基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)及定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，包括：振動模塊、體外牽引永磁體、體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡、無線接收裝置以及單片機(jī)微處理器，所述振動模塊的一端與所述體外牽引永磁體相連接，所述體外牽引永磁體與體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡之間形成磁路，所述體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡與所述無線接收裝置無線連接，所述無線接收裝置與所述單片機(jī)微處理器相連接。同時還提供了上述定位系統(tǒng)的定位方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有占用膠囊空間小，可以連續(xù)跟蹤并能夠適時地獲取膠囊內(nèi)窺鏡的位置及姿態(tài)信息，為檢測人員的后續(xù)操作提供了較大的便利的技術(shù)特點(diǎn)，定位方法簡單易行，定位系統(tǒng)成本低廉、安全可靠。
【專利說明】基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子膠囊定位方法以及醫(yī)學(xué)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。具體地，涉及一種基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)及定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]膠囊內(nèi)窺鏡最早由以色列專家提出并研制成功，其克服了傳統(tǒng)硬式內(nèi)鏡給患者帶來的痛苦，而且可以檢測到小腸等傳統(tǒng)檢測方法無法檢測到的器官。然而膠囊內(nèi)窺鏡在臨床應(yīng)用上仍有諸多問題，膠囊內(nèi)窺鏡的定位跟蹤便是其中最主要的問題。
[0003]隨著膠囊內(nèi)窺鏡的發(fā)展，關(guān)于其定位方法的研究也層出不窮。常見的定位方法有:基于無線射頻信號的定位，超聲波定位和磁場定位等。
[0004]無線射頻定位技術(shù)可以運(yùn)用膠囊本身已有的射頻天線，不需在膠囊內(nèi)附加任何元件，只要在體外布置若干天線接收來自膠囊內(nèi)的射頻信號即可。但是，該系統(tǒng)的精度太低，而且臨床使用也較為困難。
[0005]超聲定位則是運(yùn)用一個跟蹤裝置來跟蹤超聲探頭的位姿，然后綜合掃描得到膠囊圖像，并通過三維重建來確定膠囊的位置。但是該技術(shù)難以得到膠囊機(jī)器人的具體姿態(tài)，該技術(shù)至今還有待完善。其精度、速度和可實(shí)現(xiàn)性都有待提高。但其仍有較大的發(fā)展前景。
[0006]基于磁場定位的定位技術(shù)主要是運(yùn)用霍爾元件來檢測膠囊所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度信息，然后通過磁場強(qiáng)度信息反解出膠囊的位置和姿態(tài)信息。該方法有明顯的優(yōu)勢:占用膠囊空間小、可以連續(xù)跟蹤、實(shí)時性強(qiáng)且無副作用。
[0007]2011年美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的工作人員提出了一種新的膠囊內(nèi)窺鏡方案。該膠囊內(nèi)窺鏡采用柔軟的橡膠材料制成，因此被稱為軟膠囊內(nèi)窺鏡。該內(nèi)窺鏡有兩個磁鐵，允許醫(yī)生在體外通過另一個磁鐵來移動機(jī)器人或改變機(jī)器人的形狀以達(dá)到藥物釋放的目的。通過仔細(xì)操縱，它可在患者體內(nèi)扭曲和自旋，甚至改變它自身的形狀。該方案運(yùn)用磁鐵間的作用力來控制機(jī)器人的移動，因此對磁鐵間的距離有較高的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)及定位方法。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，包括:振動模塊、體外牽引永磁體、體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡、無線接收裝置以及單片機(jī)微處理器，所述振動模塊的一端與所述體外牽引永磁體相連接，所述體外牽引永磁體與體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡之間形成磁路，所述體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡與所述無線接收裝置無線連接，所述無線接收裝置與所述單片機(jī)微處理器相連接。
[0011]優(yōu)選地，所述體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡包括:三軸正交線圈、數(shù)據(jù)處理電路和無線通信模塊，其中，所述三軸正交線圈與體外牽引永磁體形成磁路，并檢測體外牽引永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息，所述數(shù)據(jù)處理電路對三軸正交線圈檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述無線通信模塊與所述無線接收裝置進(jìn)行無線通信。
[0012]優(yōu)選地，所述振動模塊驅(qū)動所述體外牽引永磁體以一定頻率進(jìn)行振動，從而產(chǎn)生變化的磁場，所述三軸正交線圈在變化的磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
[0013]優(yōu)選地，所述三軸正交線圈包括至少2個線圈傳感器模塊。
[0014]優(yōu)選地，所述單片機(jī)微處理器通過三軸正交線圈所得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息獲得體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的位置及姿態(tài)信息。
[0015]優(yōu)選地，所述體外牽引永磁體為軸向磁化的圓柱形磁體，所述磁感應(yīng)強(qiáng)度包括X、Y、Z三個方向，所述單片機(jī)微處理器獲得體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的位置及姿態(tài)信息的具體方法為，建立空間坐標(biāo)系，設(shè)(WZtl)為體外牽引永磁體的中心點(diǎn)坐標(biāo)，(Xm，Ym，Zffl)為傳感器在坐標(biāo)系中的位置，(a，b)為磁矩方向矢量與柱坐標(biāo)的夾角；
[0016]設(shè)(X，Y，Z)= (Xm-X0Ym-Y0Zm-Z0)，r = (X2+Y2+Z2)1/2 則可得到磁感應(yīng)強(qiáng)度公式如下:
[0017]B0 (Bx, By, Bz) = u 0mc/ (4 n r3)
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，包括:振動模塊、體外牽引永磁體、體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡、無線接收裝置以及單片機(jī)微處理器，所述振動模塊的一端與所述體外牽引永磁體相連接，所述體外牽引永磁體與體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡之間形成磁路，所述體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡與所述無線接收裝置無線連接，所述無線接收裝置與所述單片機(jī)微處理器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡包括:三軸正交線圈、數(shù)據(jù)處理電路和無線通信模塊，其中，所述三軸正交線圈與體外牽引永磁體形成磁路，并檢測體外牽引永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息，所述數(shù)據(jù)處理電路對三軸正交線圈檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述無線通信模塊與所述無線接收裝置進(jìn)行無線通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述振動模塊驅(qū)動所述體外牽引永磁體以一定頻率進(jìn)行振動，從而產(chǎn)生變化的磁場，所述三軸正交線圈在變化的磁場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸正交線圈包括至少2個線圈傳感器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)微處理器通過三軸正交線圈所得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息獲得體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的位置及姿態(tài)信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述體外牽引永磁體為軸向磁化的圓柱形磁體，所述磁感應(yīng)強(qiáng)度包括X、Y、Z三個方向，所述單片機(jī)微處理器獲得體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的位置及姿態(tài)信息的具體方法為，建立空間坐標(biāo)系，設(shè)(XciJc^Zci)為體外牽引永磁體的中心點(diǎn)坐標(biāo)，(Xm, Ym, Zm)為傳感器在坐標(biāo)系中的位置，(a, b)為磁矩方向矢量與柱坐標(biāo)的夾角； 設(shè)(X，Y，Z) = (Xm-X0Ym-Y0Zm-Z0)，r = (X2+Y2+Z2)1/2 則得到磁感應(yīng)強(qiáng)度公式如下:
B0 (Bx, By, Bz) = u 0mc/ (4 n r3)
{[(2 X1 — Y1 — Z2) sin a cos/? + 3 AT sin a sin b + 3XZ cos a]/
[(2K2 - X2 — Z2) sin <7 cos/) +3 AT sin sin/) +3KZ cos a\j
[(2Z2 -Xz- K2)cos<7 + 3 ATsiri <7cc>s/; + 3KZ sin <7sin b]kI 其中，Bx，By, Bz分別為感應(yīng)線圈處X，Y，Z三個正交方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，U ^為真空磁導(dǎo)率，mc為膠囊磁矩的大小，r為感應(yīng)線圈到永磁體中心的距離，上式方程具有永磁體中心位置(Xtl, Ytl, Ztl),磁矩方向矢量與柱坐標(biāo)的夾角(a, b)五個未知量，因此至少需要兩個三軸正交線圈； 當(dāng)體外牽引永磁體隨著振動機(jī)構(gòu)以一定頻率振動時，其磁感應(yīng)強(qiáng)度會以一定規(guī)律變化，根據(jù)公式S1 =IVS，其中，Si為感應(yīng)線圈所測得的感應(yīng)電動勢，&為磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時Iat間的變化率，s為感應(yīng)線圈的內(nèi)部面積，當(dāng)線圈測出空間方向上的感應(yīng)電動勢后便求出體外牽引永磁體的位置信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，其特征在于，所述基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)，還包括如下任一個或任多個部件: -六自由度機(jī)械臂，所述六自由度機(jī)械臂與振動模塊的另一端相連接； -CMOS攝像機(jī)，設(shè)置于體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡上，用于檢測人體病變部位； -計(jì)算機(jī)終端，所述計(jì)算機(jī)終端與單片機(jī)微處理器相連接，用于實(shí)時顯示體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的坐標(biāo)信息以及體外牽引永磁體的坐標(biāo)信息，并指導(dǎo)檢測人員的后續(xù)操作。
8.—種權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，體外牽引永磁體在振動模塊的作用下作規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生變化的磁場； 步驟2，體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的三軸正交線圈將采集到的變化磁場下的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)無線通信模塊發(fā)送至無線接收裝置； 步驟3，單片機(jī)微處理器將無線接收裝置接收到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； 步驟4，單片機(jī)微處理器處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端，從而實(shí)時顯示體外牽引永磁體與膠囊內(nèi)窺鏡的位置及 姿態(tài)信息，用于指引檢測人員的后續(xù)操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于永磁和感應(yīng)線圈的膠囊內(nèi)鏡空間定位系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，所述體外牽引永磁體的位姿由所述六自由度機(jī)械臂進(jìn)行控制。
【文檔編號】A61B1/04GK103637803SQ201310567025
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】王坤東, 肖承東 申請人:上海交通大學(xué)