基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統及定位方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，包括：振動模塊、體外牽引永磁體、體內膠囊內窺鏡、無線接收裝置以及單片機微處理器，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膠囊內窺鏡之間形成磁路，所述體內膠囊內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微處理器相連接。同時還提供了上述定位系統的定位方法。與現有技術相比，本發明具有占用膠囊空間小，可以連續跟蹤并能夠適時地獲取膠囊內窺鏡的位置及姿態信息，為檢測人員的后續操作提供了較大的便利的技術特點，定位方法簡單易行，定位系統成本低廉、安全可靠。
【專利說明】基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統及定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子膠囊定位方法以及醫學檢測【技術領域】。具體地，涉及一種基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統及定位方法。
【背景技術】
[0002]膠囊內窺鏡最早由以色列專家提出并研制成功，其克服了傳統硬式內鏡給患者帶來的痛苦，而且可以檢測到小腸等傳統檢測方法無法檢測到的器官。然而膠囊內窺鏡在臨床應用上仍有諸多問題，膠囊內窺鏡的定位跟蹤便是其中最主要的問題。
[0003]隨著膠囊內窺鏡的發展，關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]無線射頻定位技術可以運用膠囊本身已有的射頻天線，不需在膠囊內附加任何元件，只要在體外布置若干天線接收來自膠囊內的射頻信號即可。但是，該系統的精度太低，而且臨床使用也較為困難。
[0005]超聲定位則是運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。但是該技術難以得到膠囊機器人的具體姿態，該技術至今還有待完善。其精度、速度和可實現性都有待提高。但其仍有較大的發展前景。
[0006]基于磁場定位的定位技術主要是運用霍爾元件來檢測膠囊所產生的磁場強度信息，然后通過磁場強度信息反解出膠囊的位置和姿態信息。該方法有明顯的優勢:占用膠囊空間小、可以連續跟蹤、實時性強且無副作用。
[0007]2011年美國卡內基梅隆大學的工作人員提出了一種新的膠囊內窺鏡方案。該膠囊內窺鏡采用柔軟的橡膠材料制成，因此被稱為軟膠囊內窺鏡。該內窺鏡有兩個磁鐵，允許醫生在體外通過另一個磁鐵來移動機器人或改變機器人的形狀以達到藥物釋放的目的。通過仔細操縱，它可在患者體內扭曲和自旋，甚至改變它自身的形狀。該方案運用磁鐵間的作用力來控制機器人的移動，因此對磁鐵間的距離有較高的要求。
【發明內容】
[0008]本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統及定位方法。
[0009]本發明是通過以下技術方案實現的。
[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，包括:振動模塊、體外牽引永磁體、體內膠囊內窺鏡、無線接收裝置以及單片機微處理器，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膠囊內窺鏡之間形成磁路，所述體內膠囊內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微處理器相連接。
[0011]優選地，所述體內膠囊內窺鏡包括:三軸正交線圈、數據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生的磁感應強度信息，所述數據處理電路對三軸正交線圈檢測到的磁感應強度信息放大并進行模數轉換，所述無線通信模塊與所述無線接收裝置進行無線通信。
[0012]優選地，所述振動模塊驅動所述體外牽引永磁體以一定頻率進行振動，從而產生變化的磁場，所述三軸正交線圈在變化的磁場作用下產生感應電動勢。
[0013]優選地，所述三軸正交線圈包括至少2個線圈傳感器模塊。
[0014]優選地，所述單片機微處理器通過三軸正交線圈所得到的磁感應強度信息獲得體內膠囊內窺鏡的位置及姿態信息。
[0015]優選地，所述體外牽引永磁體為軸向磁化的圓柱形磁體，所述磁感應強度包括X、Y、Z三個方向，所述單片機微處理器獲得體內膠囊內窺鏡的位置及姿態信息的具體方法為，建立空間坐標系，設(WZtl)為體外牽引永磁體的中心點坐標，(Xm，Ym，Zffl)為傳感器在坐標系中的位置，(a，b)為磁矩方向矢量與柱坐標的夾角；
[0016]設(X，Y，Z)= (Xm-X0Ym-Y0Zm-Z0)，r = (X2+Y2+Z2)1/2 則可得到磁感應強度公式如下:
[0017]B0 (Bx, By, Bz) = u 0mc/ (4 n r3)
[0018]
【權利要求】
1.一種基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，其特征在于，包括:振動模塊、體外牽引永磁體、體內膠囊內窺鏡、無線接收裝置以及單片機微處理器，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膠囊內窺鏡之間形成磁路，所述體內膠囊內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微處理器相連接。
2.根據權利要求1所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，其特征在于，所述體內膠囊內窺鏡包括:三軸正交線圈、數據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生的磁感應強度信息，所述數據處理電路對三軸正交線圈檢測到的磁感應強度信息放大并進行模數轉換，所述無線通信模塊與所述無線接收裝置進行無線通信。
3.根據權利要求2所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，其特征在于，所述振動模塊驅動所述體外牽引永磁體以一定頻率進行振動，從而產生變化的磁場，所述三軸正交線圈在變化的磁場作用下產生感應電動勢。
4.根據權利要求2所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，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.根據權利要求2所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，其特征在于，所述單片機微處理器通過三軸正交線圈所得到的磁感應強度信息獲得體內膠囊內窺鏡的位置及姿態信息。
6.根據權利要求5所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，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，所述磁感應強度包括X、Y、Z三個方向，所述單片機微處理器獲得體內膠囊內窺鏡的位置及姿態信息的具體方法為，建立空間坐標系，設(XciJc^Zci)為體外牽引永磁體的中心點坐標，(Xm, Ym, Zm)為傳感器在坐標系中的位置，(a, b)為磁矩方向矢量與柱坐標的夾角； 設(X，Y，Z) = (Xm-X0Ym-Y0Zm-Z0)，r = (X2+Y2+Z2)1/2 則得到磁感應強度公式如下:
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分別為感應線圈處X，Y，Z三個正交方向的磁感應強度，U ^為真空磁導率，mc為膠囊磁矩的大小，r為感應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； 當體外牽引永磁體隨著振動機構以一定頻率振動時，其磁感應強度會以一定規律變化，根據公式S1 =IVS，其中，Si為感應線圈所測得的感應電動勢，&為磁感應強度隨時Iat間的變化率，s為感應線圈的內部面積，當線圈測出空間方向上的感應電動勢后便求出體外牽引永磁體的位置信息。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，其特征在于，所述基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統，還包括如下任一個或任多個部件: -六自由度機械臂，所述六自由度機械臂與振動模塊的另一端相連接； -CMOS攝像機，設置于體內膠囊內窺鏡上，用于檢測人體病變部位； -計算機終端，所述計算機終端與單片機微處理器相連接，用于實時顯示體內膠囊內窺鏡的坐標信息以及體外牽引永磁體的坐標信息，并指導檢測人員的后續操作。
8.—種權利要求1至7中任一項所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統的定位方法，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律的往復運動，從而產生變化的磁場； 步驟2，體內膠囊內窺鏡的三軸正交線圈將采集到的變化磁場下的磁感應強度信息經數據處理電路放大和模數轉換，然后經無線通信模塊發送至無線接收裝置； 步驟3，單片機微處理器將無線接收裝置接收到的磁感應強度信息進行數據處理； 步驟4，單片機微處理器處理后的數據發送至計算機終端，從而實時顯示體外牽引永磁體與膠囊內窺鏡的位置及 姿態信息，用于指引檢測人員的后續操作。
9.根據權利要求8所述的基于永磁和感應線圈的膠囊內鏡空間定位系統的定位方法，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械臂進行控制。
【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 優先權日:2013年11月14日
【發明者】王坤東, 肖承東 申請人:上海交通大學