CN107374574A - 一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法。本发明通过实时获知磁源方向，相应地改变磁传感器阵列的选通区域，以减少同时工作的传感器的数目，从而减少非线性优化算法的计算量，并使磁源处于检测阵列可检测范围内的较好位置，能够获得更高的检测精度。

Description

一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法

技术领域

本发明涉及磁场检测技术领域，具体涉及一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法。

背景技术

安装有***头的内窥镜胶囊可由吞服或***等方式，经过人体自然孔口进入人体消化道内，拍摄消化道内壁的图像并输出到显示设备上，辅助医生诊察消化道内壁的病变。在内窥镜胶囊中内置磁源，并使用外部设备对该磁源所产生的磁流密度进行检测、运行定位算法，可获得内窥镜胶囊在人体消化道中的位置和姿态，有助于提高内窥镜胶囊的诊察效率和性能。

现有技术(专利号US005762064A)公布了一种方案，利用固定于人体外的空间中某位置的磁传感器(至少两个三轴磁传感器)，检测置于人体内部的带有磁源的医学设备所产生的磁流密度，再通过定位算法处理所采集的各传感器的磁流密度，可估计位于人体内的带有磁源的医学设备的位置和姿态。

但是，该方法只适用于磁源运动范围较小的情况，仅需使用较少数量的磁传感器组成较小规模的阵列即可满足磁源位置和姿态测量的实际应用需求。然而，带有内置磁源的内窥镜胶囊需要在人体胃肠道中做较大范围的运动，进而会涉及更多磁传感器形成较大规模的磁传感器阵列以覆盖内窥镜胶囊的整个运动区域。更多的磁传感器将会同时测得更多组磁流密度测量值，这将对运行定位算法的数据处理***造成更多计算负担，不利于提高***的实时性。而且，在较大规模的磁传感器阵列中，距离磁源较远的磁传感器测得的磁信号容易受到环境中各种磁噪声的影响(例如地磁场)，不利于提高***的综合测量精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法，不仅能够提高***的实时性，而且不易受到磁噪声影响。

一种确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，采用磁传感器阵列探测作为磁源的内窥镜胶囊位于体内的位姿，该方法包括：其特征在于：

确定磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器，作为中心传感器的初始选择；

根据中心传感器，进行基于选通区的磁源位姿确定过程：取以中心传感器为中心的正方形或圆形区域为选通区；根据选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位姿，获得磁源位姿，即当前内窥镜胶囊位于体内位姿；

将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，将与投影位置最近的磁传感器作为新的中心传感器，进行后续基于选通区的磁源位姿确定过程。

较佳地，确定中心传感器的初始选择时，采用位姿计算法或磁流密度模值比较法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器。

较佳地，根据位姿计算法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的传感器的具体方法为：

步骤1.1A、令磁传感器阵列中的每个磁传感器开始工作，获得每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值；

步骤1.2A、将步骤1.1A中获得的每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值求模，将模值为零的磁流密度剔除；

步骤1.3A、将步骤1.2A中获得的各磁流密度模值、以及各磁流密度模值所对应的磁传感器位置代入磁流密度分布公式，获得磁源位姿；

步骤1.4A、将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，并将与该投影位置最近的磁传感器作为中心传感器。

较佳地，根据磁流密度模值比较法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的传感器的具体方法为：

步骤1.1B、令磁传感器阵列中的每个磁传感器开始工作，获得每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值；

步骤1.2B、将步骤1.1B中获得的每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值求模；

步骤1.3B、从步骤1.2B中获得的磁流密度模值中，选取模值最大的传感器作为中心传感器。

较佳地，所述根据选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位姿，获得磁源位姿为：

将各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位置代入磁流密度分布公式，获得磁源位姿。

较佳地，当磁源的运动速度在设定时间内保持不变时，更新中心传感器的方法为：

根据最近两次采样算得的磁源位置，采用差值法，估算出下一采样周期的磁源位置，并将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，并将与该投影位置最近的传感器作为中心传感器。

一种检测内窥镜胶囊体内位姿的装置，包括：

初步位姿确定模块，用于确定磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器，作为中心传感器的初始选择，将选定的中心传感器通知给选通区确定模块；

选通区确定模块，用于以中心传感器为中心，取长度a为边长或半径，形成正方形或圆形的选通区；

磁流密度获取模块，用于采集所述选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及磁流密度对应的磁传感器位置，提供给磁源位姿获取模块；

磁源位姿获取模块，用于根据各磁传感器的位置及磁流密度，获得磁源位姿，发送给中心传感器更新模块；

中心传感器更新模块，用于对获得的磁源位置投影至磁传感器阵列上，将与该投影位置最近的磁传感器作为新的中心传感器，更新至选通区确定模块，以触发选通区确定模块重新确定选通区。

有益效果：

本发明通过实时获知磁源位置，相应地改变磁传感器阵列的选通区域，以减少同时工作的传感器的数目，从而减少非线性优化算法的计算量，并使磁源处于检测阵列可检测范围内的较好位置，能够获得更高的检测精度。

附图说明

图1为磁传感器阵列外观图。

图2为选通磁传感器阵列工作流程图。

图3为正方形选通区域示意图。

图4为圆形选通区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的装置及方法，其中，将内窥镜胶囊置于体内，将磁传感器阵列置于腹部正下方。磁传感器阵列由控制模块和磁传感器阵列两部分构成。

其中，控制模块，由具备接收、计算、存储、发送数据功能的电子电路或处理器构成，负责接收和保存磁传感器阵列输出的磁流密度数据、运行非线性算法估计磁源位姿、向磁传感器阵列输出选通控制指令。

其中，磁传感器阵列，是由MxN个三轴磁流密度传感器组成的位于一同平面上的M行N列(M≥2，N≥2，均为整数)矩形磁传感器阵列。如图1所示，设空间中存在右手直角坐标系E，原点为O，磁传感器阵列所在平面与坐标系E的XY平面重合，且磁传感器阵列的列序数沿X轴正方向依次递增，行序数沿Y轴正方向依次递增。磁传感器阵列的行间距为λ，列间距为μ。

其中，待检测的内窥镜胶囊中内置有磁源δ，可在磁传感器阵列可检测范围内移动。

以下结合图2介绍具体选通磁传感器阵列的具体实现方法：

步骤1、初始化中心传感器

采用位姿计算法或磁流密度模值比较法，将磁传感器阵列中，距离内窥镜胶囊最近的传感器进行初始化。

A、位姿计算法：

步骤1.1A全阵列磁流密度采样

如图1所示，磁传感器阵列所在平面与坐标系E的XY平面重合，假设磁传感器阵列计为M行N列，则令磁传感器阵列上位于第i行第j列的磁传感器的位置坐标可记为为(x_ij,y_ij,0)，并设磁传感器的采样周期为ΔT。

将磁源δ在第n个采样周期的位置坐标记为(x_δ(nΔT),y_δ(nΔT),z_δ(nΔT))，则此时位于第i行第j列的磁传感器在第n个采样周期测得的三个正交方向上的磁流密度值，分别记为B_ij,x(nΔT)，B_ij,y(nΔT)，B_ij,z(nΔT)，其中1≤i≤M，1≤j≤N。该磁流密度值可以以矢量表示，记为：

在初始情况下，即n＝0时，磁源δ的初始位置坐标为(x_δ(0),y_δ(0),z_δ(0))，磁传感器阵列中的所有传感器同时对磁源所产生的磁流密度进行采样，共获得MxN组磁流密度数据。其中，第i行第j列传感器测得的三个正交方向上的磁流密度值记为B_ij,x(0)，B_ij,y(0)，B_ij,z(0)，其中1≤i≤M，1≤j≤N，以矢量表示，记为：

步骤1.2A 剔除无效数据

将磁传感器阵列获得的MxN组三轴磁流密度数据分别求取模值，获得各磁传感器的磁流密度模值设定某磁流密度模值阈值B_n，剔除所有模值低于阈值B_n的磁流密度数据以减小步骤1.3A中的计算量。

步骤1.3A 计算磁源位姿

将步骤1.2A中磁流密度模值不等于0的磁流密度，依次代入磁偶极子的磁流密度分布公式其中，μ₀为真空磁导率，为磁矩。为初始情况下位于第i行第j列的磁传感器指向磁源的矢量，r_ij,t(0)为矢量的模值，综上，可得方程组(1)～(3)：

将MxN组磁流密度当中的有效数据代入方程组，再通过求解非线性优化问题获得磁源初始状态的位姿。其中，磁源位置为(x_δ(0),y_δ(0),z_δ(0))。所述非线性优化问题可使用“高斯-牛顿算法”或“林德伯格-马奎特算法”等求解。

步骤1.4A 采用实时跟踪法初始化中心传感器C

将步骤1.3A中算得的磁源位置坐标(x_δ(0),y_δ(0),z_δ(0))投影在磁传感器阵列的XY平面上，设投影点坐标为(x'_δ(0),y'_δ(0),z'_δ(0))。由于是在XY平面上的投影点，有z'_δ(0)＝0，可知投影点坐标(x'_δ(0),y'_δ(0),z'_δ(0))＝(x_δ(0),y_δ(0),0)。在此基础上，选取磁传感器阵列中距离该投影点最近的磁传感器作为中心传感器C。如果磁传感器阵列上同时存在多个距离该投影点最近的磁传感器，则选其中任意一个磁传感器作为中心传感器C。并进入步骤2。

B、磁流密度模值比较法：

步骤1.1B 全阵列磁流密度采样

磁传感器阵列所在平面与坐标系E的XY平面重合，故磁传感器阵列上位于第i行第j列的传感器的位姿坐标可记为为(x_ij,y_ij,0)，并设磁传感器的采样周期为ΔT。

将磁源δ在第n个采样周期的位姿坐标记为(x_δ(nΔT),y_δ(nΔT),z_δ(nΔT))，位于第i行第j列的传感器在第n个采样周期测得的三个正交方向上的磁流密度值，分别记为B_ij,x(nΔT)，B_ij,y(nΔT)，B_ij,z(nΔT)，其中1≤i≤M，1≤j≤N。该磁流密度值可以以矢量表示，记为：

在初始情况下，即n＝0时，磁源δ的位姿坐标为(x_δ(0),y_δ(0),z_δ(0))，磁传感器阵列中的所有传感器同时对磁源所产生的磁流密度进行采样，共获得MxN组磁流密度数据。其中，第i行第j列传感器测得的三个正交方向上的磁流密度值记为B_ij,x(0)，B_ij,y(0)，B_ij,z(0)，其中1≤i≤M，1≤j≤N，以矢量表示，记为：

步骤1.2B 求取磁流密度模值

将获得的MxN组三轴磁流密度数据分别求取模值，获得各磁传感器的磁流密度模值B_ij(0)，

步骤1.3B 初始化中心传感器C

对比由步骤1.2B求得的MxN个磁流密度模值，从中筛选出最大的磁流密度模值，并将测得最大磁流密度模值的磁传感器设为中心传感器C。如果磁传感器阵列上同时存在多个磁流密度模值为最大值的磁传感器，则选其中任意一个磁传感器作为中心传感器C。并进入步骤2。

步骤2、选取选通区域

应以传感器C为中心，按照“正方形阵列”或“圆形阵列”，实现选通区域的选取。

A、正方形阵列

以传感器C为中心，以某长度a为边长作正方形选通区域，如图3所示。其中，长度a的选取与磁传感器量程、待测磁源磁矩有关，应保证位于正方形选通区域边缘的磁传感器所测得磁流密度模值至少大于环境磁噪声。此种方式可以有效回避环境磁噪声对***测量精度的不良影响。

B、圆形阵列

以传感器C为中心，以某长度r为半径做圆形选通区域，如图4所示。其中，长度r的选取与磁传感器量程、待测磁源磁矩有关，应保证位于圆形选通区域边缘的磁传感器所测得磁流密度模值至少大于环境磁噪声。此种方式可以有效回避环境磁噪声对***测量精度的不良影响。

进入步骤3。

步骤3、读取磁流密度值

对选通区域内的磁传感器进行磁流密度采样，获得各磁传感器的磁流密度。

步骤4、计算磁源位姿

根据磁偶极子磁流密度模型计算磁源位姿。将***第n次选通区域内的传感器采样得到的磁流密度数据代入磁偶极子磁流密度分布公式：

其中，μ₀为真空磁导率，为磁矩。为第n个采样周期，即nΔT时刻位于第i行第j列的磁传感器指向磁源的矢量，r_ij,t(nΔT)为矢量的模值，综上，可得方程组(4)～(6)：

将选通区域内的磁传感器测量到的数据代入方程组，再通过求解非线性优化问题获得磁源在nΔT时刻的位姿，可得磁源位置(x_δ(nΔT),y_δ(nΔT),z_δ(nΔT))。所述非线性优化问题可使用“高斯-牛顿算法”或“林德伯格-马奎特算法”等求解。

步骤5、更新中心传感器

根据磁源位姿，可采用实时跟踪法、路径规划法或位姿预测法中的某一种方法，更新中心传感器。

A、实时跟踪法：

即以步骤1.4A的方法，根据磁源位姿坐标，将磁源位姿坐标投影在磁传感器阵列上，并将与该投影位置最近的传感器作为新的中心传感器，完成中心传感器的更新。

B、位姿预测法：

当磁源的运动速度在较短时间内保持不变时，则可以得到如下式所述的近似：x_δ((n+1)ΔT)-x_δ(nΔT)＝x_δ(nΔT)-x_δ((n-1)ΔT)，y_δ((n+1)ΔT)-y_δ(nΔT)＝y_δ(nΔT)-y_δ((n-1)ΔT)，z_δ((n+1)ΔT)-z_δ(nΔT)＝z_δ(nΔT)-z_δ((n-1)ΔT)。

在此基础上根据最近两次采样算得的磁源位置(x_δ((n-1)ΔT),y_δ((n-1)ΔT),z_δ((n-1)ΔT))和(x_δ(nΔT),y_δ(nΔT),z_δ(nΔT))可获得磁源在下一采样周期的估计位置：

之后，获取该估计位置(x_δ((n+1)ΔT),y_δ((n+1)ΔT),)在XY平面上的投影点(x_δ((n+1)ΔT),y_δ((n+1)ΔT),0)，并选取磁传感器阵列上距离该投影点最近的磁传感器为中心传感器C。如果磁传感器阵列上同时存在多个距离该投影点最近的磁传感器，则选取其中任意一个磁传感器为中心传感器C。

更新中心传感器之后，返回步骤2，直至医生完成对消化道内壁的病变的诊察，停止工作。

一种检测内窥镜胶囊体内位姿的装置，包括：

磁传感器位置比较模块，用于对比磁传感器与磁源的位置，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器，作为中心传感器；

磁流密度获取模块，用于以中心传感器为中心，取长度a为边长或半径，形成正方形或圆形的选通区；并采集选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及磁流密度多对应的磁传感器位置；

磁源位姿获取模块，用于根据各磁传感器的位置及磁流密度，获得磁源位姿；

中心传感器更新模块，用于对获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，将与该投影位置最近的磁传感器作为新的中心传感器。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，采用磁传感器阵列探测作为磁源的内窥镜胶囊位于体内的位姿，该方法包括：其特征在于：

确定磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器，作为中心传感器的初始选择；

根据中心传感器，进行基于选通区的磁源位姿确定过程：取以中心传感器为中心的正方形或圆形区域为选通区；根据选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位姿，获得磁源位姿，即当前内窥镜胶囊位于体内位姿；

将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，将与投影位置最近的磁传感器作为新的中心传感器，进行后续基于选通区的磁源位姿确定过程。

2.如权利要求1所述的一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，其特征在于：确定中心传感器的初始选择时，采用位姿计算法或磁流密度模值比较法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器。

3.如权利要求2所述的一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，其特征在于：根据位姿计算法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的传感器的具体方法为：

步骤1.1A、令磁传感器阵列中的每个磁传感器开始工作，获得每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值；

步骤1.2A、将步骤1.1A中获得的每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值求模，将模值为零的磁流密度剔除；

步骤1.3A、将步骤1.2A中获得的各磁流密度模值、以及各磁流密度模值所对应的磁传感器位置带入磁流密度分布公式，获得磁源位置；

步骤1.4A、将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，并将与该投影位置最近的磁传感器作为中心传感器。

4.如权利要求2所述的一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，其特征在于：根据磁流密度模值比较法，获得磁传感阵列中与磁源位置最为接近的传感器的具体方法为：

步骤1.1B、令磁传感器阵列中的每个磁传感器开始工作，获得每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值；

步骤1.2B、将步骤1.1B中获得的每个磁传感器所对应的三个正交方向上的磁流密度值求模；

步骤1.3B、从步骤1.2B中获得的磁流密度模值中，选取模值最大的传感器作为中心传感器。

5.如权利要求1所述的一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，其特征在于：所述根据选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位姿，获得磁源位姿为：

将各磁传感器获得的磁流密度，以及相应的磁传感器位置带入磁流密度分布公式，获得磁源位姿。

6.如权利要求1所述的一种用于确定内窥镜胶囊体内位姿的方法，其特征在于：当磁源的运动速度在设定时间内保持不变时，更新中心传感器的方法为：

根据最近两次采样算得的磁源位置，采用差值法，估算出下一采样周期的磁源位置，并将获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，并将与该投影位置最近的传感器作为中心传感器。

7.一种检测内窥镜胶囊体内位姿的装置，其特征在于：包括：

初步位姿确定模块，用于确定磁传感阵列中与磁源位置最为接近的磁传感器，作为中心传感器的初始选择，将选定的中心传感器通知给选通区确定模块；

选通区确定模块，用于以中心传感器为中心，取长度a为边长或半径，形成正方形或圆形的选通区；

磁流密度获取模块，用于采集所述选通区内各磁传感器获得的磁流密度，以及磁流密度对应的磁传感器位置，提供给磁源位姿获取模块；

磁源位姿获取模块，用于根据各磁传感器的位置及磁流密度，获得磁源位姿，发送给中心传感器更新模块；

中心传感器更新模块，用于对获得的磁源位姿投影至磁传感器阵列上，将与该投影位置最近的磁传感器作为新的中心传感器，更新至选通区确定模块，以触发选通区确定模块重新确定选通区。