秦銳華, 郭旭東, 翟 剛, 許堂成

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

膠囊內(nèi)窺鏡磁跟蹤系統(tǒng)體內(nèi)裝置的能量管理

秦銳華, 郭旭東, 翟 剛, 許堂成

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

為了解決磁跟蹤系統(tǒng)體內(nèi)裝置的能量供應(yīng)問(wèn)題,研究了一種低功耗、高效、智能化的能量管理方法.主要包括主控制器、升壓電路、非接觸式開關(guān)、電源路由器和負(fù)電荷泵.隨著紐扣電池電量的消耗,升壓電路由主控制器智能化選通,當(dāng)電池電壓大于3.3 V時(shí)關(guān)斷,小于或等于3.3 V時(shí)開啟,由此減小了升壓芯片在前期的能量損耗.另外,主控制器進(jìn)一步控制電源路由器,根據(jù)體內(nèi)裝置的工作狀態(tài),按照需要選通后級(jí)電路.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,能量管理模塊可延長(zhǎng)紐扣電池的工作時(shí)間,最大程度地降低了無(wú)效能量損耗,滿足磁跟蹤系統(tǒng)完成消化道檢查所需的時(shí)間要求.

磁跟蹤系統(tǒng); 能量管理模塊; 主控制器; 升壓電路

隨著人們生活方式的改變,消化道疾病的發(fā)病率逐年升高,目前最常規(guī)的檢查方法是內(nèi)窺鏡檢查.傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查采用纜線式結(jié)構(gòu),屬于有創(chuàng)檢查,并且檢查存在盲區(qū),容易造成交叉感染.膠囊內(nèi)窺鏡[1]可由吞咽方式進(jìn)入人體消化道,在胃腸道疾病臨床診斷上取得了很大的進(jìn)展.但是,膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入胃腸道后,獲取的胃腸道圖像無(wú)法與具體部位對(duì)應(yīng),也無(wú)法為后續(xù)進(jìn)一步治療提供方位參數(shù),所以,需要開發(fā)膠囊內(nèi)窺鏡跟蹤系統(tǒng).膠囊內(nèi)窺鏡跟蹤系統(tǒng)包含體內(nèi)裝置和體外裝置,為了確保跟蹤系統(tǒng)的體內(nèi)裝置長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠地工作,節(jié)能和供電成為主要的討論焦點(diǎn).

目前主要有兩種供電方式:內(nèi)置電池、無(wú)線供能系統(tǒng).較之于無(wú)線供能方式[2],內(nèi)置電池電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單.但是,為了便于吞服,且受膠囊內(nèi)窺鏡尺寸限制,只能采用體積較小的紐扣電池進(jìn)行供電.紐扣電池容量有限,不能在大電流下長(zhǎng)時(shí)間的工作[3],當(dāng)電量不足時(shí),跟蹤系統(tǒng)的體內(nèi)裝置可能會(huì)出現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)偏差,從而導(dǎo)致跟蹤失效.為了完成膠囊內(nèi)窺鏡對(duì)整個(gè)消化道的檢查,除了節(jié)能,即低功耗設(shè)計(jì)外,還要對(duì)有限的容量進(jìn)行管理[4].本文設(shè)計(jì)了一種基于膠囊內(nèi)窺鏡磁跟蹤系統(tǒng)[5-6]的能量智能管理模塊,從而保證紐扣電池可以提供長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的能量,最大限度地延長(zhǎng)電池的有效使用時(shí)間[7].

1 磁跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

膠囊內(nèi)窺鏡磁跟蹤系統(tǒng)主要由體外和體內(nèi)兩部分組成.體外包括交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)接收與便攜式存儲(chǔ)裝置、PC機(jī)數(shù)據(jù)分析裝置.體內(nèi)包括主控制器、螺旋線圈、信號(hào)處理模塊、射頻芯片、電源模塊.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理是根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,體外的磁場(chǎng)發(fā)生裝置按照初始值,由主控制器產(chǎn)生固定頻率的方波,經(jīng)過(guò)高階低通濾波器和功率放大電路得到電流較大的正弦波,從而驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈陣列產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)信號(hào).為了保證膠囊內(nèi)部的感應(yīng)線圈在人體內(nèi)以任意角度都可以接收到體外的磁場(chǎng)信號(hào),設(shè)計(jì)了時(shí)序控制電路.體內(nèi)的螺旋線圈通過(guò)電磁感應(yīng)接收體外的磁場(chǎng)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[8],然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大等信號(hào)處理后傳輸?shù)街骺仄髦?通過(guò)主控制器自帶的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),此數(shù)字信號(hào)是一系列電壓值.最后經(jīng)射頻芯片將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至體外的便攜式存儲(chǔ)裝置內(nèi)[9],便攜式存儲(chǔ)裝置包括數(shù)據(jù)接收裝置和存儲(chǔ)模塊,其中,無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置接收由體內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù),最后將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)裝置的SD卡(安全數(shù)碼存儲(chǔ)卡)中.檢查結(jié)束后將存儲(chǔ)裝置的SD卡中的電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PC機(jī)中,根據(jù)電壓值并結(jié)合相應(yīng)的算法反求出膠囊的方位信息.

圖1 磁跟蹤系統(tǒng)框圖

2 智能化能量管理模塊的設(shè)計(jì)

由于內(nèi)置的紐扣電池始終受制于存儲(chǔ)的容量,為了完成膠囊內(nèi)窺鏡在整個(gè)消化道內(nèi)的跟蹤定位,設(shè)計(jì)了智能化能量管理模塊,電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.智能化能量管理模塊主要有兩個(gè)功能,一是電池電壓優(yōu)先與電池容量?jī)?yōu)先的選擇;二是控制后續(xù)電路的間歇性工作.考慮的問(wèn)題包括電池尺寸選擇和電池個(gè)數(shù)以及級(jí)聯(lián)方式的設(shè)計(jì)、非接觸式開關(guān)的設(shè)計(jì)、主控制器的控制流程設(shè)計(jì)、電池電壓優(yōu)先與電池容量?jī)?yōu)先的設(shè)計(jì)、省電關(guān)斷模式的設(shè)計(jì)、負(fù)電荷泵的選型.

采用3節(jié)氧化銀紐扣電池串聯(lián)的方式進(jìn)行供電,將主控制器自帶的ADC模塊采集到的電池電壓與設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較,從而判定是否啟動(dòng)升壓模塊.具體就是當(dāng)電池電壓V大于3.3 V時(shí),以電池電壓優(yōu)先方式進(jìn)行供電,通過(guò)線路1給主控制器和電源路由器供電;當(dāng)電池電壓小于或等于3.3 V時(shí),以電池容量?jī)?yōu)先方式進(jìn)行供電,通過(guò)線路2經(jīng)過(guò)升壓電路將電壓升至3.3 V,再對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行供電.另外,由于信號(hào)處理電路和無(wú)線發(fā)送電路的能量損耗比較大,利用主控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞,當(dāng)信號(hào)處理和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),主控制器工作在正常狀態(tài);當(dāng)主控制器處于休眠狀態(tài)時(shí),停止對(duì)后續(xù)電路的供能.為了實(shí)現(xiàn)間歇性工作,本文設(shè)計(jì)了電源路由器,相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān)[10],控制信號(hào)處理電路和無(wú)線發(fā)送電路的關(guān)斷或閉合.

圖2 電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 非接觸式開關(guān)

體內(nèi)裝置在吞咽之前應(yīng)處于斷電狀態(tài),但是,傳統(tǒng)的接觸式開關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需要關(guān)斷或閉合,所以,本文根據(jù)干簧管的原理,設(shè)計(jì)了非接觸式開關(guān)控制其關(guān)斷.非接觸式開關(guān)內(nèi)部由2個(gè)彈性磁簧片組成,密封于充滿惰性氣體的玻璃管中;當(dāng)外部有磁場(chǎng)作用時(shí),2個(gè)簧片被磁化從而相互吸引,使觸點(diǎn)接觸;當(dāng)外磁場(chǎng)移開時(shí),2個(gè)簧片由于本身的彈性而彈開,從而使觸點(diǎn)斷開,圖3為非接觸式開關(guān)的電路符號(hào).本文選用美國(guó)COTO干簧管RI-80,尺寸為1.8 mm×5 mm,可以滿足磁跟蹤系統(tǒng)小封裝的需求.

3.2 升壓電路與負(fù)電荷泵設(shè)計(jì)

由智能化能量管理模塊的原理可知,當(dāng)主控制器采集的電壓大于3.3 V時(shí),升壓電路處于斷開狀態(tài),有效地降低了能量的損耗;當(dāng)電壓小于或等于3.3 V時(shí),升壓電路開啟,將電壓升至3.3 V后再對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行供電.為了實(shí)現(xiàn)升壓功能,本文采用了易于設(shè)計(jì)和低成本的超低操作電流的穩(wěn)壓3.3 V的直流/直流(DC/DC)控制器TPS60210,外部只需要4個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)其功能,其原理如圖4所示.C111,C112,C113,C114為電容,R111為電阻,U11為電壓.

圖3 非接觸式開關(guān)電路符號(hào)

圖4 升壓電路

采用螺旋線圈感應(yīng)體外磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)出現(xiàn)負(fù)極性,信號(hào)處理電路中的運(yùn)放采用雙極性電源供電,為了產(chǎn)生磁跟蹤系統(tǒng)所需的負(fù)電源,本文設(shè)計(jì)了負(fù)電荷泵.采用MAX660電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生負(fù)電源電壓,MAX660具有低工作電壓、低電壓損耗和高效率,封裝方式為SOIC-8,體積為6.2 mm×5 mm×1.75 mm.它可以將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)電壓,還可以將輸入的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換成正電壓,而且可以產(chǎn)生2倍電壓.采用MAX660設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單,外部只需要2個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)將輸入范圍為1.5～5.0 V的電壓轉(zhuǎn)換為反向電壓輸出,其電路原理圖如下頁(yè)圖5所示.

3.3 能量智能管理的控制流程設(shè)計(jì)

主控制器作為智能化能量管理模塊的控制中樞,要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的實(shí)時(shí)采集并與基準(zhǔn)電壓比較、升壓電路的選通與關(guān)斷、電源路由器的關(guān)斷與閉合等功能.為了實(shí)現(xiàn)這些功能,選用8位機(jī)PIC16F767,該設(shè)備由Microchip公司生產(chǎn),具有低功耗、低電壓、高速度等特性;選擇QFN-28的封裝方式,體積為6 mm×6 mm×1 mm.低功耗主要體現(xiàn)在:在主運(yùn)行工作模式下,工作電壓為2 V時(shí),工作電流為76 μA;在休眠模式下,需要的工作電流僅有0.1 μA.智能化能量管理的控制流程如圖6所示.

圖5 負(fù)電壓轉(zhuǎn)換電路

圖6 智能化能量管理的控制流程圖

主控制器的WDT時(shí)鐘來(lái)源于31.25 kHz的內(nèi)部振蕩器,其溢出值可擴(kuò)展到268 s.選用主控制器的RC0端口來(lái)控制電源路由器,將RC0端口與電源路由器的控制引腳相連,首先將RC0置0,主控制器進(jìn)入休眠狀態(tài),等待看門狗定時(shí)器的溢出,此時(shí)模擬開關(guān)處于斷開狀態(tài),關(guān)閉信號(hào)處理和無(wú)線發(fā)送電路的電源.當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí),將會(huì)喚醒主控制器,喚醒后將RC0端口置1,此時(shí)模擬開關(guān)閉合,接通信號(hào)處理和無(wú)線發(fā)送電路的電源,整個(gè)磁跟蹤系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài).然后利用定時(shí)器控制RC0的關(guān)斷,定時(shí)t1,從而控制整個(gè)磁跟蹤系統(tǒng)的正常工作時(shí)間.如此反復(fù)進(jìn)行,可以實(shí)現(xiàn)主控制器正常工作t1后進(jìn)入休眠,休眠時(shí)間為t2,進(jìn)而達(dá)到利用軟件延長(zhǎng)膠囊工作時(shí)間的目的.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

4.1 紐扣電池工作特性測(cè)試

采用maxell的SR936SW紐扣電池進(jìn)行供電,標(biāo)稱容量為71 mA·h,尺寸為9.5 mm×3.6 mm,質(zhì)量為1.1 g.首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證maxell的SR936SW、Sony的SR936、VSai的LR936和天球的LR936這4種電池的放電時(shí)長(zhǎng),它們的尺寸均為9.5 mm×3.6 mm,實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)采用100 Ω的外接阻抗,其放電時(shí)長(zhǎng)如表1所示.

表1 紐扣電池放電時(shí)長(zhǎng)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了氧化銀紐扣電池的放電特性和放電時(shí)長(zhǎng)要好于堿性紐扣電池的,因此,在設(shè)計(jì)中采用了氧化銀紐扣電池.為了保證磁跟蹤系統(tǒng)完成整個(gè)消化道的檢查,必須延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間,由此設(shè)計(jì)了智能電源管理模塊.管理模塊的一個(gè)功能是控制后續(xù)電路的間歇性工作,間歇性工作時(shí)休眠狀態(tài)所需的工作電流比較小.所以,可以降低放電過(guò)程中電極的極化,減小電化學(xué)內(nèi)阻,延長(zhǎng)膠囊在人體內(nèi)的工作時(shí)間.

4.2 升壓芯片效率測(cè)試

升壓芯片TPS60210的效率

式中:Vout為輸出電壓;Vin為輸入電壓;Iout為輸出電流;Iin為輸入電流.

測(cè)試結(jié)果如表2所示,可知整個(gè)磁跟蹤系統(tǒng)裝置的電流約為28.5 mA,TPS60210的效率與電壓的大小成反比關(guān)系,其電壓越小,效率越高,TPS60210的效率與理論值基本相同.

表2 TPS0210效率表

由于升壓芯片的效率小于1,所以,在電源管理模塊中設(shè)計(jì)了兩路工作方式.當(dāng)電池電壓大于3.3 V時(shí),采取電池電壓優(yōu)先供電方式,即直接對(duì)電路進(jìn)行供電,避免升壓芯片的能量消耗;當(dāng)電池電壓小于或等于3.3 V時(shí),采取電池容量?jī)?yōu)先供電方式,即通過(guò)升壓芯片將電壓升至3.3 V時(shí)再對(duì)電路進(jìn)行供電,可以最大化利用能源,避免能量的浪費(fèi).

4.3 能量管理模塊測(cè)試

為了驗(yàn)證能量管理模塊的工作時(shí)間,制作了跟蹤系統(tǒng)體內(nèi)裝置的樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).樣機(jī)各模塊如圖7所示,每個(gè)模塊的直徑為10 mm,樣機(jī)總長(zhǎng)度為20 mm.

圖7 磁跟蹤系統(tǒng)體內(nèi)裝置各模塊

使用3節(jié)氧化銀紐扣電池供電,分別測(cè)試了直接供電、一直通過(guò)升壓電路供電和采用智能化能量管理模塊供電這3種方式的平均工作時(shí)間T,如圖8(a)所示.另外,測(cè)試了采用智能化能量管理模塊供電、正常工作時(shí)間均為1 s時(shí)不同休眠時(shí)間的平均工作時(shí)間，如圖8(b)所示.

圖8 不同供電方式和同一供電方式不同休眠時(shí)間的平均工作時(shí)間

通過(guò)對(duì)比可以看出,一直采用升壓電路供電方式的工作時(shí)間最短,因?yàn)?升壓芯片的效率小于1.所以,即當(dāng)電壓小于3.3 V時(shí),雖然系統(tǒng)仍工作一段時(shí)間,但是,整體的工作時(shí)間沒(méi)有直接供電的時(shí)間長(zhǎng).智能化能量管理模塊的工作時(shí)間最長(zhǎng),當(dāng)電池電壓大于3.3 V時(shí),采取直接供電方式,此時(shí)工作了3.91 h；當(dāng)電池電壓小于或等于3.3 V時(shí),采用升壓電路將電壓升至3.3 V,再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電,仍可以工作1.83 h.另外,當(dāng)采用智能化能量管理模塊供電時(shí),休眠時(shí)間越長(zhǎng),工作時(shí)間越長(zhǎng),因?yàn)?休眠時(shí)所需的工作電流較小,耗能低.

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于膠囊內(nèi)窺鏡磁跟蹤系統(tǒng)體內(nèi)裝置能量管理模塊,并對(duì)磁跟蹤系統(tǒng)的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.測(cè)試數(shù)據(jù)表明,能量管理模塊可以滿足磁跟蹤系統(tǒng)完成在人體內(nèi)工作所需的時(shí)間要求.下一步需要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,使其體積更小,滿足臨床試驗(yàn)的需求.

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(編輯:石 瑛)

Energy Management in an In-Vivo Device of Magnetic Tracking System for Capsule Endoscope

QIN Ruihua, GUO Xudong, ZHAI Gang, XU Tangcheng

(SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

In order to ensure the energy supply of an in-vivo device of the magnetic tracking system for capsule endoscopy,a kind of low power consumption and high efficiency intelligent power management module was proposed.The management module includes the main controller,boost circuit,non-contact switches,router,and negative charge pump power supply.The boost circuit is gated intelligently to the main controller along with the button battery power.The circuit will turn “off” when the battery voltage is greater than 3.3 V,and it will turn“on” while the battery voltage is less than or equal to 3.3 V,which can save the energy of boost chip and resist the early loss.In addition,the master controller controls the power router according to the working state of the device in the body and the need to gate the subsequent circuit.The experiments prove that the use of the energy management module can extend the working hours of the button battery,minimize the energy loss,and meet the time requirement of the magnetic tracking system for capsule endoscopy to complete the entire digestive tracking examination.

magnetictrackingsystem;energymanagementmodule;mastercontroller;boostcircuit

1007-6735(2017)02-0137-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.007

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61001164);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(15ZR1428200)

秦銳華(1988-),女,碩士研究生.研究方向:智能醫(yī)療器械.E-mail:344714596@qq.com

郭旭東(1980-),女,副教授.研究方向:精密醫(yī)療器械.E-mail:gxd_aaa@163.com

TP 272

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