專利名稱：微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械，尤其涉及一種采用交流勵磁遙測定位方式對介入式微 型診療裝置在消化道的空間方位進行實時跟蹤的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)、MEMS (微型機電系統(tǒng))技術(shù)、機器人技術(shù)、無線通信等技術(shù)的發(fā) 展，微型介入式診療裝置已成為現(xiàn)代醫(yī)療器械的研究熱點與發(fā)展方向。微型化使診療裝置 能進入人體消化道，能夠監(jiān)測消化道生理參數(shù)、識別病變組織、并主動施藥治療或進行手 術(shù)。在醫(yī)療應(yīng)用中，醫(yī)生們在使用介入式診療裝置時，往往需要知道這些微型診療裝 置在病人體內(nèi)的確切位置，然而這不能通過直接的方法得到，對介入式診療裝置的跟蹤定 位成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于消化道內(nèi)目標(biāo)物的定位，臨床上一般采用的方法有 X射線圖像法、核醫(yī)學(xué)顯像法、實時超聲法。這些方法具有一定的輻射傷害，不能連續(xù)數(shù)小時 進行監(jiān)測，并且需要大型昂貴的設(shè)備，使得檢查只能在一定的場所進行，影響了病人的正常 工作和生活。目前也有相關(guān)文獻報道了永磁定位跟蹤法，將微型永磁體作為定位標(biāo)記源，置 于微診療裝置中，在被測者腹部周圍，布置一定數(shù)量的霍爾傳感器，用來檢測永磁體在空間 產(chǎn)生的磁場強度，由此反求出目標(biāo)的空間方位。由于磁標(biāo)記物的體積在空間上受到介入式 微型診療裝置的限制，導(dǎo)致磁場信號強度受限，當(dāng)磁標(biāo)記物距傳感器距離較遠時，磁場傳感 器不能分辨微弱的信號，導(dǎo)致定位失效。目前報道的磁標(biāo)記定位法的測量精度和探測距離 與實用性還有較大差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種能對介入式微型診療裝置在消 化道內(nèi)的空間方位進行實時連續(xù)跟蹤的微型介入式診療裝置的遙測跟蹤定位系統(tǒng)。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種微型介入式診療裝置的跟 蹤定位系統(tǒng)，包括交變磁場發(fā)生器、無線磁傳感器、傾角監(jiān)測器和數(shù)據(jù)接收器；交變磁場發(fā) 生器包含多個發(fā)射線圈并通過多個發(fā)射線圈分時產(chǎn)生交變磁場；無線磁傳感器與微型介入 式診療裝置固定在一起，無線磁傳感器檢測所在位置的磁場強度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收 器；傾角監(jiān)測器實時監(jiān)測發(fā)射線圈的傾角值并傳送到數(shù)據(jù)接收器；數(shù)據(jù)接收器接收無線磁 傳感器和傾角監(jiān)測器發(fā)送或傳送來的數(shù)據(jù)并將所有數(shù)據(jù)寫入存儲卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù) 據(jù)接收器設(shè)有外部接口，使存儲卡上存儲的數(shù)據(jù)能傳送到計算機中，進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析 和處理。所述的交變磁場發(fā)生器還包括交變分時勵磁裝置，所述的多個發(fā)射線圈用于固定 在人體腹部的不同位置并分別通過信號線與交變分時勵磁裝置相連，交變分時勵磁裝置對 多個發(fā)射線圈分時激勵，分時產(chǎn)生交變磁場。所述的交變分時勵磁裝置包括波形產(chǎn)生模塊和時序控制模塊；波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生特定頻率的正弦信號輸出到時序控制模塊，時序控制模塊將正弦信號分時輸送至各發(fā)射線 圈，控制各發(fā)射線圈分時激勵，保證任意時刻都只有一個發(fā)射線圈工作。所述的無線磁傳感器包括探測線圈、信號處理及控制模塊和無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊； 探測線圈的輸出連接信號處理及控制模塊；信號處理及控制模塊與無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊輸入 輸出雙向連接；無線發(fā)射模塊將檢測到的信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收器。所述的傾角監(jiān)測器包括傾角傳感器和信號調(diào)理電路，傾角傳感器的輸出連接信號 調(diào)理電路，信號調(diào)理電路的輸出連接數(shù)據(jù)接收器。本發(fā)明的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點和特點1、采用了交流勵磁定位技術(shù)，利用人體介質(zhì)的非導(dǎo)磁性，定位方法不受人體介質(zhì) 干擾，定位原理可靠，實現(xiàn)了空間方位非接觸式連續(xù)測量，解決了微型介入式診療裝置在消 化道內(nèi)的遙感跟蹤問題。2、定位技術(shù)基于交變磁場的測量，可以有效避免定位過程中受到地磁干擾等各種 準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境干擾，定位系統(tǒng)抗干擾能力強、穩(wěn)定性好。3、無線磁傳感器的信號處理及控制模塊采用了信號特征量提取的方法，無需對探 測線圈輸出的動態(tài)信號進行實時采集，簡化了數(shù)據(jù)采集、處理和存儲，降低了裝置的功耗。4、采用了傾角監(jiān)測器，實時監(jiān)測由于人體活動導(dǎo)致發(fā)射線圈相對于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的 傾角，由此對定位計算進行修正，進一步提高定位精度。5、本發(fā)明對人體無損傷，不會造成輻射傷害。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的無線磁傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明中的信號處理及控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本發(fā)明中的數(shù)據(jù)接收器的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，包括交變磁場發(fā)生器 1、傾角監(jiān)測器2、無線磁傳感器3和數(shù)據(jù)接收器4。交變磁場發(fā)生器1由多個發(fā)射線圈(未 圖示出來)和交變分時勵磁裝置組成，多個發(fā)射線圈固定于人體腹部的不同位置，并通過 信號線與交變分時勵磁裝置相連，交變分時勵磁裝置產(chǎn)生正弦波信號，并通過時序控制電 路控制，保證每個發(fā)射線圈分時勵磁，分時產(chǎn)生交變磁場；傾角監(jiān)測器2包括傾角傳感器和 信號調(diào)理電路，傾角傳感器的輸出連接信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路進行信號處理和提取， 傾信號調(diào)理電路的輸出連接到數(shù)據(jù)接收器。無線磁傳感器3與消化道內(nèi)的定位目標(biāo)物微型 介入式診療裝置固定在一起，檢測目標(biāo)位置的磁場強度，并將檢測的信號無線發(fā)送到體外； 數(shù)據(jù)接收器4 一方面與無線磁傳感器3通訊完成數(shù)據(jù)的無線接收，另一方面接收傾角監(jiān)測 器2傳送的數(shù)據(jù)，然后將所有數(shù)據(jù)寫入存儲卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)接收器4上設(shè)有外部 接口，使數(shù)據(jù)能傳送到計算機中，進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。參見圖2，本發(fā)明中的無線磁傳感器3主要包含探測線圈31、信號處理及控制模塊 32、無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊33、天線34、電源35和電源管理模塊36。電源管理模塊36將電池電源能量轉(zhuǎn)換為各電路模塊所需的電壓等級，并對各電路模塊的電源時序進行控制，最大限 度地節(jié)省功耗，保證無線磁傳感器具有足夠的工作時間。探測線圈31的輸出連接信號處理 及控制模塊32，信號處理及控制模塊32的一個輸出連接電源管理模塊36，信號處理及控制 模塊32與無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊33雙向連接，一方面，信號處理及控制模塊輸出至無線發(fā)射模 塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，另一方面，無線發(fā)射模塊將握手通訊信號傳送給信號處理及控制模塊。無 線發(fā)射模塊采用射頻通訊的方式，經(jīng)由天線34將信號無線傳輸?shù)襟w外。參見圖3，本發(fā)明中的無線磁傳感器3中的信號處理及控制模塊32由以下四部分 組成自適應(yīng)增益控制及濾波模塊321、有效值檢測模塊322、采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊323、信號 控制模塊324。信號控制模塊3M的多個輸出端分別連接自適應(yīng)增益控制及濾波模塊321、 有效值檢測模塊322和采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊323，控制各模塊按流程協(xié)調(diào)工作。自適應(yīng)增益 控制及濾波模塊321的輸出連接有效值檢測模塊322，采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊323的輸入連接 有效值檢測模塊322。參見圖4，本發(fā)明中的數(shù)據(jù)接收器4的功能是無線接收并存儲數(shù)據(jù)，其主要包括 無線數(shù)據(jù)接收模塊41、天線42、存儲卡43、外部接口模塊44、控制器45、電池組46和電源管 理模塊47?？刂破?5分別與無線數(shù)據(jù)接收模塊41、存儲卡43及外部接口模塊44輸入輸 出雙向連接。本發(fā)明的工作原理是，無線磁傳感器隨著定位目標(biāo)物(微型介入式診療裝置)一 起處于消化道內(nèi)，交變磁場發(fā)生器布置在體表的相應(yīng)位置。初始工作時，交變磁場發(fā)生器與 無線磁傳感器首先進行握手通信。握手通信成功后，由交變電磁場發(fā)射裝置按照激勵時序 對各個發(fā)射線圈進行分時勵磁，使發(fā)射線圈依次工作，產(chǎn)生特定頻率的交變磁場。無線磁傳 感器中的探測線圈敏感到空間交變磁場的變化，并將空間交變的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，實 現(xiàn)非電信號的電測量。探測線圈測量空間交變磁場的原理如下。勵磁線圈在空間產(chǎn)生交變電磁場，從而 引起了通過探測線圈的磁通量的變化。設(shè)探測線圈匝數(shù)為N，面積為S，l·^為真空磁導(dǎo)率， 交變分時勵磁裝置對發(fā)射線圈進行正弦激勵，則磁感應(yīng)強度可以表示如下B = Bp .sincot(1)式中，艮為交變磁感應(yīng)強度變化的幅值。由法拉第電磁感應(yīng)定律，探測線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e與垂直于感應(yīng)線圈平面
的交變磁感應(yīng)強度幅值&有如下關(guān)系式 r ，did(Bn -sini 0e{t) = -N--^ = -N-S--已-=-N-S - ω - Bp .cosot(2)
dt dt則感應(yīng)電動勢的有效值&與磁感應(yīng)強度有效值Bm之間滿足如下線性關(guān)系 =N· S · ω · Bm(3)由交流勵磁線圈的空間磁場分布可知，空間交變磁場的磁感應(yīng)強度有效值與空間 坐標(biāo)具有確定的函數(shù)關(guān)系式。因此探測線圈輸出的感應(yīng)電動勢信號與其空間坐標(biāo)具有函數(shù) 關(guān)系，根據(jù)不同位置發(fā)射線圈在探測線圈上輸出的電信號值，結(jié)合感應(yīng)電動勢與空間方位 的函數(shù)關(guān)系，可聯(lián)立得到一個非線性方程組，由優(yōu)化算法可求出目標(biāo)物的空間方位。探測線圈輸出連接到信號處理及控制模塊，信號處理及控制模塊將探測線圈的輸 出信號進行自適應(yīng)放大、濾波、提取交變信號的特征量、最終得到包含感應(yīng)電動勢特征量的有用電信號，將有用的信號進行數(shù)據(jù)采樣及AD轉(zhuǎn)換后寫入單片機，無線發(fā)射到體外的數(shù)據(jù) 接收器；同時，與外部的數(shù)據(jù)接收器進行握手通訊，負責(zé)有序地指揮整個無線傳感器的工作 與休眠，完成整個裝置內(nèi)部各模塊之間的功能協(xié)調(diào)和控制、傳感器增益的自適應(yīng)調(diào)整。由于體外有多個發(fā)射線圈分時工作，不同位置的發(fā)射線圈工作時，無線磁傳感器 接收的信號大小不同，因此，體內(nèi)的無線磁傳感器按照工作時序依次接收不同位置的發(fā)射 線圈在目標(biāo)方位處產(chǎn)生的磁場數(shù)據(jù)，并保證接收數(shù)據(jù)與發(fā)射線圈的對應(yīng)關(guān)系。體內(nèi)的無線 磁傳感器檢測的數(shù)據(jù)必須通過射頻通信發(fā)射到體外的接收裝置進行存儲。每一輪次的發(fā)射 線圈激勵都按相同的激勵時序進行，在每一輪激勵開始前，使交變磁場發(fā)生器與無線磁傳 感器進行握手通信，則此后按照工作時序依次接收數(shù)據(jù)，即可將無線磁傳感器檢測的磁場 數(shù)據(jù)與相應(yīng)的發(fā)射線圈對應(yīng)起來。在建立發(fā)射線圈的空間交變磁場強度與空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系時，引入了發(fā)射線圈 的軸線平行于水平線的假設(shè)條件。而在實際應(yīng)用時，由于人體活動導(dǎo)致發(fā)射線圈與水平線 存在夾角。為了消除由此引起的定位偏差，當(dāng)每一輪次的發(fā)射線圈勵磁時，數(shù)據(jù)接收器在接 收無線磁傳感器的數(shù)據(jù)外，還要接收傾角監(jiān)測器傳送的數(shù)據(jù)，獲取發(fā)射線圈的傾角值，以此 修正計算中發(fā)射線圈的角度值，提高定位精度。數(shù)據(jù)接收器可實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的實時獲取模式和存儲模式。在實時獲取模式下，通 過接收器的接口模塊，與上位計算機實時通訊，將測量中無線接收到的數(shù)據(jù)傳送到上位計 算機中。在存儲模式下，將定位測量數(shù)據(jù)寫入多媒體存儲卡，生成數(shù)據(jù)文件，待測量完畢后， 將多媒體卡從無線數(shù)據(jù)接收器中抽出，插入讀卡器中，或者利用數(shù)據(jù)接收器的外部接口模 塊與上位計算機相連，即可將卡中的數(shù)據(jù)文件讀入上位計算機中，在計算機中進行數(shù)據(jù)分 析和處理，獲取目標(biāo)物的空間方位信息。
權(quán)利要求
1.一種微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于包括交變磁場發(fā)生器、無 線磁傳感器、傾角監(jiān)測器和數(shù)據(jù)接收器；交變磁場發(fā)生器包含多個發(fā)射線圈并通過多個發(fā) 射線圈分時產(chǎn)生交變磁場；無線磁傳感器與微型介入式診療裝置固定在一起，無線磁傳感 器檢測所在位置的磁場強度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器；傾角監(jiān)測器實時監(jiān)測發(fā)射線圈的 傾角值并傳送到數(shù)據(jù)接收器；數(shù)據(jù)接收器接收無線磁傳感器和傾角監(jiān)測器發(fā)送或傳送來的 數(shù)據(jù)并將所有數(shù)據(jù)寫入存儲卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)接收器設(shè)有外部接口，使存儲卡上存 儲的數(shù)據(jù)能傳送到計算機中，進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。
2.如權(quán)利要求1所述的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述的交 變磁場發(fā)生器還包括交變分時勵磁裝置，所述的多個發(fā)射線圈用于固定在人體腹部的不同 位置并分別通過信號線與交變分時勵磁裝置相連，交變分時勵磁裝置對多個發(fā)射線圈分時 激勵，分時產(chǎn)生交變磁場。
3.如權(quán)利要求2所述的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述的交 變分時勵磁裝置包括波形產(chǎn)生模塊和時序控制模塊；波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生特定頻率的正弦信 號輸出到時序控制模塊，時序控制模塊將正弦信號分時輸送至各發(fā)射線圈，控制各發(fā)射線 圈分時激勵，保證任意時刻都只有一個發(fā)射線圈工作。
4.如權(quán)利要求1所述的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述的無 線磁傳感器包括探測線圈、信號處理及控制模塊和無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊；探測線圈的輸出連 接信號處理及控制模塊；信號處理及控制模塊與無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊輸入輸出雙向連接；無 線發(fā)射模塊將檢測到的信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收器。
5.如權(quán)利要求1所述的微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述的傾 角監(jiān)測器包括傾角傳感器和信號調(diào)理電路，傾角傳感器的輸出連接信號調(diào)理電路，信號調(diào) 理電路的輸出連接數(shù)據(jù)接收器。
全文摘要
一種微型介入式診療裝置的跟蹤定位系統(tǒng)，包括交變磁場發(fā)生器、無線磁傳感器、傾角監(jiān)測器和數(shù)據(jù)接收器；交變磁場發(fā)生器分時產(chǎn)生交變磁場；無線磁傳感器與微型介入式診療裝置固定在一起，檢測所在位置的磁場強度并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器；傾角監(jiān)測器實時監(jiān)測發(fā)射線圈的傾角值并傳送到數(shù)據(jù)接收器；數(shù)據(jù)接收器將接收到的數(shù)據(jù)寫入存儲卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，存儲卡上存儲的數(shù)據(jù)能傳送到計算機中，進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。本發(fā)明能對介入式微型診療裝置在消化道內(nèi)的空間方位進行實時連續(xù)跟蹤，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，定位精度高，對人體無損傷，不會造成輻射傷害。
文檔編號A61B5/06GK102133101SQ20101010028
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者嚴(yán)榮國, 王成, 郭旭東 申請人:上海理工大學(xué)