專利名稱：全消化道吞服式遙測膠囊體外電磁勵磁式定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吞服式膠囊的體外定位系統(tǒng)，尤其涉及一種采用電磁勵磁方式對全消化道微型吞服式遙測膠囊進行體外跟蹤的定位系統(tǒng)，屬于微型機電系統(tǒng)或生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們的生活節(jié)奏加快與飲食結(jié)構(gòu)不斷改變，消化道功能性疾病的發(fā)病率日趨升高到第一位。現(xiàn)代科學(xué)認為消化道疾病和人腸道內(nèi)的壓力變化存在密切關(guān)系，由于國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界對于健康人腸道內(nèi)壓力正確數(shù)值的未知及對生理狀態(tài)下腸腔內(nèi)壓的各種變化不了解，因此缺乏對消化道疾病診斷的固定客觀指標。申請?zhí)枮?21370540的中國發(fā)明專利介紹了一種“全消化道微型膠囊體狀無創(chuàng)介入式診查系統(tǒng)”，可以在無痛苦、無創(chuàng)傷、無需清腸及禁食條件下反映出人體消化道正常生理，即24小時監(jiān)測人體全消化道內(nèi)壓力、溫度、pH值及其變化以及食物在消化道內(nèi)通過過程的研究。系統(tǒng)由微型吞服式遙測膠囊、便攜式體外接收和存儲裝置、體外數(shù)據(jù)處理站組成。系統(tǒng)診療過程中，確定“微型遙測膠囊”各時間段在消化道內(nèi)的位置、實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值和消化道位置的對應(yīng)，是后期數(shù)據(jù)分析、輔助診斷的一個必要條件。體內(nèi)異物的定位目前臨床上一般采用X線透視法、B型超聲檢查法、放射性同位素照相定位，以上方法都要求被試者在具有一定條件的醫(yī)院里進行，從而給被試者的日常生活、工作帶來很多不便，限制了其活動自由。以色列開發(fā)的M2A膠囊內(nèi)窺鏡在體表處布置多個天線接收體內(nèi)膠囊發(fā)射的無線信號，然后根據(jù)電磁信號強弱和相互之間的關(guān)系通過一定算法計算膠囊位置。Smart Pill公司生產(chǎn)的Smart Pill胃腸道檢測膠囊，利用穿在病人身上的傳感器內(nèi)衣進行定位，傳感器內(nèi)衣中有用來跟蹤膠囊位置的接收天線、電磁激發(fā)天線、共振檢測線圈和射頻子系統(tǒng)。根據(jù)傳感器內(nèi)衣接收到的信號，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來計算膠囊在體內(nèi)的坐標位置和指向角。這兩種定位方法利用的都是體內(nèi)膠囊發(fā)射的電磁信號，由于人體是一種非常復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)，電磁波在人體組織內(nèi)的傳播受輻射源位置、方向、組織電磁特性、組織結(jié)構(gòu)等多種因素影響，因此體表處電磁場強度和體內(nèi)輻射源之間迄今為止沒有準確定量的對應(yīng)關(guān)系。同時利用電磁場方法定位涉及到大量的電磁正問題的計算，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，同時定位準確性和精度有待考證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全消化道微型遙測膠囊體外跟蹤定位系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，工作可靠，可以準確確定膠囊任意時刻在體內(nèi)的位置。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的全消化道微型遙測膠囊體外跟蹤定位系統(tǒng)包括密封在膠囊內(nèi)的三軸磁場傳感器、信號處理模塊、無線通訊模塊，體外三個靜磁場激發(fā)環(huán)形線圈和由單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、無線通訊模塊、存儲器、電源模塊組成的體外數(shù)據(jù)記錄儀。系統(tǒng)工作時，三個環(huán)形線圈固定在體表并由數(shù)據(jù)記錄儀依次提供激磁電流產(chǎn)生磁場，體內(nèi)膠囊中的三軸磁場傳感器依次檢測三個線圈的磁感應(yīng)強度值，由信號處理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過無線通訊模塊發(fā)射，由體外數(shù)據(jù)記錄儀接收并保存到存儲器。膠囊停止工作后，由計算機根據(jù)每一時刻對應(yīng)的三個場強值獲得該時刻膠囊的位置，并由此獲得膠囊在人體內(nèi)的通過過程及通過時間，進而獲得膠囊在體內(nèi)的三維軌跡。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)分為體內(nèi)和體外兩個部分，體內(nèi)部分包括密封在膠囊內(nèi)的一個三軸磁場傳感器、信號處理模塊和無線通訊模塊，三軸磁場傳感器連接到信號處理模塊，信號處理模塊的輸出連接無線通訊模塊，由無線通訊模塊向體外傳遞檢測信號。體外部分則包括用于產(chǎn)生靜磁場的三個環(huán)形線圈和體外數(shù)據(jù)記錄儀，三個環(huán)形線圈分別固定在人體表的相應(yīng)位置，分別通過三根連接導(dǎo)線和體外數(shù)據(jù)記錄儀相連。體外數(shù)據(jù)記錄儀由無線通訊模塊、單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、存儲器、電源模塊組成，電源模塊分別和單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)，無線通訊模塊、存儲器相連并提供電源，恒流源電路連接在多路開關(guān)的輸入端，為多路開關(guān)提供恒定激磁電流，單片機控制電路和多路開關(guān)連接，單片機控制電路產(chǎn)生多路開關(guān)通道選擇信號和多路開關(guān)開啟、關(guān)閉控制信號，多路開關(guān)輸出的激磁脈沖信號通過連接導(dǎo)線分別傳到相應(yīng)的環(huán)形線圈，單片機控制模塊分別和無線通訊模塊、存儲器相連，控制磁場檢測信號的接收和保存。
系統(tǒng)工作時將三個環(huán)形線圈固定在檢查者腹部體表三個位置，三個環(huán)形線圈分別經(jīng)導(dǎo)線連接到其腰部攜帶的體外數(shù)據(jù)記錄儀。檢測者吞下膠囊。體外數(shù)據(jù)記錄儀通過單片機控制電路，根據(jù)線圈的編號經(jīng)多路開關(guān)將恒流源電路提供的電流依次加載到三個環(huán)形線圈。由于電流的磁場效應(yīng)，線圈周圍會產(chǎn)生靜磁場，膠囊內(nèi)的磁場傳感器在信號處理模塊的控制下同步依次檢測三個線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值。膠囊內(nèi)信號處理電路將磁場傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳送給膠囊內(nèi)的無線通訊模塊發(fā)射，最后由體外數(shù)據(jù)記錄儀的無線通訊模塊接收并保存到存儲器。當膠囊從體內(nèi)排出后，將體外數(shù)據(jù)記錄儀的存儲器中保存的數(shù)據(jù)讀至計算機。根據(jù)每一位置測出的三個環(huán)形線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值，用計算機軟件采用數(shù)值計算方法計算出每一時刻膠囊的位置坐標。還可以就此確定膠囊在人體內(nèi)的通過過程、通過時間，進而計算出膠囊在體內(nèi)的三維軌跡。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)定位方法利用了人體組織非導(dǎo)磁的特性，改電磁場檢測為靜磁場檢測，避免了大量不確定因素影響，避開了復(fù)雜電磁場計算問題，以靜磁場理論為依據(jù)，原理可靠，定位精度高；(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。采用的磁場傳感器體積小，功耗低，工作方式簡單。外部磁場利用了電流的磁場效應(yīng)，由線圈通以一定大小的電流產(chǎn)生，激磁裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；(3)工作磁場的強度由環(huán)形線圈中的電流強度決定，可以產(chǎn)生強磁場，使其遠遠大于環(huán)境磁場和地磁場，從而很好解決了電磁場定位方法中無法解決的環(huán)境干擾問題；(4)本發(fā)明對人體無損傷，不會產(chǎn)生輻射危險，裝置攜帶固定方便，對人的工作生活無任何限制和不利影響。


圖1為本發(fā)明的體內(nèi)膠囊內(nèi)部功能模塊連接示意圖。
圖1中，三軸磁場傳感器、信號處理模塊、無線通訊模塊密封在膠囊內(nèi)。
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，1為環(huán)形線圈，2為連接導(dǎo)線，3為體外數(shù)據(jù)記錄儀，4為膠囊。
圖3為本發(fā)明體外數(shù)據(jù)記錄器的組成及其和線圈的連接示意圖。
如圖3所示，體外數(shù)據(jù)記錄儀中包括電源模塊、單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、無線通訊模塊和存儲器。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。
本發(fā)明的全消化道微型遙測膠囊體外跟蹤定位系統(tǒng)由體內(nèi)和體外兩個部分組成，體內(nèi)部分包括密封在膠囊內(nèi)的一個三軸磁場傳感器、信號處理模塊、無線通訊模塊，如圖1所示。三軸磁場傳感器連接到信號處理模塊，信號處理模塊的輸出連接無線通訊模塊，由無線通訊模塊向體外傳遞檢測信號。
本發(fā)明的體外部分如圖2的總體結(jié)構(gòu)圖所示，包括用于產(chǎn)生靜磁場的三個環(huán)形線圈1和體外數(shù)據(jù)記錄儀3。三個環(huán)形線圈1分別固定在人體表的相應(yīng)位置，分別通過三根連接導(dǎo)線2和體外數(shù)據(jù)記錄儀3相連，體外數(shù)據(jù)記錄儀3固定在人的腰部皮帶上。膠囊4從人體消化道進入體內(nèi)。
體外數(shù)據(jù)記錄儀3的組成如圖3所示，由無線通訊模塊、單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、存儲器、電源模塊組成。電源模塊分別和單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)，無線通訊模塊、存儲器相連為它們提供電源，恒流源電路連接在多路開關(guān)的輸入端，為多路開關(guān)提供恒定激磁電流。單片機控制電路和多路開關(guān)連接，單片機控制電路產(chǎn)生多路開關(guān)通道選擇信號和多路開關(guān)開啟、關(guān)閉控制信號。多路開關(guān)輸出的激磁脈沖信號通過連接導(dǎo)線分別傳到相應(yīng)的環(huán)形線圈。單片機控制模塊分別和無線通訊模塊、存儲器相連，控制磁場檢測信號的接收和保存。
本發(fā)明的體外定位系統(tǒng)具體工作過程如下(1)將三個用以產(chǎn)生外部磁場的環(huán)形線圈1固定在被檢查者腹部體表三個位置，并將體外數(shù)據(jù)記錄儀3固定在被檢查者的腰部皮帶上，三個環(huán)形線圈1分別經(jīng)連接導(dǎo)線2連接到體外數(shù)據(jù)記錄儀3。(2)膠囊從口腔吞入，按下體外數(shù)據(jù)記錄儀電源開關(guān)，單片機控制電路發(fā)出多路開關(guān)通道選擇信號和通斷控制信號給多路開關(guān)，這樣加在多路開關(guān)輸入端的從恒流源輸出的恒定激磁電流就經(jīng)多路開關(guān)依次提供給3個環(huán)形線圈，在人體周圍激發(fā)出靜磁場。(3)膠囊內(nèi)的三軸磁場傳感器檢測其所在位置處的磁感應(yīng)強度，并由膠囊內(nèi)的信號處理模塊依次采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送給膠囊內(nèi)的無線通訊模塊調(diào)制發(fā)射。(4)體外數(shù)據(jù)記錄儀接收膠囊發(fā)射的磁場檢測信號和時間值并保存在記錄儀中的存儲器內(nèi)。(5)膠囊從體內(nèi)排出后，體外數(shù)據(jù)記錄儀報警提示，關(guān)斷數(shù)據(jù)記錄儀電源，取下環(huán)形線圈和數(shù)據(jù)記錄儀。(6)通過讀卡機將體外數(shù)據(jù)記錄儀存儲器內(nèi)保存的數(shù)據(jù)讀入計算機，得到每一采樣周期內(nèi)三個環(huán)形線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值和對應(yīng)時間值。(7)根據(jù)每一采樣周期的三個磁感應(yīng)強度值，通過計算機軟件用數(shù)值計算方法求解出每一時刻膠囊在體內(nèi)的位置。(8)獲得膠囊每一時刻的位置信息后，還可以從總體上了解膠囊在人體內(nèi)的通過過程、通過時間，進而描繪出膠囊在體內(nèi)的三維軌跡。本發(fā)明的技術(shù)原理空間一個小的電流環(huán)路，半徑為a，考慮該電流環(huán)在r處所產(chǎn)生的磁場，若 則該電流環(huán)就相當于一個磁偶極子的作用?？臻g任意位置r′(x′，y′，z′)處任意指向的磁偶極子在周圍空間所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度分布規(guī)律為 R＝r-r′其中r′(x′，y′，z′)為磁偶極子中心位置坐標，r(x，y，z)為場點坐標。R為磁偶極子和測量點之間的矢量距離，其方向由源點指向場點。m為磁矩。
在膠囊內(nèi)安裝一個三軸磁場傳感器，三軸磁敏傳感器可測空間任意一點的磁場的三維分量及該磁場的矢量方向。在體表處設(shè)置三個環(huán)形線圈，當對環(huán)形線圈加載電流后，環(huán)形載流線圈就可以看成一個磁偶極子。以膠囊內(nèi)三軸磁場傳感器中心為原點，傳感器的三軸方向為坐標軸建立參考坐標系{x′y′z′}。考察體外環(huán)形載流線圈在傳感器處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。以人體臍部為原點，水平向右為x軸，垂直向上為y軸建立基本坐標系{xyz}。在基本坐標系內(nèi)，每個線圈的位置、方向固定，假定已知第i個線圈的坐標為(xi，yi，zi)，通電后產(chǎn)生的磁矩為mi＝{mix，miy，miz}。設(shè)某一時刻傳感器中心在基本坐標系內(nèi)的坐標為(x0，y0，z0)，則磁偶極子i在該點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度由式(1)確定，記為B′i＝{B′ix，B′iy，B′iz}，分別沿x，y，z方向。
B′i＝{B′ix，B′iy，B′iz}＝f(x0，y0，z0)設(shè)環(huán)形線圈i被激勵時，三軸磁場傳感器所測得的場強為Bi＝{Bxi，Byi，Bzi}，分別沿x′，y′，z′方向。為此需要將環(huán)形線圈的磁場對參考坐標系矢量分解成B′i＝{B′ix′，B′iy′，B′iz′}。設(shè)該時刻基本坐標系相對于參考坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣為T，T由基本坐標系{xyz}的三個主矢量x，y，z相對于參考坐標系{x′y′z′}的方向余弦組成。
T=[r1,r2,r3]=r11r12r13r21r22r23r31r32r33]]>式中，r1，r2，r3都是單位矢量，且兩兩相互垂直，因此滿足6個約束條件(正交條件)，只有3個元素是獨立的，用(r1，r2，r3)代表。
則B′ix′B′iy′B′iz′=r11r12r13r21r22r23r31r32r33B′ixB′iyB′iz]]>B′ix′＝f(x0，y0，z0，r1，r2，r3)可見磁場傳感器所測得的每個磁場強度分量都是代表膠囊位置和方向的6個未知參數(shù)(x0，y0，z0，r1，r2，r0)的函數(shù)。為此必須聯(lián)立6個以上方程求解這6個參數(shù)，因此在體表設(shè)置了三個環(huán)形線圈。
權(quán)利要求
1.一種全消化道吞服式遙測膠囊體外電磁勵磁式定位系統(tǒng)，由體內(nèi)和體外兩個部分組成，其特征在于體內(nèi)部分包括密封在膠囊內(nèi)的一個三軸磁場傳感器、信號處理模塊和無線通訊模塊，三軸磁場傳感器連接到信號處理模塊，信號處理模塊的輸出連接無線通訊模塊，由無線通訊模塊向體外傳遞檢測信號；體外部分包括用于產(chǎn)生靜磁場的三個環(huán)形線圈(1)和體外數(shù)據(jù)記錄儀(3)，三個環(huán)形線圈(1)分別固定在人體表的相應(yīng)位置，分別通過三根連接導(dǎo)線(2)和體外數(shù)據(jù)記錄儀(3)相連；體外數(shù)據(jù)記錄儀由無線通訊模塊、單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、存儲器及電源模塊組成，電源模塊分別和單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)，無線通訊模塊、存儲器相連并提供電源，恒流源電路連接在多路開關(guān)的輸入端，為多路開關(guān)提供恒定激磁電流，單片機控制電路和多路開關(guān)連接，單片機控制電路產(chǎn)生多路開關(guān)通道選擇信號和多路開關(guān)開啟、關(guān)閉控制信號，多路開關(guān)輸出的激磁脈沖信號通過連接導(dǎo)線分別傳到相應(yīng)的環(huán)形線圈，單片機控制模塊分別和無線通訊模塊、存儲器相連，控制磁場檢測信號的接收和保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的全消化道吞服式遙測膠囊體外電磁勵磁式定位系統(tǒng)，其特征在于所述體外數(shù)據(jù)記錄儀的存儲器通過讀卡機連接計算機，由計算機根據(jù)每一采樣時刻三個環(huán)形線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值求解出每一時刻膠囊在體內(nèi)的位置，并由此獲得膠囊在人體內(nèi)的通過過程及通過時間，進而獲得膠囊在體內(nèi)的三維軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的全消化道吞服式遙測膠囊體外電磁勵磁式定位系統(tǒng)，其特征在于所述體外數(shù)據(jù)記錄儀在膠囊排出體外時進行報警提示。
全文摘要
一種全消化道吞服式遙測膠囊體外電磁勵磁式定位系統(tǒng)，包括密封在膠囊內(nèi)的三軸磁場傳感器、信號處理模塊和無線通訊模塊，體外三個靜磁場激發(fā)環(huán)形線圈和由單片機控制電路、恒流源電路、多路開關(guān)、無線通訊模塊、存儲器、電源模塊組成的體外數(shù)據(jù)記錄儀。系統(tǒng)工作時，三個環(huán)形線圈固定在體表并由數(shù)據(jù)記錄儀依次提供激磁電流產(chǎn)生磁場，體內(nèi)膠囊中的三軸磁場傳感器依次檢測三個線圈的磁感應(yīng)強度值，由信號處理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過無線通訊模塊發(fā)射，由體外數(shù)據(jù)記錄儀接收并保存到存儲器。膠囊停止工作后，由計算機根據(jù)每一時刻對應(yīng)的三個場強值獲得該時刻膠囊的位置，并由此獲得膠囊在人體內(nèi)的通過過程及通過時間，進而獲得膠囊在體內(nèi)的三維軌跡。
文檔編號A61B5/06GK1620985SQ200410093139
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者顏國正, 姜萍萍 申請人:上海交通大學(xué)