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维戈塞尔塔2001赛季: 操纵可吞入式体内装置的操纵线圈结构.pdf

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操纵 可吞入式 体内 装置 线圈 结构
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摘要
申请专利号:

CN201480013025.3

申请日:

20140311

公开号:

CN105263391A

公开日:

20160120

当前法律状态:

有效性:

失效

法律详情:
IPC分类号: A61B1/045 主分类号: A61B1/045
申请人: 基文影像公司
发明人: 埃胡德·卡茨纳尔逊,哈伊姆·罗特姆,艾谢尔·哈森
地址: 以色列约克尼穆
优先权: 61/775,977,61/917,770
专利代理机构: 北京路浩知识产权代理有限公司 代理人: 王莹;张晶
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法律状态
申请(专利)号:

CN201480013025.3

授权公告号:

法律状态公告日:

法律状态类型:

摘要

提供了三元线圈组件(TCA),其可包括前置线圈,相对于前置线圈相邻并排安装、与其形成平面且与其电绝缘的后置线圈,和包围所述前置线圈和所述后置线圈且与之电绝缘的辅助线圈。磁场操纵系统可包括N个可环形排列的三元线圈组件。通过控制其电流,可操纵环形排列三元线圈组件产生磁场操控模式(MMP),使得在第一方向产生磁场,用以使装置在该方向定向;和在第二方向产生磁场梯度,用以在第二方向施加运动力。所述磁场的方向和所述磁场梯度的方向可不同,即它们可被独立控制。

权利要求书

1.一种用于在操作区域内操纵体内装置的磁系统,所述磁系统包括:数目N个三元线圈组件,每个三元线圈组件包括:前置线圈和成对结合的后置线圈,所述前置线圈和后置线圈相邻并排安装,所述前置线圈和后置线圈分别具有前轴线和与所述前轴线平行的后轴线,每个前置线圈和后置线圈被配置为单独产生方向与相应轴线一致的磁场,并共同产生方向相对轴线呈角度的磁??;和辅助线圈,其附着或围绕所述前置线圈与后置线圈,并且具有与前后轴线平行且位于两者之间的辅助轴线;其中所述N个三元线圈组件被定位以形成具有平面的圆,使得所述前置线圈放置在所述平面的一侧,所述后置线圈放置在所述平面的相对侧;并且其中每个三元线圈组件在所述N个三元线圈组件组成的圆的相对侧具有成对的、成对结合的、三元线圈组件,并且,每个三元线圈组件的前置、后置与辅助轴线与所述平面平行。2.根据权利要求1所述的磁系统,还包括控制器,用以控制所述N个三元线圈组件的运行,以在操作区域内产生磁场操纵模式。3.根据权利要求2所述的磁系统,其中所述控制器被设置用以运行所述N个三元线圈组件,以在体内装置的位置处产生所述磁场操纵模式,使得所述操纵模式的磁场在第一方向,而磁场的梯度在第二方向。4.根据权利要求2所述的磁系统,其中所述控制器被设置为选择性地驱动一个或多个三元线圈组件中的线圈(一个或多个),所述线圈选自前置线圈、后置线圈和辅助线圈,以产生所述磁场操纵模式。5.根据所述权利要求3所述的磁系统,其中所述第二方向与所述第一方向平行或呈α角度。6.根据权利要求5所述的磁系统,其中α角在0度到90度的范围内。7.根据权利要求5所述的磁系统,其中所述第一方向与所述N个三元线圈组件的平面的法向平行,或垂直,或呈角度β。8.根据权利要求2所述的磁系统,其中所述控制器被设置为用以驱动两个或更多成对三元线圈组件以改变所述磁场操纵模式。9.根据权利要求2所述的磁系统,还包括位置与方向系统,用于提供所述体内装置在肠胃系统中的当前位置与方向相关数据,其中所述控制器被进一步配置为基于所述位置与方向数据和所述体内装置的预期位置和/或方向来控制所述N个三元线圈组件。10.根据权利要求1所述磁系统,还包括一个或多个平行的环形线圈,以产生沿所述N个三元线圈组件的平面的法向的磁场。11.根据权利要求1所述的磁系统,其中所述N为偶数。12.根据权利要求1所述的磁系统,其中所述N等于8。13.根据权利要求1所述的磁系统,其中所述三元线圈组件中的辅助线圈被配置用于产生沿辅助轴线方向的辅助磁场。14.根据权利要求1所述的磁系统,还包括壳体,以容纳所述N个三元线圈组件,所述壳体具有宽度L1,其中每个三元线圈组件的前置线圈与成对结合的后置线圈的总长为L2,其中L2的值大于L1的值。15.一种用于操纵体内装置的磁系统的三元线圈组件,包括,前置线圈;相对于前置线圈相邻并排安装并且与其形成平面且与其电绝缘的后置线圈;附着或包围所述前置线圈和所述后置线圈且与之电绝缘的辅助线圈;其中所述前置线圈和后置线圈被配置为通过操纵其电流产生第一方向的磁场和与第一方向不同的第二方向的磁场梯度。16.根据权利要求15所述的三元线圈组件,其中所述前置线圈、后置线圈和辅助线圈分别具有前置轴线、后置轴线和辅助轴线,其中所述前置轴线、后置轴线和辅助轴线相互平行,并且其中所述辅助轴线在所述前置轴线和后置轴线之间。17.一种在肠胃系统中磁性操纵体内装置的方法,包括:同时生成在第一方向对齐体内装置的磁场和在第二方向在体内装置上施加力的磁场梯度,从而操纵所述体内装置的定位和/或方向。18.根据权利要求17所述的方法,其中同时生成磁场和磁场梯度是为了将体内装置保持在当前位置和/或方向,或者为了移动或旋转所述体内装置至所需的位置和/或方向。19.根据权利要求17所述的方法,其中所述第一方向与第二方向相对于彼此呈角度α。20.根据权利要求19所述的方法,其中所述角度α的值在0度至90度之间。21.一种运行磁系统以在肠胃系统中操纵体内装置的方法,包括:在磁操纵系统中,所述磁操纵系统包括:数目N个三元线圈组件,其中每个三元线圈组件包括:前置线圈和后置线圈,所述前置线圈和后置线圈相邻并排安装,所述前置线圈和后置线圈分别具有前轴线和与所述前轴线平行的后轴线,每个前置线圈和后置线圈被配置为单独产生方向与相应轴线一致的磁场,并共同产生方向垂直于轴线的磁??;辅助线圈,其附着或围绕所述前置线圈与后置线圈,并且具有与前后轴线平行且位于两者之间的辅助轴线;其中所述N个三元线圈组件被圆形定位并形成平面,使得所述前置和后置线圈相对于所述平面放置在相对方向,并且其中每个三元线圈组件在所述圆的相对侧具有成对的三元线圈组件,并且每个三元线圈组件的前置、后置与辅助轴线与所述平面的法线垂直;和控制器,其被配置用以操作所述N个三元线圈组件,以在操作区域内产生磁场操纵模式,所述方法包括:由所述控制器接收代表体内装置的当前位置和方向的位置和方向数据,该体内装置位于被定位在圆形N个三元线圈组件中的受试者的胃肠系统中;由所述控制器获得在胃肠系统中体内装置的预期位置和/或方向;和由所述控制器基于所述位置和方向数据以及所述期望的位置和方向产生每个三元线圈组件的控制信号。22.根据权利要求21所述的方法,其中生成每个三元线圈组件的控制信号包括:为N个三元线圈组件计算一组或多组线圈电流;和选择产生最小电功率消耗的一组线圈电流用于运行。

说明书

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn

技术领域

本发明涉及在磁场中操纵磁体,更具体涉及以磁场为基础的操纵系统和操纵可吞入式体内装置的方法,以及涉及用作该磁操纵系统的结构单元的三元线圈组件。

背景技术

体内测量系统在本领域内广为人知。一些体内装置/系统,其可穿过肠胃(“GI”)系统或者其他身体器官/系统,包括成像传感器,或成像器,用来在肠胃系统内部造像(例如拍摄图像)。体内装置可包括一个或多个成像器。其他体内装置可代替地或额外地包括药物容器和向肠胃系统用药的装置。其他体内装置可包括在体内进行外科手术的装置,等等。

自主型体内装置是通过被消化系统施加的蠕动力推动通过肠胃系统而穿过肠胃系统的装置。自主型体内装置也可在肠道中间歇性地断续移动。在体内通过利用蠕动力移动装置具有缺点。例如,体内装置可能会在某段未知时间里卡在肠胃系统的某处;装置可能会在某一方向拍摄图像,而对临床上可能更感兴趣的附近区域成像不全或根本未成像。另外,由于肠道长度(几米),体内装置需要数个小时才能穿过整个肠胃系统。为了最大减轻患者在此期间的不适感,使他/她尽可能正?;疃?,患者需要带数据记录仪,该数据记录仪记录体内拍摄的图像,以在后面阶段(例如体内装置最终被排除肠胃外之后)分析它们。当内科医生在检查图像或其选择时,他/她并不能确定肠胃系统中所有临床感兴趣的或其预期的地方都被拍摄到。

由于肠胃系统在解剖学上的非均匀性——它在解剖学上具有明显不同部分如小肠和结肠——和/或由于不同部分对疾病的敏感性不同,体内装置无差别掌控大量图像和构造图经常是多余无用的。部分地,这是因为相对敏感性低的肠道区域被成像过多。另一方面,肠道中相对更敏感的区域可能成像不足。肠道敏感区域捕捉到的图像数量可能少于临床需要。仅仅检查胃肠道一特定部分如小肠(“SB”)、结肠、胃区或食道可能经常是期望的。

存在磁操纵系统用于磁学上操纵体内装置。装置可以通过并入磁铁磁性操纵。这种操纵系统通常产生磁场,磁场在所施加磁场的方向上对齐或移动装置磁铁的磁矩,并在磁梯度的方向上移动体内装置,该磁梯度的方向也在与磁场的方向相同的方向上对齐或定位。由于所述磁场和所述磁力梯度均在磁场方向对齐,因此装置的操作性受到限制。

尽管在肠胃中移动体内装置是有益的,但存在与在胃肠道中的自主型体内装置相关的一些缺陷。对这种运动充分控制将会是有益的,包括操纵体内装置到达肠胃系统中期望位置和/或方位和/或角度位置或状态,或者其他身体器官,以及保持所述位置/方位/角度位置或状态要求的或需要的时间长度,例如以便在一部位拍摄图像和/或在该部位释放药物,或者在要求的途径/路线上移动体内装置。

发明内容

提供了三元线圈组件(“TCA”),其可包括前置线圈,相对于前置线圈相邻并排安装、与其电绝缘且与其形成一平面的后置线圈,可附着或包围所述前置线圈和所述后置线圈且与其电绝缘的辅助线圈。(术语“三元线圈组件”在这里是指一种磁线圈结构,其包括紧密连接的三个线圈。)产生磁场的线圈结构,或磁系统,可包括可环形放置的N个三元线圈组件。通过控制其电流环形放置的三元线圈组件可被操纵,以产生磁场操控模式(“MMP”),以便在第一方向上可产生磁场,以将磁装置定向在该方向,所述磁场是磁场操控模式的一部分或构成,以及可产生磁场梯度,所述磁场梯度是磁场操控模式的另一部分或构成,以在第二方向产生磁力以在与第一方向不同的方向(如所述第二方向)施加该磁力。所述磁场的方向(第一方向)和所述磁场梯度的方向(例如第二方向)因其可被独立控制而不同。

一些实施例可包括优化可向N个三元线圈组件提供的电力,其中优化过程可包括选择三元线圈组件,和/包括其电流,使得被选三元线圈组件以尽可能少的电力联合产生符合要求的磁场操控模式。

附图说明

多种示例性实施例在附图中被图解,旨在这些实例不是限制性的。应当理解,为了图解的简洁和明晰,下面提及的图中显示的元件不必按照比例绘制。此外,在认为适当之处,在图中参考数字可重复,以表示相同、相应或类似的元件。在附图中:

图1图解根据本发明实施例的成对结合的线圈组件/结构;

图2说明根据本发明实施例的一对成对结合的线圈组件/结构;

图3说明根据本发明示例实施例的三元线圈组件;

图4说明根据本发明示例实施例的展开的八个三元线圈组件;

图5说明根据本发明示例实施例放置的八个环形放置的三元线圈组件;

图6A-6F描绘根据本发明示例实施例的三元线圈组件的组成部分和三元线圈组件;

图7A描绘根据本发明示例实施例的环形放置的三元线圈组结构;

图7B描绘根据本发明示例实施例的操纵线圈系统,其包括图7A中的环形三元线圈组结构和Z形线圈;

图8A是根据本发明示例实施例的磁操纵系统的框图;

图8B是根据本发明示例实施例的磁操纵控制系统的框图;

图9是根据本发明示例实施例的体内系统的框图;

图10显示根据本发明示例实施例的磁操纵方法;

图11显示根据本发明另一示例实施例的磁操纵方法;

图12A-12F描绘根据本发明另一示例实施例的三元线圈组件;以及

图13A-13B显示根据本发明另一示例实施例的操纵线圈结构。

具体实施方式

以下描述提供示例实施例的各个细节。但是,本描述并非用于限制权利要求的范围,而是用于解释本发明多种原理和其实践方式。

此处所述的磁场操纵系统能够独立于磁场梯度方向确定磁场的方向?;谎灾?,取决于环境(例如,拟定的/下一个的装置位置和/或方向相对于现有装置位置和/或方向),磁场方向和磁场梯度方向可相异,以使操纵装置(如体内装置)的可操作性最大化。将两个方向分开可通过例如以下操作完成:将磁场“弯曲”,例如利用同一平面上相邻并排安装的成对结合线圈,如图中比如图1、2、3、6E和6F所示。(术语“成对结合线圈组件/结构”指的是两个磁线圈相邻并排放置的磁线圈结构)。此处将某些实施例描述为包括或使用八个三元线圈组件。但是,可使用其他数量的三元线圈组件,例如,少于八个三元线圈组件(如两个三元线圈组件、三个三元线圈组件、四个三元线圈组件,等等),或者多于八个三元线圈组件(如九个三元线圈组件、十个三元线圈组件等)。

图1图解根据本发明实施例的成对结合的线圈组件/结构110。成对结合的线圈结构110可包括前置线圈112和后置线圈114。前置线圈和后置线圈可在公共面100上相邻并排安装。(此处使用的相对术语‘前置’和‘后置’指在Z向(如在Z轴上)上的相对位置。(就在Z向或Z轴上而言,‘前置’可表示或是靠前的线圈,‘后置’可表示或是靠后的线圈。)前置线圈112和后置线圈114可分别具有前轴102和后轴104,后轴104与前轴102平行。每个前置线圈112和后置线圈114可配置为各自产生其方向与各自轴一致的磁场,而且共同地产生方向与前轴和后轴(102,104)垂直(但绝非必须)的磁场。例如,由前置线圈和后置线圈(112,114)共同产生的磁场可在Z向(图示中142表示Z向)。

磁场方向(其一些线以L1、L2、L3等显示)在操作区域/空间106中任何特定空间点上可作为分别流经线圈112和线圈114的电流I1和I2(116和118各自显示I1和I2)的强度和方向的函数而可控地改变。磁场梯度和磁场梯度方向也可依赖于电流I1和I2的强度和方向。举例说明,显示永磁体120位于点130上,此处磁场(磁力线L4)与方向140一致(与Z向一致)并且在此点磁场梯度与垂直于磁场方向140的方向150一致。永磁体120具有‘北’极122和一个‘南’极124,并且永磁体120的磁矩在点130上在Z向由磁场校直。

后置线圈114和前置线圈112在Z向上产生有非零磁场梯度的磁场,如通过改变磁力线L1-L5的密度图解的(例如在Y向梯度更致密)。磁场梯度对永磁体120在Y向上产生力180,该磁力可抵消重力190。例如,可分别操纵前置线圈和后置线圈中电流I1和I2的强度和方向,以使永磁体120向上/垂直运动(例如在方向150上),或者相对于前置线圈112和后置线圈114的平行轴(或者相对于Z向)歪斜移动(成某一角度)。

图2示意图解了根据本发明示例实施例的一对成对结合的线圈组件(“CCAs”)/结构(210,220)。成对结合线圈组件210可包括前置线圈212和后置线圈214。前置线圈212和后置线圈214相邻并排安装,以使它们形成或置于一个公共面202上。前置线圈212和后置线圈214可各自具有前轴250和后轴260,后轴260可与前轴250平行。成对结合线圈组件/结构220包括前置线圈222和后置线圈224。前置线圈222和后置线圈224可相邻并排安装,以使它们形成或置于一个公共面204上。前置线圈222的前轴可与前轴250完全重合一致,后置线圈224的后轴可与后轴260一致。

在结构上,成对结合线圈组件210和成对结合线圈组件220可相互平行(例如平面202和204可平行)或相互间成某一角度。成对结合线圈组件210和成对结合线圈组件220在结构上平行是指在某些实施例中前置线圈212与前置线圈222平行以及后置线圈214与后置线圈224平行。成对结合线圈组件210和成对结合线圈组件220在结构上可部分或全部重叠。例如,前置线圈212可与前置线圈222完全重叠,但后置线圈214可仅与后置线圈224部分重叠,反之亦然;或者前置线圈212和后置线圈214都各自与前置线圈222和后置线圈224部分重叠。

前置线圈212和222以及后置线圈214和224可配置为各自产生的磁场的方向与各自轴一致,而且共同产生的磁场的方向可与前轴和后轴(250,260)垂直(但绝非必须)。例如,由线圈212、214、222和224共同产生的磁场可在Z向或在相对Z向成某一角度的任何方向上。

磁场方向在操作区域/空间206中某一特定空间点上可作为分别流经线圈212、214、222和224的电流I1_1、I1_2、I2_1和I2_2的强度和方向的函数而改变。磁力梯度包括其方向也可依赖于这些电流的强度和方向。举例说明,永磁体230显示为被包括于实例体内装置240中,该装置位于空间点208。永磁体230可具有“北”(N)极和“南”(S)极,其磁矩M在Z向。

假设成对结合线圈组件210和成对结合线圈组件220在操作区域/空间206产生的磁场是对称的,意味着磁场中心(例如点208)的强度在理论上是零。这意味着永磁体230在任何方向上都未受到净力(F)。因此,永磁体230以及体内装置240不会离开(保持在)点208。

正如上文有关图1解释,仅用一个成对结合线圈组件(CAA)会导致系统在运动可控性方面不稳定。但是,加入第二个“反向的”或相反的成对结合线圈组件能够稳定磁运动可控性,这是因为第二个成对结合线圈组件能够产生维持磁体运动可控性的阻力。例如,在永磁体230上施加的磁力可被控制,以使体内装置240在操作区域/空间260中任何期望的{X,Y,Z}点上对抗重力290而浮起。

可以可控制地操纵电流1_1、I1_2、I2_1和I2_2的强度和方向,以使永磁体230,因此体内装置240,可以向上/垂直运动(例如在“Y”向上),或者相对于轴250和260(或者相对于Z向)而歪斜移动(成某一角度)。(通过在Z向上产生磁场梯度可获得或接收在Z向上移动的永磁体230,但这可使用其法线与Z向一致的不同线圈进行,如图8B所示)。

成对结合线圈组件210和成对结合线圈组件220能可控地产生磁场操控模式(MMP),以维持或控制永磁体230在操作区域260内的当前位置和/或方向,并且如果需要,在可操作区域260内将永磁体230按照任何拟定的、期望的、新的或下一个方向移动,和/或按照拟定的、期望的、新的或下一个取向移动。磁场操控模式通常指的是在操作空间内的一点上或一个区域里的磁场和磁梯度的强度和方向,该点或区域是或与永磁体的当前位置一致,或与含有磁体的装置(如可吞入式体内装置)的位置一致。改变磁场操控模式可包括或可意味着,例如,改变磁场或磁场梯度的方向(或同时改变两者的方向)和/或改变其力度/强度/梯度。通过控制各电流1_1、I1_2、I2_1和I2_2的大小和方向控制磁场216、218、226和228的强度和方向,可控制磁场操控模式。

施加于磁体230的依赖于磁场的空间衍生的磁力F可被设定为在磁矩M的方向或相对于磁矩M在任何角度上。仅使用一对线圈(上线圈212和214,或下线圈222和224)可产生“基本”型(‘不纯的’、不对称的)梯度场和“基本”均匀(对称的)磁场B0。但是,使用其他(相反的)对线圈能抵消磁场对称部分,因此只留下磁力F。使用包括相反的线圈对如线圈对210和220的线圈系统能产生磁稳定性(通过施加在容纳磁体230的空间内恒定的多磁场梯度);同时叠加均匀磁场B0,其强度足够在容纳磁体230的空间内在期望的方向调整磁矩M。

图3图解根据本发明示例实施例的三元线圈组件300。三元线圈组件300可包括由前置线圈310及后置线圈320组成的成对结合线圈组件,和辅助线圈330。假设磁体340(因此体内装置350)初始或当前在Z向,那么辅助线圈330可用来重新定向磁体340(和体内装置350)比如为X方向(370)。将磁体340重新定向到X向可通过例如只通电/启动线圈330(I3>0安培;I1=I2=0安培)来实现。只通电/启动线圈330可导致磁场300大体垂直(在X向上)。磁场300可对磁体340的磁矩施加扭矩,造成磁体340旋转至符合磁场300的方向370(或与该方向的磁矩对准)的角度位置。

与三元线圈组件300相似的相反的三元线圈组件可就三元线圈组件形成的圆而言放置在三元线圈组件300对面,以避免上文关于图1提到的不稳定问题。(图3中未示出该相反的三元线圈组件)操纵电流I1、I2、I3及流入相反三元线圈组件中的电流能够例如操纵磁场操控模式(MMP),只有在此时(例如当辅助线圈330和相反三元线圈组件也在使用时),辅助线圈可增强或减弱在特定方向由相关前置线圈或后置线圈或两种线圈(通过成对结合的线圈组件/若干线圈组件)产生的磁场。

图4图解根据本发明示例实施例的展开的多三元线圈组件400(multi-TCA)。举例说明,多三元线圈组件400包括八个三环线圈组件(TCAs),分别命名为TCA-1(410所示)、TCA-2(420所示)、TCA-3(430所示)、TCA-4(440所示)、TCA-5(450所示)、TCA-6(460所示)、TCA-7(470所示)和TCA-8(480所示)。(也可用其他数量的三环线圈组件如少于八个TCA;例如2、3、4个等,或例如多于八个;例如9、10个等。)可形成圆或者可圆形环绕的TCA-1至TCA-8在图4中被展开显示。(圆形环绕的三元线圈组件例如在图5和图8A中显示。)图4中的垂直轴是Z轴,与环形多三元线圈组件的平面相垂直。水平轴是一个角轴,与环形多三元线圈组件周边的角度位置对应,环形多三元线圈组件的中心轴可与Z轴一致。例如,TCA410随意从0度开始;TCA430在135度终止;TCA480在360度终止(换言之,TCA410和TCA380在周边相邻)。

每一个三元线圈组件包括例如三个线圈:两个成对结合并相邻并排放置的内部线圈(一个前置线圈和一个后置线圈),和第三个可包住内部线圈的线圈(辅助线圈)。例如,三元线圈组件410包括两个内部线圈——前置线圈412和后置线圈414——和一个包住内部线圈的辅助线圈416;三元线圈组件420包括两个内部线圈——前置线圈422和后置线圈424——和一个包住内部线圈的辅助线圈426;三元线圈组件430包括两个内部线圈——前置线圈432和后置线圈434——和一个包住内部线圈的辅助线圈436;三元线圈组件450包括两个内部线圈——前置线圈452和后置线圈454——和一个包住内部线圈的辅助线圈456;三元线圈组件460包括两个内部线圈——前置线圈462和后置线圈464——和一个包住内部线圈的辅助线圈466;三元线圈组件470包括两个内部线圈——前置线圈472和后置线圈474——和一个包住内部线圈的辅助线圈476;等等。每个三元线圈组件的两个内部线圈与辅助线圈相互电绝缘。

形成一个圆,包括TCA-1至TCA-8的三元线圈组件可成对起作用,也就是说每一个TCA-i可具有成对接合的、(在形成的圆上)位置相对的TCA-j(j≠i;如j=i+4),由此可共同运行。例如,TCA-1和TCA-5——TCA-5(在组成的环形中)与TCA-1位置相对,是TCA-1的成对结合的三元线圈组件——构成第一对三元线圈组件;TCA-2和相对的成对三元线圈组件(TCA-6)——TCA2的成对结合TCA——构成第二对三元线圈组件;TCA-3和相对的TCA-7构成第三对三元线圈组件;TCA-4和相对的TCA-8构成第四对三元线圈组件。一对三元线圈组件、或多对三元线圈组件的组合、或一(多)对三元线圈组件和单个三元线圈组件的组合可共同形成需要的磁场操控模式,用来操纵永磁体,例如被包含于体内装置中的永磁体。

TCA-1至TCA-8可用多种方式(如成对)运行,这通过分别操纵流经每个三元线圈组件中每一线圈的电流的大小和方向,从而获得或接收需要的磁场操控模式,用来操纵体内装置到下一个位置和/或下一个方向,或用来维持体内装置当前位置和/或当前方向。举例说明,TCA-1(一个实例三元线圈组件)的三个电流如箭头418、419和417所示显示为逆时针方向(CCW)流动(TCA-1的成对结合/相对的三元线圈组件TCA-5的所有三个电流如箭头458、459和457所示显示为顺时针流动)。使所有三个电流同向流动能够在可与纸面相垂直的方向产生强磁场。(流经TCA-1中前置线圈412的电流418和流经TCA-1中后置线圈414的电流419产生的磁场从纸中出来,如两个黑点所示。流经TCA-5中前置线圈452的电流458和流经TCA-5中后置线圈454的电流459产生的磁场进入纸中,如两个“X”所示。)

根据另一个实例,通过TCA-2和其成对结合的三元线圈组件(例如TCA-6)可产生量级较小并且相对于TCA-1产生的磁场的方向在相对方向的磁场,例如通过仅使电流通过相关的辅助线圈并且以顺时针(CW)方向。流经辅助线圈426的电流显示为428,流经辅助线圈466的电流显示为468。(在这例子中,流经前置线圈422、后置线圈424、前置线圈462和后置线圈464的电流可以为零。)

根据另一实例,通过如图2中说明的相似方式运行包括TCA-3和它的成对结合的TCA-7的三元线圈组件对,可获得或接收操纵模式与图2所示的磁场模式类似的磁场。例如,这种模式可通过例如在前置线圈432中通入逆时针方向的第一电流,如438所示;在后置线圈434中通入顺时针方向的第二电流,如439所示;前置线圈472中通入顺时针方向的第三电流,如478所示;在后置线圈474中通入逆时针方向的第四电流,如479所示,产生/获得。(在这一例子中,辅助线圈436和476的电流可以为零。)

图5图解根据本发明示例实施例的多个环形放置的三元线圈组件(TCAs)500。一般而言,可环形放置N个三元线圈组件并组成一个平面(如图5所示的X-Y平面),例如使得在N个三元线圈组件组成的环的相对侧,每个三元线圈组件可具有成对的、接合的三元线圈组件,并且每个三元线圈组件的前置、后置和辅助轴可与多三元线圈组件构成的平面平行。举例说明,N=8,即三元线圈组件500包括八个三元线圈组件(分别命名为510,520,530,540,550,560,570和580),其形成圆环502组成或围成圆环502,或TCA500可形成圆?;纷碩CA500可形成或置于与笛卡尔X-Y平面一致的平面上,在Z轴方向具有法线。TCA510至580的每个依据此处对三元线圈组件结构和功能的表述包括前置线圈、后置线圈和辅助线圈。尽管在图5中未显示,前置线圈和后置线圈相对于Z轴依次放置,如通过“前置”和“后置”称谓暗示和关于图2描述的?;谎灾?,N(如N=8)个三元线圈组件可按照环形放置并组成一个平面,例如X-Y平面,因此,所有的前置线圈都被置于平面的一边(例如所有的前置线圈都是Z轴正值/都在Z轴正坐标内),所有的后置线圈都被置于平面的另一边(例如所有的后置线圈都是Z轴负值/都在Z轴负坐标内)。

TCA510至580在功能上可分为四对成对结合的TCA,其中每对包括第一三元线圈组件和与第一三元线圈组件对立放置的第二三元线圈组件。三元线圈组件到坐标原点504的距离相等,在圆502上也是等距相离,并且任意两个相邻的三元线圈组件的分离角相同。一对三元线圈组件可如图2中三元线圈组件210和220一样单独和共同运行或操作。

一个示例三元线圈组件对(如506所示)包括在Y轴上的两个三元线圈组件,命名为510和550;在可与Y轴呈45度角的方向590上的两个三元线圈组件,命名为520和560;在X轴上的两个三元线圈组件,命名为530和570;在与X轴呈负45度角的方向上的两个三元线圈组件,命名为540和580。

三元线圈组件的任意组合,包括电流强度和电流方向的任意组合,可用来产生任何需要/要求的磁场操控模式。如此处说明,磁场操控模式可包括可朝向任何要求的方向的磁场,包括只在X轴/向上,或在Y轴/向上,或在Z轴/向上,或在任何中间/介于中间的方向上(比如与任意一轴呈任意角度)。示例磁场操控模式显示在508。示例磁场操控模式508的磁场方向在X-Y平面上,不在Z向上。(依据此处说明,其他磁场操控模式可有其他磁场方向,包括在Z向上。)产生磁场操控模式508比如可通过仅使用三元线圈组件520,540,560,580的辅助线圈。但获得同样或相似的磁场操控模式比如可通过仅共同运行前置线圈和其对应的后置线圈,或通过运行全部的三个线圈——辅助线圈、前置线圈和后置线圈,如关于图4所述。磁场操控模式508的方向可以可控地改变到不同方向,如通过关闭三元线圈组件520,540,560,580(切断流经所述三元线圈组件的电流)和使用不同组的三元线圈组件如510,530,550和570。这种不同组三元线圈组件的交换运行可导致比如磁场操控模式逆时针或顺时针旋转45度。

图2和图5显示的产生磁场的方法,当二者结合起来使用时,能够强化/改善对如体内装置的操纵性,这是因为二者共同使用能在三维操作区域内的任意个空间方向上产生磁场,并且还能对调整或确定装置位置的磁场的方向和与装置所受作用力同向的磁梯度的方向进行单独控制。

图6A-6F描绘根据本发明示例实施例的三元线圈组件(TCA)的组成部分以及组装的三元线圈组件。(相同的参考数字表示的是相同的组成部分)关于图6A,参考数字610代表三元线圈组件的内部线圈/线圈,此处所指为“前置线圈”(或“后置线圈”)。关于图6B,参考数字620代表三元线圈组件的内部线圈/线圈的磁心。关于图6C,参考数字630描绘嵌有三元线圈组件的辅助线圈/线圈的物体。

图6D描绘三元线圈组件600的散开图或分解图。三元线圈组件600可包括两个内部线圈(如前置线圈610/1和后置线圈610/2),两个磁心(每个磁心对一个内部线圈,例如磁心620/1对内部线圈610/1,磁心620/2对内部线圈610/2)。三元线圈组件600还可包括辅助线圈物/块(例如辅助线圈物/块630),其内含或嵌有辅助线圈。将图6d中的各种组成部分组装得到如图6e所示的、组装的三元线圈组件640。图6f描绘图6e中三元线圈组件640的横截面视图。关于图6f,可见两个内部线圈(前置线圈610/1和后置线圈610/2)相邻并排放置。参考数字650代表比如前置线圈轴(前置线圈610/1的轴),参考数字660代表比如后置线圈轴(后置线圈610/2的轴),参考数字670代表辅助线圈轴(辅助线圈物/块630的轴)。前置线圈轴650、后置线圈轴660和辅助线圈轴670相互平行,并且辅助线圈轴670介于前置线圈轴650和后置线圈轴660之间。

TCA组件的实施机械尺寸和电参数

一些实施例的示例规格提供如下;其它规格可以用于本发明的实施例。

1、辅助线圈:与附图6c中的辅助线圈630相同或相似的辅助线圈通??梢允峭衷残?或可具有其他任何形状,如:圆柱形、环形,等),并且具有例如如下的规格:

a)内宽(参见632)可在100mm至300mm之间,内长(参见634)在300mm至900mm之间。例如,内宽和内长可分别为200mm和600mm。

b)外宽(参见636)可在150mm至400mm之间,并且外长(参见638)可在400mm至1000mm之间。例如,外宽(636)与外长可分别为300mm和700mm。

c)箔尺寸(高×厚)

(c.1)高:50-500mm(例:200m)

(c.2)厚:0.2mm-2mm(例如1mm)

d)电流(安培,A):100A-500A(例如:300A)

其他参数,诸如线圈的总长度、线圈匝数和电感可取决于实际应用。举例的数据列于下表1。

线圈匝数 50 长度(m) 270 线圈材质 铜 电阻(毫欧) 23 电感(毫亨) 25 最大电流(安) 300

表1

2、前置/后置线圈:可与附图6A中的前置(和/或后置)线圈610相同或相似的辅助线圈通??梢允峭衷残?或可具有其他任何形状,如:圆柱形、环形,矩形等),并且具有如下所示的规格:

a)内宽×长(毫米):(50-200)×(100-400)(例,120×220)

b)外宽×长(毫米):(100-400)×(150-500)(例,200×300)

c)箔尺寸(高×厚)

(c.1)高:50-500mm(例:200mm)

(c.2)厚:0.2-2mm(例:1mm)

d)电流(安培,A):100A-800A(例,400A)

其他参数,诸如线圈的总长度、线圈匝数和电感可取决于实际应用。举例的数据列于下表2。

线圈匝数 40 长度(m) 75 线圈材质 铜 电阻(毫欧) 6.45 电感(毫亨) 5.4 最大电流(安) 400

表2

e)铁芯:电磁铁芯(例,图6B中的芯620)为或包括低损耗软铁,并且其可具有常见尺寸215x110x220(宽度/长度/高度),公差为:

宽:215→公差:100:400

长:110→公差:50:200

高:220→公差:50:500

图7A示出了根据本发明示例实施例的圆环电磁铁装置700。圆环电磁铁装置700可以包括8个环形定位的三元线圈组件(TCA),命名为710、720、730、740、750、760、770和780。710至780中的每个三元线圈组件可类似于图6E中的TCA640。(环形电磁铁装置700包含个数为N的三元线圈组件,其中,N可以是偶数,例如,N等于6或8或10等,或者N也可以是奇数)。TCA710至780可以环绕Z轴(702)为环形并形成一个平面,或与垂直X轴和Y轴限定的平面一致。(图7A未显示轴X和Y。)三元线圈组件710至780可形成圆环。假定X-Y平面位于坐标Z=0,每个前置线圈(例,前置线圈712)的Z坐标值可为正(+Z),每个后置线圈(例如,后置线圈714)的Z坐标值可为负(-Z)。即,N个三元线圈组件可环形设置并形成一个平面;例如,在X-Y平面上,使得所有的前置线圈位于平面的一侧(例,在Z轴正侧),所有的后置线圈被设置在平面的对侧(例,在Z轴负侧)。每个前置线圈都有前轴线;每个后置线圈都有后轴线;而每个辅助线圈具有辅助轴线。(三个轴线可相互平行)。该N个三元线圈组件可环形设置并形成一个平面,从而每个三元线圈组的前轴线、后轴线和辅助轴线基本平行于所述平面,从而使每个三元线圈组件在环形N个三元线圈组件的相对侧都具有成对的、共轭的、三元线圈组件。

在一般情况下,每两个相邻的TCA之间的角间距(α)可等于360°/N,其中N是环形电磁铁装置中TCA的个数。参见图7A,作为环形电磁铁装置的一个范例,N等于8。因此,如704所示,TCA710至780的每相邻两个TCA之间的角间距α是α=360°/8=45°,为TCA710与TCA780之间的角间距(TCA之间的角间距是在X-Y平面中)。

电磁铁装置700可以可控地产生MMP,用于在操作区域706内,保持或控制磁铁或内置有磁铁或附着在磁铁上的装置的当前位置和/或定向位置。如果需要的话,相应的MMP可施加在磁铁上,以使磁铁或内置有磁铁或附着在磁铁上的装置,在操作区域706内向任何预期(例如,由用户/操作者,或由输出信号的系统做出的实施意图)所需的、新的或下一个方向移动。

图7B描绘了操纵线圈装置或磁系统705,包括根据本发明示例实施例的图7A所示的环形电磁铁装置700以及“Z”线圈?!癦线圈”是指位于或重合于与Z轴(702)垂直的X-Y平面上的线圈(Z线圈可形成在Z方向具有法线的平面)。该Z线圈可在Z方向(例如,在+Z方向或-Z方向)形成磁场和磁场梯度。图7B描绘了两个Z-线圈,命名为790和792。其他附加的Z线圈可插在790与792之间以加强Z轴方向的磁场,例如,使得Z轴方向磁场更统一均衡以及依要求使磁场更强。TCA710至780以及Z线圈790与792显示被封入794所示的例如为八角形的外壳或外罩中。

图8A为根据本发明示例实施例的磁操纵系统800的框图。操纵系统800可包括磁操纵控制系统805,受试者可躺着的病床850,数据记录器/接收器870,以及位置方向定位(P&O)系统880。在该受试者躺在床850之前或正当时,体内装置860可被受试者吞下。床850是可移动的。

磁操纵控制系统805可包括操纵线圈系统810,其可与图7B中的操纵线圈系统或磁系统705相同或相似;电源820,可配置用来为操纵线圈系统810中的TCA组件提供电流;用于可控地并单独调整操纵线圈系统810中流经每个线圈/线圈的电流的放大器830(例,每个线圈有一个放大器);用于控制MMP的控制器840,例如,通过单独控制每个放大器的电参数(例如,放大率/增益,传导率,等)来改变放大器的电状态;以及内存842。内存842可存储用于控制器840执行的指令代码、位置与方向信息/数据、用户输入数据等。

在操作中,内服有体内装置860的受试者躺在床850上。体内装置860可将在受试者的肠胃系统中获得的图像相关的图像数据以及其他类型的可能的数据通过无线传输给数据记录器/接收器870。(记录器/接收器870可集成或附加在容纳线圈810的桶架里)。记录器/接收器870可向控制器840传输图像数据以及其他可能类型的数据??刂破?40可在显示器上展示传送的图像,并使用它们例如来引导或操纵受试者中的肠胃系统的体内设备860。

位置与方向(P&O)系统880可从接近受试者肠胃系统的位置发射定位信号882,而体内装置860中的定位信号感应器(例如,感应线圈)可感应到定位信号并且发射未处理的、预处理的或完全处理过的方向定位数据给接收器870,该数据与体内装置的当前P&O相关。数据接收器870可将与设备的当前位置与方向相关的位置与方向数据发送给位置方向定位系统880,位置方向定位系统880可处理该位置与方向数据并将位置与方向信息发送给控制器840。

用户(例如医师)可根据体内装置所需的或下个或计划实现的位置与方向数据,用输入系统890来将位置与方向数据发送给控制器840??刂破?40可一对一同时分析当前与下一位置与方向信息,并且根据该分析,控制器840可以决定应提供在每一个线圈(电磁)810上的电流的大小以及方向。之后,控制器840可以输出/发射(832)相应的信号或多个信号给放大器830以相应调整一个或多个放大器830的电参数。调整后的电流然后可传送或提供至线圈810,从而操控体内装置860达到拟定/新P&O??刂破?40可以监控(834),例如,其可获得放大器830的状态反馈,使用该反馈信息并与位置与方向数据/信息结合,来控制放大器830的状态??刂破?40还可控制(822)电源820,例如用于改变电流的动态范围。即,控制器840可通过控制电源820的电气状态来粗略控制各个电流,并通过使用放大器830微调电流。

控制器840可被设置为操纵或通过操纵N个三元线圈组件来在操作区域内的体内设备860的位置产生MMP,从而MMP的磁场受试者可在第一方向(使得设备也面向该方向),其磁场梯度在第二方向(用以在设备上施加在该第二方向上的力)。磁场梯度的方向(第二方向)可以例如与第一方向平行(磁场的方向),或者该第二方向与第一方向呈α角。例如,α角(第一方向与第二方向的夹角)可具有在0度到90度的范围的值(例如,α角可以是锐角或钝角)。磁场的方向(第一方向)或者磁场梯度的方向或两者皆与N个三元线圈组件的或形成的平面平行、垂直或呈一角β。

控制器840还可配置为选择性地为一个或多个三元线圈组件激活选自以下的线圈:前置线圈,后置线圈和辅助线圈,以生成要求的或所需的MMP。也就是说,并非TCA的所有线圈(前置线圈,后置线圈和辅助线圈)都需要被驱动/使用;仅其一(例如辅助线圈)或其二(前置和后置线圈)需要被驱动/使用。使用的TCA组件中线圈的个数和环形位置,以及被使用的方式——体现在当前大小与方向——可取决于所需求的MMP??刂破?40也可被设置为选择性驱动特定的一对三元线圈组件,以产生(i)第一方向的磁场和(ii)与第一方向相同或不同的第二方向的磁场梯度;例如,与第一方向呈α角??刂破?40可独立地控制磁场及磁场梯度的方向。

控制器840可同时或大致同一时间产生均匀的磁场,以使体内装置在第一方向排列或定位;以及磁场梯度,以在第二方向对该体内装置发挥/施加力,从而操纵该体内装置的位置和/或方向。

控制器840可获取(例如,从P&O系统880)代表体内装置860的当前位置与方向的P&O数据,例如,在被放置于环形N个三元线圈组件(例,三元线圈组件系统705)内的受试者的肠胃系统内,并且可获得(892)代表肠胃系统内体内设备的目标位置与方向的数据。之后,控制器840可根据该当前P&O数据与目标P&O数据,对N个三元线圈组件(每个组件对应一个控制信号)产生控制信号(832)。示例信号可包含改变放大器的电学参数的指令;例如每个TCA的放大器的电学参数。每个放大器830的增益可为示例电学参数??刂菩藕趴晌峁└糯笃鞯氖淙攵说男藕?。

图8B是根据本发明实施例的磁操纵控制系统805’的局部框图。磁操纵控制系统805’包含N个TCA,指定为TCA-1((图中812),TCA-2(图中814)…TCA-N。(所有的TCA都在810’示出)。每个TCA可包含三个线圈,前置线圈、后置线圈和辅助线圈。举例说明,TCA-1可包括第一线圈“线圈1_1”(“电磁阀1_1”),可以是前置线圈;第二线圈“线圈1_2”(“电磁阀1_2”),可以是后置线圈;和第三线圈“线圈1_3”(“电磁阀1_3”),可以是辅助线圈。每个TCA的功能可如本文所示。

磁操纵控制系统805还可包含3×N个放大器,如图830’所示,举例说明,每个线圈配一个放大器。例如,放大器“放大器1_1”可驱动电磁阀1_1,放大器“放大器1_2”可驱动电磁阀1_2,以此类推。(也可使用其他放大器配置)。

体内装置(例如,体内装置860)可通过使用多于一个电流方案操纵其从一个位置到另一个位置。(“电流方案”是指共同产生所需的MMP以操纵体内装置到达下一个位置方向的一组线圈电流)。发明人已经考虑一个特定的MMP可以有一个以上的电流方案;即,同样的或相似的MMP可以由不同的线圈组或线圈电流产生。然而,为了驱动系统线圈从系统的电源(例,电源820)消耗的总电量可因不同的线圈与电流设置而产生差异。也就是说,对于在电力方面最适合某一特定需求的磁操纵或MMP的优化过程,一组特定的线圈电流可能比其他线圈组更经济??刂破?40可以在选择线圈和线圈的电流方面,执行最优过程/程序来确定对于任何的磁操纵需求(例如,产生能够操纵体内装置从三维空间内的一个点移动到另一个点的MMP),哪组线圈和线圈电流才是最优的(在功耗方面)。给定一个特定的磁操纵需求或MMP,优化过程包括一个计算一组或多组线圈电流的步骤,以及另一个选择能够导致最小电功耗的线圈电流的步骤。以下是一些根据本发明实施例的用于产生示例磁场操纵模式的非限制性例子。

实施例-1

下表3涉及一种情况,其中要求悬浮体内装置,例如,在胃中,而该体内装置的成像器的视场(FOV)在+Z方向。(该体内装置相对于Y轴“看起来”在Z轴正方向浮着,或飘着,Y轴与重力的方向一致)。虽然施加在体内装置上的磁场方向在此例中与Z方向一致从而在Z方向对准或定位体内装置中的成像器,但此例中的磁场梯度在Y方向,从而产生一个抵消重力的力。此例中的磁场强度为800高斯/米。表3规定了每个TCA中每个线圈的电流(假设八个TCA)。

线圈(A) 线圈名称/位置 线圈类型 52.8 X 辅助线圈-1 14.9 X+45 辅助线圈-2 -29.6 X+90 辅助线圈-3 11 X+135 辅助线圈-4 -58.2 X+180 辅助线圈-5 -4.59 X+225 辅助线圈-6 33.3 X+270 辅助线圈-7 -6.21 X+315 辅助线圈-8 10.75 180(-Z) 后置线圈 34.8 180(+Z) 前置线圈 348.5 225(-Z) 后置线圈 -319 225(+Z) 前置线圈 350 270(-Z) 后置线圈 -344 270(+Z) 前置线圈 299.5 315(-Z) 后置线圈 -239.5 315(+Z) 前置线圈 201.5 000(-Z) 后置线圈 155.5 000(+Z) 前置线圈 -42.45 45(-Z) 后置线圈 323.5 45(+Z) 前置线圈 -290 90(-Z) 后置线圈

350 90(+Z) 前置线圈 -215 135(-Z) 后置线圈 313 135(+Z) 前置线圈 -14.7 Z1(+Z) 第一Z线圈 100 Z1(-Z) 第二Z线圈 -57.7 Z2(+Z) 第三Z线圈 20.7 Z2(-Z) 第四Z线圈

表-3

图例:(仅有代表性的例子描述如下。图例也对其他下示的表格适用?!癤”,“Y”和“Z”是容纳或围绕操纵线圈的壳体的笛卡尔轴,其中,Z轴与操纵线圈的平面法线一致。)

1、线圈名称和位置X(辅助线圈)——这是辅助线圈定位在X轴,在X=0度处(例,如图5中的TCA530)。

2、线圈名称和位置X+45(辅助线圈)——这是辅助线圈设置在X轴与Y轴之间;即,与X轴呈45度(例,如图5中的TCA520。)

3、线圈名称和位置X+90(辅助线圈)——这是辅助线圈定位在Y轴;即,与X轴呈90度(例,如图5中的TCA510。)

4、线圈名称和位置X+135(辅助线圈)——这是辅助线圈设置在X轴与Y轴之间;即,与X轴呈135度(例,如图5中的TCA580),等。

5、线圈名称和位置180(-Z)(后置线圈)——这是后置线圈设置在X轴负侧(-X);即,与X轴呈180度(例,如图5中的TCA570),并且位于Z轴的负侧(具有负Z值)。

6、线圈名称和位置180(+Z)(前置线圈)——这是前置线圈设置在(-X)轴,即,相对X轴180度(例,如图5中的TCA570),并且位于Z轴的正侧(具有正Z值)。在位置180(-Z)与180(+Z)的线圈可以构成或形成+180度处具有前置线圈的TCA(例如,TCA570)。

7、线圈名称和位置315(-Z)(后置线圈)——这是后置线圈设置在X轴与-Y轴之间;即,与X轴呈135度(例,如图5中的TCA540),并且位于Z轴的负侧(具有负Z值)。

8、线圈名称和位置315(+Z)(前置线圈)——这是前置线圈定位在X轴与-Y轴之间;即,与X轴呈135度(例,如图5中的TCA540),并且在Z轴正侧(具有正Z值)。在位置315(-Z)和(+Z)的线圈可以构成或形成具有在X+315处的辅助线圈的TCA(例如,TCA540)。

9、线圈Z1(+Z)与线圈Z2(+Z)分别是第一线圈和第二线圈,其法线和Z轴/方向一致。两个线圈之一沿着Z轴方向设置在另一个之前。例,线圈Z1(+Z)定位在线圈Z2(+Z)之前。这同样适用于线圈Z1和Z2,但在Z轴的相反/负方向。

实施例-2

下面的表-4示出了一种方案,其中要求悬浮体内装置,例如,在胃中,而该体内装置的成像器的视场(FOV)在+X方向。(该体内装置“看起来”相对于Y轴,在X轴的正方向并“悬浮”或漂浮)。在此例中,磁场的方向(施加在该体内装置)与X轴正方向一致,从而使体内装置的成像器对准或面向+X轴方向,此例中的磁场梯度在Y轴方向,以产生抵消重力的力。此例中的磁场强度为800高斯/米。表4指定了每个TCA中流经每个线圈的电流(假设八个TCA)。

表-4

实施例-3

下面的表-5示出了一种情况,其中要求悬浮体内装置例如在胃中,而该体内装置的成像器的视场(FOV)在+Y方向(该体内装置“看起来”在(定向于)Y轴的正方向并相对于Y轴“悬浮”或漂浮)。因为此例中体内装置需要悬浮并且其视场正对Y方向,因此磁场(施加在体内装置上的)与磁场梯度都与+Y方向一致(磁场沿+Y方向施加在该体内装置成像器上,因此磁场梯度产生了一个抵消重力的力)。此例中的磁场强度为800高斯/米。表4指定了每个TCA中流经每个线圈的电流(假定八个TCA)。

表-5

实施例-4

下表6涉及一种情况,其中需要移动体内装置例如在小肠内,例如沿Z方向,同时成像器的FOV也定向为同一方向。然而,在此例中,体内装置由小肠悬挂,没有必要生成沿Y方向的磁场梯度以抵消重力。因此,只需要沿移动方向(Z方向)的力。另外,因为体内装置的视场与移动方向一致,对齐装置的视场的磁场以及产生力的磁场梯度在同一方向(此例中沿Z方向)。磁场强度为8000高斯/米。表6指定了每个TCA中流经每个线圈的电流(假设八个TCA)。

表-6

实施例-5

下表7涉及一种情况,其中需要移动体内装置例如在小肠内沿Y轴方向,同时成像器的FOV也定向为同一方向(Y方向)。

因为,在此例中,体内装置由小肠悬挂,没有必要产生力以抵消重力。因此,只需要沿移动方向(Y方向)的力。另外,因为体内装置的视场与移动方向一致(Y),对齐/朝向装置的视场的磁场以及产生力的磁场梯度在同一方向(此例中沿Y方向)。此例中的磁场强度为8000高斯/米。表7指定了每个TCA中流经每个线圈的电流(假如八个TCA)。

表-7

图9所示为根据示例实施例的体内成像系统900。虽然图9对应一个体内装置(体内装置906),其发送可能相关或包括任何类型的传感器数据(例如,PH值)的数据帧,图9示出的体内装置906以示例传感器为成像器的情况,在此方案中体内装置906可称为“体内成像设备”或“体内成像器”,通过或由体内装置906传输来的(数据)帧可称为“图像帧”(虽然图像帧还可能包含其他类型数据,包括定位数据和/或其他类型传感数据)。体内成像系统900可包括体内装置906,数据记录器908,用户工作站930,其可以为工作站或个人计算机,以及显示设备902用于显示,例如图像和/或视频片段或运动图像流,和用于显示体内装置的定位和方向,等等。

体内成像装置可以具有或包括一个或多个成像器。举例而言,体内装置906包括一个成像器(例,成像器912)(可使用不是一两个的成像器数目)。体内装置906还可包括光源/照明源914用于照明要成像的GI部分/部位/器官,帧发生器920用于产生对于每个捕捉到的图像的图像??;控制器960,其可执行由控制器840设置的步骤或程序;存储单元940用于存储数据,发射器或接收器950用于发射(942)图像帧,也可选择性地接收(948)来自数据记录器908的数据和/或命令;还包括电源,为这些元件和电路供电。为体内装置906供电的电源可包括电荷存储设备(例如,一个或多个电池,其可或不可再次充电),具有电气电路,共同实现电力从外部电源通过电磁感应向体内装置传输。

体内设备906可包括位置和转向单元(LSU)907。LSU907可包括传感线圈组装体(SCA)910,用于检测产生的定位信号,例如,通过外部定位系统(未示出)。SCA910可包括K个用于检测的电磁感应线圈,其通过电磁感应,检测电磁定位场/信号,其中n是整数,等于或大于1(例如,K=2个传感线圈,或K=3个传感线圈),并且其可以为,例如,互相垂直。每个电磁感测线圈可以被用来检测每个不同位置/方向的电磁场。举例说明,一个线圈可以被用来感应X方向或在Y-Z平面的电磁??;另一个线圈可以被用来感应在Y方向的或在X-Z平面的电磁场,等。由外部定位系统产生的每个定位信号都将产生一个电磁场(EMF)信号施加在SCA910中的K个电磁感应线圈中的一个或多个上,而体内装置906的当前位置和任选的当前方向都可由SCA910中的感应线圈感测(感应)到的EMF信号(一个或多个)来确定。

体内装置906还可包括磁性操纵单元(MSU)911,以促进对于体内装置206的磁性操纵,例如,通过与由图8A-8B所示的磁操纵系统相同或相似的操纵系统产生的磁场相互作用。MSU911可包括,例如,一个或多个永磁铁,其可以与如图8A所示的磁操纵系统805或类似的系统产生的磁场相互作用。永磁体与磁场(多个)相结合,可产生磁力和/或转矩,引导体内装置906在期望的方向或将其定向或放置在期望方向/位置??刂破?60可通过收发器950传送代表感应到的位置信号的数据。体内设备906还可包括用于检测SCA910的电动势EMF信号的感测信号处理器(SSP)913。

代表SCA910诱导的EMF信号的数据或由其衍生的数据可通过在图像帧中嵌入数据和/或通过使用可专用传送这类数据的帧被传送942到例如数据记录器908。帧发生器920可接收(916)图像数据,并产生相应的包含图像数据的图像帧(或简称“帧”)。帧通常包括包含有信息和/或与帧本身有关的数据的报头字段(例如,识别帧信号,帧序列号,帧生成时间,帧的逐位长度等),和有效载荷字段。有效载荷字段可包括未压缩版本的图像数据和/或它们的压缩版本和抽样图像。有效载荷也可包括与例如从SCA910中读出的值相关的或者代表其的其他信息。

控制器960可以操作照明/光源914照亮体内装置906走过的区域,并因此安排捕捉图像的时间??刂破?60还可以使用定时器来为照明源914的操作计时,以每秒K次(例如,K=4)照亮,以实现每秒捕捉k个图像,以及为收发器950的操作计时,使其以相同的速率或不同的速率同时发送帧??刂破?60可在数据存储单元940中临时存储拍摄的图像和相关的图像帧中的数据??刂破?60还可以执行各种计算并在数据存储单元940中临时存储计算结果??刂破?60也可以使用计时器来读取在分配的感测窗SCA910输出的EMF输出值,从其可计算或推导出体内装置906的位置和/或方向(例如,通过控制器960或外部系统,例如,数据记录器908)。

控制器960也可以使用计时器来计时定位数据的写入(例如,添加,附加,或以其它方式嵌入),(例如,感测线圈的读出或其被操纵模式)形成相应的帧。在帧发生器920生成了捕捉图像与嵌入的定位数据的帧之后,控制器960可使用收发器950将帧无线传输942给数据记录器908中??刂破?60可以通过执行软件或指令,执行SSP913和帧发生器920的任何一个执行的步骤,以及体内装置906内的其他功能,因此可以如这些单元一样的工作。例如,控制器960可因此配置为执行本发明的实施例。每个感测信号处理器(SSP)913和帧发生器920,以及其他功能可被作为专用硬件单元执行,或者可以是由控制器/处理器如控制器960执行的代码或指令。代码/指令可以在两个或多个控制器/处理器中分布。

数据记录器908可包括接收器或收发器944,帧解析器970,以及对它们进行管理的控制器或处理器990。处理器990可经配置通过例如执行软件或代码执行所有或部分的本发明的一些实施例。数据记录器908可包括附加组件(例如,USB接口,安全数字(“SD”)卡驱动器/接口,控制器等),用以与处理和/或展示系统通信(例如,向其传送数据帧,数据等)通信的元件或单元,处理和/或展示系统通信可以被配置用以处理源自体内成像器912的图像、定位数据以及相关的数据。

收发器944可以接收942对应于特定的捕捉图像的数据帧,而帧解析器970可以解析数据帧以提取包含在其中的各种数据(例如,图像数据,与特定的所捕捉图像相关联的抽取的图像,定位数据等)。在一些实施方案中,一些数据帧,本文中称为“定位帧”,可专用于包含和仅传送或大部分时候传送定位数据。定位帧可以例如包括定位数据,但不包括图像数据。

用户工作站930可以包括显示器或功能性地连接到一个或多个外部显示器,例如显示设备902。工作站930可以接收帧(例如,图像帧,定位帧等)或来自数据记录器908的图像,并对它们实时呈现,例如,作为实时视频,或产生可被展示的包含位置和方向信息的视频流,例如,在显示设备902上。工作站930可包括存储器(例如,存储器904),用于存储传送自数据记录器908的帧数据和可能的相关数据,以及处理器(例如,处理器905),其用于处理所存储的帧和相关数据。工作站930可例如向人操作者、保健医生或看护者、医师等人显示选择的图像或从这些图像编译的视频片段(例如,运动图像流)。处理器905可经配置以执行所有或部分本发明的实施方案。

数据记录器908可以发送P&O信息——该信息涉及或来源于体内装置906的当前P&O——到磁场操纵控制系统(如,到图8A-8B中的控制器840)。磁场操纵控制系统(如,控制器840)可以基于它接收自数据记录器908的P&O信息,以及涉及新的或者所需要的P&O产生MMP。例如,磁场操纵控制系统(如,控制器840)可比较它接收自数据记录器90收的P&O数据与涉及新的(例如,期望的或预期的)P&O数据,并且基于比较结果,确定下一个要被施加到该体内装置上的MMP。

图10显示根据本发明示例实施例的磁操纵方法。如上文所述,控制器840可配置为同时或基本同时产生其磁场在第一方向上校准体内装置的磁场操控模式;以及磁场梯度,其方向(例如在该体内装置上施加力)在与第一方向不同的第二方向上,从而操纵体内装置的位置和/或方向??刂破?40可配置为选择一组三元线圈组件以获得需要或要求的磁场操控模式(MMP),如下所述??刂破?40可同时或基本同时产生磁场和磁场梯度,用以保持该体内装置的位置和/或方向,或移动或转动该体内装置到需要的位置和/或方向??刂破?40可选用所有三元线圈组件,用以操纵该体内装置,和单独计算每个三元线圈组件中每个线圈流经的电流,以产生需要操纵体内装置到下一个位置的磁场操控模式,并且可选地或附加地转动其到下一个方向。

在步骤1010,磁操纵控制器(如图8A-8B的控制器840)可接收可操纵装置(如体内装置,比如体内装置860或906)的(当前)P&O信息或与(当前)P&O信息有关的信息??上喽杂诳占洳僮髑蛉范ù懦〔倏啬J?,该空间操作区域包括或被限于有限空间,该有限空间包括或包含所述装置。因此,在计算或以其他方式确定新磁场操控模式前,装置当前P&O必须是已知的。在步骤1020,为所述装置确定/设定新P&O(如自动地,例如通过控制器或用户)。

在步骤1030,该控制器可确定需要用来操纵装置向下一个位置和/或方向的磁场操控模式??赡芑岢鱿侄缘己?指引精度折衷的情况。例如,当该体内装置在胃部时,装置在位置和/或方向上的小偏差或差错是可接收或容许的。然而,当该体内装置在小肠时,(例如)在胃部容许的偏差在小肠可能是不被容许的。因此,需计算或以其他方式确定并存储(如在系统805的存储器中)允许的P&O公差/差数,为肠胃系统沿途和内部的多样位置和方向提前准备。之后,该控制器(如控制器840)可计算操纵装置到下一个位置和/或方向的可允许MMP范围,其中在P&O精度中磁场操控模式范围因子允许该位置和/或方向??稍市鞰MP范围指的是或包括磁场强度可允许范围、磁场梯度可允许范围、磁场方向可允许范围和磁场梯度方向可允许范围。

在步骤1040,控制器在磁场操控模式允许范围内选择一或多个磁场操控模式,和确定一或多个潜在三元线圈组件组,该三元线圈件组可适于产生已选择的磁场操控模式。在步骤1050,控制器可执行优化程序以确定如果使用哪组三元线圈组件会产生最优能耗。

优化过程可基于公式(1),或包括使用公式(1):

( 1 ) - - - P = Σ i = 1 n I i n xR i ]]>

其中,P是所选三元线圈组件参与产生磁场操控模式预计消耗的总体电能,n是参与产生磁场操控模式的线圈总数,Ii是流经线圈i(其中i=1,2,……n)的电流,Ri是线圈i的电阻。

实际用于产生磁场操控模式的三元线圈组件是当P值最小时的那组。虽然如此,在某些情况下会选择一组并非最优的三元线圈组件(和电流组),例如为操纵装置从一个位置/方向更顺利地转移到另一个位置/方向。三元线圈组件及其电流的选择可优化,这是因为当麦克斯韦方程组提供八自由度(DOF)时,可等于3xN+4的N个三元线圈组件的线圈数量提供更多DOF。例如,如果N=8,且有四个Z线圈(如上文举例),那么就有3x8+4=28个线圈。

发现以最小能耗产生需要的磁场操控模式(如场/力/扭矩)的电 流组

磁场 B → = B x B y B y T ]]>由此处描述的三元线圈组件(和另加的“Z”线圈)产生,并且可以是在体内装置的 P → = x y z T ]]>位置的函数,装置在支撑、包括或容纳所述线圈的桶架中,和电流组 I → = I 1 I 2 . . . . I N T ]]>的函数,其中N是独立(磁)线圈的数量。

磁场在操作区域内任意一位置上可与线圈电流的(伪线性)重叠有关或来源于其:

其中fn(In)是铁心#n(若存在)的非线性增益函数,是所有零的矢量,除In等于1A外。

由于磁扭矩和磁力在某一指定位置和方向上不仅是磁场的线性函数,也与有(伪)线性关系。因此总体上,在某一特定位置和方向由元素组合成的矢量可以写作:

v → ( P → , R ‾ , I 1 I 2 .... I N T ) = Σ n = 1 N f n ( I n ) v → ( P → , R ‾ , 1 n → ) ]]>

因此,发现获得需要的磁场/力/扭矩矢量的电流组的问题通过先解线性方程组(在下一段中表述),然后计算解决。

M=(mk,n}是K×N矩阵,其中K是目标矢量的长度,N是独立线圈的数量。由于线性独立线圈的数量比的线性独立元素的数量多,因此这个方程式不能确定,它的解法有N-K自由度(假设所有的线圈是线性独立的,所有的元素是线性独立的)。最小化所需能量的电流解决方案可在下列非限制性的示例中发现:

1.通过计算M的伪逆,找到问题的一个特解:

I → p = M T ( MM T ) - 1 υ → ]]>

2.解出M(即NS[N×(N-K)])的零空间(核),由此得出对任何 M · N S · x → = 0 : ]]>

NS=ker(M)

3.解出使总功率减到最小的这可能是加权最小平方问题,有一个已知解(W=wi,i是一个对角权值矩阵,其中wi,i是线圈#i的电阻):

x → = - ( NS T · W · N S ) - 1 NS T · W · l p → ]]>

4.最终解可取的形式。

如果这个解(产生电流)超过了独立线圈的电流限值,或者总功率超过了总功率限值,该线性解就要按比例减小(即其中α∈(0,1)),直到满足电流限制和总功率限制,从而在减少长度的同时保留其方向。

最后这个解可以通过铁心(若存在)的逆增益函数得出:

图11显示本发明另一实施例中一种磁操纵方法。步骤1110包括关于图10表述的步骤1010、1020和1030。

步骤1120除产生一个三元线圈组件结构外,与图10中的步骤1040相同。在步骤1130决定(如通过控制器840)三元线圈组件结构是否已经找到,在该步骤中电功率P耗散或耗费在相应的线圈上,电功率P小于(低于)阈值Pmax。如果三元线圈组件结构已经找到(如通过控制器840)(步骤1130中“是”所示),则不会发现(如通过控制器840)其他三元线圈组件结构,已发现的三元线圈组件结构会在步骤1140用来产生(如通过控制器840)磁操纵模式。但如果发现一个三元线圈组件结构,其电功率P大于(高于)阈值Pmax(步骤1130中“否”所示),那么就需要在步骤1120(如通过控制器840)寻找(按照迭代循环1142)另一个三元线圈组件结构。然而,如果一组已发现的三元线圈组件结构中没有三元线圈组件结构满足条件1130,那么控制器(如控制器840)可使用那个需要最小电功率(经分支1144)的三元线圈组件结构,如步骤1150所示。

图12A-12F描绘本发明另一实施例中的一个三元线圈组件。图12A描绘组装的三元线圈组件1200。三元线圈组件1200包括前置线圈1220、后置线圈1230和辅助线圈1210。线圈1220和1230相邻并排放置,形成或限定一个平面。(平面见图12B的1270。)辅助线圈1210与线圈1220和1230相附着,因此线圈1210分别与线圈1220和线圈1230部分重叠。每个线圈可有一个磁心。例如线圈1210可具有磁心1260,线圈1220可具有磁心1240,线圈1230可具有磁心1250,如图12B和12C所示。

图12B描绘三元线圈组件1200的横截面视图。图12C描绘三元线圈组件1200的分解图。图12D描绘前置线圈1220,其可与后置线圈1230相同或相似。图12E描绘辅助线圈1210。图12F描绘三元线圈组件的三个磁心1240、1250和1260。

图13A描绘本发明另一实施例中的磁系统1300。磁系统1300包括N个三元线圈组件(例如八个三元线圈组件),和罩住三元线圈组件的外壳1304。一个三元线圈组件被完全显示;即该三元线圈组件包括前置线圈1320、后置线圈1330和辅助线圈1310(未显示线圈1320和1330以及对应磁心1340和1350,线圈1310部分未绘出)。线圈1320和1330并排放置并形成或限定一个与图12B中平面1270相似的平面。辅助线圈1310与线圈1320和1330相附着,因此辅助线圈1310分别与前置线圈1320和后置线圈1330部分重叠。(为保证图13A清晰,其他三元线圈组件仅显示磁心。)

图7B的线圈结构(磁系统)中所有的三元线圈组件被外壳(框架)794完全包围/罩住(外壳被制成完全罩住/围住所有三元线圈组件的大小),这种结构有一个缺点,就是因围住三元线圈组件的外壳的末端条件而削弱磁性(即在外壳中央部分的磁场强度变弱)。图13A绘制的磁系统改善了这一问题:前置线圈1320(和其他N-1个三元线圈组件的前置线圈)和后置线圈1330(和其他N-1个三元线圈组件的后置线圈)各有一个线圈末端(分别在1322和1332)从外壳1304的侧壁1302延伸出去。线圈末端1332从外壳1304的侧壁1302延伸出去。(仅线圈末端1332可见,但同样适用于箭头所指的对立末端1322)。

线圈末端1322和1332延伸部分具有磁性,弥补或阻止了磁场因外壳1304及其侧壁(如侧壁1302)末端条件引起的扭曲。图13B更加清晰地图解了线圈末端延伸部分。关于图13B,L1(也见于图13A)代表线圈外壳1300’(和外壳1300)的宽度;参考数字1310’,1320’,1330’分别代表辅助线圈、前置线圈、后置线圈,与图13A中的线圈1310,1320和1330分别对应。L2是当前置线圈和后置线圈并排放置(如图12A所示)时,线圈1320’和1330’的总长(和图13A中的线圈1320和1330的总长)。L3是辅助线圈1330’(和辅助线圈1330)的长度,其中L2>L1>L3。L1、L2和L3的示例值是L1=730mm,L2=890mm(445x2),L3=700mm?;谎灾?,使用此种尺寸三元线圈组件,当每个三元线圈组件的前置线圈和与其成对的后置线圈相邻摆放时,就能出现一个满足(“弥补”或“改善”)条件L2>L1的总长L2,减轻由三元线圈组件的外壳末端条件引起的磁性问题。

尽管本发明实施例并不局限于此,但利用术语如“处理”、“计算”、“运算”、“限定”、“推理”、“推导”、“建立”、“分析”、“检查”或其他类似术语的讨论可涉及计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算设备的操作和/或处理,其用来将在计算机寄存器和/或存储器中的物理(如电子的)量表示的数据处理和/或转换成其他相似物理量表示的数据,这些数据还存于计算机寄存器和/或存储器中,或者是其他可以存储执行操作和/或处理指令的非临时性信息存储介质。除明确说明外,此处所述的实施例方法并不局限于某一特定指令或步骤顺序、操作方法或过程。另外,某些所述实施例方法或元素可在同一时间点发生或执行。

此处所用冠词“一个(a)”和“一个(an)”指的是根据上下文,冠词的语法对象是一个或多于一个(即至少一个)。举例说明,根据上下文,“一个因素(anelement)”可指一个或多于一个的元素。此处所用术语“包括(including)”意为“包括但不限于”,并可与其替换使用。此处所用术语“或(or)”和“和(and)”在除上下文明确指出外,意为“和/或”,并可与其替换使用。此处所用术语“例如(suchas)”意为“例如但不限于”,并可与其替换使用。

此处公开了不同实施例。某些实施例的特征可与其他实施例的特征相结合;因此,某些实施例是其他或多个实施例特征的组合。本发明实施例包括的设备有,如一台计算机或非临时性存储介质处理器;非临时性存储介质,如存储器、磁盘驱动器或USB闪存,可编码、计入或存储如电脑可执行指令的指令;当处理器或控制器执行该指令时,即执行此处公开的方法。例如,一个系统可包括一个非临时性存储介质,如储存器940和如控制器840一般的控制器。为执行上述已公开方法,某些实施例的实施需要一个存储指令的计算机程序产品,包括一个非临时性机器可读存储介质。该指令可用来给计算机或其他可编程设备编程。拥有了已表述的本发明示例实施例,对本领域技术人员来说,显然对已公开实施例的修改在本发明范围内。因而可选的实施例包括更多???、较少??楹?或功能相等???。本公开与多种类型的体内装置(如有一或多个成像器的、或没有成像器的体内装置)和多种类型的接收器有关。因此,所附权利要求的范围并不局限于本公开。

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本文标题:操纵可吞入式体内装置的操纵线圈结构.pdf
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