CN101803901A - 用于生物体腔检查的图像读取***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生物体腔检查的图像读取***及方法。该***包括图像读取设备和图像采集与存储设备，所述图像采集与存储设备用于在生物体腔内采集进行图像数据的采集与存储，所述图像读取设备用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；所述图像读取设备内安装有能量发射装置，所述图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，所述能量发射装置包括发射线圈，所述能量接收装置包括接收线圈，所述发射线圈或接收线圈包括分别布置于三维空间的三个坐标平面的线圈，其中，所述接收线圈接收所述发射线圈所发射出的磁力线，从而驱动所述图像采集与存储设备工作。本发明的***可操作性和可靠性强，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及生物体腔检查领域，尤其涉及一种用于生物体腔检查的图像读取***及方法。
背景技术
内视镜检查技术是目前消化道疾病最有效的检查手段，原有的常规内视镜检查技术由于都带有引导插管，不仅给***操作带来很多不便，也给患者带来了很大的不适和痛苦，同时由于采用的是有线传输，也导致常规内视镜检查的部位受到局限，无法实现对小肠部位的检查等。随着微电子技术、MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微电子机械***)技术的发展，出现了口服内视镜***，解决了小肠盲区的内视镜检查问题，但现有的临床口服内视镜产品仅采用了1个或者2个摄像设备，其前进动力主要靠消化道的蠕动，一般采用2帧/秒的图像采集帧率，因此在对消化道腔体，特别是在胃和大肠等大腔体内进行拍照时，腔体部位遗漏拍摄图像的现象会比较严重；另外，***需要患者在进行消化道检查时佩带无线接收设备，导致患者的日常活动受到一定的限制，而且由于体外接收设备还需要有多根天线在检查前放置在患者的指定部位，这需要专业人员进行操作，还给患者带来了不适，同时多天线的存在也导致了***的不稳定性增加，而且采用的无线数据传输技术的口服内视镜还存在接收灵敏度问题，影响接收到的图像的质量。
针对上述不足，申请号为200910080350.2的中国发明专利申请中提出了一种用于生物体腔内的全视角图像采集和存储***。但是，在该发明专利申请并没有明确给出或考虑一种与图像采集与存储设备的放置姿态无关的图像数据读取方法。在该发明专利申请中要求将图像采集与存储设备放置于图像读取设备中，随后图像读取设备中的发射电磁线圈会向图像采集与存储设备中的接收电磁线圈发射电磁波，并读取其中的图像数据。根据电磁学规律，在发射电磁波能量的线圈(以下简称发射电磁线圈)与接收电磁波的线圈(以下简称接收电磁线圈)间距离固定的情况下，当发射电磁线圈和接收电磁线圈相互垂直时，能量传递不能进行；当发射电磁线圈与接收电磁线圈平行时，能量传递效率最高。如果在图像采集与存储设备放入图像读取设备中后，图像采集与存储设备中的发射电磁线圈所在的平面与图像读取设备中的接收电磁线圈所在的平面之夹角接近九十度，则发射电磁线圈所形成的磁场几乎没有磁通量通过接收电磁线圈，从而无法有效地传递电能，进而使能量不能有效地传递。为使***正常工作，不得不在将图像采集与存储设备放入图像读取设备的过程中进行人工对准，这增加了人工操作的复杂性。同时，由于发射电磁线圈发出的电磁波会对外界电子设备产生干扰，因此这也降低了***的可靠性。
综上所述，现有的用于生物体腔检查的图像读取***可操作性及可靠性差、灵敏度低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种可提高***的可操作性、可靠性以及灵敏度的用于生物体腔检查的图像读取***及方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提出了一种用于生物体腔检查的图像取***，包括图像读取设备和图像采集与存储设备，所述图像采集与存储设备用于在生物体腔内采集进行图像数据的采集与存储，所述图像读取设备用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；
所述图像读取设备内安装有能量发射装置，所述图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，所述能量发射装置包括发射线圈，所述能量接收装置包括接收线圈，所述发射线圈或接收线圈包括分别布置于三维空间的三个坐标平面的线圈，其中，所述接收线圈接收所述发射线圈所发射出的磁力线，从而驱动所述图像采集与存储设备工作。
其中，所述能量发射装置还包括振荡器、功率放大器及第一匹配网络，所述振荡器发出电信号，功率放大器将该信号放大之后利用该信号驱动所述发射线圈发射出磁力线，其中，所述第一匹配网络使与其配套的发射线圈工作在谐振状态。
其中，所述能量接收装置还包括与所述接收线圈配套的第二匹配网络、整流器和稳压器，所述接收线圈接收到所述磁力线之后，所述整流器将该接收线圈感应出的交流电转换为直流电，然后通过所述稳压器对该直流电进行稳压，其中，所述第二匹配网络使与其配套的接收线圈工作在谐振状态。
其中，所述图像读取设备内还安装有一磁导体，所述磁导体包围所述发射线圈。
其中，所述发射线圈或接收线圈为环形或多边形。
其中，所述磁导体为环形或多边形。
本发明还提供了一种利用上述***进行生物体腔图像读取的方法，包括以下步骤：
利用所述图像采集与存储设备在生物体腔内采集图像数据并存储；
将所述图像采集与存储设备取出并放入所述图像读取设备中，利用所述图像读取设备对所述图像采集与存储设备进行供电，从而使所述图像读取设备读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：通过在图像读取设备内设置一个或多个正交的电磁线圈，并在图像采集与存储设备内设置多个正交的或一个电磁线圈，使得无论图像读取设备和图像采集与存储设备的相对位置如何，图像采集与存储设备都能够接收到来自于图像读取设备的电磁波，进而能够利用图形读取设备向图像采集与存储设备供电，从而提高了***的可操作性和灵敏度；通过在发射电磁线圈的***设置磁导体，减少了发射电磁线圈所发射出的电磁波对外界的干扰，提高了***的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的***的使用示意；
图2为本发明实施例的***中图像读取设备与图像采集与存储设备的信号交互原理框图；
图3为本发明实施例的***中的能量发射装置与能量接收装置的结构图；
图4为本发明实施例的***中五发射线圈与单接收线圈的空间结构图；
图5为本发明实施例的***中五发射线圈与单接收线圈结构的磁感应强度矢量空间分布俯视图；
图6为图5中的五发射线圈与单接收线圈结构使用磁导体的磁感应强度分布俯视图；
图7为图5中的五发射线圈与单接收线圈结构未使用磁导体的感应强度分布俯视图；
图8为图5中的五发射线圈与单接收线圈结构的安装示意图；
图9为本发明另一实施例的***中三发射线圈与单接收线圈的空间结构图；
图10为本发明又一实施例的***中单发射线圈与三接收线圈的空间结构图；
图11为本发明另一实施例的***中单发射线圈与六接收线圈的空间结构图；
图12为本发明又一实施例的***中双发射线圈与三接收线圈的空间结构图；
图13为本发明另一实施例的***中双发射线圈与六接收线圈的空间结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
体腔(尤指人体体腔)内检查用图像读取***主要由两个部分组成，分别是图像采集与存储装置，以及图像数据读取装置(还可以包括图像处理工作站)。该***的使用示意如图1所示(从图中也可看出利用该***进行图像采集与读取的方法)。首先生物体吞入图像采集与存储设备。在人体消化道内，图像采集与存储设备依靠其中的电池工作拍摄并存储图像。在其排出生物体后置入图像读取设备中。由于经过在体内的图像拍摄与存储，图像采集与存储设备中所携带的电池通常已耗尽。为了读取其中存储的体内的图像数据，***需要依靠图像读取设备为其供电，从而读取其中的图像数据。图像数据会被最终传送到图像处理工作站上，医师会通过图像处理工作站检查图像并给出专业的判断。
图像读取设备为图像采集与存储设备提供电能并读取其中图像数据的原理由图2说明。图中包括两个部分，分别是图像采集与存储装置和图像数据读取设备。当图像采集与存储设备被放置于图像读取设备中时，图像读取设备中的能量发射装置会向空间中辐射电磁波，而图像采集与存储设备中的能量接收装置会接收电磁波并转化为可用的电能供其中的工作电路使用。当图像读取设备向图像采集与存储设备发送读取数据的指令后，图像采集与存储设备会返回其中存储的图像数据到图像读取设备。
通过电磁波传递电能是无线能量传输的一种方式。根据电磁学定律，我们知道，只有当图像读取设备所发射的磁场有磁通量通过图像采集与存储设备中的接收线圈时才有可能在接收线圈中产生因磁通量变化而产生的感生电压，从而形成可供使用的电能。而发射线圈是否能够在接收线圈中产生磁通量是由两线圈在空间中的相对位置决定的。在发射功率固定，两线圈中心距离也保持一定的情况下，当两线圈所在平面平行时磁通量最大，所能传递到接收端的电能最大。当两线圈所在平面垂直是磁通量为零，不能传递能量到接收端。
针对背景技术中所提及的由于图像采集与存储设备和图像读取设备的相对空间姿态不确定的情况，并最终影响无线能量传输的问题，本发明提出一种用于图像采集与存储设备的无线能量传输***。该***用于从图像读取设备向图像采集与存储设备发射无线电磁波能量。本发明提出的***主要由两个部分组成，如图3所示，分别是能量发射装置和能量接收装置。能量发射装置位于图像读取设备中。能量接收装置位于图像采集与存储设备中。能量发射装置包含一个振荡器及功率放大器模块，该模块通过振荡器产生一个无线电频率的正弦波或者方波，之后功率放大器放大该信号，使之具有一定的驱动能力(根据所需供电的电流大小确定)。此外，能量发射装置包含一个或多个匹配网络电路与发射线圈。每个发射线圈均配有一个匹配网络，使与其配套的发射级线圈工作在谐振状态上。该匹配网络可利用电感电容串联或者并联谐振的理论来设计(即现有技术中通常的设计方法)。能够发射装置中的多个发射线圈存在空间正交关系，即发射线圈的轴线在空间中相互垂直。与能量发射装置相对应的是能量接收装置。能量接收装置含有多个接收线圈以及匹配网络。能量接收装置的匹配网络仍然意在保证每个接收线圈都工作在谐振状态下。在多个接收线圈之后的是整流及稳压模块。它可以将由接收线圈感应出的交流电转换为直流电并稳定在指定的电压(根据该直流电确定)上。能量接收装置同样采用了多个正交接收线圈的设计。
值得注意的是，本发明涉及的无线能量传输***所使用的多个正交能量发射线圈或正交能量接收线圈，即线圈轴线在空间中保持相互垂直。当能量发射装置使用单个发射线圈时，能量接收装置使用的接收线圈必须使用多个正交线圈，因为在空间使用相互垂直的接收线圈可以保证至少有一个接收线圈中有变化的磁通量。当能量发射装置使用多个正交发射线圈时，能量接收装置使用的接收线圈可以使用单个接收线圈，也可以多个正交接收线圈。当能量接收装置使用单个接收线圈时，能量发射装置必须使用多个正交线圈，因为在空间中使用相互垂直的发射线圈可以保证至少有一个发射线圈所激发的磁场在接收线圈中有变化的磁通量。多个发射线圈可快速分时工作。当能量接收装置使用多个正交接收线圈时，能量发射装置使用的发射线圈可以为单个发射线圈，也可以为多个正交发射线圈。
实施例1：
一种发射线圈和接收线圈的空间结构如图4所示。其中中央球体为图像采集与存储设备，中央球体中的圆环表示接收线圈。该接收线圈的直径等于或小于中央球体的直径。图中最外侧的大圆环是由磁导体材料制作而成的。在它的四个向内侧的方形凸起上分别缠绕了四个发射线圈(也可以为其它的连接方式，或者不相互连接，即，磁导体独立安装在图像读取设备中即可)。此外在中央球体下方存在一个单独的发射线圈。共计5个发射线圈和一个接收线圈。当***工作时，四个缠绕在磁导体上的正对的线圈两两一对，轮流工作。当其中一对发射线圈工作时，他们的电流方向相同，在空间中产生如图5所示的磁感应强度矢量分布。它可以描述为从一个凸起发射的磁力线会穿过中央球体进入另一个凸起，之后在磁导体外侧圆环内环绕至发射该磁力线的凸起处。当另外一对线圈工作时，会在中央球体的圆心处产生方向恰好垂直的磁感应强度矢量。第五个线圈，即位于中央球体底部的发射线圈单独工作，它也产生垂直与前两个磁感应强度矢量的矢量，故由该五个线圈组成的发射线圈可以在中央球体所在空间位置中产生三个正交方向的磁场。这种工作方法可以保证无论接收线圈的朝向如何，接收线圈中都必然存在磁通量，无线能量传输都可以进行。
其中，磁导体的利用使得磁力线更愿意穿过磁导体而不是空气介质，从而减少了缠绕在磁导体上的四个发射线圈所发射的电磁波对外界电子设备的干扰。图6为使用磁导体材料在外侧环绕链接四个线圈时的磁感应强度的空间分布，白色表示强度高，黑色表示强度低。图7为未使用磁导体材料时的磁感应强度的空间分布。对比图6与图7，可以发现当使用磁导体材料时，几乎所有的磁场均被约束在磁导体材料所包含的最大圆范围内，而未使用磁导体材料的磁场在空间中分布更为发散(这可能对其它电子设备造成干扰)。故本发明提出的使用磁导体材料的实施例可以从一定程度上减少对其它电子设备造成干扰。
图8为图4中所示五发射线圈、单接收线圈在图像读取设备中的安装后的剖面效果图。其中图像读取设备的外壳用于构成设备的骨架并保护其中的线圈与电路***。外壳顶部为一个直径略大于球囊内窥镜直径的凹陷。球囊内窥镜可以正好放入该凹陷中。当球囊正好处于该凹陷中时，设备便可以利用多正交发射线圈向球囊内窥镜发射能量。设备底部的空间可以用于安装工作电路和电源***。
使用本实施例中的装置，可以在将图像采集与存储设备放入图像读取设备的过程中无须人工对准他们的相对位置。只要图像采集与存储设备位于图像读取设备中，电能就可以有效可靠地从图像读取设备中的发射线圈传递到图像采集与存储设备中的接收线圈上，并驱动图像采集与存储设备将其中的图像数据传送到图像读取设备中。本实施例保证了电能传递的可靠性，并且降低了人工操作的复杂性，提高了便捷性。于此同时，由于在本实施例中使用的磁导体可以约束磁力线的轨迹，发射线圈所产生的电磁波对外界其它用电器的干扰被减小了。
实施例2：
在实施例1中已经描述的相同部分不再重复，只描述实施例2与实施例1的区别部分。实施例2与实施例1的唯一区别在于接收线圈的数量与空间结构不同。如图9所示，其中中央球体仍为图像采集与存储设备，中央球体中的圆环表示接收线圈。环绕中央球体的三个正交的环形表示发射线圈。该三个线圈的圆心位于同一点，而他们所在平面相互垂直。当***工作时，三个发射线圈轮流分时工作，从而确保无论接收线圈的姿态如何，至少总有一个发射线圈所产生的磁场会在接收线圈中形成磁通量，从而保证无论图像采集与存储装置如何都可以进行能量传输。
实施例3：
在实施例1中已经描述的相同部分不再重复，只描述实施例3与实施例1的区别部分。实施例3与实施例1的区别在于实施例1使用多正交发射单接收方案，而实施例3使用单发射多正交接收方案。图10中中央球体为图像采集与存储设备。中央球体中三个正交的圆环表示三个正交的接收线圈，他们具有相同的圆心。图中最外侧的大圆柱体表示一个环绕图像采集与存储设备的发射线圈。当***工作时，发射线圈在空间中激发电磁场。由于三个接收线圈相互垂直，故无论图像采集与存储设备姿态如何都至少存在一个接收线圈中有变化的磁通量，进而完成无线能量传输。
实施例4：
在实施例3中已经描述的相同部分不再重复，只描述实施例4与实施例3的区别部分，即接收线圈的数量与空间结构部分。实施例3使用三个接收线圈，而实施例4使用6个接收线圈。如图11所示，如果认为在中央球体内存在一个最大体积或者体积略小的正方体，那么六个接收线圈正好分别位于该正方体的六个面上。实施例3与实施例4具有相同的本质，因为在实施例4中的六个线圈并非两两都正交，而是分为两组，每组三个接收线圈，两组分别两两正交。
实施例5：
在实施例3中已经描述的相同部分不再重复，只描述实施例5与实施例3的区别部分，即发射线圈的数量和空间结构部分。考虑到利用磁导体对磁力线的约束作用，在实施例5中，如图12所示一个带有两个凸起的磁导体被在***中利用。两个发射线圈被分别绕制在磁导体的两个凸起上。当发射线圈上通有交流电流时，其所产生的磁场会从一个内测凸起出发，穿过位于中央的图像采集与存储设备，并从另一个凸起中进入磁导体，并最终通过外侧环绕磁导体中形成回路。磁导体的使用可以减小漏磁，从而减小发射线圈对外界其它电子设备的干扰。
实施例6：
在实施例4中已经描述的相同部分不再重复，只描述实施例6与实施例4的区别部分，即发射线圈的数量和空间结构部分。考虑到利用磁导体对磁力线的约束作用，在实施例6中，如图13所示，一个带有两个凸起的磁导体被在***中利用。两个发射线圈被分别绕制在磁导体的两个凸起上。当发射线圈上通有交流电流时，其所产生的磁场会从一个内测凸起出发，穿过位于中央的图像采集与存储设备，并从另一个凸起中进入磁导体，并最终通过外侧环绕磁导体中形成回路。磁导体的使用可以减小漏磁，从而减小发射线圈对外界其它电子设备的干扰。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，包括图像读取设备和图像采集与存储设备，所述图像采集与存储设备用于在生物体腔内采集进行图像数据的采集与存储，所述图像读取设备用于在生物体腔外读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据；
所述图像读取设备内安装有能量发射装置，所述图像采集与存储设备内安装有能量接收装置，所述能量发射装置包括发射线圈，所述能量接收装置包括接收线圈，所述发射线圈或接收线圈包括分别布置于三维空间的三个坐标平面的线圈，其中，所述接收线圈接收所述发射线圈所发射出的磁力线，从而驱动所述图像采集与存储设备工作。
2.如权利要求1所述的用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，所述能量发射装置还包括振荡器、功率放大器及第一匹配网络，所述振荡器发出电信号，功率放大器将该信号放大之后利用该信号驱动所述发射线圈发射出磁力线，其中，所述第一匹配网络使与其配套的发射线圈工作在谐振状态。
3.如权利要求2所述的用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，所述能量接收装置还包括与所述接收线圈配套的第二匹配网络、整流器和稳压器，所述接收线圈接收到所述磁力线之后，所述整流器将该接收线圈感应出的交流电转换为直流电，然后通过所述稳压器对该直流电进行稳压，其中，所述第二匹配网络使与其配套的接收线圈工作在谐振状态。
4.如权利要求1或2或3所述的用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，所述图像读取设备内还安装有一磁导体，所述磁导体包围所述发射线圈。
5.如权利要求4所述的用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，所述发射线圈或接收线圈为环形或多边形。
6.如权利要求4所述的用于生物体腔检查的图像读取***，其特征在于，所述磁导体为环形或多边形。
7.一种利用权利要求1～3，5～6之任一项所述的***进行生物体腔图像读取的方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用所述图像采集与存储设备在生物体腔内采集图像数据并存储；
将所述图像采集与存储设备取出并放入所述图像读取设备中，利用所述图像读取设备对所述图像采集与存储设备进行供电，从而使所述图像读取设备读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据。
8.一种利用权利要求4所述的***进行生物体腔图像读取的方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用所述图像采集与存储设备在生物体腔内采集图像数据并存储；
将所述图像采集与存储设备取出并放入所述图像读取设备中，利用所述图像读取设备对所述图像采集与存储设备进行供电，从而使所述图像读取设备读取所述该图像采集与存储设备中存储的图像数据。
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