吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療器械，尤其涉及一種用于跟蹤體內(nèi)的吞咽式電子膠囊方位的傾角 式磁跟S示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 吞咽式電子膠囊可由口服進入消化道，通過其攜帶的微型攝像系統(tǒng)將消化道內(nèi)的 圖像無線傳輸?shù)襟w外，或者通過其攜帶的多個傳感器對胃腸道內(nèi)的多元信息進行檢測和采 集，或者通過執(zhí)行機構(gòu)對局部組織進行取樣活檢。然而，醫(yī)生無法獲知吞咽式電子膠囊在體 內(nèi)的位置，由此無法將診查信息與具體部位對應(yīng)，并且也無法根據(jù)膠囊的方位準確地驅(qū)動 膠囊運動。
[0003]目前，針對吞咽式電子膠囊的跟蹤定位，眾多科研人員取得了大量研究成果。英 國的Lab-in-a-Pill膠囊內(nèi)鏡采用磁標記物定位法，跟蹤范圍為18cm以內(nèi)。Aziz等 人在膠囊內(nèi)放置圓柱形永磁體，通過體外的三軸磁阻傳感器檢測磁場來跟蹤膠囊，在 IOcmX IOcmX IOcm的跟蹤范圍內(nèi)，最大的跟蹤誤差達到3cmm。Kim等人通過在膠囊內(nèi)安裝 四個霍爾效應(yīng)傳感器，檢測外部的磁場強度，以跟蹤膠囊方位。報導(dǎo)的跟蹤范圍為：膠囊與 磁場源的相對距離在X方向從0至50mm，在y方向從-50mm至+50mm，在z方向從200mm至 300_，最大位置誤差15_。以上靜態(tài)或準靜態(tài)磁場檢測方法的跟蹤范圍和跟蹤精度仍有提 商的空間。
[0004] 由于電子元件的低頻噪聲和地磁場信號難以在靜磁信號中濾除，且僅通過磁場檢 測確定方位，導(dǎo)致磁場逆問題中未知量個數(shù)多、求解復(fù)雜。因此采用交變磁場傳感結(jié)合傾角 傳感的方法，跟蹤體內(nèi)電子膠囊的方位，具有抗干擾能力強、跟蹤范圍寬、方位求解時間短、 每輪跟蹤的采樣數(shù)據(jù)量和采樣時間短等優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，就是為了提供一種新型的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，用于跟蹤吞咽式電 子膠囊在人體消化道內(nèi)的方位。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種吞咽式電子膠囊的傾角式 磁跟蹤系統(tǒng)，包括設(shè)置在體外的磁場發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設(shè)置 在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模 塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。
[0007] 所述磁場發(fā)生器僅由單個勵磁線圈組成，不需要分時勵磁。
[0008]所述傾角式無線磁傳感模塊主要包括傾角傳感子模塊、磁傳感子模塊和無線數(shù)據(jù) 發(fā)送子模塊，傾角傳感子模塊和磁傳感子模塊的輸出分別連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述 傾角傳感子模塊由加速度傳感器、信號調(diào)理電路組成，加速度傳感器的輸出連接信號調(diào)理 電路，信號調(diào)理電路的輸出連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述磁傳感子模塊包括信號控制電 路、三軸磁傳感器、多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A / D 轉(zhuǎn)換電路，其中信號控制電路的輸出分別與多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、采樣及 A / D轉(zhuǎn)換電路及無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關(guān)、可編程放大及 濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路順序電信相連，采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路的 輸出連接信號控制電路。
[0009] 在傾角傳感子模塊中，加速度傳感器將消化道目標物的方位信號轉(zhuǎn)換為電信號， 輸出至信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路輸出至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至體外。
[0010] 在磁傳感子模塊中，三軸磁傳感器將消化道目標物所處空間位置的磁場信號轉(zhuǎn)換 為電信號，并輸出至多路模擬開關(guān)。多路模擬開關(guān)的輸入同時連接至信號控制電路，由信 號控制電路控制模擬開關(guān)的通斷，依次將三軸磁傳感器三個軸向的輸出信號傳送至后續(xù)電 路?？删幊谭糯蠹盀V波電路的輸入連接至多路模擬開關(guān)的輸出，并且，同時連接至信號控制 電路，由信號控制電路發(fā)送的控制信號調(diào)節(jié)可編程放大及濾波電路的增益倍數(shù)?？删幊谭?大及濾波電路的輸出連接至峰值檢測電路。峰值檢測電路的輸出連接至采樣及A / D轉(zhuǎn)換 電路。采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路同時與信號控制電路雙向連接，一方面采樣及A / D轉(zhuǎn)換電 路將峰值檢測電路輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸送至信號控制電路，再由信號控制電路 傳送至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；另一方面，采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路接收信號控制電路輸出的控 制量，實現(xiàn)采樣及A / D轉(zhuǎn)換功能。
[0011] 在磁傳感模塊中，可編程放大及濾波電路的增益調(diào)節(jié)形成了一個閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方 式。初始時，信號控制電路輸出一個初始的增益控制值至可編程放大及濾波電路，此時，可 編程放大及濾波電路按照初始控制值產(chǎn)生相應(yīng)的增益值，對三軸磁傳感器的輸出信號進行 初始放大，并經(jīng)過峰值檢測、采樣及A / D轉(zhuǎn)換后，傳送至信號控制電路。信號控制電路將 讀入值與程序內(nèi)設(shè)定的上限值、下限值進行比較。若讀入值在設(shè)定的上限值和下限值之間， 則信號控制電路將讀入值傳送至無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；若讀入值大于設(shè)定的上限值，則信 號控制電路重新輸出一個更小的增益控制值至可編程放大及濾波電路，等待讀取A / D轉(zhuǎn) 換后的新值；若讀入值小于設(shè)定的下限值，則信號控制電路重新輸出一個更大的增益控制 值至可編程放大及濾波電路，等待讀取A / D轉(zhuǎn)換后的新值。
[0012] 所述無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊提供便攜式數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理平臺實時監(jiān)測兩種方式； 當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線斷開時，接收到的數(shù)據(jù)被存儲至無線數(shù)據(jù)收 發(fā)模塊中的多媒體存儲卡中，待檢查結(jié)束后，由讀卡器一次性讀入數(shù)據(jù)處理平臺中；當無線 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線連通時，接收到的數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸至數(shù)據(jù) 處理平臺中，進行后續(xù)處理。
[0013] 所述數(shù)據(jù)處理平臺采用排序選擇的混沌蜂群算法，對方位信息的非線性方程組進 行求解。
[0014] 算法的具體方案說明如下：
[0015] 人工蜂群算法是模擬蜜蜂群搜索食物源進行智能采蜜的社會行為而提出的一種 優(yōu)化方法，是基于群體智能思想的一種新型啟發(fā)式算法。運用人工蜂群算法不需要獲得目 標函數(shù)的解析性質(zhì)，只需對目標函數(shù)的可行解進行優(yōu)劣的比較，通過蜜蜂個體的局部尋優(yōu) 行為，最終在群體中搜索到全局最優(yōu)值，因此適用于求解方位跟蹤數(shù)學模型的多變量目標 函數(shù)的優(yōu)化問題。
[0016] 吞咽式電子膠囊的位置與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收到的信號之間可表示為如下= 非線性方程組：
[0017] fi (A) =CiI=I, 2, 3(1)
[0018] 式中，&為方程組中第i個方程；Ci為模擬開關(guān)與三軸磁傳感器的第i個軸接通 時，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收到的信號值。
[0019] 其中，A為未知數(shù)向量，因為被跟蹤目標物的3個方向角可由傾角傳感子 模塊測量得到，因此需要求解的未知數(shù)僅包含被跟蹤目標物的3個位置坐標，則
轉(zhuǎn)換為尋找使得目標函數(shù)e (A)為極小值的向量A :
[0021] 假設(shè)初始種群含有s個解，即引領(lǐng)蜂或跟隨蜂的數(shù)量為s ;優(yōu)化函數(shù)的每個可行解 Ai(i=l，2,…，S)是一個3維向量，即蜜源的位置。在標準人工蜂群算法中，首先，引領(lǐng)蜂對 蜜源進行一次鄰域搜索，對每一個蜜源位置A i根據(jù)下式進行更新：
[0022] Vij^j+Vij (Aij-Ak