in 3D Using Atoms Microchips”的美国临时申请第62/934763号和于2019年11月13日提交的题为“Magnetic Gradient Coil Design for Micro-DeviceLocalization”的美国临时申请第62/934767好的的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及用于使用磁传感器监测受试者的内部体积的医疗设备。
背景技术
胃肠(GI)转运和运动障碍越来越普遍，并导致通过GI道各个区域的转运延迟或加速。这些影响了三分之一的人口并消耗了大量的医疗保健资源。GI道的连续监测和转运时间评估可以为患有慢性便秘、胃轻瘫和肠易激运动的患者提供有价值的诊断信息。
使用肛门直肠测压法、反流测试、呼吸测试、不透射线标记、闪烁照相术和无线运动胶囊来帮助诊断GI运动障碍方面已经取得了实质性进展。呼吸测试受到胃排空(GE)的准确性和定量结果的限制，而不透射线标记物和闪烁照相术需要暴露于辐射以测量GE时间。由于其易于使用并且不需要临床就诊，无线运动胶囊在过去十年中已经普及。Medtronic的SmartPill是这种无线胶囊的示例，其有助于将转运异常定位到特定GI区域。当SmartPill行进通过GI道时，它测量转运时间、pH、压力和温度，但缺乏实时位置跟踪的能力。SmartPill的接收器由患者在腰部佩戴3-5天，在日常活动期间引起不便。调节和监测GI运动性的另一种无线装置包括可以电刺激和记录植入部位处的运动性的电极阵列。然而，植入该装置需要腹部中线切口，因此需要手术干预。
期望克服本领域中的这些和/或其它缺陷。
发明内容
本公开和发明可应用于包括活的哺乳动物和包括人的受试者。本文描述的示例实施例具有创新特征，其中没有单个特征是必不可少的或单独负责其期望属性。以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实施方式，其指示可以执行本公开的各种原理的若干示例性方式。然而，说明性示例不是本公开的许多可能的实施例的穷举。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将概述一些有利特征。当结合附图考虑时，将在本公开的以下详细描述中阐述本公开的其他目的、优点和新颖特征，附图旨在说明而不是限制本发明。
本发明的一个方面涉及一种用于体内监测哺乳动物的目标内部体积的方法，包括：将目标内部体积放置在三维磁场发生器附近；使用所述三维磁场发生器顺序地产生：沿着第一轴的第一定位磁场梯度，所述第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第一轴的单调变化的磁场幅度，所述第一定位磁场梯度在第一时间产生；沿着与所述第一轴正交的第二轴的第二定位磁场梯度，所述第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第二轴的单调变化的磁场幅度，所述第二定位磁场梯度在不同于所述第一时间的第二时间产生；以及沿着与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三定位磁场梯度，所述第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第三轴的单调变化的磁场幅度，所述第三定位磁场梯度在不同于所述第一时间和所述第二时间的第三时间产生；测量在所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间处的总磁场幅度；三维磁传感器设置在可摄取胶囊中，所述可摄取胶囊设置在所述目标内部体积中；用与所述三维磁传感器电通信的控制器，生成对分别对应于所述第一磁场梯度、所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的第一总磁场幅度测量、第二总磁场幅度测量和第三总磁场幅度测量进行编码的磁传感器输出信号；从设置在所述可摄取胶囊中的天线广播所述磁传感器输出信号，所述天线电耦合到所述控制器；以及用接收器接收磁传感器输出信号。
在一个或多个实施方案中，所述方法还包括摄取所述可摄取胶囊。在一个或多个实施例中，该方法还包括同时：用第一平面电磁线圈组产生沿着所述第一轴的第一磁场梯度，以及用第三平面电磁线圈组产生沿着所述第三轴的第三磁场梯度，其中所述第一定位磁场梯度包括所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的第一总磁场。在一个或多个实施例中，所述方法还包括：在同时仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，用所述三维磁传感器测量所述第一总磁场的第一总磁场幅度。
在一个或多个实施方案中，所述方法还包括：在测量所述第一磁场梯度之后，同时：关闭所述第一磁场梯度；用第二平面电磁线圈组开启沿着所述第二轴的第二磁场梯度；以及同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第二定位磁场梯度包括所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的第二总磁场。
在一个或多个实施例中，所述方法还包括在同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，用所述三维磁传感器测量所述第二总磁场的第二总磁场幅度。在一个或多个实施例中，所述方法还包括在测量所述第二磁场梯度之后：在继续产生所述第三磁场梯度的同时关闭所述第二磁场梯度，其中所述第三定位磁场梯度包括所述第三磁场梯度的第三总磁场；以及在仅开启所述第三磁场梯度时测量所述第三总磁场的第三总磁场幅度。
在一个或多个实施例中，所述方法还包括从所述接收器向控制器发送控制信号，所述控制信号使得所述三维磁传感器顺序地测量在所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间的所述总磁场幅度。在一个或多个实施例中，所述方法还包括基于所述第一总磁场幅度测量、所述第二总磁场幅度测量和所述第三总磁场幅度测量来确定所述可摄取胶囊的三维空间位置。所述空间位置是相对于所述三维磁场发生器确定的。在一个或多个实施例中，所述方法还包括使用查找表来确定所述空间位置，所述查找表包括在相对于所述三维磁场发生器的已知位置处进行的多个参考总磁场测量。
本发明的另一方面涉及一种用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统，包括：三维磁场发生器，所述三维磁场发生器被配置为顺序地产生：沿着第一轴的第一定位磁场梯度，所述第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第一轴的单调变化的磁场幅度，沿着与所述第一轴正交的第二轴的第二定位磁场梯度，所述第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第二轴的单调变化的磁场幅度，以及沿着与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三定位磁场梯度，所述第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第三轴的单调变化的磁场幅度；以及可摄取磁传感器，包括：三维磁传感器，所述三维磁传感器输出分别对应于所述第一定位磁场梯度、所述第二定位磁场梯度和所述第三定位磁场梯度的第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量；控制器，所述控制器电耦合到所述三维磁传感器，所述控制器生成对所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的测量进行编码的磁传感器输出信号；电耦合到所述控制器的天线，所述天线广播所述磁传感器输出信号；电源，所述电源电耦合到所述三维磁传感器和所述控制器；以及可摄取胶囊，所述可摄取胶囊具有内腔，所述三维磁传感器、所述控制器、所述天线和所述电源设置在所述内腔中。
在一个或多个实施例中，所述三维磁场发生器包括：第一磁场梯度线圈，被配置为生成沿着所述第一轴的第一磁场梯度；第二磁场梯度线圈，被配置为生成沿着所述第二轴的第二磁场梯度；第三磁场梯度线圈，被配置为生成沿着所述第三轴的第三磁场梯度；以及控制器，被配置为选择性地向所述第一电磁线圈组、所述第二电磁线圈组和/或所述第三电磁线圈提供电力，以顺序地产生所述第一定位磁场梯度、所述第二定位磁场梯度和所述第三定位磁场梯度。
在一个或多个实施例中，该系统还包括接收磁传感器输出信号的接收器。在一个或多个实施例中，所述接收器被配置为基于所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的所述测量来确定所述可摄取磁传感器的三维空间位置，所述三维空间位置是相对于三维磁场发生器确定的。在一个或多个实施例中，硕士接收器被配置为在所述接收器上的用户界面上或耦合到所述接收器的用户界面上显示空间位置。
在一个或多个实施例中，所述控制器选择性地仅向所述第一磁场梯度线圈和所述第三磁场梯度线圈提供电力，以同时仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第一定位磁场梯度包括所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的总磁场，并且在仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第一磁场。
在一个或多个实施例中，所述控制器选择性地仅向所述第二磁场梯度线圈和所述第三磁场梯度线圈提供电力，以同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第二定位磁场梯度包括所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的总磁场，并且在仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第二磁场。
在一个或多个实施例中，所述控制器选择性地仅向所述第三磁场梯度线圈提供电力以仅生成所述第三磁场梯度，其中，所述第三定位化磁场梯度包括所述第三磁场梯度的总磁场，并且在仅生成所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第三磁场。
在一个或多个实施例中，所述可摄取磁传感器还包括设置在所述控制器和所述天线之间的天线匹配电路。在一个或多个实施例中，所述三维磁场发生器设置在椅子的背部或平台上。
在一个或多个实施例中，所述第一磁场梯度线圈组具有平行于所述第一轴的宽度，并且(a)具有沿着所述第一轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第一定位化磁场梯度的所述至少一部分与(b)所述第一平面电磁线圈组的所述宽度的比率在约1：2到大约3：4的范围内。在一个或多个实施例中，所述第二平面电磁线圈组具有平行于所述第二轴的长度，并且(c)具有沿着所述第二轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第二定位磁场梯度的所述至少一部分与(d)所述第二平面电磁线圈组的所述长度的比率在约1：2至约3：4的范围内。在一个或多个实施例中，所述第三平面电磁线圈组具有环的形状，所述环具有内径和外径，并且(e)具有沿第三轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第三定位磁场梯度的至少一部分与(f)所述环的所述外径的比率在约1：4至约2：5的范围内。
附图说明
为了更全面地理解本概念的本质和优点，参考优选实施例的详细描述和附图。
图1是用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统的框图。
图2示出了三维磁场发生器的示例定时图。
图3是天线匹配电路的示意图。
图4是用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统的框图。
图5是用于映射由三维磁场发生器产生的磁场的相对空间坐标的装置的图像。
图6是控制器板的示意图。
图7是用于安装三维磁场发生器的装置的透视图。
图8示出了具有第一可摄取磁传感器和第二可摄取磁传感器的哺乳动物的示例。
图9是用于体内监测哺乳动物的内部体积的方法的流程图。
图10是根据实施例的用于产生磁场梯度的装置的框图。
图11A、图11B和图11C是用于对设备位置进行编码的总磁场梯度的简化视图。
图12是根据实施例的第一电磁线圈组的示意性俯视图。
图13是根据实施例的第二电磁线圈组的示意性俯视图。
图14是根据实施例的第三电磁线圈组的示意性透视图。
图15是示出由第一电磁线圈和第三电磁线圈组同时产生的总磁场(“‖BX‖”)的示例的曲线图。
图16是示出由第二电磁线圈组和第三电磁线圈组同时产生的总磁场的示例的曲线图。
图17是示出由第三电磁线圈组产生的单调变化的总磁场(“‖Bz‖”)的示例的曲线图。
具体实施方式
用于受试者(例如，哺乳动物，包括人)的非侵入式内部监测系统可以实时地以亚mm空间分辨率定位GI道(或哺乳动物中的其它内部体积或腔)中的微尺度设备。在期望的视场(FOV)中沿着三个正交轴中的每一个(例如，在笛卡尔X、Y和Z轴中)产生单调变化的磁场梯度，其由移动通过GI道的可摄取磁传感器感测。由可摄取磁传感器测量的三维磁场值被无线发送到外部接收器(例如，智能电话)，其可以确定对应的空间位置。由于FOV中的磁场梯度的单调性质，每个空间点被唯一地编码，从而允许根据场值的明确位置映射。可摄取磁传感器设备还可以测量和报告pH、温度、压力和其他生物学上有用的标记以及它们的实时位置，从而为更全面的患者诊断提供时空图。例如，可摄取磁传感器装置可以耦合到测量pH、温度、压力和其他生物有用标记的片上和/或片外传感器。可以在测量的磁场的无线报告期间发送与这些值相对应的数据。
GI道监测系统包括用于产生所需磁场梯度的三维磁场发生器(例如，电磁线圈)、用于感测位置可摄取磁传感器处的三维磁场的可摄取磁传感器、以及用于将三维磁场值映射到空间中的不同点的外部接收器。可摄取磁传感器可以作为胶囊被患者摄取，并且三维磁场发生器放置在患者附近，例如在受试者的背部后面，类似于墙壁，或者在人类受试者的情况下在椅子的背部上。本领域技术人员将理解如何将本公开推广到适合于给定应用的其他非人类受试者。外部接收器(例如智能电话)与在GI道中移动的可摄取磁传感器无线通信，以触发磁场测量并接收原始场数据。然后，外部设备上的用户界面显示可摄取磁传感器相对于三维磁场发生器的位置的实时位置。
对于可摄取磁传感器可以测量的给定磁场分辨率(ΔB)，磁场梯度的梯度强度(G)由所需的定位分辨率(ΔX)确定，如关系式ΔX＝ΔB/G所给出的。在一个实施例中，ΔB为15μT，并且为了得到ΔX的500μm分辨率，所需的G为30mT/m。当对25个或更多个磁场样本进行测量和求平均时，可摄取磁传感器的测量误差可以从15μT的ΔB降低到3μT，对于给定的30mT/m的磁场梯度强度，这可以将空间分辨率从500μm提高到100μm。
在整个公开内容中，提供了具体实例、优选实施例和说明来解释本发明的示例性方面和实施例。这些不旨在是限制性的，而是本领域技术人员将理解，可以开发和实现许多其他示例和实施例以适合本系统和方法的给定应用。所有这些变化都被本公开和所附权利要求所理解。
图1是根据实施例的用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统10的框图。系统10包括三维磁场发生器100、可摄取磁传感器110和接收器120。三维磁场发生器100被配置为沿着或平行于多个相互正交的轴生成磁场梯度。例如，三维磁场发生器100可以生成沿着或平行于第一轴的第一定位磁场梯度、沿着或平行于第二轴的第二定位磁场梯度以及沿着或平行于第三轴的第三定位磁场梯度。第一轴、第二轴和第三轴彼此正交。在笛卡尔坐标系中，第一轴可以对应于“x”轴，第二轴可以对应于“y”轴，并且第三轴可以对应于“z”轴。每个磁场梯度的至少一部分和/或至少大部分可以具有沿着相应轴单调变化的幅度。在一些实施例中，每个定位磁场梯度幅度可以在一些或全部相应的磁场梯度上线性或非线性地变化。
三维磁场发生器100可以具有长度为约60cm(例如，平行于“x”方向)、宽度为约60cm(例如，平行于“y”方向)和高度为约60cm(例如，平行于“z”方向)的约2cm的示例维度。这可以对应于长度为约40cm(例如，平行于“x”方向)、宽度为约40cm(例如，平行于“y”方向)和高度为约30cm(例如，平行于“z”方向)的单调FOV。单调FOV可以是磁场梯度具有单调变化的幅度的维度，使得每个磁场测量对应于或编码唯一的相对空间位置。
在一些实施例中，三维磁场发生器100包括被配置为产生三个定位磁场梯度的多个线圈。例如，三维磁场发生器100可以包括被配置为产生第一定位磁场梯度的一个或多个线圈、被配置为产生第二定位磁场梯度的一个或多个线圈以及被配置为产生第三定位磁场梯度的一个或多个线圈。该线圈配置的示例在以下文献中公开：(a)于2018年3月13日公布的标题为“Sensing and Actuation of Biological Function Using AddressableTransmitters Operated as Magnetic Spins”的美国专利第9,915641号，(b)于2019年11月5日公布的标题为“Sensing and Actuation of Biological Function UsingAddressable Transmitters Operated as Magnetic Spins”的美国专利第10,466227号，(c)于2019年12月26日公布的标题为“Surgical Alignment By Magnetic Field GradientLocalization”的美国专利申请公开第2019/0388105号，(d)于2020年11月13日提交的标题为“Electromagnet Gradient Coil Apparatus for Micro-Device Localization”，美国专利申请第17/097349号，其要求于2019年11月13日提交的、题为“Real-Time GI TractMonitoring with High Precision in 3D Using ATOMS Microchips”的美国临时申请第62/934763号的优先权，并且其要求于2019年11月13日提交的、题为“Magnetic GradientCoil Design For Micro-Device Localization”的美国临时申请地62/934767号的优先权；以及(e)于2020年9月9日提交的题为“Precision Surgery Using Smart SurgicalTags”的美国临时申请第63/075，980号，这些申请通过引用并入本文。
可以使用从控制器130发送的控制信号来控制三维磁场发生器100。控制信号可以识别要产生的磁场梯度及其幅度。控制器130还可以改变控制信号的定时(timing)，使得在预定定时序列(timing sequence)期间产生磁场梯度，这可以对所产生的磁场梯度进行编码。控制信号还可以包括开启(turn on)每个磁场梯度的时间长度。替代地，第一控制信号可以指示三维磁场发生器100开始产生给定的磁场梯度，并且第二控制信号可以指示三维磁场发生器100停止产生该磁场梯度。在一些实施例中，控制器和三维磁场发生器100被集成到单个装置中。
可摄取磁传感器110包括可摄取胶囊111和电路，该电路包括三维磁传感器112、控制器114、天线116和电源118。可摄取胶囊111可包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一种生物安全材料。
三维磁传感器112测量在可摄取磁传感器110的位置处的磁场(例如，总磁场)，并将磁场测量输出到控制器114。磁场测量包括X、Y和Z场值中的每一个的测量，其各自可以被提供为16比特数据矢量。三维磁传感器112可以基于从控制器114接收的控制信号来测量磁场，该控制信号可以通过诸如I2C的协议发送。在一些实施例中，可以对每个磁场梯度进行25次或更多次测量。控制信号可以包括用于三维磁传感器112执行磁场测量的定时序列。定时序列可以对应于磁场梯度的预定定时序列。另外，控制信号可以包括用于三维磁传感器112的功率、噪声和测量频率(例如，每分钟1至5个磁场测量)的配置设置。在示例实施例中，三维磁传感器112可以包括可从Asahi Kasei Microdevices Corporation获得的具有数字输出的AK09970N三轴磁传感器IC，但是可以使用其他三维磁传感器。应当理解，本文提供的某些实施例仅用于说明和解释的目的，并且这些实施例不限制本发明。在不脱离本公开或发明的范围的情况下，本领域技术人员将理解等同、类似或其他示例的替换。
控制器114包括微处理器、本地存储器(例如，高速缓存和RAM)、以及能够支持一个或多个无线协议(例如，蓝牙低功耗(LE))、近场通信(NFC)和/或另一无线协议)的收发器。控制器114可以将磁场测量存储在其本地存储器(例如，高速缓存或RAM)中，然后将磁场测量编码在磁传感器输出信号中。磁传感器输出信号由天线116使用无线协议(例如，蓝牙LE)广播并发送到接收器120。天线匹配电路可以包括在控制器114和天线116之间，以改善和/或最大化到天线116的功率传输以用于辐射。在示例实施例中，控制器114可以包括可从Nordic Semiconductor获得的nRF52832蓝牙5.2片上系统(SoCs)，但是可以使用其他微处理器或SoC。此外，天线116可以包括可从Johanson Technology，Inc.获得的2450AT18B1002.4GHz迷你天线。
电源118为三维磁传感器112和设备控制器114提供电力。电源118可以包括电池，例如一个或多个纽扣电池可再充电电池(例如，3V，11mAh)，例如可从Seiko Instruments，Inc.获得的MS 920SE。在另一个实施例中，电源118可以包括可以经由电感耦合无线地接收能量的电感器。在另一个实施例中，电源118可以生物化学地导出电力。电源118可以从其他外部源和/或从内部源接收和/或导出电力。
在一些实施例中，可摄取磁传感器110可以是直径约7.9mm、长度约19mm的圆柱形。同样，本示例和实施例不是限制性的，并且本发明涵盖根据所附权利要求并且如本领域技术人员在阅读本公开时所理解的许多实施例。
接收器120包括微处理器和天线，其可以使用无线协议(例如蓝牙LE)从可摄取磁传感器110接收磁传感器输出信号。例如，接收器120可以包括智能电话、膝上型计算机、台式计算机、平板电脑或其他计算机。然后，接收器120可以将磁场测量映射到对应的空间坐标，该空间坐标可以显示在接收器120上的内部显示器上和/或外部显示器上。可以使用存储在接收器120上的查找表、模型或其他关系来确定对应的空间坐标。例如，可以通过在接近三维磁场发生器100的一系列已知空间坐标处(诸如在每个维度中每100μm)进行对应于由三维磁场发生器100产生的三个定位磁场梯度的一系列总磁场测量来创建查找表。可以从查找表中的经测量的磁场测量中减去地球的环境磁场。
另外，接收器120可以向控制器114发送控制信号和/或命令。来自接收器120的控制信号和/或命令(通常，控制信号)可以触发磁场测量，例如通过使控制器114将控制信号发送到三维磁传感器112。来自接收器120的控制信号还可以包括用于三维磁传感器112执行磁场测量的定时序列。可替代地，可以通过使接收器120发送控制信号来创建定时序列，该控制信号根据定时序列触发磁场测量。来自接收器120的控制信号还可以使控制器114发送磁传感器输出信号。另外，接收器120可以发送控制信号以配置控制器114和/或三维磁传感器112。例如，接收器120可以配置控制器114的无线通信(例如，无线协议、加密等)。另外，接收器120可以配置三维磁传感器112的功率、噪声和/或测量频率(例如，每分钟1至5个磁场测量)设置。
在操作中，可摄取磁传感器110被摄取或放置在患者体内。例如，可摄取磁传感器110可以被摄取到哺乳动物(例如，人类患者或其他哺乳动物)的胃肠(GI)道140中。然后将三维磁场发生器100放置在哺乳动物的GI道140附近。例如，三维磁场发生器100可以放置在平台(哺乳动物躺在其上)、椅子(哺乳动物坐在其中)的背部上或其中。替代地，三维磁场发生器100可以设置在可穿戴装置中，例如可以缠绕在受试者(例如哺乳动物)的胃周围。接收器120与可摄取磁传感器110中的控制器114无线通信，以触发磁场测量和/或接收原始场数据。接收器120上的用户界面可以显示可摄取磁传感器110相对于三维磁场发生器100的位置的三维位置。
接收器120可以实时地(或由于传输时间而基本上实时地等)或非实时地(例如，在稍后的时间)接收和/或显示可摄取磁传感器110的相对位置。例如，可摄取磁传感器110可以临时存储多个磁场测量并将它们作为组发送到接收器120。附加地或替代地，接收器120可以从可摄取磁传感器110接收磁场测量，用于稍后在接收器120的显示器上或在诸如计算机的另一设备上显示。
图2示出了三维磁场发生器100的示例定时图20。定时图20包括第一定时图200，其示出了电流如何斜升到与第一磁场梯度(例如，X磁场梯度)的稳定“开启”时间205相对应的平台。例如，电流可以流过被配置为在第一定时图200中生成第一磁场梯度的一个或多个线圈。定时图20还包括第二定时图210，其示出了电流如何斜升到与第二磁场梯度(例如，Y磁场梯度)的稳定“开启”时间215相对应的平台。例如，电流可以流过被配置为生成第二定时图210中的第二磁场梯度的一个或多个线圈。定时图20还包括第三定时图220，其示出了电流如何斜升到与第三磁场梯度(例如，Z磁场梯度)的稳定“开启”时间225相对应的平台。例如，电流可以流过被配置为生成第三定时图210中的第三磁场梯度的一个或多个线圈。
定时图20示出了第一第三磁场梯度和第三磁场梯度(例如，分别为X和Z磁场梯度)在时间0同时开启。在100ms处，第一磁场梯度和第三磁场梯度两者都已经完全开启205、225。第一磁场梯度的开启时间205对应于第一磁场测量窗口230(在100ms与110ms之间)，其中三维磁传感器112可以测量由第一磁场梯度产生的磁场。一个或多个测量可以在第一磁场测量窗口230期间发生。在一些实施例中，可以进行25次或更多次测量。附加地或替代地，三维磁传感器112可以在第一磁场测量窗口230开始时等待预定时间周期(例如，2-5ms)以进行(一个或多个)第一磁场测量，以确保电流和对应的第一磁场梯度是稳定的。多个第一磁场测量的平均值或中值可以用作第一磁场的测量值。在第一磁场测量窗口230期间，第三磁场梯度保持在225。
在110ms，三维磁场发生器100同时关闭(斜降)第一磁场梯度和开启(斜升)第二磁场梯度。在210ms处，第二磁场梯度(例如，Y磁场梯度)已经完全开启215。第二磁场梯度的开启215时间对应于第二磁场测量窗口240(在210和220ms之间)，其中三维磁传感器112可以测量由第二磁场梯度产生的磁场。一个或多个测量可以在第二磁场测量窗口240期间发生。在一些实施例中，可以进行25次或更多次测量。附加地或替代地，三维磁传感器112可以在第二磁场测量窗口240开始时等待预定时间周期(例如，2-5ms)以进行第二磁场测量，以确保电流和对应的第二磁场梯度是稳定的。多个第二磁场测量的平均值或中值可以用作第二磁场的测量值。在第二磁场测量窗口240期间，第三磁场梯度保持在225。
在220ms，三维磁场发生器100关闭(斜降)第二磁场梯度，同时保持第三磁场梯度。当第二磁场梯度完全关闭时，第三磁场测量窗口250开始于320ms，并且持续直到330ms。三维磁传感器112在第三磁场测量窗口期间测量由第三磁场梯度产生的磁场250。在第三磁场测量窗口250期间可以发生一个或多个测量。在一些实施例中，可以进行25次或更多次测量。附加地或替代地，三维磁传感器112可以在第三磁场测量窗口250开始时等待预定时间周期(例如，2至5ms)以进行(一个或多个)第三磁场测量，以确保电流和对应的第三磁场梯度是稳定的。多个第三磁场测量的平均值或中值可以用作第三磁场的测量值。
在第三磁场测量窗口250结束时，三维磁场发生器100关闭(斜降)第三磁场梯度，使得第一磁场梯度、第二磁场梯度和第三磁场梯度被关闭。在实施例中，定时图20在周期性基础上重复以进行三维磁场梯度的重复测量，从而确定可摄取磁传感器110的对应三维位置。例如，1-30分钟的周期性基础，包括每5分钟、每10分钟、每15分钟、每20分钟和每25分钟。周期性基础可以比1-30分钟的范围更频繁或更不频繁。可以基于当可摄取磁传感器110在哺乳动物内移动时可摄取磁传感器110的空间数据的期望体积并且基于电源118的容量来选择周期性基础，电源118既用于为三维磁传感器112提供电力又用于将数据传输到接收器120。据估计，3V、11mAh电池可以支持每分钟测量三维磁场梯度，持续2周。这些示例性附图、持续时间和值是说明性的，并且在本公开和所附权利要求的范围内可以公平地理解其他示例。
注意，在所有测量窗口230、240、250期间，第三磁场梯度保持在225上。发现第三磁场梯度(例如，Z磁场梯度)的不存在导致第一(X)和第二(X)磁场梯度的抛物线磁场分布，因为哺乳动物内部(例如，胃肠道内部)的可摄取磁传感器110的旋转伪影可以导致负半部和正半部(negative and positive halves)给出相同的矢量场值。这使得三维磁场发生器100在它们的两个半部中具有相同的磁场幅度分布，这将单调FOV减小到线圈尺寸的一半。第三磁场梯度将背景场添加到第一磁场梯度场和第二磁场梯度场两者，这导致针对大得多的线圈分段的单调变化的磁场幅度，从而增强FOV。
图3是可以包括在控制器114和天线116之间的天线匹配电路30的示意图。天线匹配电路30包括并联电容器(shunt capacitor)C1，随后是串联电感器L1。并联电容器C1可以具有约0.5至约2pF的电容，包括约0.75pF、约1pF、约1.25pF、约1.5pF和约1.75pF。电感器L1可以具有约3至约5nH的电感，包括约3.5nH、约4nH和约4.5nH。如本文所用，“约”意指相关值的正或负5％至10％。天线匹配电路30优选地与天线116精确匹配，以使从控制器114到天线116的功率损耗最小化。
图4是根据实施例的用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统40的框图。系统40包括系统10的可摄取磁传感器110和接收器120。三维磁传感器112、控制器114、天线116和电池418安装在诸如印刷电路板(例如，FR4基板)的基板400上。尽管图4示出了基底400的前侧和后侧，但是应注意，可摄取磁传感器110通常仅包括一个基底400。换句话说，在图4中示出了基板400的前侧和后侧以供参考。然而，在其他实施例中，可摄取磁传感器110可以包括多于一个基板400。控制器114和天线116安装在基板400的顶部上，并且三维磁传感器112和电池418安装在基板400的底部上。三维磁传感器112、控制器114、天线116和电池418可以以不同的配置安装在基板400上。在另一个实施例中，电池418可以用电源118代替和/或可以包括电源118。
三维磁传感器112、控制器114、天线116和电池418通过形成在基板400中或基板400上的线或导线电连接以形成电路。另外，一个或多个噪声消除电容器410(例如，用于控制器114)和一个或多个上拉电阻器420(例如，用于三维磁传感器112)可以安装在基板400上。
图5是用于映射由三维磁场发生器100产生的磁场的相对空间坐标的装置50的图像。装置50包括线性致动器500、三维磁传感器512、控制器板520和三维磁场发生器530。线性致动器500包括可以沿着第一轴(例如，X轴)移动的第一线性致动器502、可以沿着与第一轴正交的第二轴(例如，Y轴)移动的第二线性致动器504、以及可以沿着与第一轴和第二轴正交的第三轴(例如，Z轴)移动的第三线性致动器506。线性致动器500和三维磁场发生器530由控制器板520(例如，由下面讨论的控制器600)控制。控制器板520可以使线性致动器500在三维磁场发生器530的整个FOV上逐步移动，诸如大约每50-250μm，包括大约每100μm、大约每150μm和大约每200μm。三维磁传感器512安装在玻璃纤维臂540上并测量每个位置处的磁场并将其发送到控制器520，控制器520将其发送到计算机以创建查找表。在一些实施例中，在每个位置处进行多次测量并一起平均。例如，可以在每个位置进行25次或更多次测量。
图6是控制器板520的示意图。控制器板520包括控制器600、开关610、放大器620、晶体管630、电容器640和电阻器650。控制器600电耦合到(例如，通过通用输入/输出)开关610以控制开关610的状态(例如，断开或闭合状态)。放大器620具有电耦合到开关610、电容器640和晶体管630的源极侧的输入，晶体管630可以是MOSFET，诸如高电流MOSFET(例如，可从Nexperia B.V.获得的PSMN2R7-30PL)。电容器640两端的电压是参考电压VREF。放大器620的输出电耦合到晶体管630的栅极侧。电阻器650电耦合到晶体管630的源极侧。电阻器650可以是高温稳定性电阻器，例如可从Caddock Electronics，Inc.获得的MP930-0.020-5％。
当开关610闭合时，电流流过控制器板520以向三维磁场发生器100提供电力，例如向三维磁场发生器100中的一个或多个磁场梯度线圈660提供电力。当开关610断开时，电流不流过控制器板520，并且不向三维磁场发生器100提供电力。
控制器600可以被配置和/或编程为具有第一设置以产生相对于第一轴的第一定位磁场梯度，其中第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿着第一轴单调变化的幅度(例如，相对于第一轴的第一FOV)。在第一设置中，控制器600同时仅向第一电磁线圈组和第三电磁线圈组提供电力。控制器600还可以是被配置和/或编程为具有第二设置以产生相对于第二轴的第二定位磁场梯度，其中第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿着第二轴的单调变化的幅度(例如，相对于第二轴的第二FOV)。在第二设置中，控制器600同时仅向第二电磁线圈组和第三电磁线圈组提供电力。控制器600还可以被配置和/或编程为具有第三设置，以产生相对于第三轴的第三定位磁场梯度，其中第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿着第三轴的单调变化的幅度(例如，相对于第三轴的第三FOV)。在第三设置中，控制器600同时仅向第三电磁线圈组提供电力。控制器600可以被配置为根据第一设置、第二设置和第三设置顺序地和/或以预定的定时序列选择性地提供电力，这两者都可以对第一定位磁场梯度、第二定位磁场梯度和第三定位磁场梯度进行编码。
图7是根据实施例的用于安装三维磁场发生器的装置70的透视图。装置70包括安装在平台720上的第一凸起壁(rasied wall)700和第二凸起壁710。凸起壁700、710间隔开以形成哺乳动物可以通过的斜槽(chute)730。三维磁场发生器100安装在一个或两个凸起壁700、710上。凸起壁700、710是高度可调节的，以将三维磁场发生器100与受试者或受试者中的目标体积(例如，哺乳动物/人类胃肠道)对准。当受试者进入斜槽730中的三维磁场发生器100的FOV时，接收器(例如，接收器120)可用于将控制信号发送到哺乳动物中或上的可摄取磁传感器可摄取磁传感器以进行磁场测量。
图8示出了在三维磁场发生器的FOV中具有第一和第二可摄取磁传感器D1、D2的哺乳动物80的示例。第一可摄取磁传感器D1固定在哺乳动物80的外部身体上以用作参考。第二可摄取磁传感器在被摄取之后位于哺乳动物80的GI道中。使用装置70，如上所述，当哺乳动物80处于斜槽730中的三维磁场发生器100的FOV中时，由每个可摄取磁传感器D1、D2进行测量。每个测量包括三维磁场值和时间戳。测量值可以实时或稍后发送到接收器，该接收器可以处理它们以生成可摄取磁传感器D2通过哺乳动物80的GI道的轨迹的时空图。
图9是根据实施例的用于体内监测哺乳动物的内部体积的方法90的流程图。在步骤900中，哺乳动物吞咽或摄取可摄取磁传感器(例如，可摄取磁传感器110)。替代地，可摄取磁传感器可以插入体腔中或手术放置在哺乳动物中。在步骤910中，将哺乳动物的目标内部体积(例如，当哺乳动物吞咽或摄取可摄取磁传感器时的GI道)放置在三维磁场发生器附近，例如在三维磁场发生器的FOV内。
在步骤920中，三维磁场发生器生成多个磁场梯度。磁场梯度包括沿着第一轴(例如，X轴)的第一磁场梯度、沿着与第一轴正交的第二轴(例如，Y轴)的第二磁场梯度、以及沿着与第一轴和第二轴正交的第三轴(例如，Z轴)的第三磁场梯度。每个磁场梯度的至少一部分和/或大部分具有单调变化的幅度。可以对磁场梯度进行定时排序以对每个磁场梯度进行编码(例如，如上面关于图2所讨论的)。在一些实施方式中，在产生第一磁场和第二磁场的同时产生第三磁场梯度。在一些实施例中，第一磁场梯度和第二磁场梯度不同时产生或不同时处于“开启”状态。
在一些实施例中，三维磁场发生器或用于三维磁场发生器的控制器向接收器发送信号以协调或同步磁场梯度的定时。接收器可以将另一个信号中继和/或发送到可摄取磁传感器中的三维磁传感器，以协调或同步磁场梯度测量的定时。
在步骤930中，可摄取磁传感器中的三维磁传感器测量在可摄取磁传感器的位置处的磁场梯度。三维磁传感器可以在不同时间测量每个磁场梯度。例如，三维磁传感器可以在第一时间测量第一磁场梯度，在第二时间测量第二磁场梯度，并且在第三时间测量第三磁场。可以根据预定的定时序列进行磁场梯度测量，例如如上面关于图2所讨论的。例如，在施加第一磁场梯度和第三磁场梯度两者但不施加第二磁场梯度的同时，可以在第一时间(或在第一时间窗口上)测量第一磁场梯度。在施加第二磁场梯度和第三磁场梯度但不施加第一磁场梯度同时，可以在第二时间(或在第二时间窗口上)测量第二磁场梯度。在不施加第一磁场梯度和第二磁场梯度的同时可以在第三时间(或在第三时间窗口上)测量第三磁场梯度。第一磁场梯度可以对应于沿着“X”方向或轴的梯度，第二磁场梯度可以对应于沿着“Y”方向或轴的梯度，并且第三磁场梯度可以对应于沿着“Z”方向或轴的梯度。
当第二磁场梯度处于关闭状态时，控制器可以同时开启第一磁场梯度和第三磁场梯度。当第一磁场梯度和第三磁场梯度已经斜升并且处于稳定的“开启”状态时，第一时间窗口可以开始以测量第一磁场梯度。在一些实施例中，可以进行多次测量(例如，25次或更多次)，从中可以获得平均值或中值。在测量第一磁场梯度之后(例如，在第一时间窗口中)，控制器可以同时关闭第一磁场梯度并开启第二磁场梯度，同时将第三磁场梯度保持在“开启”状态。当第二磁场梯度已经斜升并且处于稳定的“开启”状态并且第一磁场梯度已经斜降并且处于“关闭”状态时，第二时间窗口可以开始测量第二磁场梯度。在一些实施例中，可以进行多次测量(例如，25次或更多次)，从中可以获得平均值或中值。在测量第二磁场梯度之后(例如，在第二时间窗口中)，控制器可以关闭第二磁场梯度，同时将第三磁场梯度保持在“开启”状态。当第二磁场梯度已经斜降并且处于“关闭”状态时，第三时间窗口可以开始测量第三磁场梯度。在一些实施例中，可以进行多次测量(例如，25次或更多次)，从中可以获得平均值或中值。
斜升和斜降以及测量第一磁场梯度和第二磁场梯度的顺序可以颠倒。也就是说，最初，第二磁场梯度和第三磁场梯度可以斜升以测量第二磁场梯度(例如，在第二时间窗口中)，同时第一磁场梯度关闭。然后，第二磁场梯度可以在第一磁场梯度斜升的同时(例如，同时)斜降(同时保持第三磁场梯度)。接下来，可以在第二磁场梯度关闭(并且第三磁场梯度开启)的同时测量第一磁场梯度(例如，在第一时间窗口中)。最后，第一磁场梯度斜降，然后可以测量第三磁场梯度(例如，在第三时间窗口中)。
在替代的实施例中，第三磁场梯度仅被开启以测量第三磁场梯度。在该实施例中，在测量第一磁场梯度和第二磁场梯度的同时，第三磁场梯度不处于开启状态。
在一些实施例中，三维磁传感器响应于从接收器发送的一个或多个控制信号进行磁场测量。
在步骤940中，三维磁传感器将磁场测量发送到可摄取磁传感器中的控制器，该控制器生成对磁场测量(例如，第一磁场梯度、第二磁场梯度和第三磁场梯度的测量)和测量发生的时间进行编码的磁传感器输出信号。在步骤950中，从电耦合到微处理器的天线广播磁传感器输出信号。天线设置在可摄取磁传感器中。
控制器可以立即生成磁传感器输出信号，使得磁场测量被实时或基本上实时地广播。替代地，控制器可以临时存储一个或多个磁场测量，并且可以生成一个或多个磁传感器输出信号以供稍后由天线广播。
在步骤950中，磁性传感器输出信号由外部接收器无线地接收。外部接收器可以从磁传感器输出信号提取磁场测量数据(例如，三维磁场测量和时间戳)，并将磁场测量数据存储在接收器可访问的存储器中。在一些实施例中，外部接收器可以使用磁场测量数据确定可摄取磁传感器相对于三维磁场发生器的相对三维位置。例如，可以使用在一些实施例中可以内插的已知磁场和位置(例如使用装置50产生)的查找表来确定三维位置。在另一个实施例中，可以使用三维磁场对相对位置的模型来确定三维位置。在另一个实施例中，可以基于现有的磁场测量数据和已知位置使用机器学习或人工智能来确定三维位置。
图10是根据实施例的用于产生磁场梯度的装置1000的框图。设备1000包括控制器1000、第一电磁线圈组1010、第二电磁线圈组1020和第三电磁线圈组1030。第一电磁线圈组1010被配置为产生相对于第一轴(例如，笛卡尔坐标系中的X轴)的第一磁场梯度。第二电磁线圈组1020被配置为相对于与第一轴正交的第二轴(例如，笛卡尔坐标系中的Y轴)产生第二磁场梯度。第三电磁线圈组1030被配置为相对于与第一轴和第二轴正交的第三轴(例如，笛卡尔坐标系中的Z轴)产生第三磁场梯度。
电磁线圈组1010、1020、1030可以堆叠在一起和/或沿着第三轴垂直排列(例如，相对于下面的表面垂直排列)。电磁线圈组1010、1020、1030优选地相对于第一轴和第二轴、相对于彼此居中(例如，同心地居中)和/或对准。另外，电磁线圈组1010、1020、1030各自具有上平面表面和下平面表面(例如，正交于Z轴)，这允许它们堆叠并集成或嵌入平坦装置中，诸如板、壁、椅子的靠背、适形的可穿戴带或其他位置，以最小化患者的不适。
控制器1000电耦合到第一电磁线圈组1010、第二电磁线圈组1020和第三电磁线圈组1030。控制器1000被配置为选择性地向第一电磁线圈组1010、第二电磁线圈组1020和/或第三电磁线圈组1030提供电力。选择性地为电磁线圈组1010、1020和/或1030提供电力可以相对于每个轴顺序地产生总磁场梯度，其中每个总磁场梯度的至少一部分和/或大部分沿着相应的轴具有单调变化的幅度。例如，可以选择性地为电磁线圈组1010、1020和/或1030提供电力，使得相对于第一轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。在另一示例中，可以选择性地为电磁线圈组1010、1020和/或1030提供电力，使得相对于第二轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。在又一示例中，可以选择性地为电磁线圈组1010、1020和/或1030提供电力，使得相对于第三轴的总磁场梯度的至少一部分具有单调变化的幅度。可以通过在产生每个定位磁场梯度的同时测量总磁场来确定磁性传感器设备相对于电磁线圈组1010、1020和/或1030的相对位置。总磁场梯度相对于给定轴的部分可以被称为视场(FOV)。
图11A-图11C是用于对设备位置进行编码的总磁场梯度的简化视图。三个示例磁传感器设备D1、D2和D3位于FOV中。为了沿着x轴(例如，第一轴)定位设备D1、D2和D3，相对于X轴生成具有单调变化幅度的磁场Bx，如图11A所示。单调变化的幅度在沿着x轴的总磁场的绝对值中具有梯度。梯度确保FOV内没有沿X轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式1描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场Bx的幅度：
||BX1||<||BX2||<||BX3|| (1)
在每个设备的X位置处的总磁场BX可以关于来自在对应的X位置处的每个正交磁场的X磁场贡献来描述，如等式2中所描述。相对于X轴的梯度磁场梯度可以根据等式3来描述。
Figure BDA0003642109190000221
Figure BDA0003642109190000222
类似地，为了沿着Y轴(例如，第二轴)定位设备D1、D2和D3，具有单调变化的幅度的磁场BY是如图11B所示，相对于Y轴生成的。单调变化的幅度具有沿Y轴的总磁场的绝对值中的梯度。梯度确保FOV内没有沿Y轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式4描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场BY的幅度：
||BY2||<||BY3||<||BY1|| (4)
在每个设备的Y位置处的总磁场BY可以相对于来自在对应的Y位置处的每个正交磁场的Y磁场贡献来描述，如等式5所述。可以根据等式6描述相对于Y轴的磁场梯度。
Figure BDA0003642109190000223
Figure BDA0003642109190000224
同样地，为了沿着Z轴(例如，第三轴)定位设备D1、D2和D3，相对于z轴生成具有单调变化幅度的磁场BZ，如图11C所示。单调变化的幅度具有在沿着z轴的总磁场的绝对值中的梯度。梯度确保FOV内没有沿Z轴的两个点具有相同的绝对总磁场值。例如，可以根据等式7描述由设备D1、D2和D3测量的总磁场BZ的幅度：
||BZ1||<||BZ2||<||BZ3|| (7)
在每个设备的Z位置处的总磁场BZ可以关于来自在对应的Z位置处的每个正交磁场的Z磁场贡献来描述，如等式8中所述。可以根据等式9描述相对于Y轴的磁场梯度。
Figure BDA0003642109190000225
Figure BDA0003642109190000226
使用沿着三个正交轴的这些磁场测量，可以明确地解码每个设备D1、D2和D3的完整3D位置。由于梯度表现在沿着任何轴的总磁场值和绝对磁场值中，因此该定位技术不受由相对于任何特定坐标的设备未对准和取向不匹配引起的潜在不准确性的影响。随着设备取向改变，等式2、5及8中的单独场分量可改变，但总体幅度保持相同。
为了沿着三个轴产生磁场中所需的空间梯度，电磁线圈(例如，电磁线圈组1010、1020和/或1030)可以被设计成具有一个或多个以下设计目标：(i)高梯度强度G以实现高分辨率；(ii)平面或基本上平面的线圈，其可以靠近患者放置，例如在患者的床下方或在患者的床中；(iii)增强的FOV，以允许足够的空间用于医疗程序导航、观察和/或对准；(iv)高电流效率，以最大限度地使用由梯度线圈汲取的电流；和/或(v)低线圈长度以具有较小的电感(用于快速切换)和较小的电阻(用于较低的加热)。梯度线圈效率为η定义为由线圈产生的磁场梯度(G)与汲取的电流(I)的比率。线圈的几何设计和静态磁场模拟可以在静磁软件(例如可从欧洲同步加速器辐射设施获得的Radia)中进行。FOV可以是15cm×15cm×10cm(X×Y×Z)，但是可以提供其他FOV。
由系统获得的空间定位分辨率(Δx)由等式10给出：
Δx＝ΔBeff/G (10)
其中，ΔBeff是磁传感器在执行磁场测量时可以实现的有效分辨率。它由传感和处理单元的噪声影响，最具有影响的是量化噪声。G是施加的磁场梯度，其由电磁体中的电流及其几何结构决定。存在两个会导致G偏离所需的理想值的主要噪声源：(a)由电源电流变化引起的偏移，用δGS表示；(b)梯度表征期间引起的插值误差，用δGi表示。为了在G＝30mT/m时获得Δx<100μm，需要ΔBeff<3μT。为了使G始终保持在30mT/m，δGS+δGi的目标是<1％。在其他实施例中，可以提供较低的分辨率(例如，Δx<500μm)。
图12是根据实施例的第一电磁线圈组1010的示意性俯视图。第一电磁线圈组1010包括彼此相邻或紧邻设置的顺时针螺旋绕组1012和逆时针螺旋绕组1014。螺旋绕组1012、1014可以是彼此的镜像。每个螺旋绕组1012、1014具有平行于第一轴(例如，X轴)的对称轴1212、1214。对称轴1212、1214在螺旋绕组1012、1014中对准，以产生相对于第一轴的均匀或基本均匀的磁场梯度(例如，第一磁场梯度)。螺旋绕组1012、1014沿着第二轴(例如，Y轴)伸长，以便形成椭圆形、跑道(例如，体育场形状)、矩形、圆角矩形或其它伸长形状。螺旋绕组1012、1014可以沿着第二Y轴具有约15cm的伸长的长度，这可以在Y FOV上保持X梯度基本上均匀。第一电磁线圈组1010的宽度是1016沿着或平行于第一轴(例如，X轴)测量的。第一电磁线圈组1010的宽度1016。
螺旋绕组1012、1014由相应的导线1222、1224(例如，第一和第二导线)形成。可替代地，可以将多于一根导线连接在一起以形成螺旋绕组。螺旋绕组1012、1014具有由相应导线1222、1224的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。导线1222、1224可以是相同的，并且因此具有相同的厚度。因此，螺旋绕组1222、1224具有平行于X-Y平面1200的顶部平面的表面和底部平面的表面(或基本上平面的表面(例如，至少95％平面))。螺旋绕组1222、1224的顶部平面的表面和底部平面的表面由导线1222、1224的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组1222、1224相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于导线1222、1224的厚度。导线1222、1224可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第一磁场梯度。
导线1222、1224可以被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其它电流。例如，导线1222、1224可以是铜线，诸如利兹50/32AWG导线，其表示捆绑在一起的50股32AWG导线。导线1222、1224具有绝缘覆盖物以防止它们之间的电短路。
图13是根据实施例的第二电磁线圈组1020的示意性俯视图。第二电磁线圈组1020包括彼此相邻或紧邻设置的顺时针螺旋绕组1022和逆时针螺旋绕组1024。螺旋绕组1022、1024可以是彼此的镜像。每个螺旋绕组1022、1024具有平行于第二轴(例如，Y轴)的对称轴1312、1314。对称轴1312、1314在螺旋绕组1022、1024中对准，以产生相对于第二轴的均匀或基本均匀的磁场梯度(例如，第二磁场梯度)。除了第二电磁线圈组1020与第一电磁线圈组1010相比旋转90度之外，第二电磁线圈组1020与第一电磁线圈组1010相同。在其他实施例中，与第一电磁线圈组1010相比，第二电磁线圈组1020可以具有其他配置差异。
螺旋绕组1022、1024由相应的导线1322、1324(例如，第三和第四导线)形成。可替代地，可以将多于一根导线连接在一起以形成螺旋绕组。螺旋绕组1022、1024具有由相应导线1322、1324的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。线1322、1324可以是相同的，因此具有相同的厚度。因此，螺旋绕组1022、1024具有平行于X-Y平面1300的顶部平面的表面和底部平面的表面(或基本上平面的的表面(例如，至少95％平面))。螺旋绕组1022、1024的顶部平面的表面和底部平面的表面由导线1322、1324的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组1022、1024相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于导线1322、1324的厚度。导线1322、1324可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第二磁场梯度。第二电磁线圈组1020的长度1026是沿着或平行于第二轴(例如，Y轴)测量的。
导线1322、1324可以被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其它电流。例如，导线1322、1324可以是利兹50/32AWG导线。导线1322、1324可以与相应的导线1222、1224相同或不同。
图14是根据实施例的第三电磁线圈组1030的示意性透视图。第三电磁线圈组130包括螺旋绕组1032，螺旋绕组1032包括以环、盘或戒指1034(通常为环)的形状缠绕的一根或多根导线1412。在一个实施例中，两根或更多根线612彼此相邻地缠绕以形成环1034。(一个或多个)导线1412沿逆时针方向缠绕，但是在其他实施例中，(一个或多个)导线1412可以沿顺时针方向缠绕。
环134具有内径1440和外径1450，其中内径1450限定了不包括(一个或多个)导线1412的中空区域或内腔1442。可以选择外径1450与内径1440的比率以允许(一个或多个)导线1412的适当数量的绕组或匝数，以产生第三磁场梯度。在具体实施例中，外径1450可以是约28cm，并且内径1440可以是约10cm。(一个或多个)导线1412可以具有绝缘覆盖物以防止它们之间的电短路。
螺旋绕组1032具有平行于第三轴(例如，Z轴)的对称轴1432。螺旋绕组1032具有由(一个或多个)导线1412的厚度限定的厚度(例如，轮廓)。因此，螺旋绕组1032具有平行于X-Y平面1400的顶部平面的表面和底部平面的表面(或基本上平面的表面(例如，至少95％平面))。螺旋绕组1032的顶部平面的表面和底部平面的表面由(一个或多个)导线1412的相应顶部表面和底部表面限定。螺旋绕组1032相对于第三轴(例如，Z轴)的厚度等于(一个或多个)导线1412的厚度。(一个或多个)导线1412可以具有适当数量的绕组或匝数以产生第三磁场梯度。
(一个或多个)导线1412可以被配置为接收约10A至约50A范围内的DC电流，包括约20A、约30A和约40A，或其它电流。例如，(一个或多个)导线1412可以是利兹50/32AWG导线。导线1412可以与导线1222、1224、1322和/或1324相同或不同。
图15是图示由第一和第三电磁线圈组1010、1030同时产生的总磁场梯度1510(||BX||)的范例的曲线图1500。曲线图1500示出了针对各种X值处的、以±2.5cm的间隔从0到±10cm的不同Y值的、同时保持Z＝7.5cm的总磁场1510(例如，第一定位磁场梯度)。由于当Y坐标变化时Z线圈的磁场沿着X轴的非均匀性质，总磁场梯度强度从Y＝0处的37mT/m单调减小到Y＝±10cm处的24mT/m。在第一和第三电磁线圈组1010、1030中使用30A的DC电流以产生总磁场1510。当在30A的DC功率下同时操作时，第一电磁线圈组1010和第三电磁线圈组1300具有约20cm的单调X FOV 1520，其中总磁场1510的幅度单调地变化(增加)。
因此，20cm X FOV 1520与第一磁性线圈组1010的宽度1016(当产生总磁场梯度1510时为30cm)的比率为约2：3，尽管在其它实施例中该比率可以在1：2至约3：4的范围内(例如，小于等于和/或大于等于2：3)。
图16是示出由第二电磁线圈组1020和第三电磁线圈组1030同时产生的总磁场梯度1610的示例的曲线图1600。曲线图1600示出了针对各种Y值处的、以±2.5cm的间隔从0到±10的不同X值的、同时保持Z的＝7.5cm的总磁场梯度1610(例如，第二定位磁场梯度)。由于当X坐标变化时Z线圈的磁场沿Y轴的非均匀性质，总梯度强度从X＝0处的37mT/m单调减小到X＝±10cm处的24mT/m，类似于曲线图1500。在第二电磁线圈组1020和第三电磁线圈组1030中使用30A的DC电流以产生总磁场1610。当在30A的DC功率下同时操作时，第二和第三电磁线圈组1020、1030具有约20cm的单调Y FOV 1620，其中总磁场1610的幅度单调地变化(增加)。
因此，20cm y FOV 1620与第二磁性线圈组110的长度126(当产生总磁场梯度1610时为30cm)的比率为约2：3，尽管在其它实施例中该比率可以在1：2至约3：4的范围内(例如，小于等于和/或大于等于2：3)。
图17是示出由第三电磁线圈组1030产生的单调变化的总磁场1710(||BZ||)的示例的曲线图1700。每个总磁场1710(例如，第三定位磁场)图是相对于相应X位置作为Z位置的函数测量的。使用0cm的相对Y位置测量每个总磁场1710图。此外，在从Z＝1cm到Z＝11cm的10cm上测量每个总磁场1710，其中Z距离是距第三电磁线圈组1030的顶表面的高度。
通常，总磁场1710的幅度单调地并且随着距第三电磁线圈组1030的高度(Z位置)的增加而减小。此外，总磁场1710在大多数高度(Z)上是线性的。人们相信，内腔1442增强了总磁场1710的线性度，其在不存在内腔1442的情况下更具指数性。第三电磁线圈组1030具有约10cm的单调Z FOV 1720，其中总磁场1710的幅度单调地变化(减小)。
因此，10cm Z FOV 1720与第三磁性线圈组1030的外径1450(当产生总磁场梯度1710时为30cm)的比率为约1：3，尽管在其它实施例中该比率可以在1：4至约2：5的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于1：3)。另外，10cm Z FOV 1720与第三磁性线圈组1030的内径1440(当产生总磁场梯度1710时为10cm)的比率为约1:1，但是在其他实施例中该比率可以在约4：5至约6：5的范围内(例如，小于或等于和/或大于或等于1：1)。
梯度强度G在X＝0cm处为46mT/m，在X＝±5cm处达到67mT/m的最大值，并且在X＝±10cm处降至48mT/m，从而确保在沿X轴的20cm长度上G>30mT/m。在第三电磁线圈组1030中使用12.5A的DC电流以产生曲线图1700，这导致4.3mT/m/A的平均磁梯度效率η。
由于螺旋绕组1032相对于X轴和Y轴是对称的，所以当在0cm的相对X位置、在±2.5cm、±5cm、±7.5cm和±10cm的相对Y位置以及从Z＝1cm到Z＝11cm(即，其中X和Y在曲线图1700中切换)处测量时，总磁场是相同的。
本发明不应被认为限于上述特定实施例。对于本发明所属领域的技术人员来说，在阅读本公开内容后，本发明可适用的各种修改、等效过程以及许多结构将是显而易见的。上述实施例可以以多种方式实现。涉及过程或方法的执行的一个或多个方面和实施例可以利用可由设备(例如，计算机、处理器或其他设备)执行的程序指令来执行或控制过程或方法的执行。
在这方面，各种发明构思可以体现为编码有一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质(或多个非暂时性计算机可读存储介质)(例如，任何合适类型的计算机存储器，包括暂时性或非暂时性数字存储单元、现场可编程门阵列或其他半导体设备中的电路配置、或其他有形计算机存储介质)，所述一个或多个程序当在一个或多个计算机或其他处理器上执行时，执行实现上述各种实施例中的一个或多个的方法。当以软件(例如，作为app)实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机之间。
此外，应当理解，计算机可以体现为多种形式中的任何一种，作为非限制性示例，诸如机架安装式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。另外，计算机可以嵌入在通常不被认为是计算机但具有合适的处理能力的电子设备，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他合适的便携式或固定电子设备。
此外，计算机可以具有一个或多个通信设备，其可以用于将计算机互连到一个或多个其他设备和/或系统，例如，任何合适形式的一个或多个网络，包括局域网或广域网，例如企业网、智能网(IN)或因特网。这样的网络可以基于任何合适的技术，并且可以根据任何合适的协议操作，并且可以包括无线网络或有线网络。
此外，计算机可以具有一个或多个输入设备和/或一个或多个输出设备。这些设备尤其可以用于呈现用户界面。可用于提供用户界面的输出设备的示例包括用于输出的视觉呈现的打印机或显示屏以及用于输出的听觉呈现的扬声器或其他声音生成设备。可以用于用户界面的输入设备的示例包括键盘和定点设备，诸如鼠标、触摸板和数字化平板电脑。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他可听格式接收输入信息。
一个或多个非暂时性计算机可读介质可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其他处理器上，以实现上述各个方面中的一个或多个。在一些实施例中，计算机可读介质可以是非暂时性介质。
术语"程序"、"应用程序"和"软件"在本文中在一般意义上用于指代任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。这可以用于对计算机或其他处理器进行编程以实现如上所述的各个方面。另外，应当理解，根据一个方面，当被执行时执行本申请的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器之间以实现本申请的各个方面。
计算机可执行指令可以是许多形式，例如由一个或多个计算机或其它设备执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分布程序模块的功能性。
此外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以被示出为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这样的关系同样可以通过为具有在计算机可读介质中传达字段之间的关系的位置的字段分配存储来实现。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其他机制。
因此，本公开和权利要求包括对现有方法和技术的新的和新颖的改进，这些方法和技术以前不是已知的，也没有被时限为实现了上述有用的结果。本方法和系统的用户将从由于本文描述的特定修改导致系统中的效果及其对用户的输出而现在成为可能的功能获得切实的好处。预期在实施要求保护的发明时可以使用本文所述的技术组件实现显着改进的操作。
此外，如所描述的，一些方面可以体现为一种或多种方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施例，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中示出为顺序动作。

Claims (23)

1.一种用于体内监测哺乳动物的目标内部体积的方法，包括：
将所述目标内部体积放置在三维磁场发生器附近；
使用所述三维磁场发生器顺序地产生：
沿着第一轴的第一定位磁场梯度，所述第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第一轴的单调变化的磁场幅度，所述第一定位磁场梯度在第一时间产生；
沿着与所述第一轴正交的第二轴的第二定位磁场梯度，所述第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第二轴的单调变化的磁场幅度，所述第二定位磁场梯度在不同于所述第一时间的第二时间产生；以及
沿着与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三定位磁场梯度，所述第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第三轴的单调变化的磁场幅度，所述第三定位磁场梯度在不同于所述第一时间和所述第二时间的第三时间产生；
用设置在可摄取胶囊中的三维磁传感器测量在所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间处的总磁场幅度，所述可摄取胶囊设置在所述目标内部体积中；
用与所述三维磁传感器电通信的控制器，生成对分别对应于所述第一磁场梯度、所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的第一总磁场幅度测量、第二总磁场幅度测量和第三总磁场幅度测量进行编码的磁传感器输出信号；
从设置在所述可摄取胶囊中的天线广播所述磁传感器输出信号，所述天线电耦合到所述控制器；以及
用接收器接收所述磁传感器输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括摄取所述可摄取胶囊。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括同时：
用第一平面电磁线圈组产生沿着所述第一轴的第一磁场梯度，以及
用第三平面电磁线圈组产生沿着所述第三轴的第三磁场梯度，
其中，所述第一定位磁场梯度包括所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的第一总磁场。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在同时仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，用所述三维磁传感器测量所述第一总磁场的第一总磁场幅度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括在测量所述第一磁场梯度之后，同时：
关闭所述第一磁场梯度；
用第二平面电磁线圈组开启沿着所述第二轴的第二磁场梯度；以及
同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第二定位磁场梯度包括所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的第二总磁场。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：在同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，用所述三维磁传感器测量所述第二总磁场的第二总磁场幅度。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在测量所述第二磁场梯度之后：
在继续产生所述第三磁场梯度的同时关闭所述第二磁场梯度，其中，所述第三定位磁场梯度包括所述第三磁场梯度的第三总磁场；以及
在仅开启所述第三磁场梯度的同时测量所述第三总磁场的第三总磁场幅度。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述接收器向控制器发送控制信号，所述控制信号使得所述三维磁传感器顺序地测量在所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间处的所述总磁场幅度。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述第一总磁场幅度测量、所述第二总磁场幅度测量和所述第三总磁场幅度测量来确定所述可摄取胶囊的三维空间位置，所述空间位置是相对于所述三维磁场发生器确定的。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括使用查找表来确定所述空间位置，所述查找表包括在相对于所述三维磁场发生器的已知位置处进行的多个参考总磁场测量。
11.一种用于体内监测哺乳动物的内部体积的系统，包括：
三维磁场发生器，所述三维磁场发生器被配置为顺序地产生：
沿着第一轴的第一定位磁场梯度，所述第一定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第一轴的单调变化的磁场幅度，
沿着与所述第一轴正交的第二轴的第二定位磁场梯度，所述第二定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第二轴的单调变化的磁场幅度，以及
沿着与所述第一轴和所述第二轴正交的第三轴的第三定位磁场梯度，所述第三定位磁场梯度的至少一部分具有沿着所述第三轴的单调变化的磁场幅度；以及
可摄取磁传感器，包括：
三维磁传感器，所述三维磁传感器输出分别对应于所述第一定位磁场梯度、所述第二定位磁场梯度和所述第三定位磁场梯度的第一磁场、第二磁场和第三磁场的测量；
控制器，所述控制器电耦合到所述三维磁传感器，所述控制器生成对所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的所述测量进行编码的磁传感器输出信号；
电耦合到所述控制器的天线，所述天线广播所述磁传感器输出信号；
电源，所述电源电耦合到所述三维磁传感器和所述控制器；以及
可摄取胶囊，所述可摄取胶囊具有内腔，所述三维磁传感器、所述控制器、所述天线和所述电源设置在所述内腔中。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述三维磁场发生器包括：
第一平面磁场梯度线圈组，被配置为生成沿着所述第一轴的第一磁场梯度；
第二平面磁场梯度线圈组，被配置为生成沿着所述第二轴的第二磁场梯度；
第三平面磁场梯度线圈组，被配置为生成沿着所述第三轴的第三磁场梯度；以及
控制器，被配置为选择性地向所述第一电磁线圈组、所述第二电磁线圈组和/或所述第三电磁线圈组提供电力，以顺序地产生所述第一定位磁场梯度、所述第二定位磁场梯度和所述第三定位磁场梯度。
13.根据权利要求11所述的系统，还包括接收所述磁传感器输出信号的接收器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述接收器被配置为基于所述第一磁场、所述第二磁场和所述第三磁场的所述测量来确定所述可摄取磁传感器的三维空间位置，所述三维空间位置是相对于所述三维磁场发生器确定的。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述接收器被配置为在所述接收器上或耦合到所述接收器的用户界面上显示所述空间位置。
16.根据权利要求12所述的系统，其中：
所述控制器选择性地仅向所述第一磁场梯度线圈和所述第三磁场梯度线圈提供电力，以同时仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第一定位磁场梯度包括所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的总磁场，并且
在仅生成所述第一磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第一磁场。
17.根据权利要求16所述的系统，其中：
所述控制器选择性地仅向所述第二磁场梯度线圈和所述第三磁场梯度线圈提供电力，以同时仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度，其中，所述第二定位磁场梯度包括所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的总磁场，并且
在仅生成所述第二磁场梯度和所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第二磁场。
18.根据权利要求17所述的系统，其中：
所述控制器选择性地仅向所述第三磁场梯度线圈提供电力以仅生成所述第三磁场梯度，其中，所述第三定位磁场梯度包括所述第三磁场梯度的总磁场，并且
在仅生成所述第三磁场梯度的同时，所述三维磁传感器测量所述第三磁场。
19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述可摄取磁传感器还包括设置在所述控制器和所述天线之间的天线匹配电路。
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述三维磁场发生器设置在椅子的背部上或平台上。
21.根据权利要求11所述的系统，其中：
所述第一磁场梯度线圈组具有平行于所述第一轴的宽度，并且
(a)具有沿着所述第一轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第一定位磁场梯度的所述至少一部分与(b)所述第一平面电磁线圈组的所述宽度的比率在约1：2至约3：4的范围内。
22.根据权利要求21所述的系统，其中：
所述第二平面电磁线圈组具有平行于所述第二轴的长度，并且
(c)具有沿着所述第二轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第二定位磁场梯度的所述至少一部分与(d)所述第二平面电磁线圈组的所述长度的比率在约1：2至约3：4的范围内。
23.根据权利要求22所述的系统，其中：
所述第三平面电磁线圈组具有环的形状，所述环具有内径和外径，并且
(e)具有沿着所述第三轴的所述单调变化的磁场幅度的所述第三定位磁场梯度的所述至少一部分与(f)所述环的所述外径的比率在约1：4至约2：5的范围内。
CN202080079140.6A 2019-11-13 2020-11-13 使用磁场梯度体内监测哺乳动物的内部体积 Pending CN114787647A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962934763P 2019-11-13 2019-11-13
US201962934767P 2019-11-13 2019-11-13
US62/934,763 2019-11-13
US62/934,767 2019-11-13
PCT/US2020/060433 WO2021097222A1 (en) 2019-11-13 2020-11-13 In-vivo monitoring of an internal volume of a mammal using magnetic field gradients

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114787647A true CN114787647A (zh) 2022-07-22

Family

ID=75845383

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080079140.6A Pending CN114787647A (zh) 2019-11-13 2020-11-13 使用磁场梯度体内监测哺乳动物的内部体积
CN202080079141.0A Pending CN114829964A (zh) 2019-11-13 2020-11-13 用于微型设备定位的电磁场梯度线圈装置

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080079141.0A Pending CN114829964A (zh) 2019-11-13 2020-11-13 用于微型设备定位的电磁场梯度线圈装置

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11944423B2 (zh)
EP (2) EP4058819A4 (zh)
CN (2) CN114787647A (zh)
WO (2) WO2021097222A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220047180A1 (en) * 2020-08-13 2022-02-17 The Chinese University Of Hong Kong Apparatus and methods for monitoring concentrations of analytes in body fluid
US11938564B2 (en) * 2021-04-13 2024-03-26 Saudi Arabian Oil Company Systems and methods for generating plasma shields
WO2023064474A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 University Of Pittsburgh - Of The Commonwealth System Of Higher Education Systems and methods for controlling magnetic microdevices with machine learning
JP2023131647A (ja) * 2022-03-09 2023-09-22 株式会社リコー 磁気計測装置、磁気計測処理装置および磁気計測処理装置の制御方法
WO2024167779A1 (en) * 2023-02-06 2024-08-15 California Institute Of Technology Three-dimensional on-chip magnetic sensor for oscillating magnetic fields

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5558091A (en) * 1993-10-06 1996-09-24 Biosense, Inc. Magnetic determination of position and orientation
JPH10199724A (ja) * 1997-01-10 1998-07-31 Ge Yokogawa Medical Syst Ltd 勾配コイル、ｍｒｉ装置及び勾配コイルの製造方法
JP2008000324A (ja) * 2006-06-22 2008-01-10 Hitachi Medical Corp 核磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイル装置
US8082020B2 (en) * 2006-08-07 2011-12-20 Biosense Webster, Inc. Distortion-immune position tracking using redundant magnetic field measurements
US7912662B2 (en) * 2007-09-24 2011-03-22 General Electric Company System and method for improving the distortion tolerance of an electromagnetic tracking system
US8261751B2 (en) * 2008-07-08 2012-09-11 Olympus Medical Systems Corp. Guiding system, position controlling apparatus, and guiding method
CN103607946A (zh) 2011-01-20 2014-02-26 埃纳威医疗有限公司 估计物体的位置和取向的系统和方法
CN103732137B (zh) * 2011-08-09 2016-08-31 日立金属株式会社 线圈装置和磁共振成像装置
KR101410214B1 (ko) * 2012-11-23 2014-06-20 전남대학교산학협력단 캡슐형 내시경 구동 제어시스템 및 이를 포함하는 캡슐형 내시경 시스템
JP2014166306A (ja) * 2013-01-30 2014-09-11 Yamaha Corp カプセル型内視鏡用位置認識装置
US20160022123A1 (en) 2013-03-11 2016-01-28 Given Imaging Ltd. Maneuvering coils setup for maneuvering a swallowable in-vivo device
US9915641B2 (en) 2013-12-04 2018-03-13 California Institute Of Technology Sensing and actuation of biological function using addressable transmitters operated as magnetic spins
US10466277B1 (en) 2018-02-01 2019-11-05 John Brooks Scaled and precise power conductor and current monitoring
US11129518B2 (en) * 2018-05-05 2021-09-28 Ankon Medical Technologies (Shanghai) Co., Ltd. Portable system and method for position and orientation of remote objects
US11399848B2 (en) 2018-06-21 2022-08-02 California Institute Of Technology Surgical alignment by magnetic field gradient localization

Also Published As

Publication number Publication date
US11944423B2 (en) 2024-04-02
EP4058819A4 (en) 2024-01-10
EP4058819A1 (en) 2022-09-21
CN114829964A (zh) 2022-07-29
EP4058818A4 (en) 2023-12-27
WO2021097222A1 (en) 2021-05-20
WO2021097211A1 (en) 2021-05-20
US20210141034A1 (en) 2021-05-13
US11457835B2 (en) 2022-10-04
US20210137412A1 (en) 2021-05-13
EP4058818A1 (en) 2022-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11944423B2 (en) In-vivo monitoring of an internal volume of a mammal using magnetic field gradients
Khan et al. Miniaturized 3-D cross-type receiver for wirelessly powered capsule endoscopy
Sharma et al. Location-aware ingestible microdevices for wireless monitoring of gastrointestinal dynamics
US6374667B1 (en) Volumetric physiological measuring system and method
Na et al. Tracking optimal efficiency of magnetic resonance wireless power transfer system for biomedical capsule endoscopy
US9696279B2 (en) Detection system for detecting magnetic objects in the human organism
Eom et al. A wireless power transmission system for implantable devices in freely moving rodents
CN111953089B (zh) 一种基于互感扰动的无线充电系统接收线圈定位方法
JP2016539676A (ja) ３つの送信要素を有する飲み込み可能な錠剤センサーの位置を特定するシステム
Olivo et al. A study of multi-layer spiral inductors for remote powering of implantable sensors
EP2052682A1 (en) Volumetric physiological measuring system and method
Shi et al. In Vitro and In Vivo characterization of wireless and passive micro system enabling gastrointestinal pressure monitoring
CN104116481B (zh) 胶囊内窥镜跟踪系统下的可调式磁场发生装置
CN208598353U (zh) 无线胶囊内窥镜5自由度的定位系统
Sharma Low-Power and Miniaturized Medical Electronics for In-Vivo Localization and Tracking
Castro et al. Magnetic Localization of Wireless Ingestible Capsules Using a Belt-Shaped Array Transmitter. Electronics 2023, 12, 2217
Tomek et al. The precision of gastric motility and volume sensing by implanted magnetic sensors
EP3251586A1 (en) Implantable analgoue device and system comprising such device
US20240033533A1 (en) System for application of alternating magnetic fields to reduce infection
CN203303020U (zh) 用于胶囊内窥镜磁跟踪的可变增益式分时励磁装置
Ripka et al. Inductive distance sensor for biomedical applications
Swanepoel A 5D Magnetic Tracking System for Placement Verification of Umbilical Catheters and Endotracheal Tubes in Neonates

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination