基于霍尔传感器阵列和OpenGL技术的三维恒定磁源定位系统

论文摘要

目前,无创、微创诊疗正是医疗领域重要的发展方向,药丸式无线内窥镜,药丸式施药装置作为最近发展起来的诊疗技术,其无创、快速的优势被采用在临床及药物研发领域当中,这其中有些技术已经得到市场化的检验,比如M2A,重庆金山公司的胶囊内窥镜等等,同时,越来越多的研发人员正不断推动该技术往着低成本,主动式,更加准确等方向发展。在药丸式微型诊疗设备的应用过程中,如何对进入人体的设备进行有效的检测,能实时知道进入人体的微型装置到底在什么位置及其运行轨迹,医疗人员或科技工作者才能实现对微型装置有效的控制,因此,对于进入人体的微型装置的定位方法便成为药丸式微型诊疗应用过程中的关键环节。传统上,对于进入人体的诊疗装置的定位方式主要为X-光设备,超声定位,ECT定位,基于Squid对磁标记定位等,X光定位和ECT定位方式存在辐射问题,患者长期处于辐射照射下势必会有害健康,同时X光定位也存在三维信息不明显,定位不直观的缺点。超声定位中温度、湿度、气流以及发射器的尺寸都影响了定位精度。Squid设备由于其昂贵的成本,使普通消费者望而却步。因此,采用一种无创,实时,简便,成本低廉的定位方式成为人们研究重点。基于霍尔原理的磁定位方式具有非接触、快速、应用简便的特点,霍尔传感器也被广泛的应用在位置检测、电流等领域当中,本系统采用了基于霍尔原理的磁场检测方法,在微型医疗装置内布置了恒定磁源,检测进入人体后微型装置的磁场信息,为了在空间内有效检测,研发了三维空间磁场检测的传感器模块,该模块采用了背靠背式的传感器布置,并布置了传感器模块阵列,覆盖了人体腹部区域以便准确检查。传感器模块检测空间磁场信息之后,便由USB接口的多通道数据采集卡进行数据采集,数据被采集进入计算机后,进行滤波处理,并采用基于磁偶极子模型的定位算法对磁场信息中包含的位置信息进行计算,并得出结果。为了更加直观的对定位结果进行观测,开发了基于OpenGL技术的三维操作界面,对整个定位过程进行控制,显示并记录结果,该操作软件还提供了中间数据和结果数据的读写功能,以便对定位过程进行回放,便于技术的改进。在该技术的实施过程中,地磁场由于与恒定磁源具有相同的磁场性质,对于地磁场的消除我们尝试了独立分量分析（ICA）算法和地磁场标定算法进行分离,从实际检测结果可以看出,地磁场标定算法具有简单,高效,准确滤除地磁场干扰的特点,因此在实际中得到应用。对于定位准确性,论文讨论了磁偶极子理想化模型在定位过程中的适用范围,该理想化模型中磁源距离传感器模块较近的情况下便会引起磁偶极子模型的失真,这也是误差产生的重要原因。目前,已经开发了基于霍传感器阵列和OpenGL技术实验室样机,并进行了模拟肠道实验和初步的人体试验,通过模拟肠道实验,可以看到该系统能反映微型装置的走向,在定位精度上存在一定误差,在人体试验中,由于人体肠道复杂的分布,实验结果密集程度反映了人体肠道的分布情况,但是如何对人体肠道中的微型装置位置直观有效的表达出来,仍需要进一步的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 消化道微型诊疗机器人研究进展
• 1.1.1 传统的内窥镜
• 1.1.2 无线内窥镜
• 1.1.3 消化道特定部位药物释放药丸
• 1.1.4 消化道采样系统
• 1.1.5 消化道物理化学参数监测
• 1.1.6 消化道手术机器人
• 1.1.7 讨论
• 1.2 微型诊疗装置体外定位技术研究进展
• 1.2.1 国内外研究情况
• 1.2.2 传统提出的磁电定位方式
• 1.3 基于永磁体磁场和霍尔传感器阵列的定位跟踪技术
• 1.3.1 国内外研究背景
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 理论依据
• 1.3.4 目前研究进展
• 1.3.5 小结
• 2 空间磁场的检测
• 2.1 霍尔传感器原理
• 2.1.1 霍尔原理
• 2.1.2 霍尔传感器A1321
• 2.2 磁偶极子模型
• 2.3 信号采集及放大
• 2.4 霍尔传感器模块
• 2.5 传感器模块的性能检测
• 2.5.1 传感器的选择
• 2.5.2 灵敏度
• 2.5.3 温度稳定性
• 2.5.4 时间稳定性
• 2.5.5 检测区域
• 2.6 传感器阵列
• 3 信号采集和处理
• 3.1 定位背心的设计
• 3.1.1 定位背心框架设计
• 3.1.2 系统供电
• 3.2 信号采集
• 3.3 数字滤波
• 4 地磁场干扰的抑制及定位算法
• 4.1 独立分量分析算法
• 4.2.1 盲分离技术和高阶统计量
• 4.2.2 独立分量分析简介
• 4.2.3 独立分量分析的数据预处理
• 4.2.4 独立分量算法优化
• 4.2.5 基于信息论判断准则的ICA 算法
• 4.2.6 实验测试
• 4.2.7 结果分析
• 4.2 地磁场标定算法
• 4.2.1 算法说明
• 4.2.2 实验验证
• 4.3 定位算法
• 5 基于 OpenGL 的数据显示
• 5.1 OpenGL 简介
• 5.2 Visual Basic 环境下实现 OpenGL
• 5.2.1 OpenGL 实现功能
• 5.2.2 OpenGL 的工作方式
• 5.2.3 OpenGL 中数据的处理
• 5.2.4 Visual Basic 下调用OpenGL 库函数
• 5.3 OpenGL 场景的初始化
• 5.3.1 建立OpenGL 场景
• 5.3.2 像素格式的设置
• 5.3.3 视区的设置
• 5.3.4 清空窗口
• 5.3.5 颜色的设置
• 5.3.6 光照的设置
• 5.3.7 材质和混合的设置
• 5.3.8 状态机的管理
• 5.4 三维场景的实现
• 5.4.1 绘制场景背景
• 5.4.2 人体的绘制
• 5.4.3 定位点的表达
• 5.4.4 交互功能的实现
• 5.5 程序控制
• 5.5.1 程序主界面
• 5.5.2 主要功能
• 6 实验部分
• 6.1 模拟实验
• 6.1.1 实验步骤
• 6.1.2 实验结果
• 6.1.3 测量误差
• 6.2 人体试验
• 6.2.1 目的要求
• 6.2.2 试验设备
• 6.2.3 试验要求
• 6.2.4 试验步骤
• 6.2.5 试验结果
• 6.3 结果分析
• 7 讨论及总结
• 7.1 误差分析
• 7.2 定位算法局限性探讨
• 7.2.1 磁偶极子的标量模型
• 7.2.2 Cm 试验
• 7.2.3 结果分析
• 7.2.4 磁偶极子模型中算法中的意义
• 7.3 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A“消化道微型药丸磁定位”实验志愿者知情同意书
• B 论文发表情况