体内胶囊内窥镜磁场定位检测系统的研究与设计

作者：曾昭瑞刘修泉张炜黄平时间：2008-08-29来源：微计算机信息收藏

摘要：本文在介绍了胶囊内窥镜系统基本定位原理的基础上，设计了一种基于HMC1022和HMC1021高灵敏度磁阻传感器对胶囊空间运动位置和方向进行定位检测的实验系统。通过实验验证，此检测系统定位准确，精度高，测量范围大，可用于体内胶囊内窥镜诊疗装置的体外实时定位。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/87547.htm

关键词 磁阻传感器 胶囊定位

　　1.引言

　　随着MEMS技术的快速发展，内窥镜技术已取得了重大的研究成果，特别是人体胃肠道无线胶囊内窥镜是医用电子内窥镜系统的一个重大突破[1-4]。围绕着胶囊式内窥镜，越来越多的研究正在展开。但是无线内窥镜胶囊也存在不少问题，2004年的欧洲技术报告中指出，运动与姿态控制功能的实现是需要首先解决的问题，包括运动控制和定位问题[5]，而为了保证在诊断治疗过程中运动和定位问题的有效性，对这些微型医疗胶囊在体内的空间位置进行实时的定位位置检测就显得极其重要了。在体内微型诊疗装置的定位技术方面，传统的方法一般都采用超声成像、核医学影像及荧光造型定位等技术[6]，但是这些定位方法却存在着成本高、操作复杂，对人体容易造成辐射和无法满足长时间动态定位的缺点。许多学者对装置定位系统进行了的研究，提出了磁定位的简化模型及相应的动态跟踪技术[7-9]。

　　为了更好地满足永磁体用于体内微型胶囊准确定位测量的要求，在本文中作者设计了一种基于HMC1022和HMC1021三轴磁阻传感器模块，经两级放大电路放大后，由数据采集装置对胶囊空间磁场强度进行多点采集的定位系统。该系统采用了较以往更高灵敏度的磁阻传感器模块，合理的布置传感器模块组，具有更高检测灵敏度高和测量范围大的优点。

　　2.胶囊定位检测原理

　　磁感应定位是利用磁阻传感器的霍尔效应，即根据永磁体随着其磁矩方向和距离的变化在空间磁场形成特定规律的磁场分布。相应地，通过检测特定磁场参数的变化，我们就能够测量永磁体在空间位置的变化，并确定其在空间的具体位置[9]。

　　在人体内，胶囊可看作刚体。同时，为了磁阻传感器模块定位的需要，在胶囊内部放置圆柱永磁体。如图1所示，胶囊在空间的位姿可以由其内部任意点的位置以及胶囊内永磁体的磁矩方向与柱面坐标系所形成的两角表示，其中为胶囊中心点的坐标，为胶囊磁矩方向与柱坐标的夹角，空间原点坐标系。

　　当胶囊中圆柱永磁体的尺寸远小于其到磁传感器距离r时，永磁体可简化成一个磁偶极子，可以直接写出胶囊在磁阻传感器模块的磁感应强度[10]：

　　式中，为胶囊的磁矩矢量，为胶囊空间位置向量及坐标，为磁阻传感器模块位置向量及坐标，为磁阻传感器模块相对于胶囊的位置向量。为胶囊磁矩的大小，其中是布置在空间的三轴磁阻传感器模块的坐标，其坐标轴与全局坐标系重合。从式（1）可知坐标为已知量，再通过实验测量出各磁场分量，此时如果要求解出五个未知量，则至少两个三轴磁阻传感器模块才可以。

　　3．系统硬件设计

　　本系统硬件由4组三轴磁阻传感器模块（内置置位/复位电路）、放大电路和数据采集卡三部分组成。

　　3.1 磁阻传感器模块

　　图2所示为设计制作的由HMC1022和HMC1021互相垂直安装而构成的三轴磁阻传感器模块，内置置位/复位电路，用来测量胶囊内部条形磁铁在空间产生的磁感应强度，其中，HMC1022测量两个方向( 轴方向) （即公式（3）中的），而HMC1021测量一个方向( 轴方向)的磁感应强度（即公式（3）中的）。HMC1022和HMC1021分别为双轴和单轴磁阻传感器，它们除了测量磁感应强度的轴数不同外，具有相同的技术参数。HMC1022和HMC1021内集成置位/复位带，可降低温度飘移效应、非线性误差和由于有高磁场的存在导致输出信号丢失的影响[11]。