體內膠囊內窺鏡磁場定位檢測系統的研究與設計

摘要：本文在介紹了膠囊內窺鏡系統基本定位原理的基礎上，設計了一種基于HMC1022和HMC1021高靈敏度磁阻傳感器對膠囊空間運動位置和方向進行定位檢測的實驗系統。通過實驗驗證，此檢測系統定位準確，精度高，測量范圍大，可用于體內膠囊內窺鏡診療裝置的體外實時定位。

關鍵詞  磁阻傳感器   膠囊   定位 

　　1.引言

　　隨著MEMS技術的快速發展，內窺鏡技術已取得了重大的研究成果，特別是人體胃腸道無線膠囊內窺鏡是醫用電子內窺鏡系統的一個重大突破[1-4]。圍繞著膠囊式內窺鏡，越來越多的研究正在展開。但是無線內窺鏡膠囊也存在不少問題，2004年的歐洲技術報告中指出，運動與姿態控制功能的實現是需要首先解決的問題，包括運動控制和定位問題[5]，而為了保證在診斷治療過程中運動和定位問題的有效性，對這些微型醫療膠囊在體內的空間位置進行實時的定位位置檢測就顯得極其重要了。在體內微型診療裝置的定位技術方面，傳統的方法一般都采用超聲成像、核醫學影像及熒光造型定位等技術[6]，但是這些定位方法卻存在著成本高、操作復雜，對人體容易造成輻射和無法滿足長時間動態定位的缺點。許多學者對裝置定位系統進行了的研究，提出了磁定位的簡化模型及相應的動態跟蹤技術[7-9]。

　　為了更好地滿足永磁體用于體內微型膠囊準確定位測量的要求，在本文中作者設計了一種基于HMC1022和HMC1021三軸磁阻傳感器模塊，經兩級放大電路放大后，由數據采集裝置對膠囊空間磁場強度進行多點采集的定位系統。該系統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，具有更高檢測靈敏度高和測量范圍大的優點。

　　2.膠囊定位檢測原理 

　　磁感應定位是利用磁阻傳感器的霍爾效應，即根據永磁體隨著其磁矩方向和距離的變化在空間磁場形成特定規律的磁場分布。相應地，通過檢測特定磁場參數的變化，我們就能夠測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，膠囊可看作剛體。同時，為了磁阻傳感器模塊定位的需要，在膠囊內部放置圓柱永磁體。如圖1所示，膠囊在空間的位姿可以由其內部任意點的位置 以及膠囊內永磁體的磁矩方向與柱面坐標系所形成的兩角 表示，其中 為膠囊中心點的坐標， 為膠囊磁矩方向與柱坐標的夾角， 空間原點坐標系。

　　當膠囊中圓柱永磁體的尺寸遠小于其到磁傳感器距離r時，永磁體可簡化成一個磁偶極子，可以直接寫出膠囊在磁阻傳感器模塊的磁感應強度[10]：

　　式中， 為膠囊的磁矩矢量，  為膠囊空間位置向量及坐標，  為磁阻傳感器模塊位置向量及坐標， 為磁阻傳感器模塊相對于膠囊的位置向量。 為膠囊磁矩的大小，其中 是布置在空間的三軸磁阻傳感器模塊的坐標，其坐標軸與全局坐標系重合。從式（1）可知坐標 為已知量，再通過實驗測量出各磁場分量 ，此時如果要求解出 五個未知量，則至少兩個三軸磁阻傳感器模塊才可以。

　　3．系統硬件設計

　　本系統硬件由4組三軸磁阻傳感器模塊（內置置位/復位電路）、放大電路和數據采集卡三部分組成。

　　3.1 磁阻傳感器模塊

　　圖2所示為設計制作的由HMC1022和HMC1021互相垂直安裝而構成的三軸磁阻傳感器模塊，內置置位/復位電路，用來測量膠囊內部條形磁鐵在空間產生的磁感應強度，其中，HMC1022測量兩個方向( 軸方向) （即公式（3）中的 ），而HMC1021測量一個方向( 軸方向)的磁感應強度（即公式（3）中的 ）。HMC1022和HMC1021分別為雙軸和單軸磁阻傳感器，它們除了測量磁感應強度的軸數不同外，具有相同的技術參數。HMC1022和HMC1021內集成置位/復位帶，可降低溫度飄移效應、非線性誤差和由于有高磁場的存在導致輸出信號丟失的影響[11]。

　　3.2 放大電路

　　隨著距離的增加，永磁體磁場強度的分布衰減很快。鑒于上述永磁體磁場強度隨距離的變化規律，在實驗中，采用AD620這種典型的放大器件，在滿足數據采集卡的分辨率精度大于磁阻傳感器的輸出分辨率精度的要求條件下，通過計算實驗中選擇了1000倍放大倍數。

　　3.3 數據采集

　　采用PCI-1716數據采集卡將放大電路輸出信號采集進入計算機處理分析。利用LABVIEW虛擬儀器圖形化軟件編程，實現采集模擬信號、A/D轉換的功能。