CN203749415U - 消化道目标物的无线跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种消化道目标物的无线跟踪装置，包括设置在体外的磁场发生器、无线数据收发模块和数据处理平台，以及设置在吞咽式电子胶囊上的倾角式无线磁传感模块；倾角式无线磁传感模块与无线数据收发模块无线通信相连，无线数据收发模块分别与磁场发生器、数据处理平台通信相连。本实用新型采用倾角式传感与磁场传感相结合的方法，仅使用单个励磁线圈即可实现多自由度的方位跟踪，减少了跟踪***中磁场发生器的体积和功耗，缩短了跟踪算法的求解时间，缩减了每轮跟踪的采样数据量和采样时间，提高了跟踪精度。

Description

消化道目标物的无线跟踪装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械，尤其涉及一种用于跟踪体内的吞咽式电子胶囊方位的倾角式磁跟踪***。

背景技术

吞咽式电子胶囊可由口服进入消化道，通过其携带的******将消化道内的图像无线传输到体外，或者通过其携带的多个传感器对胃肠道内的多元信息进行检测和采集，或者通过执行机构对局部组织进行取样活检。然而，医生无法获知吞咽式电子胶囊在体内的位置，由此无法将诊查信息与具体部位对应，并且也无法根据胶囊的方位准确地驱动胶囊运动。

目前，针对吞咽式电子胶囊的跟踪定位，众多科研人员取得了大量研究成果。英国的Lab-in-a-Pill胶囊内镜采用磁标记物定位法，跟踪范围为18cm以内。Aziz等人在胶囊内放置圆柱形永磁体，通过体外的三轴磁阻传感器检测磁场来跟踪胶囊，在10cm×10cm×10cm的跟踪范围内，最大的跟踪误差达到3cm。Kim等人通过在胶囊内安装四个霍尔效应传感器，检测外部的磁场强度，以跟踪胶囊方位。报导的跟踪范围为：胶囊与磁场源的相对距离在x方向从0至50mm，在y方向从-50mm至+50mm，在z方向从200mm至300mm，最大位置误差15mm。以上静态或准静态磁场检测方法的跟踪范围和跟踪精度仍有提高的空间。

由于电子元件的低频噪声和地磁场信号难以在静磁信号中滤除，且仅通过磁场检测确定方位，导致磁场逆问题中未知量个数多、求解复杂。因此采用交变磁场传感结合倾角传感的方法，跟踪体内电子胶囊的方位，具有抗干扰能力强、跟踪范围宽、方位求解时间短、每轮跟踪的采样数据量和采样时间短等优点。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是为了提供一种新型的倾角式磁跟踪***，用于跟踪吞咽式电子胶囊在人体消化道内的方位。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种消化道目标物的无线跟踪装置，包括设置在体外的磁场发生器、无线数据收发模块和数据处理平台，以及设置在吞咽式电子胶囊上的倾角式无线磁传感模块；倾角式无线磁传感模块与无线数据收发模块无线通信相连，无线数据收发模块分别与磁场发生器、数据处理平台通信相连。

所述磁场发生器仅由单个励磁线圈组成，不需要分时励磁。

所述倾角式无线磁传感模块主要包括倾角传感子模块、磁传感子模块和无线数据发送子模块，倾角传感子模块和磁传感子模块的输出分别连接无线数据发送子模块；所述倾角传感子模块由加速度传感器、信号调理电路组成，加速度传感器的输出连接信号调理电路，信号调理电路的输出连接无线数据发送子模块；所述磁传感子模块包括信号控制电路、三轴磁传感器、多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、峰值检测电路和采样及A/D转换电路，其中信号控制电路的输出分别与多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、采样及A/D转换电路及无线数据发送子模块相连，三轴磁传感器、多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、峰值检测电路和采样及A/D转换电路顺序电信相连，采样及A/D转换电路的输出连接信号控制电路。

在倾角传感子模块中，加速度传感器将消化道目标物的方位信号转换为电信号，输出至信号调理电路，信号调理电路输出至无线数据发送子模块，将数据发送至体外。

在磁传感子模块中，三轴磁传感器将消化道目标物所处空间位置的磁场信号转换为电信号，并输出至多路模拟开关。多路模拟开关的输入同时连接至信号控制电路，由信号控制电路控制模拟开关的通断，依次将三轴磁传感器三个轴向的输出信号传送至后续电路。可编程放大及滤波电路的输入连接至多路模拟开关的输出，并且，同时连接至信号控制电路，由信号控制电路发送的控制信号调节可编程放大及滤波电路的增益倍数。可编程放大及滤波电路的输出连接至峰值检测电路。峰值检测电路的输出连接至采样及A/D转换电路。采样及A/D转换电路同时与信号控制电路双向连接，一方面采样及A/D转换电路将峰值检测电路输出的模拟量转换为数字量，输送至信号控制电路，再由信号控制电路传送至无线数据发送子模块；另一方面，采样及A/D转换电路接收信号控制电路输出的控制量，实现采样及A/D转换功能。

在磁传感模块中，可编程放大及滤波电路的增益调节形成了一个闭环反馈调节方式。初始时，信号控制电路输出一个初始的增益控制值至可编程放大及滤波电路，此时，可编程放大及滤波电路按照初始控制值产生相应的增益值，对三轴磁传感器的输出信号进行初始放大，并经过峰值检测、采样及A/D转换后，传送至信号控制电路。信号控制电路将读入值与程序内设定的上限值、下限值进行比较。若读入值在设定的上限值和下限值之间，则信号控制电路将读入值传送至无线数据发送子模块；若读入值大于设定的上限值，则信号控制电路重新输出一个更小的增益控制值至可编程放大及滤波电路，等待读取A/D转换后的新值；若读入值小于设定的下限值，则信号控制电路重新输出一个更大的增益控制值至可编程放大及滤波电路，等待读取A/D转换后的新值。

所述无线数据收发模块提供便携式数据存储和数据处理平台实时监测两种方式；当无线数据收发模块与数据处理平台的数据线断开时，接收到的数据被存储至无线数据收发模块中的多媒体存储卡中，待检查结束后，由读卡器一次性读入数据处理平台中；当无线数据收发模块与数据处理平台的数据线连通时，接收到的数据通过电缆线实时传输至数据处理平台中，进行后续处理。

本实用新型的倾角式磁跟踪***具有以下的优点和特点：

1、磁场发生器仅由单个励磁线圈组成，磁场发生器不需要分时激磁的时序控制电路。由此减小了磁场发生器的体积和功耗，缩减了每轮跟踪的采样数据量和采样时间，缩短了信号的接收处理时间，提高了跟踪的实时性。

2、采用倾角传感与磁场传感相结合的方式跟踪电子胶囊。倾角传感方式的引入，减少了磁场逆问题求解的未知量个数，缩短了求解时间，提高了定位精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是坐标旋转示意图。

图3是倾角式无线磁传感模块的结构框图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型消化道目标物的无线跟踪装置，包括设置在体外的磁场发生器1、无线数据收发模块2和数据处理平台3，以及设置在吞咽式电子胶囊上的倾角式无线磁传感模块4；倾角式无线磁传感模块与无线数据收发模块无线通信相连，无线数据收发模块分别与磁场发生器、数据处理平台通信相连。

参见图3，本实用新型中的倾角式无线磁传感模块4主要包括倾角传感子模块41、磁传感子模块42和无线数据发送子模块43，倾角传感子模块和磁传感子模块的输出分别连接无线数据发送子模块。其中，倾角传感子模块41由加速度传感器411和信号调理电路412组成，加速度传感器的输出连接信号调理电路，信号调理电路的输出连接无线数据发送子模块。磁传感子模块42包括信号控制电路421、三轴磁传感器422、多路模拟开关423、可编程放大及滤波电路424、峰值检测电路425和采样及A/D转换电路426，其中信号控制电路的输出分别与多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、采样及A/D转换电路及无线数据发送子模块相连，三轴磁传感器、多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、峰值检测电路和采样及A/D转换电路顺序电信相连，采样及A/D转换电路的输出连接信号控制电路。

当每轮跟踪采样开始时，倾角式无线磁传感模块和无线数据收发模块均处于接收状态，不断查询是否接收到操作指令。无线数据收发模块上电初始化后，立即无线发送一个“握手请求”信号至倾角式无线磁传感模块，则处于接收等待状态；若每等待2秒后仍没有收到“握手成功”信号，则再次发送“握手请求”信号。倾角式无线磁传感模块接收到“握手请求”信号后，即发送一个“握手成功”信号，返回给无线数据收发模块。无线数据收发模块接收到“握手成功”信号后，则输出控制信号至磁场发生器，使其开始激磁。磁场发生器产生一定电流强度的正弦电流，通入单个励磁线圈的谐振回路，使其在空间产生一定频率的交变磁场。此时，倾角式无线磁传感模块即检测电子胶囊处的磁场信号和加速度信号，电子胶囊所处的方位与磁场信号的峰值、加速度信号的分量都有确定的函数关系式，因此，通过检测电子胶囊所处方位的交流磁场信号峰值和加速度信号分量，将它们转换为电信号，并无线传输到体外的无线数据收发模块。

设三轴加速度传感器的三个轴向输出分别为A_x′、A_y′、A_z′，三轴两两互相垂直。在三轴磁传感器上建立动坐标系o′-x′y′z′，其中以磁传感器的几何中心点为坐标原点o′，三个轴向输出分别为o′x′、o′y′、o′z′。安装时，使加速度传感器的A_x′方向平行于三轴磁传感器o′x′，加速度传感器的A_y′方向平行于o′y′，加速度传感器的A_z′方向平行o′z′。设体外的基准坐标系为o-xyz，则根据欧拉角坐标旋转，如图2所示，动坐标系o′-x′y′z′绕z′轴旋转角度γ₁，此时o′x′与N轴重合；再绕N轴旋转角度γ₂，此时z′轴与z轴重合；最后绕z轴旋转角度γ₃，三次旋转后o′-x′y′z′与o-xyz重合。

根据加速度传感器三个轴向的静态加速度输出，可获得磁传感子模块中三轴磁传感器与基准坐标系o-xyz的三个旋转角γ₁、γ₂、γ₃，即三轴磁传感器经过以旋转角γ₁、γ₂、γ₃为参数的坐标旋转后，其三个输出轴均平行于基准坐标系o-xyz的三个坐标轴。因此将坐标旋转角γ₁、γ₂、γ₃获得后，代入空间磁场矢量与电子胶囊方位的磁场模型中，计算化简后，磁场非线性方程组中仅包含了电子胶囊的空间位置坐标，从而减少了磁场逆问题求解的未知量个数，缩短了求解时间，提高了定位精度。空间磁场矢量的大小可由磁传感子模块测量获得。

无线数据收发模块将接收到的磁场信号和倾角信号传输至数据处理平台，进行方位求解。无线数据收发模块的工作方式分为：便携式数据存储和上位机实时监测。当无线数据收发模块与数据处理平台的数据线断开时，接收到的数据被存储至装置中的多媒体存储卡中，待检查结束后，由读卡器一次性读入数据处理平台中；当无线数据收发模块与数据处理平台的数据线连通时，接收到的数据通过电缆线实时传输至数据处理平台中，进行后续处理。

数据处理平台的软件算法，采用了改进式人工蜂群算法对方位信息的非线性方程组进行求解。模拟蜂群的集体智能行为，首先将非线性方程组转换为函数寻优问题，将蜜源的位置对应了优化函数的一个可行解，蜂群寻找最优蜜源的过程就是搜索函数最优解的过程，最优蜜源的位置则是函数的最优解，即电子胶囊的空间位置。标准的人工蜂群算法具有较好的全局搜索能力，但局部搜索能力较差，为了提高算法的精度，避免出现过早收敛陷入局部极值和停滞现象的发生，对人工蜂群算法的搜索步长进行了自适应调整，提高了求解速度和求解精度。

通过上述设计，消化道目标物的无线跟踪装置可实时显示电子胶囊的空间方位，或者将方位信息存储至多媒体卡中，待检查结束后，通过读卡器一次性读出，进行数据的分析和后处理。

Claims (3)

1.一种消化道目标物的无线跟踪装置，其特征在于：包括设置在体外的磁场发生器、无线数据收发模块和数据处理平台，以及设置在吞咽式电子胶囊上的倾角式无线磁传感模块；倾角式无线磁传感模块与无线数据收发模块无线通信相连，无线数据收发模块分别与磁场发生器、数据处理平台通信相连。

2.如权利要求1所述的消化道目标物的无线跟踪装置，其特征在于：所述磁场发生器仅由单个励磁线圈组成，不需要分时励磁。

3.如权利要求1所述的消化道目标物的无线跟踪装置，其特征在于：所述倾角式无线磁传感模块主要包括倾角传感子模块、磁传感子模块和无线数据发送子模块，倾角传感子模块和磁传感子模块的输出分别连接无线数据发送子模块；所述倾角传感子模块由加速度传感器、信号调理电路组成，加速度传感器的输出连接信号调理电路，信号调理电路的输出连接无线数据发送子模块；所述磁传感子模块包括信号控制电路、三轴磁传感器、多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、峰值检测电路和采样及A/D转换电路，其中信号控制电路的输出分别与多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、采样及A/D转换电路及无线数据发送子模块相连，三轴磁传感器、多路模拟开关、可编程放大及滤波电路、峰值检测电路和采样及A/D转换电路顺序电信相连，采样及A/D转换电路的输出连接信号控制电路。