一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置
阅读说明：本技术 一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置 (Local alternating magnetic field generating device of time division multiplexing system ) 是由 钱宇 李学武 张硕 云峰 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置,包括磁场频率功率控制单元、正交磁场发射天线组、驱动信号发生电路、驱动信号切换电路组和驱动电流监测电路。所述正交磁场发射天线组的每个单轴磁场发射天线通过驱动信号切换电路组控制依次受到所述驱动信号发生电路的电压激励后,产生的磁场在空间构成时变局部交变磁场。磁场的频率和强度可在磁场频率功率控制单元的控制信号控制下调节。本发明产生复合磁场的频率准确、稳定；可满足定位跟踪数据输出率的要求,实现快速定位跟踪。(The invention provides a local alternating magnetic field generating device of a time division multiplexing system, which comprises a magnetic field frequency power control unit, an orthogonal magnetic field transmitting antenna group, a driving signal generating circuit, a driving signal switching circuit group and a driving current monitoring circuit. And each uniaxial magnetic field transmitting antenna of the orthogonal magnetic field transmitting antenna group is controlled by the driving signal switching circuit group to be sequentially excited by the voltage of the driving signal generating circuit, and then the generated magnetic field forms a time-varying local alternating magnetic field in space. The frequency and strength of the magnetic field can be adjusted under the control of the control signal of the magnetic field frequency power control unit. The frequency of the composite magnetic field generated by the invention is accurate and stable; the requirement of positioning and tracking data output rate can be met, and rapid positioning and tracking can be realized.)
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置。
背景技术
随着医学技术的快速发展，数字化手术导航系统已经成为脊柱、颅脑、神经外科等微创介入治疗手术的重要辅助设备。数字化手术导航系统为微创介入治疗手术提供智能实时追踪导航，使医疗装置与医务工作者之间建立起不间断的双向信息交换，使风险极高的手术变得更安全、精确和可靠。
在微创介入治疗临床应用中，医疗装置(诸如电生理导管、特制的导管、导丝、穿刺工具等)可以通过患者的脉管系统抵达被执行诊断、治疗的病灶部位。医生们需要知道医疗装置在患者体内的确切位置，然而通常不能通过直接的方法得到。目前临床上一般采用的方法有：X射线图像法、核医学显像法、实时超声法。这些方法通常具有一定的辐射伤害，不能连续数小时进行监测，并且需要大型昂贵的设备，使得检查只能在一定的场所进行，影响了病人的正常工作和生活。
当前也有应用永磁定位跟踪法对患者体内医疗装置进行定位，其方式是将微型永磁体作为定位标记器置于医疗装置中，在患者体内病灶的体表周围布置一定数量的霍尔传感器，用来检测永磁体在空间产生的磁场强度，进而反求出医疗装置的空间方位。由于磁标记物的体积在空间上受到医疗装置内部空间的限制，导致定位标记器产生磁场信号强度受限，当医疗装置距传感器距离较远时，磁传感器不能分辨微弱的信号而导致定位失效。目前永磁标记定位跟踪法的测量精度和探测距离与实用性还有较大差距。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种能够产生磁场频率和强度准确、稳定的磁场发生装置，可满足定位跟踪数据输出率的要求，在微创介入治疗临床应用中，实现对患者体内医疗装置快速定位跟踪。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置，采取技术方案是：
包括磁场频率功率控制单元、正交磁场发射天线组、驱动信号发生电路、驱动信号切换电路组和驱动电流监测电路；
所述驱动信号切换电路组的每个驱动信号切换电路与正交磁场发射天线组中的每个单轴磁场发射天线一一对应连接；所述正交磁场发射天线组通过驱动信号切换电路组与驱动信号发生电路连接；所述驱动信号发生电路产生正弦交流激励电压；
所述驱动信号切换电路与磁场频率功率控制单元连接，根据磁场频率功率控制单元激励接入控制信号；所述正交磁场发射天线组中的每个单轴磁场发射天线通过驱动信号切换电路组依次受到驱动信号发生电路的电压激励后，产生时分复用的局部交变磁场；
所述磁场频率功率控制单元与驱动电流监测电路连接；所述驱动电流监测电路对正交磁场发射天线组驱动电流进行采样和调理，磁场频率功率控制单元对驱动电流监测电路采样结果信号进行获取并计算，产生频率控制信号和功率控制信号，对驱动信号发生电路中的驱动电压的频率和功率进行控制，进而对产生的时分复用的局部交变磁场进行控制。
进一步地，所述正交磁场发射天线组由8个单轴磁场发射天线组成，每个单轴磁场发射天线结构相同。所述的每个单轴磁场发射天线包括发射线圈、线圈骨架、串联谐振电容网络；所述线圈骨架的结构满足将发射线圈固定缠绕在线圈骨架外表面上；每个发射线圈与各自串联谐振电容网络组成串联谐振回路，每个串联谐振回路通过驱动信号切换电路组依次受到驱动信号发生电路的电压激励，分时产生偶极子磁场。所述线圈骨架采用聚醚醚酮为基础的复合材料，耐高温值不低于300℃。
进一步地，所述串联谐振电容网络由若干电容值为pF至nF级别，耐压能力为600V以上的COG等级陶瓷电容器并联组成；
所述串联谐振电容网络的电容值
其中，f为谐振频率；L为谐振频率条件下发射天线线圈电感量。
进一步地，所述正交磁场发射天线组，在长220mm、宽220mm、高82mm的空间内，8个单轴磁场发射天线在长宽围成平面内按“3-2-3”方式三排等间距排布，具体为：
所述正交磁场发射天线组第一行三个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间长方向、宽方向、长方向平行放置；
所述正交磁场发射天线组第二行两个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间高方向、高方向平行放置；
所述正交磁场发射天线组第三行三个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间宽方向、长方向、宽方向平行放置。
进一步地，所述正交磁场发射天线组发射天线的线圈骨架结构尺寸、发射线圈线径和绕制匝数依据毕奥-沙伐尔定律计算得出。
进一步地，所述驱动信号发生电路包括DDS激励信号发生模块、高阶低通滤波模块、可编程增益放大模块、功率放大模块；
所述DDS激励信号发生模块在所述磁场频率功率控制单元的频率控制信号的控制下，输出一定频率的激励信号到高阶低通滤波模块；
所述高阶低通滤波模块滤除所述DDS激励信号发生模块产生的激励信号中的高次谐波，输出平滑后的激励信号；
所述可编程增益放大模块对所述高阶低通滤波模块输出的平滑后的激励信号进行放大；
所述功率放大模块将可编程增益放大模块输出信号进行功率放大，输出驱动激励信号。
进一步地，所述可编程增益放大模块为由低噪声放大器和数控电位计组成的同相比例放大电路，所述数控电位计以串联形式接入放大电路反馈回路中。
通过设置DDS激励信号发生模块中频率调节字，控制驱动信号发生电路产生激励信号的频率；通过设置可编程增益放大模块中数控电位计的档位，控制驱动信号发生电路产生激励信号的增益。
进一步地，所述驱动信号切换电路组由8个驱动信号切换电路组成，所述每个驱动信号切换电路包括一个路驱动信号切换模块和一个续流保护模块；所述驱动信号切换模块利用光耦继电器实现所述激励驱动信号对发射线圈所在串联谐振回路的快速切换驱动；所述续流保护模块利用光耦继电器实现对发射线圈所在串联谐振回路产生感性负载反冲信号的释放，进而对电路进行保护。
进一步地，所述驱动电流监测电路，包括高精度电流采样模块、采样调理模块和高精度模数转换模块；
所述高精度电流采样模块对所述正交磁场发射天线组中的激励电流进行采样，输出增益为1mV/1mA的采样电压信号；
所述采样调理模块对所述高精度电流采样模块输出的电压信号进行放大处理，输出放大后的采样信号；
所述高精度模数转换模块将所述采样调理模块输出的放大后采样信号进行模拟/数字转换，并将数字转换结果输出至磁场频率功率控制单元。
本发明的有益效果是：
1.正交磁场发射天线组中的每个单轴磁场发射天线通过驱动信号切换电路组依次受到驱动信号发生电路的电压激励，使正交磁场发射天线组产生时分复用的局部交变磁场，含有磁传感器的医疗装置在感应局部交变磁场中可根据感应结果解算出其所在空间位置，进行准确定位。
2.磁场频率功率控制单元根据驱动电流监测电路对正交磁场发射天线组驱动电流进行采样和调理结果，对驱动信号发生电路中的驱动电压的功率进行控制；磁场的频率和强度可在磁场频率功率控制单元的控制信号控制下调节,可满足定位跟踪数据输出率的要求，实现快速定位跟踪。
3.采用直接数字频率合成(DDS)模块产生固定频率信号，然后由高阶低通滤波模块滤除信号源中谐波成分。激励信号频率编程可调，可实现信号频率的准确、连续地调节。
4.在发射线圈所处交流回路中采用串联谐振方式，使回路阻抗降至最小，在发射线圈驱动电流确定要求下，降低了电源功率要求，优化了效率。
5.线圈骨架采用以聚醚醚酮为基础的复合材料，骨架材料易于获取并降低工艺制造要求。
6.正交磁场发射天线组由8个单轴磁场发射天线组成，为含有磁传感器的医疗装置进行位置解算提供8组磁场参考信息，有益于提升装置位置解算精度，同时降低装置位置解算处理装置计算能力需求，提高数据更新能力。
7.驱动信号切换电路的续流保护模块利用光耦继电器实现对发射线圈所在串联谐振回路产生感性负载反冲信号的释放，进而对电路进行保护。
附图说明
图1－本发明实施例的一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置的组成示意图；
图2－本发明实施例的单轴磁场发射天线的结构示意图；
图3－本发明实施例的正交磁场发射天线组天线排布示意图；
图4－本发明实施例的驱动信号发生电路原理框图；
图5－本发明实施例的驱动电流监测电路原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明
一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置，如图1所示，包括磁场频率功率控制单元、正交磁场发射天线组、驱动信号发生电路、驱动信号切换电路组和驱动电流监测电路；
所述驱动信号切换电路组的每个驱动信号切换电路与正交磁场发射天线组中的每个单轴磁场发射天线一一对应连接；所述正交磁场发射天线组通过驱动信号切换电路组与驱动信号发生电路连接。所述驱动信号发生电路产生正弦交流激励电压。
所述驱动信号切换电路与磁场频率功率控制单元连接，根据磁场频率功率控制单元激励接入控制信号，使所述正交磁场发射天线组中的每个单轴磁场发射天线通过驱动信号切换电路组依次受到驱动信号发生电路的电压激励后，正交磁场发射天线组产生时分复用的局部交变磁场。这是由于单一驱动信号发生电路在不同时间仅对正交磁场发射天线组中某一单轴磁场发射天线进行激励，激励信号频率和驱动功率相同，但由于单轴磁场发射天线的放置方式不同，故对空间内单一点产生交变磁场的强度和方向不同，可视为该交变磁场为时分复用磁场。
所述磁场频率功率控制单元与驱动电流监测电路连接；所述驱动电流监测电路对正交磁场发射天线组驱动电流进行采样和调理，磁场频率功率控制单元对驱动电流监测电路采样结果信号进行获取并计算，产生频率控制信号和功率控制信号，对驱动信号发生电路中的驱动电压的频率和功率进行控制，进而对产生的时分复用的局部交变磁场进行控制。
所述正交磁场发射天线组由8个单轴磁场发射天线组成，每个单轴磁场发射天线结构相同，如图2所示，包括发射线圈、线圈骨架、串联谐振电容网络。
所述线圈骨架的结构满足将发射线圈固定缠绕在线圈骨架外表面上。所述线圈骨架采用耐高温非金属材料制成，所述非金属材料为聚醚醚酮为基础的复合材料，所述非金属材料的耐高温值不低于300℃。
所述发射线圈由铜质漆包线绕制,所述正交磁场发射天线组的每个发射线圈与各自串联谐振电容网络组成串联谐振回路，每个串联谐振回路通过驱动信号切换电路组依次受到驱动信号发生电路的电压激励，分时产生偶极子磁场。8个发射线圈产生的磁场依次作用在空间中，构成时变局部交变磁场。
所述串联谐振电容网络由若干电容值为pF至nF级别，耐压能力为600V以上的COG等级陶瓷电容器并联组成，与发射线圈组成串联谐振回路；
所述串联谐振电容网络的电容值
其中，f为谐振频率；L为谐振频率条件下，发射天线线圈电感量。
优选地，所述正交磁场发射天线组，如图3所示，在长220mm、宽220mm、高82mm的空间内，8个单轴磁场发射天线在长宽围成平面内按“3-2-3”方式三排等间距排布。
所述正交磁场发射天线组第一行三个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间长方向、宽方向、长方向平行放置；
所述正交磁场发射天线组第二行两个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间高方向、高方向平行放置；
所述正交磁场发射天线组第三行三个单轴磁场发射天线的线圈骨架轴线依次与放置空间宽方向、长方向、宽方向平行放置。
优选地，所述正交磁场发射天线组发射天线的线圈骨架结构尺寸、发射线圈线径和绕制匝数是根据所需要产生的磁场强度，依据毕奥-沙伐尔定律计算得出。
本实施例中，线圈骨架外廓结构尺寸为50mm×50mm×50mm的正方体，漆包线线径选择为0.2mm；在所述正方体的外表面上开有固定发射线圈的线槽，线槽的深度以线圈缠绕后，磁场发射天线的外表平整为准。
所述驱动信号发生电路为发射线圈产生磁场提供正弦交流激励电压。所述驱动信号发生电路，如图4所示，包括DDS(直接数字频率合成)激励信号发生模块、高阶低通滤波模块、可编程增益放大模块、功率放大模块。
所述DDS激励信号发生模块为具有32位频率调节字的AD9951，在所述磁场频率功率控制单元的频率控制信号的控制下，输出频率为5kHz的激励信号到高阶低通滤波模块。
所述高阶低通滤波模块滤除所述DDS激励信号发生模块产生的激励信号中的高次谐波，输出平滑后的激励信号。所述高阶低通滤波模块为两个由低噪声放大器OPA2189搭建的多重反馈滤波器串联组成的四阶有源低通滤波模块，高阶低通滤波模块截止频率设置为26KHz。
所述可编程增益放大模块对所述高阶低通滤波模块输出的平滑后的激励信号进行放大。所述可编程增益放大模块在所述磁场频率功率控制单元输出的功率控制信号的控制下，实现增益调节。所述可编程增益放大模块为由低噪声放大器OPA189和数控电位计AD5293组成的同相比例放大电路。所述数控电位计以串联形式接入放大电路反馈回路中，在所述功率控制信号的控制下，对数控电位计的1024个档位进行调节，实现对平滑后的激励信号连续增益放大调节。
所述功率放大模块将可编程增益放大模块输出信号进行功率放大，输出驱动激励信号到所述正交磁场发射天线组。
所述磁场频率功率控制单元与驱动信号发生电路连接,根据磁场频率功率控制单元中程序存储参数和驱动电流监测电路反馈信号，产生频率控制信号和功率控制信号，对驱动信号发生电路中的驱动电压的频率和功率进行控制，进而对产生的时分复用的局部交变磁场进行控制。
具体的，通过设置直接数字频率合成(DDS)模块中频率调节字，控制驱动信号发生电路产生激励信号的频率；通过设置可编程增益放大模块中数控电位计的档位，控制驱动信号发生电路产生激励信号的增益。
所述驱动信号切换电路组由8个驱动信号切换电路组成，每个驱动信号切换电路与正交磁场发射天线组中的一个发射线圈所在串联谐振回路连接；所述驱动信号切换电路与磁场频率功率控制单元连接，根据磁场频率功率控制单元激励接入控制信号，使发射线圈接入交流正弦激励电压。
所述每个驱动信号切换电路包括驱动信号切换模块和续流保护模块。所述驱动信号切换模块利用光耦继电器实现所述激励驱动信号对发射线圈所在串联谐振回路的快速切换驱动。所述续流保护模块利用光耦继电器实现对所述激励驱动信号对发射线圈所在串联谐振回路产生感性负载反冲信号的释放，进而对电路进行保护。
所述光耦继电器为微型高速光继电器TLP3475S；
所述驱动电流监测电路对正交磁场发射天线组中发射天线线圈内驱动电流进行调理和采样，磁场频率功率控制单元对驱动电流监测电路采样结果信号进行获取并计算，根据计算结果调整功率控制信号，进而对产生的时分复用的局部交变磁场进行控制。
所述驱动电流监测电路，如图5所示，包括高精度电流采样模块、采样调理模块和高精度模数转换(ADC)模块；
所述高精度电流采样模块对所述正交磁场发射天线组中的激励电流进行采样，输出增益为1mV/1mA的采样电压信号；
所述采样调理模块对所述高精度电流采样模块输出的电压信号进行放大处理，输出放大后的采样信号；
所述高精度模数转换(ADC)模块将所述采样调理模块输出的放大后采样信号进行模拟/数字转换，并将数字转换结果输出至磁场频率功率控制单元；
具体的，所述高精度电流采样模块为具有极高精度表面贴装电流传感芯片电阻VCS1625ZP，电阻阻值为1Ω，电阻容差为±1‰，温度系数为±0.05ppm/℃；
所述采样调理模块为由差分放大器LT6376组成的放大电路和低噪声放大器OPA189组成的放大电路串联组成的比例放大电路，其中差分放大器LT6376组成的放大电路增益为10,低噪声放大器OPA189组成的放大电路增益为1.5；
所述高精度模数转换(ADC)模块为具有110.8KHz带宽的24位ADC的AD7768-4；
因此整体来看，本实施例的时分复用体制的局部交变磁场发生装置，可在空间持续形成局部交变磁场；磁场的频率和强度可在磁场频率功率控制单元的控制信号控制下调节；磁场频率功率控制单元依据驱动电流监测电路反馈和内部程序参数，使所产生复合磁场的频率准确、稳定；可满足定位跟踪数据输出率的要求，实现快速定位跟踪。
上述具体实施方案仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权力要求的保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明技术方案的基础上做任何简单的变形和替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：软磁性合金薄带及磁性部件