ITPI20120071A1 - METHOD FOR THE LOCALIZATION OF MAGNETICALLY GUIDED DEVICES AND RELATIVE MAGNETIC DEVICE. - Google Patents
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Description
METODO PER LA LOCALIZZAZIONE DI DISPOSITIVI GUIDATI METHOD FOR LOCATING GUIDED DEVICES
MAGNETICAMENTE E RELATIVO DISPOSITIVO MAGNETICO. MAGNETICALLY AND ITS MAGNETIC DEVICE.
SETTORE TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione concerne un metodo per la localizzazione di dispositivi guidati mediante l’ applicazione di campi magnetici esterni al dispositivo stesso. The present invention relates to a method for locating guided devices by applying external magnetic fields to the device itself.
La presente invenzione concerne anche un dispositivo adatto ad essere guidato da sorgenti di campo magnetico esterne provvisto di almeno un magnete e di un sensore di inclinazione. The present invention also relates to a device suitable for being guided by external magnetic field sources provided with at least one magnet and an inclination sensor.
STATO DELL’ ARTE STATE OF THE ART
Dispositivi guidati magneticamente tramite l’ applicazione di campi magnetici esterni sono utilizzati principalmente per indagini endoscopiche e chirurgiche. In questo settore una piattaforma diagnostica à ̈ composta tipicamente da un braccio robotico che sorregge una sorgente di campo magnetico posizionata all’ esterno del corpo del paziente, e da un dispositivo endoluminale, in particolare una capsula, il quale, inghiottito dal paziente, si accoppia con il campo magnetico esterno che ne controlla l’ avanzamento. Devices magnetically guided by the application of external magnetic fields are mainly used for endoscopic and surgical investigations. In this sector, a diagnostic platform is typically composed of a robotic arm that supports a source of magnetic field positioned outside the patient's body, and of an endoluminal device, in particular a capsule, which, swallowed by the patient, it couples with the external magnetic field that controls its progress.
In queste piattaforme diagnostiche, risulta di fondamentale importanza conoscere, nel modo più preciso e tempestivo possibile, la localizzazione del dispositivo guidato magneticamente rispetto alla sorgente di campo magnetico, in modo da poter modificare il campo magnetico esterno in base alle esigenze di locomozione. In these diagnostic platforms, it is of fundamental importance to know, in the most precise and timely way possible, the location of the magnetically guided device with respect to the magnetic field source, in order to be able to modify the external magnetic field according to the needs of locomotion.
A questo scopo sono note ed utilizzate varie strategie di localizzazione che operano secondo principi differenti. For this purpose, various localization strategies are known and used which operate according to different principles.
Una prima strategia di localizzazione, descritta nella pubblicazione scientifica Fischer D, Schreiber R, Levi D and Eliakim R 2004 “ Capsule endoscopy: the localization system†Gastrointest Endosc Clin N Am 14 25-31 , si basa sull’ emissione da parte della capsula di segnali in radio frequenza i quali vengono misurati da antenne posizionate all’ esterno del corpo del paziente e triangolati. I principali limiti di questa strategia si riscontrano nel fatto che viene eseguita una localizzazione a due soli gradi di libertà e che à ̈ necessario prevedere un’ apparecchiatura addizionale (le antenne esterne) che deve essere correttamente riferita rispetto al resto del sistema. Inoltre, la difficoltà di riferire correttamente le antenne esterne provoca una scarsa accuratezza di localizzazione la quale à ̈ di circa 38 mm contro i 2-5 mm di accuratezza ottenibili con altre strategie. A first localization strategy, described in the scientific publication Fischer D, Schreiber R, Levi D and Eliakim R 2004 â € œ Capsule endoscopy: the localization systemâ € Gastrointest Endosc Clin N Am 14 25-31, is based on the of the capsule of radio frequency signals which are measured by antennas positioned outside the patient's body and triangulated. The main limitations of this strategy are found in the fact that a localization is performed with only two degrees of freedom and that it is necessary to provide an additional equipment (the external antennas) that must be correctly referred to the rest of the system. Furthermore, the difficulty of correctly referring the external antennas causes a poor localization accuracy which is about 38 mm against the 2-5 mm accuracy obtainable with other strategies.
Una differente strategia di localizzazione à ̈ descritta in EP 2347 699 A1. In questo caso la strategia si fonda su misure inerziali eseguite da sensori inerziali presenti nel dispositivo ed ha come presupposto la presenza di un accoppiamento permanente e stabile tra la sorgente di campo magnetico esterno ed il dispositivo guidato magneticamente. I sensori inerziali sono utilizzati per misurare le inclinazioni assunte dal dispositivo e per modificare conseguentemente la posizione della sorgente magnetica esterna quando vengono rilevate inclinazioni che non consentono più al dispositivo di rispondere correttamente ai comandi di spostamento impartiti da un’ interfaccia utente. A different localization strategy is described in EP 2347 699 A1. In this case, the strategy is based on inertial measurements performed by inertial sensors present in the device and assumes the presence of a permanent and stable coupling between the external magnetic field source and the magnetically guided device. The inertial sensors are used to measure the inclinations assumed by the device and to consequently modify the position of the external magnetic source when inclinations are detected that no longer allow the device to respond correctly to the movement commands given by a user interface.
Nel settore delle indagini endoscopiche e chirurgiche, in particolare del tratto gastro-intestinale, sono note anche strategie di localizzazione diverse, basate sulla misurazione di campi magnetici, le quali però possono essere utilizzate esclusivamente con dispositivi endoluminali di tipo passivo, vale a dire dispositivi non guidati magneticamente ma il cui avanzamento avviene per peristalsi. In the field of endoscopic and surgical investigations, in particular of the gastrointestinal tract, different localization strategies are also known, based on the measurement of magnetic fields, which, however, can only be used with passive endoluminal devices, i.e. devices that are not magnetically guided but whose advancement occurs by peristalsis.
Una strategia di quest’ ultimo tipo prevede la presenza di un sensore magnetico nel dispositivo che misura valori di campo magnetico per determinare la localizzazione del dispositivo stesso. Ad esempio, in [Guo 2009] si prevede la presenza di tre bobine accuratamente posizionate in un lettino diagnostico, attivate in sequenza per produrre campi magnetici di piccola intensità e sincronizzate con il rilevamento eseguito da un sensore magnetico triassiale presente nel dispositivo. La strategia sopra delineata consente una localizzazione molto accurata del dispositivo. Tuttavia, come già affermato, il suo utilizzo à ̈ limitato a dispositivi non guidati magneticamente in quanto, come risulta ovvio, la presenza di campi magnetici di elevata intensità , quali quelli necessari per la guida del dispositivo, impedirebbe il corretto funzionamento del sistema dei sensori a causa della saturazione dei sensori geo-magnetici utilizzati. A strategy of the latter type provides for the presence of a magnetic sensor in the device that measures magnetic field values to determine the location of the device itself. For example, in [Guo 2009] it is foreseen the presence of three coils accurately positioned in a diagnostic table, activated in sequence to produce magnetic fields of small intensity and synchronized with the detection performed by a triaxial magnetic sensor present in the device. The strategy outlined above allows for a very accurate location of the device. However, as already stated, its use is limited to devices that are not magnetically guided since, as is obvious, the presence of high intensity magnetic fields, such as those necessary for driving the device, would prevent the correct functioning of the sensor system. due to the saturation of the geo-magnetic sensors used.
In settori molto diversi, sono anche noti dispositivi, quali i sensori cosiddetti MARG, che comprendono sia sensori magnetici che sensori inerziali. Tuttavia il loro utilizzo à ̈ di tipo completamente diverso. Questi sensori, infatti, sono utilizzati in dispositivi per i quali deve essere definita la posizione e l’ orientamento rispetto al sistema di riferimento terrestre. A questo scopo à ̈ fondamentale che i sensori magnetici abbiano una elevata sensibilità e che siano tarati per rilevare il campo magnetico terrestre. Sensori magnetici utilizzati per questi scopi hanno quindi un fondo scala di circa 8 gauss. Inoltre, per dispositivi impieganti sensori di questo tipo, sorgenti magnetiche nelle vicinanze che generano campi magnetici che si sommano a quello terrestre costituiscono esclusivamente elementi di disturbo che, in funzione dell’ intensità del campo magnetico generato, possono impedire il funzionamento del dispositivo. In very different sectors, devices are also known, such as the so-called MARG sensors, which include both magnetic sensors and inertial sensors. However, their use is of a completely different kind. These sensors, in fact, are used in devices for which the position and orientation with respect to the terrestrial reference system must be defined. For this purpose it is essential that the magnetic sensors have a high sensitivity and that they are calibrated to detect the Earth's magnetic field. Magnetic sensors used for these purposes therefore have a full scale of about 8 gauss. Furthermore, for devices employing sensors of this type, magnetic sources in the vicinity that generate magnetic fields that are added to the terrestrial one constitute only disturbing elements which, depending on the intensity of the magnetic field generated, can prevent the device from functioning.
SINTESI DELL’ INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
Uno scopo della presente invenzione à ̈ allora quello di proporre un metodo per la localizzazione di un dispositivo guidato tramite campi magnetici applicati esternamente al dispositivo stesso. An object of the present invention is therefore to propose a method for locating a device guided by magnetic fields applied externally to the device itself.
Ulteriore e particolare scopo della presente invenzione à ̈ proporre un metodo per la localizzazione di dispositivi endoluminali, quali capsule endoscopiche, che consenta la guida del dispositivo tramite campi magnetici applicati esternamente. A further and particular object of the present invention is to propose a method for the localization of endoluminal devices, such as endoscopic capsules, which allows the device to be guided by means of externally applied magnetic fields.
Un altro scopo della presente invenzione à ̈ proporre un metodo di localizzazione di dispositivi guidati magneticamente che sia attuabile senza la necessità di prevedere hardware aggiuntivo nei macchinari esterni di generazione dei campi magnetici utilizzati per la guida del dispositivo. Another object of the present invention is to propose a method for locating magnetically guided devices which can be implemented without the need to provide additional hardware in the external machinery for generating the magnetic fields used to drive the device.
Un altro scopo della presente invenzione à ̈ proporre un dispositivo adatto ad essere guidato tramite l’ applicazione di campi magnetici esterni. Another object of the present invention is to propose a device suitable for being guided by the application of external magnetic fields.
Secondo un aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti ed altri ancora sono raggiunti per mezzo di un dispositivo secondo quanto espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente 1. According to an aspect of the present invention, the aforementioned and other purposes are achieved by means of a device according to what is expressed and characterized in independent claim 1.
Le rivendicazioni dipendenti dalla rivendicazione 1 espongono altre caratteristiche della presente invenzione o varianti dell’ idea di soluzione principale. The claims dependent on claim 1 disclose other characteristics of the present invention or variants of the main solution idea.
Un dispositivo noto, adatto ad essere guidato da sorgenti di campo magnetico esterne comprende un magnete, preferibilmente un magnete permanente, un sensore di inclinazione per rilevare l’ inclinazione del dispositivo rispetto alla direzione della gravità , un’ unità elettronica per misurare valori rilevati da detto sensore e per trasmettere dati all’ esterno, una sorgente di energia per alimentare i suddetti sensori, unità ed unità elettroniche. A known device, suitable to be guided by external magnetic field sources comprises a magnet, preferably a permanent magnet, an inclination sensor to detect the inclination of the device with respect to the direction of gravity, an electronic unit to measure detected values from said sensor and to transmit data to the outside, an energy source to power the aforementioned sensors, units and electronic units.
Secondo un aspetto caratteristico della presente invenzione il dispositivo comprende anche un sensore magnetico triassiale montato in posizione fissa rispetto al suddetto magnete ed almeno angolarmente fissa rispetto al suddetto sensore di inclinazione. According to a characteristic aspect of the present invention, the device also comprises a triaxial magnetic sensor mounted in a fixed position with respect to the aforesaid magnet and at least angularly fixed with respect to the aforesaid inclination sensor.
Un dispositivo come sopra delineato permette di applicare un metodo di localizzazione molto accurato e che consente di non aggiungere hardware al macchinario esterno di generazione del campo magnetico tramite il quale viene guidato il dispositivo. A device as outlined above allows to apply a very accurate localization method and which allows not to add hardware to the external machinery for generating the magnetic field through which the device is driven.
Vantaggiosamente il sensore magnetico à ̈ un sensore ad effetto hall triassiale avente un fondo scala uguale o superiore a 0,1 tesla, o comunque di almeno due ordini di grandezza superiore rispetto a quello dei sensori geo-magnetici. Advantageously, the magnetic sensor is a triaxial hall effect sensor having a full scale equal to or greater than 0.1 tesla, or in any case at least two orders of magnitude higher than that of geo-magnetic sensors.
Ancora vantaggiosamente il sensore di inclinazione à ̈ un sensore inerziale triassiale. Again advantageously, the inclination sensor is a triaxial inertial sensor.
Secondo una forma realizzativa della presente invenzione il dispositivo suddetto à ̈ una capsula endoscopica. According to an embodiment of the present invention, the above device is an endoscopic capsule.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti ed altri ancora sono raggiunti per mezzo di un metodo di localizzazione secondo quanto espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente 6. According to another aspect of the present invention, the aforementioned and other purposes are achieved by means of a localization method according to what is expressed and characterized in independent claim 6.
Le rivendicazioni dipendenti dalla rivendicazione 6 espongono altre caratteristiche del metodo della presente invenzione, quali specifiche forme di applicazione, o varianti dell’ idea di soluzione principale. The claims dependent on claim 6 disclose other characteristics of the method of the present invention, such as specific forms of application, or variants of the main solution idea.
Secondo la presente invenzione un metodo per la localizzazione di un dispositivo come precedentemente delineato, guidato tramite un campo magnetico generato da una sorgente esterna al dispositivo prevede: According to the present invention, a method for locating a device as previously outlined, guided by a magnetic field generated by a source external to the device provides:
- la rilevazione simultanea di valori da parte del citato sensore magnetico triassiale e del citato sensore di inclinazione; - the simultaneous detection of values by the aforementioned triaxial magnetic sensor and the aforementioned inclination sensor;
- l’ utilizzo dei suddetti valori per calcolare valori misurati del modulo del vettore di campo magnetico applicato al dispositivo e del modulo e verso del vettore di campo magnetico applicato al dispositivo nella direzione definita dall’ accelerazione di gravità . - the use of the aforesaid values to calculate measured values of the module of the magnetic field vector applied to the device and of the module and direction of the magnetic field vector applied to the device in the direction defined by the acceleration of gravity.
Le due suddette informazioni sul campo magnetico ottenibili simultaneamente grazie alla presenza nel dispositivo di un inclinometro e di un sensore magnetico triassiale possono essere utilizzate in molteplici modi per ottenere la localizzazione del dispositivo rispetto alla sorgente di campo magnetico. The two aforementioned information on the magnetic field obtainable simultaneously thanks to the presence in the device of an inclinometer and a triaxial magnetic sensor can be used in multiple ways to obtain the location of the device with respect to the magnetic field source.
Vantaggiosamente, ad esempio, i valori misurati del modulo del campo magnetico applicato al dispositivo e del modulo e verso del vettore di campo magnetico applicato al dispositivo nella direzione definita dall’ accelerazione di gravità g vengono confrontati con modelli noti del campo magnetico generato dalla sorgente esterna per determinare la posizione del dispositivo magnetico. Advantageously, for example, the measured values of the module of the magnetic field applied to the device and of the module and direction of the magnetic field vector applied to the device in the direction defined by the acceleration of gravity g are compared with known models of the magnetic field generated by the source to determine the position of the magnetic device.
Ancora vantaggiosamente, secondo una specifica modalità di applicazione del metodo dell’ invenzione i suddetti modelli noti del campo magnetico sono mappe pre-calcolate tramite modelli matematici analitici e la distanza 3D del dispositivo dalla sorgente esterna viene calcolata cercando il valore minimo di una funzione di errore applicata a tali mappe di campo magnetico pre-calcolate. Still advantageously, according to a specific method of application of the method of the invention, the aforementioned known models of the magnetic field are pre-calculated maps using analytical mathematical models and the 3D distance of the device from the external source is calculated by looking for the minimum value of a error applied to such pre-calculated magnetic field maps.
Grazie alla conoscenza della distanza 3D tra il dispositivo e la sorgente di campo magnetico à ̈ possibile la gestione delle forze applicate (ed il loro calcolo mediante un modello di calcolo di forze di accoppiamento magnetico) al dispositivo guidato magneticamente, mantenendo stabile la connessione magnetica. Thanks to the knowledge of the 3D distance between the device and the magnetic field source, it is possible to manage the forces applied (and their calculation through a calculation model of magnetic coupling forces) to the magnetically guided device, keeping the magnetic connection stable.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Queste ed altre caratteristiche dell’ invenzione risulteranno più facilmente comprensibili dalla seguente descrizione di forme realizzative preferite della stessa, fornite come esempi non limitativi, con riferimento alle figure allegate nelle quali: These and other characteristics of the invention will be easier to understand from the following description of preferred embodiments thereof, provided as non-limiting examples, with reference to the attached figures in which:
- la figura 1 mostra una schematica vista prospettica di un dispositivo secondo la presente invenzione, in particolare una capsula endoscopica; Figure 1 shows a schematic perspective view of a device according to the present invention, in particular an endoscopic capsule;
- la figura 2 mostra un diagramma a blocchi che illustra le modalità di attuazione di un metodo secondo la presente invenzione; figure 2 shows a block diagram which illustrates the implementation modalities of a method according to the present invention;
- le figure da 3 a 5 illustrano una specifica forma realizzativa del metodo dell’ invenzione, attuabile per calcolare la distanza tra una sorgente di campo magnetico esterna ed un dispositivo secondo l’ invenzione. - Figures 3 to 5 illustrate a specific embodiment of the method of the invention, which can be used to calculate the distance between an external magnetic field source and a device according to the invention.
DESCRIZIONE DELLE FORME REALIZZATIVE PREFERITE DESCRIPTION OF THE PREFERRED MANUFACTURING FORMS
Con riferimento alla figura 1 un dispositivo adatto ad essere guidato da sorgenti di campo magnetico esterne può essere, ad esempio, una capsula endoscopica, 10, del tipo idoneo ad essere ingerito da un paziente allorché devono essere eseguite su di esso indagini endoscopiche. With reference to Figure 1, a device suitable for being guided by external magnetic field sources can be, for example, an endoscopic capsule, 10, of the type suitable for being ingested by a patient when endoscopic investigations must be performed on it.
Il dispositivo comprende un involucro di piccole dimensioni, 11, in forma di capsula, una cui porzione di estremità , 12, à ̈ realizzata in materiale trasparente per permettere il corretto funzionamento di un dispositivo di acquisizione video, 13, alloggiato all’ interno della capsula. Nella capsula sono anche alloggiati un sensore inerziale triassiale utilizzato come inclinometro, 14, un magnetometro triassiale, 15, magneti, 16, una scheda elettronica integrata, 18, ed una batteria in qualità di sorgente di energia, 19, per alimentare il dispositivo di acquisizione video 12 i sensori 14 e 15 e la scheda elettronica 18. La scheda elettronica integrata 18 comprende almeno un microprocessore in grado di misurare i valori rilevati dai sensori 14 e 15, mezzi di memoria, e mezzi di trasmissione dati, ad esempio via radio. The device comprises a small-sized casing, 11, in the form of a capsule, one end portion of which, 12, is made of transparent material to allow the correct operation of a video capture device, 13, housed inside the capsule. The capsule also houses a triaxial inertial sensor used as an inclinometer, 14, a triaxial magnetometer, 15, magnets, 16, an integrated electronic board, 18, and a battery as an energy source, 19, to power the acquisition device. video 12 the sensors 14 and 15 and the electronic board 18. The integrated electronic board 18 comprises at least one microprocessor capable of measuring the values detected by the sensors 14 and 15, memory means, and data transmission means, for example via radio.
Il magnetometro triassiale 15 à ̈ costituito da tre magnetometri monoassiali ad effetto hall vincolati e riferiti tra loro in modo da eseguire le misurazioni secondo tre direzioni distinte in grado di determinare un riferimento tridimensionale. Vantaggiosamente i tre magnetometri ad effetto hall monoassiali sono vincolati tra loro in modo da misurare il campo magnetico in tre direzioni ortogonali tra loro. Ovviamente potrebbe anche essere utilizzato un singolo magnetometro ad effetto hall triassiale o anche altri magnetometri triassiali che sfruttano proprietà fisiche diverse dall’ effetto hall. Inoltre, il magnetometro triassiale 15 ha un fondo scala di circa 2 tesla in quanto deve essere in grado di misurare il campo magnetico dovuto alla sorgente di campo magnetico esterna che, nel caso di capsule endoscopiche, per le finalità di guida magnetica deve essere di questo ordine di grandezza. In particolare, non possono essere utilizzati sensori geo-magnetici i quali hanno fondo scala di circa 8 gauss. In generale, un dispositivo magnetico 10 secondo la presente invenzione comprende un sensore magnetico triassiale 15 che ha un fondo scala di almeno due ordini di grandezza superiore rispetto ad un normale sensore geo-magnetico. The triaxial magnetometer 15 consists of three uniaxial hall effect magnetometers constrained and referred to each other in order to perform the measurements according to three distinct directions capable of determining a three-dimensional reference. Advantageously, the three monoaxial hall effect magnetometers are constrained to each other so as to measure the magnetic field in three directions orthogonal to each other. Obviously, a single triaxial hall effect magnetometer or other triaxial magnetometers that exploit physical properties other than the hall effect could also be used. Furthermore, the triaxial magnetometer 15 has a full scale of about 2 tesla as it must be able to measure the magnetic field due to the external magnetic field source which, in the case of endoscopic capsules, for the purposes of magnetic guide must be of this order of magnitude. In particular, geo-magnetic sensors which have a full scale of about 8 gauss cannot be used. In general, a magnetic device 10 according to the present invention comprises a triaxial magnetic sensor 15 which has a full scale of at least two orders of magnitude higher than a normal geomagnetic sensor.
Il magnete 16 à ̈ preferibilmente un magnete permanente o una pluralità di magneti permanenti solidali tra loro. The magnet 16 is preferably a permanent magnet or a plurality of permanent magnets integral with each other.
Il magnetometro triassiale 15 à ̈ vincolato in posizione fissa rispetto ai magneti 16 e rispetto all’ inclinometro 14. The triaxial magnetometer 15 is constrained in a fixed position with respect to the magnets 16 and with respect to the inclinometer 14.
Grazie alla presenza dei magneti 16 il dispositivo 10 può essere soggetto a forze di interazione magnetica esplicate su di esso da una sorgente di campo magnetico esterna. Nel caso di capsule endoscopiche le suddette forze di interazione magnetica vengono modulate per guidare la capsula 10 nel corpo del paziente, ad esempio nel tratto gastrointestinale. La capsula viene utilizzata a fini diagnostici in quanto durante l’ avanzamento vengono acquisite immagini dei tratti corporei attraversati da parte del dispositivo di acquisizione video 13 e trasmesse all’ esterno. Thanks to the presence of the magnets 16, the device 10 can be subjected to magnetic interaction forces exerted on it by an external magnetic field source. In the case of endoscopic capsules the aforementioned magnetic interaction forces are modulated to guide the capsule 10 in the patient's body, for example in the gastrointestinal tract. The capsule is used for diagnostic purposes as, during the advancement, images of the body sections crossed by the video acquisition device 13 are acquired and transmitted externally.
Un dispositivo secondo la presente invenzione, idoneo ad essere guidato dall’ interazione magnetica che si genera tra i magneti 16 ed una sorgente di campo magnetico esterna può essere utilizzato anche per finalità molto diverse da quelle sopra descritte. In differenti forme realizzative, ad esempio, il dispositivo potrebbe non essere provvisto del dispositivo di acquisizione video 13 ed al suo posto potrebbero essere presenti componenti diversi, quali altri tipi di dispositivo ottici, sensori della concentrazione di specifici gas, o altro. A device according to the present invention, suitable for being guided by the magnetic interaction generated between the magnets 16 and an external magnetic field source, can also be used for purposes very different from those described above. In different embodiments, for example, the device may not be provided with the video acquisition device 13 and in its place there may be different components, such as other types of optical devices, sensors for the concentration of specific gases, or other.
Con riferimento alle figure da 2 a 5, la localizzazione di un dispositivo 10 come sopra descritto viene eseguita in modo estremamente vantaggioso mediante il metodo della presente invenzione. With reference to Figures 2 to 5, the localization of a device 10 as described above is performed in an extremely advantageous way by means of the method of the present invention.
In figura 2 à ̈ mostrata una capsula endoscopica 10 in interazione magnetica con una sorgente di campo magnetico esterna 20. La sorgente di campo magnetico esterna à ̈ costituita da un magnete esterno 21 montato su un unità robotizzata, 22, che alimenta il magnete esterno 21 ed à ̈ in grado di muoverlo secondo un determinato numero di gradi di libertà . L’ unità robotizzata 22 à ̈ provvista di un’ unità di controllo che determina i movimenti del magnete esterno 21 e l’ intensità del campo magnetico da esso generato per modulare le forze di interazione magnetica in base alle esigenze di locomozione. Affinché il controllo della sorgente di campo magnetico esterna 20 possa avvenire in modo ottimale à ̈ importante conoscere in tempo reale, con elevata frequenza di campionamento e nel modo più accurato possibile la posizione del dispositivo magnetico 10. Figure 2 shows an endoscopic capsule 10 in magnetic interaction with an external magnetic field source 20. The external magnetic field source consists of an external magnet 21 mounted on a robotic unit, 22, which powers the external magnet 21 and is able to move it according to a certain number of degrees of freedom. The robotic unit 22 is equipped with a control unit that determines the movements of the external magnet 21 and the intensity of the magnetic field generated by it to modulate the magnetic interaction forces according to the needs of locomotion. In order for the control of the external magnetic field source 20 to take place in an optimal way, it is important to know in real time, with a high sampling frequency and as accurately as possible, the position of the magnetic device 10.
Secondo il metodo della presente invenzione questo à ̈ ottenuto grazie alla contemporanea presenza nel dispositivo magnetico 10 del sensore magnetico triassiale 15 e dell’ inclinometro 14, senza che sia necessario prevedere nessun componente hardware aggiuntivo oltre a quello necessario per la guida magnetica del dispositivo magnetico 10. According to the method of the present invention this is achieved thanks to the simultaneous presence in the magnetic device 10 of the triaxial magnetic sensor 15 and of the inclinometer 14, without requiring any additional hardware component other than that necessary for the magnetic guide of the magnetic device. 10.
Secondo il metodo della presente invenzione viene eseguita una rilevazione simultanea di valori da parte del sensore magnetico triassiale 15 e da parte del sensore di inclinazione 14. According to the method of the present invention, a simultaneous reading of values is performed by the triaxial magnetic sensor 15 and by the inclination sensor 14.
Nel caso che il sensore magnetico sia un magnetometro ad effetto hall da tre valori in tensione vengono calcolati tre valori del campo magnetico, 101. A questi valori calcolati vengono sottratti, 102, i contributi al campo magnetico dovuti ai magneti 16 solidali al dispositivo magnetico 10. Poiché i magneti 16 generano un campo magnetico di intensità costante e sono vincolati in posizione fissa e nota rispetto al magnetometro trassiale 15 risulta agevole depurare i valori calcolati del contributo fisso, 103, dovuto ai magneti 16, ottenendo così le componenti del campo magnetico, 104, dovute alla sorgente di campo magnetico esterna 20. Dalle componenti 104 à ̈ quindi immediato calcolare il modulo IBI , 105, del vettore campo magnetico applicato al dispositivo magnetico 10. If the magnetic sensor is a hall effect magnetometer with three voltage values, three values of the magnetic field, 101 are calculated. From these calculated values, 102, the contributions to the magnetic field due to the magnets 16 integral with the magnetic device 10 are subtracted. Since the magnets 16 generate a magnetic field of constant intensity and are constrained in a fixed and known position with respect to the traxial magnetometer 15, it is easy to purify the calculated values of the fixed contribution, 103, due to the magnets 16, thus obtaining the components of the field magnetic field, 104, due to the external magnetic field source 20. From the components 104 it is therefore immediate to calculate the module IBI, 105, of the magnetic field vector applied to the magnetic device 10.
I valori simultaneamente acquisiti dal sensore inerziale triassiale 14 danno le componenti dell’ accelerazione di gravità g, 106, dai quali possono essere calcolati i coseni direttori, 107, dell’ accelerazione di gravità g stessa. Quindi, mettendo insieme le informazioni relative ai valori delle componenti del campo magnetico, 104 , ed i coseni direttori dell’ accelerazione di gravità g, 107 viene calcolato il verso e l’ intensità del campo magnetico Bg applicato al dispositivo magnetico 10 nella direzione dell’ accelerazione di gravità g, 108. The values acquired simultaneously by the triaxial inertial sensor 14 give the components of the gravity acceleration g, 106, from which the director cosines, 107, of the gravity acceleration g itself can be calculated. Then, by putting together the information relating to the values of the components of the magnetic field, 104, and the directing cosines of the acceleration of gravity g, 107, the direction and intensity of the magnetic field Bg applied to the magnetic device 10 in the direction of the acceleration of gravity g, 108.
Le due informazioni simultanee sul campo magnetico applicato al dispositivo magnetico 10 possono essere sfruttate in vari modi, in particolare per calcolare la posizione del dispositivo magnetico 10 stesso. The two simultaneous information on the magnetic field applied to the magnetic device 10 can be exploited in various ways, in particular to calculate the position of the magnetic device 10 itself.
Ad esempio, i suddetti valori possono essere forniti come input a sistemi di reti neurali, oppure i valori misurati del modulo del campo magnetico IBI applicato al dispositivo magnetico 10 e del verso e intensità del campo magnetico Bg applicato al dispositivo magnetico 10 nella direzione dell’ accelerazione di gravità g possono essere confrontati con modelli noti del campo magnetico generato dalla sorgente di campo magnetico esterna 20. In questo secondo caso i suddetti modelli del campo magnetico generato dalla sorgente di campo magnetico esterna 20 possono essere ottenuti con varie tecniche. Ad esempio possono essere modelli matematici analitici o numerici, modelli ottenuti tramite calcolo ad elementi finiti, modelli ricostruiti in base a misure sperimentali, e altri ancora. For example, the aforementioned values can be provided as input to neural network systems, or the measured values of the magnetic field module IBI applied to the magnetic device 10 and of the direction and intensity of the magnetic field Bg applied to the magnetic device 10 in the direction of the The acceleration of gravity g can be compared with known models of the magnetic field generated by the external magnetic field source 20. In this second case the aforementioned models of the magnetic field generated by the external magnetic field source 20 can be obtained with various techniques. For example, they can be analytical or numerical mathematical models, models obtained through finite element calculations, models reconstructed on the basis of experimental measurements, and others.
Nel seguito viene descritta con riferimento alle figure da 3 a 5 una specifica forma realizzativa del metodo delle presente invenzione in cui i valori misurati IBI e Bg vengono confrontati con mappe precalcolate del campo magnetico generato della sorgente esterna 20 per calcolare la distanza 3D tra la sorgente di campo magnetico esterna 20 e il dispositivo magnetico 10. In the following, with reference to Figures 3 to 5, a specific embodiment of the method of the present invention is described in which the measured values IBI and Bg are compared with pre-calculated maps of the magnetic field generated by the external source 20 to calculate the 3D distance between the source of external magnetic field 20 and the magnetic device 10.
In fig. 3a à ̈ mostrata in un riferimento cartesiano tridimensionale una prima superficie, 31, ottenuta per mezzo di una nuvola di punti in cui il modulo del campo magnetico calcolato assume il valore del modulo del campo magnetico misurato. Analogamente in fig. 3b à ̈ mostrata nello stesso riferimento cartesiano tridimensionale una seconda superficie, 32, ottenuta per mezzo di una nuvola di punti in cui l’ intensità calcolata del campo magnetico nella direzione dell’ accelerazione di gravità assume il valore misurato. In fig. 3c sono mostrate le due superficie sovrapposte ed in fig.3d ne à ̈ evidenziata l’ intersezione, 33, nel dominio di interesse che rappresenta i punti in cui può trovarsi il dispositivo magnetico 10 rispetto al magnete esterno 21. Dato il tipo di magnete 21 utilizzato l’ intersezione 33 delle suddette superfici 31 e 32 à ̈ una circonferenza che si trova in un piano perpendicolare all’ asse di magnetizzazione del magnete esterno 21 e centrata sull’ asse stesso. In fig. 3a a first surface, 31, obtained by means of a cloud of points in which the module of the calculated magnetic field assumes the value of the module of the magnetic field measured, is shown in a three-dimensional Cartesian reference. Similarly in fig. 3b in the same three-dimensional Cartesian reference is shown a second surface, 32, obtained by means of a cloud of points in which the calculated intensity of the magnetic field in the direction of the acceleration of gravity assumes the measured value. In fig. 3c shows the two superimposed surfaces and in fig.3d the intersection, 33, is highlighted in the domain of interest which represents the points where the magnetic device 10 can be with respect to the external magnet 21. Given the type of magnet 21 used the intersection 33 of the aforementioned surfaces 31 and 32 is a circumference which is located in a plane perpendicular to the magnetization axis of the external magnet 21 and centered on the same axis.
Vantaggiosamente la suddetta circonferenza può essere calcolata ricercando il minimo di una semplice funzione di errore (err) che confronta, nel dominio di interesse, i valori misurati del campo magnetico, Bmeasurede Bg-measured, con i valori calcolati dello stesso, Bmodele Bg-model: Advantageously, the aforementioned circumference can be calculated by searching for the minimum of a simple error function (err) which compares, in the domain of interest, the measured values of the magnetic field, Bmeasurede Bg-measured, with the calculated values of the same, Bmodele Bg-model :
err ï€1⁄2 (B 2 err ï € 1⁄2 (B 2
modelï€Bmeasured) 2(Bgï€modelï€ Bgï€measured ) modelï € Bmeasured) 2ï € «(Bgï € modelï € Bgï € measured)
in cui il minimo della suddetta funzione d’ errore corrisponde a punti che si trovano sulla suddetta circonferenza. In figura 4 à ̈ mostrato l’ andamento della suddetta funzione d’ errore nel piano xy ed à ̈ evidenziato come i valori minimi della funzione stessa si trovino in corrispondenza di punti della circonferenza intersezione 33. in which the minimum of the aforesaid error function corresponds to points that are on the aforesaid circumference. Figure 4 shows the trend of the aforementioned error function in the xy plane and it is shown how the minimum values of the function are found in correspondence with points of the intersection circumference 33.
Con riferimento alla figura 5, se il magnete esterno à ̈ opportunamente orientato con il proprio asse di magnetizzazione x diretto secondo la direzione dell’ accelerazione di gravità g si ha che la distanza della circonferenza 33 dall’ origine del riferimento cartesiano rappresenta la componente x, vale a dire verticale, della distanza tra il magnete esterno 21 ed il dispositivo magnetico 10, mentre il raggio della circonferenza 33 rappresenta la componente y della distanza tra il magnete esterno 21 ed il dispositivo magnetico 10. Note le due componenti risulta immediato calcolare la distanza 3D tra i due magneti. With reference to Figure 5, if the external magnet is suitably oriented with its axis of magnetization x directed according to the direction of gravity acceleration g, the distance of the circumference 33 from the origin of the Cartesian reference represents the component x, i.e. vertical, of the distance between the external magnet 21 and the magnetic device 10, while the radius of the circumference 33 represents the y component of the distance between the external magnet 21 and the magnetic device 10. Note the two components, it is immediate to calculate the 3D distance between the two magnets.
Ovviamente, quello sopra descritto à ̈ soltanto un esempio di come a partire dalle due simultanee informazioni sul campo magnetico, modulo e intensità nella direzione dell’ accelerazione di gravità g, à ̈ possibile localizzare il dispositivo magnetico 10, e risulterà facilmente comprensibile ad un esperto del settore che le suddette informazioni possono essere utilizzate nei molteplici altri modi sopra accennati, o in altri modi ancora, per localizzare il dispositivo magnetico 10, o anche per altri scopi. Obviously, the one described above is only an example of how starting from the two simultaneous information on the magnetic field, module and intensity in the direction of gravity acceleration g, it is possible to locate the magnetic device 10, and it will be easily understood by a skilled in the art that the aforesaid information can be used in the many other ways mentioned above, or in still other ways, to locate the magnetic device 10, or even for other purposes.
I vantaggi del dispositivo magnetico 10 e del metodo di localizzazione sopra descritto sono evidenti. Infatti, à ̈ possibile ricavare informazioni in tempo reale sulla posizione del dispositivo magnetico 10 che permettono di modulare il campo magnetico esterno in modo da ottenere una connessione magnetica stabile tale da sostenere il dispositivo e generare movimento. Allo stesso tempo, nel caso che il dispositivo magnetico 10 sia un dispositivo endoscopico possono essere agevolmente soddisfatti requisiti di sicurezza per evitare danni ai tessuti che potrebbero essere causati nel caso di forze di interazione magnetica troppo elevate. Inoltre, il dispositivo magnetico 10 può essere accoppiato ad ogni tipo di sorgente magnetica esterna 20 senza dover aggiungere alla sorgente esterna 20 stessa hardware destinato alla localizzazione. The advantages of the magnetic device 10 and of the location method described above are evident. In fact, it is possible to obtain information in real time on the position of the magnetic device 10 which allows the external magnetic field to be modulated so as to obtain a stable magnetic connection such as to support the device and generate movement. At the same time, in the case that the magnetic device 10 is an endoscopic device, safety requirements can be easily met in order to avoid tissue damage that could be caused in the case of too high magnetic interaction forces. Furthermore, the magnetic device 10 can be coupled to any type of external magnetic source 20 without having to add to the external source 20 the same hardware intended for localization.
Ovviamente, i vantaggi suddetti rimangono inalterati anche in presenza di ulteriori varianti o modifiche sia al dispositivo magnetico che al metodo dell’ invenzione, pur sempre rimanendo all’ interno dell’ ambito di protezione definito dalle rivendicazioni seguenti. Obviously, the aforesaid advantages remain unchanged even in the presence of further variations or modifications both to the magnetic device and to the method of the invention, while always remaining within the scope of protection defined by the following claims.
Claims (9)
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