林立,张颖,陈禾,陆兆锋
(重庆交通大学,重庆400074)
摘要:介绍了一种针对人体消化道微型工程药丸的磁定位跟踪系统产品外观外观计研发过程。通过阐述磁定位诊疗系统的运用领域,工作原理,产品外观设计,结构设计,来说该系统的外观设计过程和研发的方法。及其在医疗产品外观设计研发领域的广阔的价值。
关键词:产品设计;磁定位;诊疗系统;外观设计
中图分类号:TB18;TB47 文献标识码:A 文章编号: 1001-3563(2006)02-0197-02
目前微创、无创诊疗已成为医疗领域主要发展趋势,在这一应用领域中,对于体内微型医疗装置的定位跟踪成为影响诊疗效果的关键,目前所应用的各种定位方式在的应用过程中都存在缺点,而电磁定位具有造价低,定位精度高,使用方便的优点,具有非常好的研究价值和应用前景[1O2]。但由于磁场信号衰减强烈,数据采集处理要求较高,另外传统提出的电磁定位方式容易受到金属物体的影响及环境干扰,从而该方式在医学领域并未得到广泛的应用。于是,我们提出了一种新的基于永磁体磁场和霍尔传感器阵列的体内微型医疗装置定位跟踪技术。在该技术中,高精度传感器阵列检测空间中磁源磁场信息,采用更加有效的数据采集技术和处理方式,设计算法计算磁源位置,在三维环境中对磁源位置描绘并对其运动轨迹进行跟踪[3O5]。本技术克服了环境中金属物体及其他干扰源的影响,实现了被跟踪的体内微型医疗装置的高精度实时定位跟踪表达。为该领域提供一种全新、高效、廉价的定位跟踪技术。
1 磁定位跟踪系统工作原理
整个系统由工程药丸、可穿戴式磁定位诊疗系统系统、遥控装置、图形工作站、诊疗系统软件构成,见图1。
系统工作时,先让受疗者把内置位移传感器的可穿戴式磁定位装置穿好,再由受疗者把药丸吞下,当药丸进入人体消化道(传感器的工作范围)内,启动信号采集过程,传感器阵列探测工程药丸位移变化,传至信号采集模块,经过数模转换模块把信号处理成数字信号通过USB端口接入图形工作站,药丸在人体内移动的轨迹就可以通过软件在显示器上显示,医务人员通过这套系统可以清楚的看到电子药丸所在的位置,根据治疗的需要,通过遥控装置来控制电子药丸对人体消化道的患病部位释放药物,以达到局部精确的治疗的目的。
2 待解决的问题及概念设计
2.1 系统特点及存在问题
系统的特点是,整个磁定位装置能方便的穿戴,便于维护,不能用金属材料,而且要能够调节尺寸以适应不同身材的人体。设计的关键环节是磁定位装置的“可穿戴”性。设计之
初,作者对装置的功能分析后,进行了概念的描述: (1)方便而舒适的穿着在身上; (2)内置传感器,而且穿在人身上时传感器的相对位置不变; (3)供电模块,数模转换卡的安放; (4)信号线的布置; (5)接口的位置方便连接数据线; (6)方便拆卸和检测和维修; (7)满足不同形体的人; (8)视觉上宜人; (9)小批量生产。
2. 2 建立求解模型
按照基于创造学的产品创新设计方法[6],建立出求解模型,见图2。
2. 3 概念设计
通过概念的描述和功能性,安全性,可靠性,宜人性等一系列的分析后,初步定位由可穿戴的外装和可拆卸的内框架结构组成,框架上布置传感器,供电模块,和数模转换模块。整个磁定位装置外形和马甲类似能调节尺寸,穿着舒适(见图3)。
3 产品外观设计及结构设计
3. 1 产品外观设计
对于贴身的医疗产品,安全性,可靠性以及舒适性都是必不可少的。出于磁定位技术上的考虑,金属材料在设计中是不能用的,综合考虑后,选用帆布,拉链,魔术系贴这样的最可行有可靠的材料和形式。这样,即容易加工,适合小批量生产,穿在身上也舒适,穿戴也十分方便,考虑到穿戴方便,和内部元气件线路畅通,同时要可根据人体尺寸方便地调节,整个构造采用一边封闭,一边开口,开口端由魔术帖连接。整个装置由两根8cm宽的可调节肩带固定,内部的采集卡输出的信号由固定在左侧的孔通过USB接口引出。(图4)这样一来,外观设计中遇到的问题得到了很好的解决。
3. 2 内部结构设计
磁定位装置的结构设计是整个装置中的另一个难点,从工作原理来看,他需要10个传感器模块在工作的时候具有相对固定的位置,从使用来看,它要能方便的穿戴,这要求结构既要有一定的刚性又要有一定的柔性,通过一系列的优化后,采用两个弧形的ABS框架分别嵌入帆布“马甲”的前后两面,弧形ABS塑料板的中间用肋板加固,肋板中间布置传感器,信号线从肋板上的小孔穿行。这样,突起的肋板即可起到加强弧型板强度作用,又可以有效保护传感器模块,每个传感器模块由焊在弧形板的ABS塑料销钉固定,使前面6个传感器模块相对固定在一个平面上,后面4个传感器模块固定在一个平面上。数模转换模块被横向安置在后面板上。供电模块放置在前后框架结构的中间见图5。这样可以有效地减少布线,从而减了系统的重量。
因为最终的产品尺寸是可以根据不同的尺寸调节,所以,连接前后弧形框架的信号线是按照最大人群尺寸设计的,当人材瘦小的人穿的时候只需通过外表帆布结构的魔术铁的收紧,信号线就可以折在侧面的空间里。
3. 3 产品的装配和维护
方便装配和维护是本设计中考虑的一个重点。从户外用品得到启发,我们在帆布结构贴身的一侧装上拉链,ABS塑料框架结构可以很方便的装上或取出。帆布结构内侧仍然每隔一端距离装上魔术贴,这样,即可以灵活地调节ABS塑料框架结构的位置,又可以固定内侧复杂的信号线和电源线。装配时,在ABS塑料框架结构前后两面垫上海绵垫,这可以保护传感器模块不会在压力下损坏,同时穿在身上也很舒适。
3. 4 系统整体组装和测试
系统组装调试好后,可以正常工作。工作时,受治疗者在医务人员的帮助下正确穿好磁定位装置。受治者在医务人员的指导下吞下药丸,待药丸处在传感器的工作范围内时,就可以启动软件,正确配置参数后,医务人员可通过软件界面观察到药丸在体内的运动轨迹,并且可以,根据需要用遥控器定点对患病部位施药(见图6)。达到无创治疗的目的。
4 结 语
针对人体消化道微型工程药丸的磁定位跟踪系统是一种全新的医疗设备,特点是微创、无需动手术即可有效的对人体消化道疾病治疗,可以很大程度上减轻患者的痛苦,同时,由于磁定位具有造价低,定位精度高,使该系统具有非常好的研究价值和应用前景。
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