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仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

第30卷第ll期2009年11月

仪器仪表学报

ChineseJoumalofScientificInstnJment

、,r01.30No.1l

Nov.2009胶囊内窥镜能量接收稳定性研究水

辛文辉,颜国正,王文兴,贾智伟

(上海交通人学电子信息与电气工程学院820所.卜.海200240)

摘要:提m了用三维接收线圈组成接收电路,解决由于无线胶囊内窥镜在人体消化道内姿态小确定所带来的接收能量不稳定问题。分析了由三维接收线圈组成的不同接收电路的接收效果,得出了对每一维线圈单独全桥整流后再并联输出的电路结构是最适合于为胶囊内窥镜供能的电路。计算厂该接收电路的输ff{范围,并通过试验对其进行了验证。结果表明:当发射功率为25w时,胶囊内窥镜可在姿态任意变化的情况下获得320mw以E可用能量,满足其高清晰度、高帧率功能对能量的需求。关键词:胶囊内窥镜;感应耦合;i维接收线圈

中图分类号:R318TMl31.4文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4025

StudyonstabilityofpowerreceiVingf.0rcapsuleendoscopes

XinWbnhui,、r觚Guozheng,WaIlgW色nxing,JiaZhiwei

(No.820In3m眦,School对EleclronicS&I巾mtnlion,Shnng}lniJ记IotongUniversi时.S妇ng№i200240.ch孤I)

Abstract:TbsolVetheinstabilit)rofpowerreceiVingofcapsuleendoscopesduetotheindeterIIlinationofitsoriginationinalimentaD,tract,apowerreceiVercomposedofathree—dimensional(3一D)receiVingcoilisputfor.wardinthisstIldy.ThereceiVinge仟ectsofdi腕rentc硫uitsassembledfromthis3一DcoilwereeValuated,卸dacircuitwiththesmJctureofparallelconnection硪erfull一雠dgerectifyingwaschosenasnleappmpriateone.OutputrangeoftI圮circuitwascalculatedandexperimentswerecaI订edouttoValidateitsperfo咖ance.Resultsshowthatupto320mWusablepowercaJlbesteadilyreceiVedbythecapsuleendosc叩eregardlessofitsOrienta-tionwhentheinputpoweris25W,arIdthepowertransrnjssionsystembasedontIlis3一DreceiVingcoilcandeliV—eryenou曲powertothecapsuleendoscopesforthefunctionsofhi曲erimagequali够andfaster

f}锄erate.

Keywordslc印suleendoscope;inductiVecoupling;3?DwirelesspowerreceiVer

1引言

无线胶囊内窥镜可以实现无创、全消化道检测,是内窥镜技术的发展方向川。但目前临床戍用的胶囊内窥镜均采jH纽丰|J电池供电,由于电池容最有限,只能以2帧,秒的速度,在8小时内,对消化道图像信息进行采集和传输,更无法主动运动,进行定点检测【2J。凶此,能最成为制约胶囊内窥镜功能的“瓶颈”,研究可为其提供能量的供能技术很有必要。

胶囊内窥镜要实现高清晰、高帧率的图像获取和传输,其功耗歪少在150mw以上,以目前的电池技术根本无法做到,因此,必须探寻新的供能方式口J。基于电磁

收稿日期:2009一03ReccivedDale:2009-03

}基金项目:国家“863”计划(2006从042368)资助项目感应的经皮能量传输是一种通过皮肤组织进行非接触供能的能最传输方式,已经在人工脏器方面得到了广泛应用,并且目前尚无不良反应的报道件引,所以,胶囊内窥镜的供能也多采用此利t疗式睁”。

采用电磁感应方式为体内胶囊内窥镜供能时,体外能量发射线圈制作成圆环形,绕在人体消化道区域,并通过驱动电路产生一定强度和频率的时变磁场,覆盖胶囊内窥镜所在的工作区域;集成于胶囊内窥镜中的能量接收线圈通过电磁感应产生感应电动势,经整流、滤波、稳压等处理后供胶囊内窥镜使用。由于接收线圈空间尺寸有限,为了提高传输效率,接收线圈和匹配电容组成了LC串联谐振电路,其谐振频率与发射线嘲产生的电磁场的频率相同,以形成共振耦来获取能量l引。

万方数据

2434仪器仪表学报第30卷

与经皮能量传输中发射线圈与接收线圈位置相对固定、两者之间仅隔皮肤组织、接收线圈直径可达10cm的特点相比MJ,胶囊内窥镜的无线供能更具复杂性,有以下特点:1)由于发射线圈在体外,接收线圈在体内,两线圈之间的距离约为5cm~15cm;限于胶囊内窥镜的空间尺寸,留给接收线圈及其接收电路的空间最大只有约由1cm×1cm。所以,胶囊内窥镜的发射线圈和接收线圈之间的耦合形式属于弱耦合,传输效率低。

2)胶囊内窥镜随消化道的蠕动而运动,导致集成在其中的接收线圈在人体消化道内的姿态不断变化。

针对以上特点,除了设法提高传输效率,胶囊内窥镜的供能技术还必须解决能最传输的稳定性问题,即确保在胶囊内窥镜姿态任意变化的情况F,能量传输系统仍能提供可使其正常工作的能量。

2稳定能量传输方案选择

在胶囊内窥镜的供能中,由于接收线圈姿态在变化,在某种姿态下,接收线圈的线圈平丽可能与电磁场方向平行,导致其无法产生感应电动势而出现能最传输的盲点。要使胶囊内窥镜在姿态变化的情况F仍能获得稳定能量,有以下方案可供选择:

第一种方案是制作一个自定向机构,使接收线圈的线圈平面始终维持水平状态,而保持体外的发射线圈产生的电磁场方向始终处于垂直状态,这样接收线圈就能获得稳定能量【9】。这种方案需要高精密的机构制作,并且该机构会占用胶囊内窥镜有限的宅问,使得其空间利用率下降,接收效率F降。

第二种方案是采用反馈方法。根据接收线圈的姿态调整体外发射线圈的磁场方向¨01。这种方案的姿态测定和信息传输装置不但会占用胶囊内窥镜的有限空间,并且需要消耗一定的接收能量,此外,体外也需要一定的控制装置对发射线圈进行调整。

第三种方案是采用多维接收线圈的方法。体外发射线圈磁场方向维持不变,三个正交布置的线圈构成接收线圈,这样无论接收线圈的姿态如何改变,三个线圈产生的能量合成后仍可以维持在一个相对稳定的状态【3】。这种方案的优点是无需获取接收线圈的空间姿态,缺点是接收线圈结构和相应的后续电路较为复杂。

综合比较以上三种方案,可以看出,采用多维接收线圈的方案是一种切实可行的方案,本研究采用此种方案。

3能量接收电路

把三维接收线圈感应产生的电动势整流合成稳定、可供胶囊内窥镜使用的能量,必需通过一定的接收电路。根据线圈和整流电路的连接方式,有对三维线圈先串、并联后再整流和对三维线圈先整流再串并联共四种结构。其中,三维线圈串、并联后再整流的方法由于存在三个线圈产生的感应电动势在某种情况下方向相反而相互抵消的问题,故不予考虑,应主要考虑整流后串、并联电路的接收效果。图1(a)是采用先整流后串联的电路结构。三个接收线圈分别产生感应电势,通过整流后串联在一起,为系统供能。该电路的优点是可在任何时刻有效利用三个线圈产生的能量,输出能量为三个线嘲输出能量之和。缺点是由于三维线圈都形成回路,三个整流电路都串接于输出同路,所以回路损耗为三个整流电路的损耗之和。更重要的是由于三维线圈中都有电流,并且三维线圈之间是密绕在一起的,相互之间影响会导致接LC回路失谐,严重影响传输效率。图l(b)是采用先整流后并联的电路结构,由三个线圈分别整流后再并联为负载供能。该电路工作时,由于整流电路_极管的钳位作用,三个接收线圈中只有感应电动势最大的一维能形成回路,其它两路虽然有感生电动势,但无法形成回来,不会产生能量输出。这种电路的优点是某一时刻,}{有一维线圈形成回路,所以三个线圈之间不会相瓦影响,保持谐振状态;同时,回路损耗也只有一路整流损耗。这种接收电路的缺点是能量的利用率不高,任何姿态下,总是取三维线圈中感生电动势最大一维的能量作为输出。

L瞎睛}||o

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茌I线圈l弓U

b—凸

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墨l线圈l弓本k罔zjo

b—b一Q

rJ一

图l接收电路结构

Fig.1

S仇lcmreofthepowcrreceiVingcir;cuit由于体外发射线圈和体内接收线圈的耦合程度低,传输的功率较弱,大约在1w左右。此时,即使使用低正向电压的整流二极管,整流电路的损耗也大约在100mW左右(ZHCS400整流二极管在正向电流为200mA时,正向电压降为0.25V'其功耗为50mW。整流电路至少需要两个二级管),可见整流电路的损耗相当大,在传输的总能量中占的份额也较大。综合比较接收功率和整流电路损耗

万方数据

第ll期辛文辉等:胶囊内窥镜能鼍接收稳定性研究

2435

后可知,整流后并联接收电路比整流后串联接收电路的接

收效率高,所以本能量传输系统采用此种接收电路。

在能量接收电路中,还必须考虑整流电路。半波整流

电路需要的元器件最少,结构最简单,但是在感应电动势负半岗被二极管阻断,使得接收电路不能谐振。伞波整流与伞桥整流输出的波形和效率是一样的,并且全波整流比

全桥整流有使用整流二极管少、自身损耗少的优点。但全波整流必须是对称的双绕组,产生相同的感应电动势线圈

匝数必须是全桥的两倍,这对于空间尺寸苛刻要求的胶囊

内窥镜是不可能的。因此,本接电路采用全桥整流电路。

此外,采用整流后并联接收电路虽然能获得较稳定的能量,但是输出电压的波动性还是比较大,而胶囊内窥镜正常工作需要一个稳定的电压。所以本接收电路还必须后接高效率的DC.DC,对电压进行进一步调节,才能供胶囊内窥镜使用。

4稳定性分析

下面对整流后并联接收电路的输出稳定件进行分析。将三维线湖视为证方体,以三个线圈平面的交汇面

的中心点为原点建立空间直角坐标系,如图2所示。相

仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

互垂直的三个线圈可用平面xoy,yoz,zox上与线圈面积相等的正方形表示,并将j维线圈在磁场中的姿态变化变换为磁感府强度方向相对于三个接收线圈线圈面法线的变化。设磁感应强度口方向相对于线圈平面法线的夹角为鸟,幺,岛。由法拉第电磁感应定律可得到每个线圈

产生的感应电动势:

毛=2可M置号鲁cos瞑

f=l,2,3

(1)

Ul

式中:.厂为电磁场频率,Ⅳ;S,为第f组线圈的匝数和面积的乘积,口为磁感应强度,p为接收线圈与磁场方向的夹角。

由于三维线圈相互垂直,磁场方向与三个接收线圈

的线圈面法线应满足以下约束条件:

cos2瞑+cos2岛+cos2岛一

90。≤瞑'2'3+cos2岛^I≤180。

、。7

由于对称性,只考虑第一卦限,为了方便分析,设L

/B

线圈3

.八/

/。

B么生

./,

斓;:

/一

∥。7o

y‘

./

.7

图2电磁场与三维接收线圈的相对位置

Fig.2ReIativeposition

betw∞nthe

magneticfield

andttleⅡlr∞.din屺nsioncoil

图3是将感应电压归一化以后仿真得到的电压与旋转角度之问的关系图。其中,曲面表示的是电压的大小,岛、岛足磁感应强度方向与线圈平面法线的夹角。

图3感应电压与旋转角度

Fig.3IIlductiVe

Vol魄e

Vs

rotation柚gle

显然,从图3可以看出,当岛、谚、岛其中有一个为

Oo时输出电压有最大值,当岛=岛=岛=arccos(括/3)时输出电压有最小值。并由此可得到该接收电路的电压变换范

围为:

y∈[2椰警孚,2椰詈】

(5)

三个线圈的匝数和面积的乘积都相等,即:

鹏:ⅣlS=Ms:=Ⅳ3马

(3)

5实

则并联输出情形下’孳坚电路的输出电压。

为了对该接收电路的接收效果进行验证,搭建了实y2删Lx(E,岛,岛)-2彤imax(Ⅳl墨cos瞑,Ⅳ2是cos皖,

验系统,如图4所示。用Pvc材料制作一椭圆犁带状支Mscos∞:2妒帽竿max(cos鼠,cos只,cos幺)-

(4)架,在其上绕制螺线管线圈,绕成以后椭圆线圈的长半

f1凡m广——。———二_

轴为50cm,短半轴为40cm,线圈宽度为30cm,这样

2硎s詈max(c。8岛,c。8岛,√1一c。82B—c。82皖’

的设计能保证其产生的磁场覆盖人体的消化道,并预留u●

H●r^rl

nLH、u丌,上HJI●^A7W+l置皿/、r1-HJlI

J懈…洲

万方数据

2436仪器仪表学报第30卷

一定间隙。绕完线后必须用PVC材料将线圈包裹,以防止实验过程中发射线圈产生的高压对操作者的伤害。发射线圈和接收线圈采用L娩线能礁著提高传输效率。通过一系列比对试验,在本能量传输系统中,选定了AWG38的线作为发射线圈,匝数为50,电感值为713uH,配以密值为500pF左右的耐高压真窄电容,在H桥逆变电路的驱动下,发射电路能在266.5kHz下稳定谐振,产生交变磁场。采用AwG44的Litz线,三根作为一股,在外形尺寸为6,6x6.6×5,5nun3的锰锌磁芯上卡目互正交,绕制三维接收线圈。三维线圈每一维的匝数为100匝左右,为了确保三维接收线圈能获得相同的接收能量,其匝数可以有所不同。为i维接收线圈分别配备了低损耗的串联谐振电容,确保其在266.5kHz下完伞谐振。DC.DC电路采用MAXl776(效率为85%到90%)对接收电压进行进一彬稳守,jf榜10QⅣ||fjl5ff,作为卡尊丰以饧毒I}:.

图4实验装置

Fig.4ExperimentdeVice

将i维接收线圈及其接收电路放置在PVC材料做成的旋转装置上,并将该旋转装置放置在发射线圈的中间位置,调节旋转装置,可改变接收线嘲在磁场中的姿态。通过测量接收电路在不同姿态下的输出能量,可以对接收电路的姿态稳定性进行评价。

在实验中,为了具有代表性,定义以下旋转方式,如图5(a)、(b)所示。(a)为保持其中一维线圈的线圈平面与磁场方向始终平行的旋转;(b)为保持其中一维线圈法线与磁场方向夹角始终为arccos(√3/3)的旋转。在实验过程当中,调节发射线圈的功率为25W,旋转装置每改变100,记录一次接收电路的输出功率,并将两种情况_F接收到的功率绘制在图5(c)当中。显然,图5(a)中的这种旋转,相当j二图2中岛恒为零的情况,能出现输出功率最大的姿态,能量输出最小的姿态不会出现。而在图5(b)的旋转中,相当于图2中易恒为54。(arccos(√3/3))可出现输出最小的姿态,能量输出最大的姿态也不会出现。此外,旋转(a)的接收能量总体E应大于旋转(b)的接收能量,图2(c)中的结果印证了这些分析结果。旋转(a)的最大接收能量为750mw,而旋转(b)的最大接收能犀只有630mw;旋转(a)的最小接收能量为420mW,而旋转(b)的最小接收能最为320mW;并且从总体上旋转(a)的接收能量大于旋转(b)的接收能量。

旋转角厦,o

(c)

图5实验结果

Fig.5ExperiInentresult

由于接收线圈在实际制作过程当中,接收线圈的接收效果不能做的完全一致,这使图5(c)中的接收曲线在一周的旋转过程中出现的四次最大值和最小值有各所不同,出现的角度位置也与分析的不完全一致,但从总体上,实验结果和预期分析是一致的。用三维接收线圈,配备以整流后并联接收电路,能在一定程度上提高能量传输的稳定程度,避免出现能量传输的盲点。

6结论

为了给胶囊内窥镜提供稳定能量,本文提出了用三维接收线圈组成接收电路来解决能量传输的姿态稳定性问题的方法。并对整流后并联接收电路的稳定性进行了理论分析和试验验证。结果表明,输入功率为25w的情况F,该能量接收电路获得的能量在320mw~750mw之间,相比单维接收线圈,能量传输的稳定性得到一定程度的提高,能满足胶囊内窥镜对能量的需求。

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作者简介

辛文辉,1997年于西安T程大学获得

学士学位,2005年于西安交通大学获得硕

十学位,现为上海交通大学博士研究生,主

要研究方向为智能机器人、生物医学工程。

E?mail:whxin@sjtll.edu.cn

XinWbnhuireceivedBSc纳mtheXi’an

P0ly白echnicUniVersityin1

997锄dMScfromxi’anJiaotong

UniVers时in2005.NowheisaPhDcaIldidateinShan曲ai

JiaotongUniVersity,hisrcsearchin蛔restsmainlyfbcusonin?

telligemrobot柚dbiomedicalengineering

颜国正,1993年于吉林工业大学获得

博士学位,现为上海交通大学教授,主要研

究方向为智能机器人、微小机电系统。

E—mail:gzy锄@sjtu.cdu.cn

Yr觚GuozhengreceivedPhDfromJilin

UniVers嘶ofTcchnologyin1993.Nowheis

apmfcssorinShanghaiJiaotongUIIiVersity,hisresearchinter一

謦tsmainlyfbcusonintelligentrobot锄dIllicroelec—

tro—mechanical

仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

systems.

万方数据

仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

作者:辛文辉, 颜国正, 王文兴, 贾智伟, Xin Wenhui, Yan Guozheng, Wang Wenxing,Jia Zhiwei

作者单位:上海交通大学电子信息与电气工程学院820所,上海,200240

刊名:

仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

仪器仪表学报—胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

仪器仪表学报

英文刊名:CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT

年,卷(期):2009,30(11)

引用次数:3次

参考文献(10条)

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