人体全消化道生理参数介入式遥测系统定位技术研究

摘要

针对现有消化道动力功能性疾病诊查方法的缺陷,本文在国家自然科学基金项目(编号:60875061)、国家863计划项目(编号:2006AA042368)、国家863计划项目(编号:2007AA042234)和上海交通大学“医工(理)交叉研究基金”项目资助(编号:YG2007MS21)的资助和支持下,深入研究了人体全消化道生理参数介入式遥测方法及遥测胶囊的体外无线定位技术,研制了定位精度高、抗干扰能力强、便携式的定位系统。
　　 以诊查消化道动力功能疾病为出发点,研制了能够在人体正常生理状态下监测全消化道生理参数(压力、温度和pH值)的介入式遥测系统。分析了系统的总体方案、硬件电路、MCU程序、以及数据处理软件系统的设计。通过临床试验,验证了人体全消化道生理参数介入式遥测系统的可行性。
　　 针对遥测胶囊的定位问题,提出了基于区域分割的二维射频信号强度定位法。该方法通过将人体腹部表面进行区域分割,仿真建立“区域号--体外天线接收信号强度”标定数据库。利用查表法,实现对遥测胶囊的二维区域定位。从而,解决了由于人体组织对射频信号衰减特性复杂和受试者个体差异导致的很难建立精确射频信号衰减模型这一问题；提高了射频信号强度定位法的抗干扰能力。此外,研究了射频信号相差定位法、永磁标记物定位法,以及直流脉冲定位法。通过体外实验,比较了各种定位方法的优缺点,并得出结论:这些定位方法的可行性不足。
　　 在总结以上各定位方法优缺点的基础上,提出了基于低频交流励磁的遥测胶囊定位方案:在人体腹部表面布置多个单维圆柱状励磁线圈,遥测胶囊内封装一个单维感应线圈；各励磁线圈轮流励磁,同时,在感应线圈中产生相应的感应电动势；遥测胶囊中的检测电路检测各感应电动势,并由其射频模块,将检测数据发送至数据接收器存储；最后,将存储在数据接收器中的感应电动势检测数据,导入上位机定位算法软件中,从而解得遥测胶囊位置坐标。为了建立精确的定位模型,从单个励磁线圈磁场分布模型入手,分析了等效磁偶极子模型、等效环形线电流模型、等效环形线电流的简化模型、基于场源离散化的等效载流螺线管磁场分布模型。通过比较这些模型计算磁场强度的精度,确定以基于场源离散化的等效载流螺线管磁场分布模型为基础,建立了交流励磁定位模型。为了求解由定位模型导出的非线性方程组,提出了基于表面响应模型和模拟退火算法的混合定位算法。通过仿真与传统算法相比较,得出此算法计算精度高,收敛速度较快。
　　 采用上述交流励磁定位方案,研制了便携式交流励磁定位系统。分析了系统总体结构、磁场检测子系统、体外励磁控制和数据接收子系统的设计方案,研究了系统参数的选取和优化方法。提出了基于证据理论决策的多元信息融合定位方法,并通过仿真实验验证了其可行性。
　　 搭建了定位实验台架,应用便携式交流励磁定位系统,进行了大量的体外定位实验,评价其定位精度。为了对定位结果进行误差修正,分析了多种误差修正方法:传统误差修正法、基于高阶多项式拟合的误差修正法、Hardy’s Multi-Quadrick误差修正法,提出了基于径向基神经网络的误差修正方法。通过评价各修正法对定位数据修正效果,得出基于径向基神经网络的误差修正法能够减小最大定位误差和平均误差。
　　 验证了便携式交流励磁定位系统与人体组织的电磁相容性,即定位系统对人体的是否存在辐射伤害和人体组织是否对系统定位精度存在影响。用生理盐水和猪肉来模拟人体组织,将遥测胶囊放在其中,通过磁场强度受影响评估实验和定位精度受影响评估实验,验证了生物组织对本定位系统基本无影响。另一方面,通过电磁仿真,获得了定位系统对人体的电磁辐射剂量,将其与国际人体电磁辐射安全标准相比较,验证了定位系统的人体电磁安全性。
　　 实验和仿真结果表明,交流励磁定位方案能够满足对遥测胶囊进行体外便携定位要求。而且根据此方案设计的便携式交流励磁定位系统,定位精度较高,抗干扰能力强,对人体无电磁辐射伤害。因此,本文设计的定位系统具有很高的临床应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 消化系统生理基础

1.2.1 消化道结构

1.2.2 常见的消化道疾病

1.3 消化道介入式诊疗技术的国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 消化道介入式诊疗装置定位技术的国内外研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 课题的研究目的和意义

1.6 本文的主要研究内容及创新点

第2章 人体全消化道生理参数介入式遥测系统设计

2.1 人体全消化道生理参数介入式遥测系统总体方案

2.2 介入式生理参数遥测胶囊设计

2.2.1 传感器模块

2.2.2 信号处理及系统控制单元

2.2.3 射频通信模块

2.2.4 电源管理模块

2.2.5 遥测胶囊程序设计

2.3 体外便携式数据接收器设计

2.3.1 数据接收子系统电路设计

2.3.2 接收器程序设计

2.4 消化道生理参数信息处理软件系统

2.5 消化道生理参数遥测系统临床试验

2.5.1 试验过程

2.5.2 试验结果

2.6 本章小结

第3章 人体全消化道生理参数介入式遥测胶囊的定位方案设计及实验研究

3.1 射频信号定位法

3.1.1 基于区域分割的射频信号强度二维定位法

3.1.2 基于射频信号相差的定位法

3.2 永磁标记物定位法

3.2.1 永磁标记物定位法原理

3.2.2 永磁标记物定位法模型

3.2.3 基于永磁标记物的遥测胶囊定位系统

3.2.4 永磁标记物定位法实验

3.2.5 永磁标记物定位法优缺点

3.3 直流脉冲励磁定位法

3.3.1 直流脉冲励磁定位法原理

3.3.2 直流脉冲励磁定位模型

3.3.3 直流脉冲励磁定位系统

3.3.4 直流脉冲定位法实验

3.3.5 直流脉冲励磁定位法优缺点分析

3.4 本章小结

第4章 基于低频交流励磁的遥测胶囊定位方法研究

4.1 交流励磁定位总体方案设计

4.2 基于场源离散化方法的交流励磁定位模型分析

4.2.1 单个励磁线圈磁场分布模型

4.2.2 交流励磁定位模型

4.3 交流励磁定位算法研究

4.3.1 传统的非线性方程组求解算法

4.3.2 Powell算法

4.3.3 基于表面响应模型和模拟退火算法的混合定位算法

4.4 本章小结

第5章 基于低频交流励磁的遥测胶囊定位系统设计及优化方法研究

5.1 交流励磁定位系统的性能指标要求

5.2 交流励磁定位系统设计

5.2.1 系统总体结构

5.2.2 励磁控制子系统

5.2.3 磁场检测子系统

5.3 交流励磁定位系统参数选择及优化

5.3.1 系统参数优化流程

5.3.2 感应线圈参数的优化

5.3.3 励磁线圈参数的优化

5.4 基于证据理论决策的多元信息融合定位优化算法

5.4.1 多传感器信息融合概念及优点

5.4.2 基于证据理论(D-S)决策的多元信息融合定位优化算法

5.5 本章小结

第6章 交流励磁定位法实验及误差修正方法研究

6.1 磁场检测子系统参数标定实验

6.1.1 信号处理电路放大倍数的标定

6.1.2 感应线圈常数的标定

6.2 交流励磁定位系统体外实验

6.2.1 实验方法

6.2.2 实验结果及分析

6.3 定位误差修正方法及实验验证

6.3.1 传统误差修正方法

6.3.2 基于径向基神经网络的误差修正方法

6.3.3 误差修正方法实验分析

6.4 本章小结

第7章 交流励磁定位系统与人体组织电磁相容性分析

7.1 人体组织对定位系统的影响

7.1.1 磁场强度受影响评估实验

7.1.2 定位精度受影响评估实验

7.2 交流励磁定位系统的人体电磁安全性验证

7.2.1 低频电磁场与人体组织作用机理

7.2.2 人体电磁模型

7.2.3 人体电磁安全标准

7.2.4 交流励磁定位系统电磁安全性仿真

7.3 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 论文主要工作

8.2 下一步研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间录用和发表的学术论文