CN1481754A - 用于动态定位和跟踪体内微型装置的***及定位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

用于动态定位和跟踪体内微型装置的***和定位跟踪方法，***包括：固定在体内微型装置上的永磁体；通过固定装置固定在体外的至少三个磁场传感器单元；与磁场传感器单元有线连接或通过射频方式无线连接的信号处理、模数转换以及计算单元以及显示微型装置在体内的三维运动轨迹的输出设备。方法是通过固定在体外的磁场传感器单元检测体内永磁铁体产生的磁场强度，检测到的信号经处理、转换后，由计算单元利用磁偶极子的物理模型和计算公式，计算体内永磁体的空间坐标；在时间上连续确定微型装置的位置，并由输出设备实时显示微型装置在体内的三维运动轨迹，从而实现动态定位和跟踪。本发明可实现长时间动态定位与动态跟踪，检测中病人可自由活动，操作简便，成本低。

Description

用于动态定位和跟踪体内微型装置的***及定位跟踪方法

技术领域

本发明涉及通过检测磁场来确定体内微型装置的位置，并动态跟踪微型装置在体内的运动轨迹的***和定位跟踪方法。本发明属于医疗器械辅助技术领域。

背景技术

对病人体内的微型装置进行准确定位在临床医学和医学研究上都有非常重要的意义。迄今为止，在病人体内微型装置的定位技术方面，一般都采用超声成像技术定位、核医学影像技术(例如CT、MR等)定位、荧光造影定位等技术。但是，这些技术都存在成本高、操作复杂、不适合长时间动态定位观察的缺点。

为有效克服这些弱点，又发明了各种采用磁场或电磁场来定位病人体内微型装置的技术和***。在美国的专利No.5,042,486、No.5,099,845、No.5,211,165、No.5,251,635、No.5,235,647、No.5,255,680、No.5,265,610和No.5,391,199中都揭示了根据发射电磁场来定位体内医学仪器(例如内窥镜、导尿管及导食管等)的技术和***。这些***一般都采用放置在体外固定参考系已知位置上的电磁场发射机(如电磁线圈)和安装在体内待定位的物体上的传感器(例如线圈或其他电磁场敏感传感器)。每台发射机在固定参考系发射随空间变化的场，每台发射机的空间变化模式互不相同，如发射机的特性完全一样但放置的位置或方向不同，由此使发射机的电磁场模式相对另一台发射机和相对固定的参考系位移或旋转。物体上的传感器检测物体所在位置的场参量，例如物体所在位置上场的大小和/或方向，或者物体所在位置上的场在一个或多个预选方向上单个分量的大小。发射机可以以预选的时序启动从而在任意时刻都只有一台发射机处于激活状态，因此物体所在位置上的场等于一台发射机形成的场加上地磁场或其他环境磁场引起的背景场。另外，发射机也可以受不同的频率驱动，从而使来自传感器的随不同频率而变的信号分量代表不同发射机对物体所在位置上场的贡献。根据检测到的单台发射机的场参量和已知的每台发射机场变化模式，计算机***在发射机的固定参考系计算出传感器的位置和方向，由此确定放置传感器的物体所在的位置。这种***的变例是物体携带一台或多台发射机，而把多个传感器放置在固定参考系中不同的位置或方向上。物体的位置和/或方向从代表各个传感器所在位置处场参量的信号中推导出来。在公开号为WO94/04938的国际申请中揭示了用于定位医用内窥镜的电磁定位***，这种***可以包括安装在内窥镜顶端的传感器，这样当传感器放入病人体内时可以确定出内窥镜顶端的位置和/或方向。这使得医生在监视内窥镜诊断过程中无需借助荧光检测或其他电离辐射技术来确定仪器的位置。为增加定位的动态范围，申请号为96194456.0的专利揭示了一种改进方案。该发明一方面提供了一种包括产生多个磁场的场发生装置的定位装置。其中，场发生装置被设计成所产生磁场的参量(例如场强和/或磁场方向)根据已知的变化模式在感测空间内随位置而变化，每个磁场的变化模式互不相同；同时装置还包括至少一个传感器，用于检测感测空间物体所在位置的场参量并提供代表相应场参量的传感器信号；装置还包括根据传感器信号和未知的场变模式计算传感器位置和方向的计算装置，以及用于改变至少一个场变化模式的反馈控制装置。其主要特征是通过反馈控制，在预选定的范围丙维持变化场的检测参量不变，从而增加检测的动态变化范围。

可是，这些***不管从体内发射电磁波还是体内放置传感器检测电磁场参量，都涉及体内能源供给问题：如果采用电池，不能同时做到电池体积小和供电时间长；如果采用射频供能，将增大体内装置的体积，且效率很低；如果用导线直接把外部电源引入体内，就只适合导管类医疗装置(如消化道导管、泌尿导管、动脉导管等)和有线内窥镜，限制了使用范围。

虽然现有的医学影像技术和上面介绍的电磁场技术可以在一定程度上解决病人体内微型装置的定位问题，但它们都要求病人处于麻醉状态或至少应保持某种姿势不变。这在临床手术或短时间检测过程中是可行的，但要长时间(如5小时以上)动态确定微型装置在体内的位置、并动态跟踪微型装置在体内的运动轨迹，已有的技术就无能为力；而这在微型装置用于人体腔道动态诊疗时是经常发生的，如通过消化道需要约5-8小时。这时，已有的发明和技术就不再能满足要求，需要有更适合的技术和***来实现对人体内微型装置实时定位和长时间动态跟踪。

发明内容

发明目的：本发明的一个主要目的是提供一种用于无线实时空间定位、并动态跟踪人体内微型装置的***，本发明的另一个目的是提供该***的定位跟踪方法。

技术方案：本发明提供一种用于无线实时空间定位、并动态跟踪人体内微型装置的***，包括：

固定在体内微型装置上的永磁体，用于产生空间磁场；

通过固定装置固定在体外的至少三个磁场传感器单元，用于检测传感器所在位置的永磁体产生的空间磁场强度；

与磁场传感器单元有线连接或通过射频方式无线连接的信号处理、模拟/数字转换以及计算单元以及显示微型装置在体内的三维运动轨迹的输出设备；模拟信号处理单元的主要功能是对磁传感器产生的电信号放大，并抑制噪声和干扰；模拟/数字转换单元把模拟电信号转换成数字信号，以便于数字计算处理；计算单元根据传感器检测的空间磁场强度，利用电磁场理论和空间几何理论计算永磁体的空间坐标，即人体内的微型装置的空间坐标；根据连续得到的人体内的微型装置的空间坐标，就可以绘制微型装置在人体内的动态运动轨迹。

本***的定位跟踪方法是：通过固定在体外的磁场传感器单元检测体内永磁铁体产生的空间磁场强度，磁场传感器单元检测到的信号经放大和噪声抑制处理，再经模数转换交给计算单元，计算单元利用磁偶极子的物理模型和计算公式，计算体内永磁体的空间位置坐标，由于永磁体固定在人体内的微型装置上，所以计算出永磁体的位置也就实现了对人体内的微型装置的空间定位；在时间上连续确定微型装置的位置，由输出设备显示其三维运动轨迹，从而实现动态定位和跟踪。

本发明的每个磁传感器单元由能检测三个互相正交方向磁场强度的三个磁传感器构成，磁传感器能产生和空间磁场强度相关的电信号，磁传感器可以是但不限于霍尔传感器、磁敏电阻传感器、磁通门传感器。

本发明还提供了一个和人体保持相对固定的体外磁场传感器固定装置，每个磁场传感器都有固定的参考坐标和方位，通过对体内永磁体的连续定位，就实现了对人体内的微型装置的动态跟踪。该装置是一个有特定空间几何形状的刚性支架或载体，框架的外轮廓可以是但不限于长方体、正方体、圆柱体，框架材料应为非铁磁性刚性材料，重量轻且便于加工；框架应能够固定在人体上，且在人的身体运动时能随人体一起运动；框架的轮廓范围应包含待定位的整个空间区域，以保证固定在框架上的磁场传感器应覆盖尽可能充分的检测空间区域。框架应具有上述的某种特定结构，为磁场传感器和人体待检测区域提供简单的参考坐标系，包括空间直角坐标系，或柱坐标系，或球坐标系；在框架提供的参考坐标系里，人体待检测区域的每个位置都在参考坐标系里的固定空间坐标和方位，每个磁场传感器及其由磁场传感器构成的每个磁场传感器单元都具有参考坐标系里的固定空间位置坐标和方位。

本发明的体外磁场传感器的输出信号和模拟信号处理单元之间的连接方式可以是导线直接连接的有线方式，也可以是通过射频传输的无线连接方式。

技术效果

本发明采用无源永磁体作为信源，避免为定位装置的体内部分供能，既减少了体内供能(包括电池供能、经导管有线供能和射频无线供能)带来的不便，又使得长时间定位与动态跟踪成为可能；本发明采用的磁传感器框架固定方式，允许病人在一定范围内活动；本发明采用的电磁场计算模型的简化，可以降低定位计算过程的复杂程度，提高效率，达到实时处理；本发明设计的三维图形显示程序，可动态显示被跟踪微型装置在体内运动的空间三维轨迹。同超声成像技术定位、核医学影像技术(例如CT、MR等)定位、荧光造影定位等技术相比，成本大大降低，操作更简单，病人可以自由活动，实现了时间和空间上的动态跟踪。

附图说明

图1为按照本发明一个实施实例的体外磁场传感器与病人体内微型装置关系的示意图。

图2为图1中磁传感器固定框架及一种磁传感器固定模式示意图。

图3为图2中一个磁传感器单元的三个垂直方向磁传感器的空间结构。

图4为图2和图3中的空间参考坐标系。

图5为按照本发明的一个实施实例的***功能组成示意图。

图6为按照本发明的一个实施实例计算一个空间定位点的处理流程框图。

图7为按照本发明的另一个实施实例计算一个空间定位点的处理流程框图。

具体实施方式

按照本发明一个实施实例的装置包括一个体外磁场传感器固定框架2和固定在2上的四个磁传感器单元21，22，23和24，如图1和图2所示。其中，传感器固定框架的外轮廓采用立方体结构，这种立方体框架既可以方便固定在人体上，又建立了一个空间直角坐标系，坐标系和图4的坐标系一致，坐标原点在传感器单元23所在的框架顶点上；固定在框架上的磁场传感器单元(21，22，23和24)、人体器官3内的每个位置以及人体内的微型装置4都具有了框架2提供的参考坐标系的空间坐标和方位。为了使固定在框架上的磁场传感器尽可能充分覆盖被定位区域，四个传感器组分别放在长方体六个面的对角顶点处。每个传感器单元包括能检测三个正交方向的磁场强度分量的传感器51，52和53，如图3所示，每个传感器在参考坐标系里的空间坐标由固定框架给出，每个磁场传感器检测的磁场方向分量如图3所示。图3的坐标系和图4的参考坐标系一致，即51检测Z方向磁场分量，52检测X方向磁场分量，53检测Y方向磁场分量。当固定有永磁体的微型装置4进入人体后，永磁体将产生空间磁场；固定在体外定位框架2上的磁场传感器单元21，22，23和24检测所在空间位置的磁场强度，其中每个位置的磁场强度由互相正交的三个分量X，Y和Z表示，某点磁场强度为三个分量的矢量和。在本发明的一个实施实例的装置中，定位框架材料采用塑料材料，也可以采用其他非磁性的轻质材料；磁场传感器采用霍尔传感器，也可以是磁敏电阻传感器、磁通门传感器等磁场传感器。本发明中采用的磁场强度矢量和B计算公式为： $B=\sqrt{B_X^2+B_Y^2+B_Z^2}-----\left(1\right)$ 其中，B_X，B_Y，B_Z分别是X，Y和Z方向的磁场强度分量。

各传感器检测到的和磁场强度相关的电信号通过导线传输到图5中的模拟信号处理电路6。模拟信号处理电路部分是一个多路信号处理电路，在本发明的一个实施实例中，需要对四个磁场传感器单元的十二个传感器产生的和磁场强度相关的电信号进行处理。模拟信号处理电路6主要实现对传感器输出的电信号放大和滤波处理，其中，放大部分是把传感器输出的弱信号放大到足够的电压幅度，以满足后续处理需要，电路采用直流电压放大电路；滤波部分是抑制信号中的噪声和干扰成分，由于需检测的有用信号是直流信号，所以滤波电路主要是抑制交流干扰，特别是环境电磁场引起的干扰。模拟信号处理电路6的输出送到7实现模拟信号到数字信号的转换，即ADC单元7，它的功能是把模拟信号转换成数字信号，便于计算机处理。经7转换后的和磁场分量强度相关的各磁场强度分量信号通过接口电路传给计算机8，计算机8首先按照下述的图6所示的流程计算体内微型装置在某时刻的空间位置坐标。在本发明的一个实施实例中，计算机要根据计算的不同时刻的空间坐标，通过软件编程和输出设备(显示器)实时绘制微型装置在人体内的三维运动轨迹，如图5中的9；为实现动态跟踪运动轨迹，软件应不断和上次采样的位置坐标数据比较，如果位置坐标改变，应把微型装置新的坐标位置数据绘制到运动轨迹中，即对已绘制的空间三维轨迹进行屏幕刷新。

按照本发明的进一步方面还包括利用电磁场理论和空间几何理论，确定空间位置坐标的计算方法。微型装置进入被定位的人体区域后，固定在微型装置上的永磁体会产生空间磁场。当永磁体的尺寸比传感器和永磁体之间的距离小得多时，永磁体激发的空间磁场可等效为磁偶极子激发的空间磁场，再利用磁偶极子的物理模型和相应的计算公式，可以确定在永磁体周围空间某位置坐标的磁场分布。反之，通过磁传感器检测空间磁场分布，也可以建立磁传感器和永磁体间的位置关系；而磁传感器在参考坐标系中有固定的空间坐标和方位，所以可根据磁传感器和永磁体间的位置关系以及磁传感器的空间坐标和方位，求解永磁体的空间坐标，以实现对人体内的微型装置的定位。本发明中采用的磁偶极子模型的空间磁场分布公式为： $\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{3(\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{r})\stackrel{\→}{r}}{r^5}-\frac{\stackrel{\→}{m}}{r^3}]----\left(2\right)$ 其中，其中，

为检测点的磁感应强度矢量，μ₀为介质磁导率， 为磁偶极子的磁矩矢量，为磁偶极子到检测点的矢径，r为矢量 的模。本发明中采用的空间距离计算公式为： $r=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}---\left(3\right)$ 其中，(x₀，y₀，z₀)和(x₁，y₁，z₁)分别为空间两个点的坐标

由于不考虑微型装置在人体内的姿态，只需知道其位置坐标，有三个未知数，在知道永磁体磁场参数的情况下，三个传感器单元就能实现对人体内微型装置的定位。但是，考虑到生产商生产永磁体的不一致性等因素，把永磁体参数作为未知数，这时需要四个传感器单元以求解包含四个未知数的四个方程，所以本发明的一个实施实例中采用了四个磁场传感器单元。

本发明的一个方面的位置计算方法流程如图6所示，适合采用四个传感器单元定位的情况。定位程序开始80。首先初始化需计算相对距离的磁场传感器单元个数的计数器(K＝0)，如图6中81，该计数器K用来判断是否处理完所有用于定位的磁传感器单元。接着读取一个传感器单元的三个分量传感器检测到的和该传感器所在位置磁场强度相关的电压信号，如图6中82；根据***磁场分量强度的电压信号按公式(1)矢量求和，得到该传感器单元所在空间位置的磁场强度，如图6中83。利用磁偶极子空间磁场分布模型中空间磁场强度和距离的关系，按公式(2)计算传感器单元所在位置和永磁体间的相对距离；计数器K加1，如图6中84。判断是否计算完四个磁场传感器单元21，22，23和24，如图6中85；如果未完成，循环执行上述82，83和84环节；如果完成，根据四个相对位置按公式(3)求解永磁体的空间位置坐标如图6中的86，即得到人体内微型装置的空间位置坐标。将计算出的位置坐标和上次采样得到的微型装置的位置作比较，如图6中的87；如果位置没有改变，则进行新的一次采样过程；如果位置发生变化，把新的位置坐标和过去采样得到的位置信息融合起来，重新绘制微型装置在人体内运动的轨迹，继续新的一次采样过程。

在本发明的更进一步实施实例中，采用多个磁场传感器单元进行定位，可以扩大定位范围，提高定位精度。因为在空间定位计算中采用了磁偶极子作为简化物理模型，它要求磁偶极子的尺寸远小于永磁体和测量传感器之间的距离；反之，如果该条件不满足，即磁场传感器和永磁体间的距离太小时，计算结果的误差会很大。同时，由于环境磁场(包括地磁场)的存在，会对磁场的测量带来误差，当磁场传感器和永磁体间的距离太大时，永磁体的磁场会很弱，环境磁场对测量结果的影响会非常明显。因此，可以采用多个磁场传感器单元，通过阈值判别方法，只选择那些和永磁体之间距离既不太远、也不太近的磁场传感器的测量结果作为定位计算的依据，以提高定位精度。

本发明的进一步位置计算实例流程如图7所示，适合采用多个磁场传感器单元定位的情况。定位程序开始90。首先初始化需计算相对距离的磁场传感器单元个数的计数器(K＝0)，如图7中91，该计数器K用来判断是否有足够的相对距离计算永磁体的空间位置坐标。接着读取一个传感器单元的三个分量传感器检测到的和该传感器所在位置磁场强度相关的电压信号，根据***磁场分量强度的电压信号按公式(1)矢量求和，得到该传感器单元所在空间位置的磁场强度，如图7中92。根据预先设定的阈值，判断该磁场传感器单元和永磁体间的距离是否适中(既不太远——磁场强度太小，也不太近——磁场强度太大)，如图7中的92。如果不适中，继续处理另一个磁场传感器单元。如果适中，利用磁偶极子空间磁场分布模型中空间磁场强度和距离的关系，按公式(2)计算传感器单元所在位置和永磁体间的相对距离；计数器K加1，如图7中94。接着，判断是否有足够的相对距离(四个)计算永磁体的空间位置坐标，如图7中95；如果未完成，循环执行上述92，93和94环节；如果完成，根据四个相对位置按公式(3)求解永磁体的空间位置坐标如图7中的96，即得到人体内微型装置的空间位置坐标。将计算出的位置坐标和上次采样得到的微型装置在人体内的位置作比较，如图7中的97；如果位置没有改变，则进行新的一次采样过程；如果位置发生变化，把新的位置坐标和过去采样得到的位置信息融合起来，重新绘制微型装置在人体内运动的轨迹，继续新的一次采样过程。

在本发明的进一步实施例中，为保证病人可以在一定程度上自由活动，病人可以随身携带一个发射单元随病人移动，用于发射磁场传感器检测到和空间磁场强度相关的信号，发射的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。同时，需要一个对应的接收单元用于接收上述发射单元发射的信号。

Claims (8)

1、用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于它包括有：

固定在体内微型装置上的永磁体；

通过固定装置固定在体外的至少三个磁场传感器单元；

与磁场传感器单元有线连接或通过射频方式无线连接的信号处理、模拟/数字转换以及计算单元以及显示微型装置在体内的三维运动轨迹的输出设备。

2、根据权利要求1所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于每个磁场传感器单元由能检测三个互相正交方向磁场强度的三个磁场传感器构成。

3、根据权利要求1或2所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于固定体外磁场传感器单元的装置由一个固定框架和至少三个磁场传感器单元构成，固定框架采用非铁磁性的轻质材料，磁场传感器单元在固定框架上的布置方式应保证传感器覆盖尽可能大的被检测区域。

4、根据权利要求3所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于固定框架的***轮廓应包含需定位的人体区域，固定在人体上，且在人的身体运动时能随人体一起运动。

5、根据权利要求4所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于固定框架的***轮廓是但不仅限于长方体、正方体或圆柱体等形状。

6、根据权利要求5所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于磁场传感器单元为四个，布置在长方形框架的四个对角顶点上。

7、根据权利要求1、2、4、5或6所述的用于动态定位和跟踪体内微型装置的***，其特征在于磁场传感器是但不仅限于霍尔传感器、磁敏电阻传感器或磁通门传感器。

8、利用权利要求1、2、4、5或6的***动态定位和跟踪体内微型装置的方法，其特征在于该方法是通过固定在体外的磁场传感器单元检测体内永磁铁体产生的空间磁场强度，磁场传感器单元检测到的信号经放大和噪声抑制处理，再经模数转换交给计算单元，计算单元利用磁偶极子的物理模型和计算公式，计算体内永磁体的空间坐标，相应地得到体内微型装置的位置；在时间上连续确定微型装置的位置，且检测过程中病人可以在一定范围内活动，并由输出设备实时显示微型装置在体内的三维运动轨迹，从而实现动态定位和跟踪。

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