一种用于消化道内微型装置磁定位的非线性方法

基于永磁体空间磁场检测的定位方法是用于消化道微型诊疗系统动态定位与跟踪的重要方法之一.本文介绍了一种用于磁定位的非线性方法,该方法基于磁偶极子的磁场分布模型和非线性最优化算法.实验结果表明该方法能够实现对φ8mm×h8mm圆柱N35钕铁硼永磁体空间位置、方向以及磁矩大小的确定,平均定位误差小于10mm,平均定向误差小于6°,磁矩计算误差小于10.5%,定位算法的运算时间小于600ms,说明该方法能够满足消化道内微型装置实时定位与跟踪的需要.     

基于磁传感器阵列的消化道微型诊疗装置定位跟踪方法

实时定位与跟踪是消化道微型诊疗装置实际应用中必须解决的关键问题。提出了一种基于三轴磁感传感器阵列的实时定位跟踪方法,使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁感传感器阵列检测永磁体的空间磁场,通过控制电路和USB接口适配器将检测出的信号传入计算机,最后由定位程序使用非线性最优化方法由磁场信号解出永磁体的位置和姿态信息。设计了磁定位系统,建立了三维实验平台,并开展了定位,模拟肠道轨迹跟踪和介质材料影响等实验。实验结果表明该系统能够对内置小型永磁体的电子胶囊的位置和姿态进行非接触测量,对于距离传感器阵列平面150mm的电子胶囊,平均定位精度小于7mm,平均定向精度小于6度,该系统能够对在距离传感器阵列平面80mm至250mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现轨迹跟踪,并且定位精度对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感。该系统基本能够满足消化道微型诊疗装置在体内的实时定位与连续跟踪的要求。     

应用磁传感器阵列定位跟踪消化道诊疗胶囊

为实现对消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与跟踪,建立了一种基于三轴磁传感器阵列的磁目标实时定位跟踪系统.该系统使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁传感器阵列检测固定在电子胶囊中的永磁体产生的磁场,通过控制电路和USB接口适配器,将检测出的磁场信号传入计算机,使用非线性最优化方法由磁场信号解出电子胶囊的位置和姿态信息,最后由定位软件实时显示定位结果并保存数据.实验结果表明,该系统对于距离传感器阵列平面150 mm的电子胶囊,平均定位精度＜7 mm,平均定向精度＜6°;同时,该系统能够对距离传感器阵列平面60～220 mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现实时跟踪;并且该系统对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感,基本上能够满足消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与连续跟踪的要求.     

消化道微诊疗装置的定位微粒群算法研究

为了对消化道内的微诊疗装置实现无创遥测跟踪,采用了多磁源的交流励磁定位新方法,在体外布置多个线圈,分时励磁产生交变磁场,通过无线磁传感器检测消化道内目标物所处的空间磁场,即可结合定位模型求解出目标方位。在方位求解中,针对高次非线性定位方程组变量多、不单调、具有多个局部极值点的特点,将方程组求解问题转化成非线性无约束寻优问题,创新地运用参数自调整的邻域微粒群优化定位算法对其求解。实验结果表明,定位算法具有不依赖于初值、精度高、收敛速度快的特点,成功解决了定位中多局部极值的高维优化问题,为定位方案的实现提供了理论依据。     

微型胃肠道介入式诊疗装置的便携定位系统设计

微型介入式诊疗装置自从问世以来,在国际医学领域的作用愈发明显。但制约其推广应用的最大问题——定位问题,仍然没有得到很好的解决。为此,本文针对于人体胃肠道生理参数遥测胶囊,设计了微型介入式胃肠道诊疗装置的便携交流激磁式定位系统,从系统工作原理、总体结构、系统模型、定位算法,以及试验等方面进行了详细论述。文章提出以载流螺线管模型计算线圈空间准静态磁场,采用基于模拟退火算法解定位方程,得到很好的定位效果。通过对试验结果分析,本文设计的便携式定位系统定位具有精度高、成本低、对人体无伤害、而且使用者不必被限制于狭小空间等优点,因此很有希望推广到临床应用。     

消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术

消化道取样微型机器人是胃肠道疾病无创诊疗的研究热点,介绍了国内外消化道取样微机器人的研究现状,对取样微型机器人的关键技术问题进行了详细分析。     

基于谐波磁化响应半峰宽模型的非零场点磁性纳米粒子距离层析测量

磁粒子成像技术是一种以生物功能化超顺磁性纳米粒子为示踪剂的全新人体功能层析成像技术,其通常必须构建基于梯度场的零磁场点/线并对其进行空间扫描以实现示踪剂定位,其空间分辨率正比于梯度场强度。而高强度梯度场需大体积电/永磁体构建,使其无法用于微创淋巴结术中定位。本研究在不使用梯度定位场条件下,提出基于朗之万函数和激励-磁化场空间分布计算的窄带磁纳米粒子深度定位理论,推导不同深度磁性纳米粒子产生的磁化响应与空间方位角的函数关系,建立半峰宽-距离检测与真实浓度解析模型,并进一步开发了磁粒子深度层析装置(即非梯度式一维磁粒子成像仪),体外实验测量结果表明其空间定位分辨率为15 mm,误差5.21%,浓度模型还原误差为2.61%。对比已获批上市的欧洲Sentimag等静磁场磁粒子定位装置具有显著性能优势,可完全满足术中淋巴结定位等创新临床应用需求。     

高背景磁场下的差分磁定位算法及应用

为了有效去除高背景磁场对永磁体定位的磁干扰,本文提出了一种高背景磁场下的差分磁定位算法.在背景磁场大小和方向均相等的两位置点处布置一组磁传感器,每组传感器均采用差分放大电路,共八组通路.在高背景磁场下,运用差分磁定位算法反演永磁体的位置和姿态.并将该算法应用于外磁场导向的仿生微型机器人,设计了定位硬件系统.通过实验验证了此差分磁定位算法可以较好地反演该仿生微型机器人位置和姿态.     

微型晶体谐振器预封定位装置动作时序优化研究

针对微型晶体谐振器预封定位装置结构复杂、动作时序难以规划的问题,对微型晶体谐振器预封定位装置的动作时序,及其有限状态机模型仿真优化进行了研究。基于预封定位装置的结构,结合工艺流程要求,分析了预封定位装置各执行元件的动作、动作顺序与位置,提出了预封定位装置的性能指标;以预封定位装置传感器的状态参数和执行元件的位置为依据,设计了其动作时序;基于有限状态机理论,利用Simulink/Stateflow建立了预封定位装置的动作时序模型;依据模型仿真结果,对预封定位装置动作时序进行了优化,确定了最终动作时序;利用样机试验对预封定位装置动作时序进行了验证。研究结果表明:优化后的动作时序满足预封定位装置性能指标要求。     

体内医用微型机器人的发展现状与前景

介绍体内医疗微型机器人国内外的研究现状,对其作业机理进行分析比较,并结合开发研制的外磁誓驱动胶囊式医疗微型机器人的实际情况,指出目前体内医疗微型机器人实用化进程中急待解决的技术问题,最后对其实用化的关键技术和发展趋势进行探讨。     

Wearable device for real-time monitoring of human falls

This paper presents a wearable micro-sensing device for monitoring human body falls. It combines micro-sensors and digital data processing technologies, such that in real-time, it can monitor the user to get immediate help by sending an emergency message to an aid station at the moment of falling. The primary feature of this system is the micro sensor, with a horizontal sensor embedded inside a smart coat. Two kinds of micro-sensors are used for the system, one is a micro-mercury switch, and the other is an optical sensor to detect if the wearer is horizontal. With the new algorithms for movement behaviors judgment, the system has the ability to collect, analyze, and transmit data by monitoring the user’s body. In outdoor sports, the system sends information on body position and location, and an emergency message from the user to a specific guard in real-time.     

基于激光超声体波的轨头内部缺陷检测方法研究

激光超声检测技术具有非接触、宽带宽和高分辨率的特点,针对常规超声对钢轨轨头内部核伤微小缺陷不敏感、定位定量检测难的问题,本文基于激光超声体波散射和衍射原理,提出了模态转换反射波和衍射波飞行时间的缺陷定位定量检测计算模型。通过COMSOL仿真建立了超声体波与内部缺陷相互作用的二维有限元模型,分析了钢轨内部缺陷处超声体波波模式转换状态,验证了定位及定量方法的可行性。其次,搭建了固定扫查激光超声实验检测系统,对不同埋藏深度和不同直径的孔缺陷进行B扫实验。实验结果表明,激光超声检测技术能有效的检测钢轨内部微小孔缺陷,基于所提出的计算模型和检测方法,对钢轨内部缺陷检测的定位相对误差在6%之内,定量相对误差在9%之内。     

医用微型机器人蠕动肠道中的驱动力计算及实验研究

提出了一种新型的可进入人体内腔和微型机器人驱动机构。此种微型机器人能够在充满液体的弯曲的人体肠道内运行。当机器人在充满液体的微型管道内运行时，在其周围会自动形成一层液体动压润滑膜，此润滑膜能避免机器人与管道壁发生直接接触。结合人体肠道的蠕动方程和N－S方程利用有限元分析计算了此种微型机器人在蠕动肠道中的驱动力和运行速度，进行了机器人的运行实验，结果表明，机器人能以较快速度在肠道内悬浮运行。     

交流励磁三维定位系统中磁传感器设计

交流励磁定位系统可以对介入式微型医疗装置在人体内的三维位置实现非接触式遥测。在定位系统中，为了测量磁场分布范围宽、下限磁场微弱的交变磁场，本文设计开发了感应线圈式磁传感器。根据电磁感应原理，感应线圈先将交变的磁信号转换为电信号，再通过后级信号处理电路在强大的噪声背景中提取出有用的电信号，结合传感器的输入输出特性，即获得待测磁场大小。实验结果表明：磁传感器能准确测量微弱交变磁场，且具有宽测量范围、高分辨率、高稳定性和高精度的优点。磁传感器还能适用于一切非导磁环境中跨度大的交变磁场的测量，具有通用性。     

医用诊疗床动态载荷试验新方法研究

国际电工委员会推出国际标准IEC60601-1第三版,其中对医疗诊疗床部分,新增模拟病人落座时的动态载荷测试要求。本文针对这一新要求,对模拟质量块和人体跌落在诊疗床上所产生的动态载荷进行试验,发现模拟质量块跌落的动态载荷过载系数远远高于人体跌落的过载系数,同时分析2种试验方法动态载荷过载系数差异大的原因,进而提出一种新的静载荷试验替代方法,给出一款医疗诊疗床静载荷试验替代法的试验实例。采用这种新的静载荷试验替代方法,可以模拟人体落座时的动态载荷,减少采用模拟质量块跌落试验所需要的大型设备试验费用,且避免过强度设计,从而降低诊疗床成本,对各种医疗诊疗床都有一定的参考价值。     

变进给量振动钻削微孔的研究

提出了变进给量振动钻削新方法,并分析了其降低微孔钻削入钻位置误差的机理,采用直径为０．２８ｍｍ的高速钢麻花钻对１８Ｃｒ２Ｎｉ４ＷＡ低碳合金结构钢做了对比钻削实验,结果显著降低了微孔的入钻位置误差,验证了这种新方法优良的工艺效果。     

微型动态被动阀效率分析及其优化设计

为提高现有三角结构微型动态被动阀的效率,先对动态被动阀效率表达式进行了研究,得出其效率取决于流体逆、正向损失系数比的结论,而后基于这一结论建立了一种优化模型,并与普通三角结构进行了效率比较。数值计算与对比实验的结果表明,优化模型的效率提高到三角结构的两倍。