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人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统.doc

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人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统.doc

人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统 设计概述 1.设计背景 随着现代生活节奏的加快和生活水平的提高,消化道疾病的发病率急剧升高,在临床消化道疾病诊查中,无创和微创诊疗技术已得到广泛应用。目前采用的内窥镜及腔内测压术,检查前需病人清肠禁食,检查中病人往往感到痛苦,且很容易因操作不当引起组织出血或损伤,对于病人身体伤害较大,无法达到无创甚至微创的效果。因此,基于永磁体磁场和霍尔传感器阵列的体内微型医疗装置定位跟踪技术的消化道无创诊查胶囊磁定位系统,以其无创、体积小、副作用小等优点成为一个重要研究方向。而对胶囊的准确磁定位是该系统的关键。 基于MEMS技术的微型无创医疗器械,基本原理是该装置以吞服方式进入人体消化道,通过在体外跟踪其运动,在需要施药的部位由体外触发该装置的执行机构,达到定点释放药物的目的。与传统方法相比,该方法具有成本低,能耗小、便携性好、对人体组织无影响、可实时定位并连续跟踪等优点,不仅从根本上克服了传统方法的不足,还提高了检查的科学性和全面性。 2. 设计考量 (1) 在病人体内微型装置的定位技术方面,一般都采用超声成像技术定位、核医学影像技术(例如CT、MR、同位素示踪等)定位、荧光造影定位等技术。但是,这些定位方法成本高、操作复杂,特别是不能满足长时间动态定位的要求,如消化道药物释放装置通过消化道需要5~8h,实时性较差。 (2) 永磁体空间磁场有特定的分布规律,因此可以通过检测永磁体的空间磁场参数变化来确定永磁体的空间位置,这就是磁性定位的基本原理。如果在消化道微型药物释放装置内固定磁性材料,通过在体外检测永磁体磁场强度的变化,就可以计算出装置在消化道的位置,从而动态跟踪其运动轨迹。电磁定位具有造价低,定位精度高,使用方便的优点。 (3) 目前国内外研究机构提出的人体消化道无创诊查定位系统设计方案大多以单片机作为核心构建数据采集模块,然后将传感器检测的数据送至PC机进行数据处理,实现对胶囊的跟踪定位,但操作复杂,便携性差。 综合考虑以上三方面的因素,我们提出了一种基于Alter DE0多媒体开发平台的人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统。 Altera DE0多媒体开发平台是一套轻薄型的开发板,同时实现了低功耗、低成本和高性能,板上集成了Altera Cyclone III 系列中的EP3C16 FPGA,可提供15408 Les(逻辑单元)以及346 I/O,內建56个M9K记忆体模块,56个乘法器,504K RAM bits,4个锁相环,可以支持复杂的数据处理算法。 在DE0开发板上的EP3C16的FPGA中应用Nios II嵌入式处理器作为我们人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统的核心处理器,有其独特优势: 首先, Nios II软核嵌入式开发,可在多种系统设置组合中进行选择,满足成本和功能要求,可延长产品生命周期,防止出现处理器逐渐过时的情况。具有灵活性、高性能、低成本、生命周期长等特点。Nios II支持MicroC/OS-II、uClinux等多种实时操作系统,支持轻量级TCP/IP协议栈,Nios II处理器允许用户增加自定义指令和自定义硬件加速单元,无缝移植自定义外设和接口逻辑,极大地缩短了系统的开发周期。 再次,与单片机和DSP相比,FPGA在多路霍尔传感器数据并行采集方面具有明显优势。单片机受指令周期以及处理速度的影响,难以对多个通道、A/D组成的传感器阵列进行控制,且其总线宽度有限,对于多路数据采集来说,存在数据带宽不足的瓶颈。若采用多个单片机并行的方式,则又造成了系统复杂、功耗高、体积大等致命缺点。DSP虽然可以实现较高速的数据采集,但在其速度提高的同时,也增加了系统的硬件成本,特别是DSP的各种功能需要靠软件的运行来实现,其时间消耗在整个采样时间中所占比例偏大,因此其实际执行的速度和效率不高。FPGA能有效克服单片机和DSP的上述缺点,它的全部控制逻辑均由硬件完成,具有时钟频率高、内部延时小、编程配置灵活的特点,可以集采样控制、处理、缓存、传输控制和通信于一个芯片内,有利于系统的功能性和便携性设计。 功能描述 基于人体消化道无创诊查胶囊磁定位系统,医务人员可以清楚的看到患者消化道内电子药丸所在的位置,根据治疗的需要可定点诊查消化道的一些生理参数,或者通过遥控装置来控制电子药丸对人体消化道的患病部位定点施药,以达到局部精确治疗的目的。在该系统中,霍尔传感器阵列用以检测空间中磁源磁场信息,DE0开发板核心平台完成对信号的采集、预处理,并运行磁源定位算法,在三维坐标中实现对磁源位置的定位并描绘其运动轨迹。 1. 建立模型,精确定位 一个永磁体,就其在距离比其本身尺寸大得多的所有点上的磁场上而言,可近似看作磁偶极本设计中,我们拟使用直径为8 mm,高度为2mm的圆柱形永磁体。霍尔传感器的检测距离为6

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