基于膠囊式內(nèi)窺鏡的磁場(chǎng)定位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.引言

隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，內(nèi)窺鏡技術(shù)已取得了重大的研究成果，特別是人體胃腸道無(wú)線(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡是醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的一個(gè)重大突破[1-4]。圍繞著膠囊式內(nèi)窺鏡，越來(lái)越多的研究正在展開(kāi)。但是無(wú)線(xiàn)內(nèi)窺鏡膠囊也存在不少問(wèn)題，2004年的歐洲技術(shù)報(bào)告中指出，運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制功能的實(shí)現(xiàn)是需要首先解決的問(wèn)題，包括運(yùn)動(dòng)控制和定位問(wèn)題[5]，而為了保證在診斷治療過(guò)程中運(yùn)動(dòng)和定位問(wèn)題的有效性，對(duì)這些微型醫(yī)療膠囊在體內(nèi)的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位位置檢測(cè)就顯得極其重要了。在體內(nèi)微型診療裝置的定位技術(shù)方面，傳統(tǒng)的方法一般都采用超聲成像、核醫(yī)學(xué)影像及熒光造型定位等技術(shù)[6]，但是這些定位方法卻存在著成本高、操作復(fù)雜，對(duì)人體容易造成輻射和無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)定位的缺點(diǎn)。許多學(xué)者對(duì)裝置定位系統(tǒng)進(jìn)行了的研究，提出了磁定位的簡(jiǎn)化模型及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)[7-9]。

為了更好地滿(mǎn)足永磁體用于體內(nèi)微型膠囊準(zhǔn)確定位測(cè)量的要求，在本文中作者設(shè)計(jì)了一種基于HMC1022和HMC1021三軸磁阻傳感器模塊，經(jīng)兩級(jí)放大電路放大后，由數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)膠囊空間磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行多點(diǎn)采集的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了較以往更高靈敏度的磁阻傳感器模塊，合理的布置傳感器模塊組，具有更高檢測(cè)靈敏度高和測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

2.膠囊定位檢測(cè)原理

磁感應(yīng)定位是利用磁阻傳感器的霍爾效應(yīng)，即根據(jù)永磁體隨著其磁矩方向和距離的變化在空間磁場(chǎng)形成特定規(guī)律的磁場(chǎng)分布。相應(yīng)地，通過(guò)檢測(cè)特定磁場(chǎng)參數(shù)的變化，我們就能夠測(cè)量永磁體在空間位置的變化，并確定其在空間的具體位置[9]。

在人體內(nèi)，膠囊可看作剛體。同時(shí)，為了磁阻傳感器模塊定位的需要，在膠囊內(nèi)部放置圓柱永磁體。如圖1所示，膠囊在空間的位姿可以由其內(nèi)部任意點(diǎn)的位置 以及膠囊內(nèi)永磁體的磁矩方向與柱面坐標(biāo)系所形成的兩角 表示，其中 為膠囊中心點(diǎn)的坐標(biāo)， 為膠囊磁矩方向與柱坐標(biāo)的夾角， 空間原點(diǎn)坐標(biāo)系。

當(dāng)膠囊中圓柱永磁體的尺寸遠(yuǎn)小于其到磁傳感器距離r時(shí)，永磁體可簡(jiǎn)化成一個(gè)磁偶極子，可以直接寫(xiě)出膠囊在磁阻傳感器模塊的磁感應(yīng)強(qiáng)度[10]：