CN108553072B - 一种消化道电子胶囊的数字式定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消化道电子胶囊的数字式定位***，包括设于体外的多磁源分频激磁装置，用于产生不同频率的交变磁场；数字式磁场检测装置，固定在电子胶囊上，用于检测电子胶囊所处位置的磁场强度后进行特征值提取；设于体外的数据无线接收与处理平台，与多磁源分频激磁装置和数字式磁场检测装置无线连接，用于接收数字式磁场检测装置发送的特征值，进行数据分析和方位求解；本发明还公开了一种数字式定位方法，该方法基于消化道电子胶囊的数字式定位***，采用适合于多磁源跟踪方法的模拟信号前端预处理技术与数字信号处理技术，实现电子胶囊的数字式定位。与现有技术相比，本发明具有抗干扰能力强、功耗低、实时性强、处理速度快等优点。

Description

一种消化道电子胶囊的数字式定位***及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种消化道电子胶囊的数字式定位***及方法。

背景技术

随着微电子技术、微机电***技术、机器人技术、无线通信等技术的发展，消化道电子胶囊状诊疗装置(以下简称电子胶囊)已成为现代医疗器械的研究热点与发展方向。微型化使电子胶囊能进入人体消化道，能够监测消化道多生理参数信息、摄取消化道内图像、识别病变组织、并主动施药治疗或进行取样活检。

在医疗应用中，医生无法获知电子胶囊在体内的位置，由此无法将诊查信息与具体部位对应，并且也无法根据胶囊的方位准确地驱动胶囊运动。因此，对电子胶囊跟踪定位成为急需解决的关键技术之一。对于消化道内目标物的定位，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。目前也有相关文献报道了永磁定位跟踪法，将微型永磁体作为定位标记源，置于电子胶囊中，在被测者腹部周围，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，由此反求出目标的空间方位。由于磁标记物的体积在空间上受到电子胶囊的限制，导致磁场信号强度受限，当磁标记物距传感器距离较远时，磁场传感器不能分辨微弱的信号，导致定位失效。目前报道的磁标记定位法的测量精度和探测距离与实用性还有较大差距。

电子元件的低频噪声和地磁场信号难以在静磁信号中滤除，磁场逆问题求解中未知量个数多、求解耗时、容易陷入局部极值点，且电子胶囊尺寸和功耗的制约，是磁跟踪***体内装置设计的难点；此外，现有的交流磁定位方法研究中，体外的磁场激发装置大多采用分时的方式进行信号区分，该方式的实时性还有待改善。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种消化道电子胶囊的数字式定位***及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种消化道电子胶囊的数字式定位***，包括：

多磁源分频激磁装置，设于体外，用于产生不同频率的交变磁场；所述的多磁源分频激磁装置包括分频激磁电路和多个激磁线圈，分频激磁电路设有多路输出端，多路输出端分别与多个激磁线圈的输入端连接；

数字式磁场检测装置，固定在电子胶囊上，用于检测电子胶囊所处位置的磁场强度后进行特征值提取，所述的数字式磁场检测装置包括依次连接的次级感应线圈、模拟信号前端预处理模块、数字信号处理模块和射频通信模块；

数据无线接收与处理平台，设于体外，与多磁源分频激磁装置和数字式磁场检测装置无线连接，用于接收数字式磁场检测装置发送的特征值后，进行数据分析和方位求解，所述的数据无线接收与处理平台包括用于收发数据的数据无线收发电路。

优选地，所述的模拟信号前端预处理模块包括依次连接的前置阻抗匹配电路、可编程放大电路、电平抬升电路与ADC驱动电路，所述的前端阻抗匹配电路的输入端与次级感应线圈的输出端连接，所述的数字信号处理模块的输入端与电平抬升电路与ADC驱动电路的输出端连接。

优选地，所述的数字信号处理模块为微处理器。

优选地，所述的射频通信模块为射频通信芯片。

优选地，所述的数字信号处理模块采用的核心算法包括数字滤波算法、峰值检测算法和激磁线圈智能识别算法。

优选地，所述的数字式磁场检测装置采用智能休眠技术实现握手通讯。

优选地，所述的数据无线接收与处理平台采用粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法。

一种电子胶囊数字式定位方法，该方法基于消化道电子胶囊的数字式定位***，包括以下步骤：

1)数字式磁场检测装置与电子胶囊固定在一起后进入人体的消化道，数字式磁场检测装置通过看门狗定时芯片从休眠中唤醒后，发送握手请求信号至数据无线接收与处理平台；

2)数据无线接收与处理平台发送接收信号至数字式磁场检测装置，同时，数据无线接收与处理平台发送控制信号至多磁源分频激磁装置，控制其启动并产生交变磁场；

3)数字式磁场检测装置根据次级感应线圈及模拟信号前端预处理模块检测电子胶囊所处位置的磁场强度，并利用数字信号处理模块对检测到的磁场强度进行特征值提取；

4)提取后的特征值通过射频通信模块无线发送到体外的数据无线接收与处理平台，以进行数据分析和方位求解，进而获取电子胶囊在人体内的位置；

5)数字式磁场检测装置的微处理器根据智能休眠技术控制电源管理模块关断各个模块的供电，使微处理器进入休眠，直至被看门狗定时芯片再次唤醒，进行下一次检测操作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、实时性高：本发明采用交变磁场进行体内电子胶囊方位的跟踪，多磁源分频激磁装置由多个激磁线圈和分频激磁电路组成，多个激磁线圈同时工作于不同激磁频率，采用分频的方式进行区分信号，相比于分时方式，本发明的实时性更高；

二、抗干扰能力强、功耗低：本发明的数字式磁场检测装置引入了适合于多磁源跟踪方法的模拟信号前端预处理技术与数字信号处理技术，精简了硬件电路，从而降低了装置的体积和功耗，提高了数据抗干扰性和稳定性，满足电子胶囊尺寸和功耗的限制要求；同时，数字式磁场检测装置采用智能休眠技术可实现握手通讯功能，进一步降低了功耗；

三、准确性高：本发明的数字式磁场检测装置采用快速频率识别算法，可以精确智能地识别体外不同的激磁线圈，即可对不同的频率信号进行处理，避免了由于磁场检测信号与激磁线圈匹配错误造成的定位数据错误，提高了定位的准确性和可靠性；

四、速度快：本发明的数据无线接收与处理平台采用了粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法，逼近磁跟踪非线性问题，提高了求解速度和求解精度。

附图说明

图1为一种消化道电子胶囊的数字式定位***的结构示意图；

图2为一种消化道电子胶囊的数字式定位***中数字式磁场检测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种消化道电子胶囊的数字式定位***中电平抬升与ADC驱动电路的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种消化道电子胶囊的数字式定位***，该***包括多磁源分频激磁装置、数字式磁场检测装置和数据无线接收与处理平台；多磁源分频激磁装置和数据无线接收与处理平台均设于体外；数字式磁场检测装置固定在电子胶囊上，随着电子胶囊在体内运动；数据无线接收与处理平台与多磁源分频激磁装置、数字式磁场检测装置分别无线连接。

数字式磁场检测装置主要包括看门狗定时芯片、次级感应线圈、模拟前端信号预处理模块、数字信号处理模块、射频通信模块和电源管理模块。电源模块分别与模拟前端信号预处理模块、数字信号处理模块、射频通信模块相连，为各电路模块提供电源。模拟信号前端预处理模块主要包括前端阻抗匹配电路、可编程放大电路、电平抬升与ADC驱动电路。其中，次级感应线圈的输出端与前端阻抗匹配电路的输入端相连，前端阻抗匹配电路、可编程放大电路、电平抬升与ADC驱动电路顺序相连，如图2所示。电平抬升与ADC驱动电路的输出端与数字信号处理模块的输入端相连。采用的数字信号处理模块为微处理器；射频通信模块为射频通信芯片；电源管理模块包括电池、升压芯片、稳压芯片和微控制器，微控制器与升压芯片和稳压芯片分别连接。本实施例采用的电平抬升与ADC驱动电路如图3所示；本实施例采用的前端阻抗匹配电路为具有低输入阻抗高输出阻抗的前置放大电路；采用的可编程放大电路为LTC6910可编程增益放大器，该电路通过3位数字输入控制8种不同的电压增益。

数字信号处理模块将模拟信号通过高速AD采样后，采用数字信号处理算法对其进行处理，并自适应调节可编程放大电路的增益值，确保被采样信号能放大到最佳范围；并且将提取的特征值通过通信接口传送至射频通信模块。数字信号处理模块采用的核心算法包括：数字滤波算法、峰值检测算法和激磁线圈智能识别算法。通过数字信号处理算法，将接收信号的特征值提取出来，并结合体外多磁源分频激磁装置中各激磁线圈的不同激磁频率，可以将接收信号与体外不同磁源进行精确智能地匹配，避免了由于磁场检测信号与激磁线圈匹配错误造成的定位数据错误。数字式磁场检测装置精简了硬件电路，从而降低了装置的体积和功耗，提高了数据抗干扰性和稳定性。射频通信模块将有用数据无线传送至数据无线接收与处理平台。

数字式磁场检测装置采用智能休眠技术可实现握手通讯功能，进一步降低了功耗。即当每轮定位开始时，看门狗定时芯片将微处理器从休眠中唤醒，微处理器控制电源管理模块给各模块恢复供电，再由射频通信模块采用无线通讯方式发送一个“握手请求”信号至数据无线接收与处理平台，然后射频通信模块处于接收等待状态；若每等待500毫秒后仍没有收到“握手成功”信号，则再次发送“握手请求”信号，直到成功接收到“握手成功”信号。当数据无线接收与处理平台接收到“握手请求”信号后，即发送一个“握手成功”信号，返回给数字式磁场检测装置；同时，延时20毫秒后输出控制信号至多磁源分频激磁装置，使多个激磁线圈产生不同频率的正弦交变磁场信号。数字式磁场检测装置的射频通信模块收到“握手成功”信号后，微处理器启动高速AD采样和数字信号处理算法，提取信号特征值，再通过射频通信模块无线传送至数据无线接收与处理平台。随后，微处理器控制电源管理模块关断各个模块的供电，微处理器进入休眠，直至被看门狗定时芯片再次唤醒。

数据无线接收与处理平台包括数据接收模块和数据处理模块，数据接收模块包括用于收发数据信息的数据无线收发电路，数据处理模块包括上位机，上位机设有数据显示界面及存储器；数据无线收发电路和上位机通过接口电路连接。数据无线接收与处理平台的工作方式包括数据存储方式和实时定位方式。当工作于数据存储方式时，接收到的数据被存储至数据处理模块中，待检查结束后，由数据处理模块读入整个检查过程中所有数据，进行数据分析和处理；当工作于实时定位方式时，接收到的数据由数据无线接收与处理平台即时处理，进行方位求解和实时显示。

数据无线接收与处理平台的软件算法，采用了粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法对方位信息的非线性问题进行寻优。神经网络算法和粒子群算法是两种机制不同的算法，它们都是对生物体行为进行仿真的一种智能方法。在定位算法中，采用粒子群算法优化神经网络的权值和阈值。首先应用粒子群算法求出神经网络的初始权值和阈值，然后采用基于LM改进的BP神经网络进行学习，不仅提高网络的收敛速度，又增强了网络的泛化能力。通过学习训练可确定神经网络的拓扑结构、权值、阈值，得到网络映射函数；在网络训练完毕，可以快速地得到优化结果，提高了方位数据的求解速度和求解精度。

粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法的步骤如下：

1)根据磁定位优化问题，确定BP神经网络的结构并初始化相关参数，并确定粒子的维数；

2)初始化粒子群参数，设定粒子数目N，惯性因子w，学习因子c1和c2，最大迭代次数itmax，限定速度Vmin、Vmax，随机产生粒子的速度与位置，并将神经网络的连接权值和阈值编码为粒子；

3)选取均方误差e1作为神经网络的目标函数，即是粒子的适应度函数，然后计算每个粒子的适应度值；

4)更新个体pbest，对每个粒子，比较粒子当前位置的适应度值与其所经过的最优位置pbest的适应度值，如果此时的位置更好，则置pbest为粒子当前位置，否则不变；

5)更新全局gbest，比较粒子的适应度值与粒子群gbest的适应度值，如果优于gbest，则粒子群最优位置gbest信息更新为当前粒子的位置，否则不更新；

6)更新粒子的位置和速度；

7)判断终止条件，当达到设定的最大粒子群迭代次数itmax或者误差e2达到要求的精度时，则停止迭代，保存最优的权值和阈值，否则，转到步骤3)；

8)将步骤7)保存的数据作为LM改进的BP神经网络的初始权值和阈值，开始网络训练。

本发明还提供了一种电子胶囊数字式定位方法，该方法基于消化道电子胶囊的数字式定位***，包括以下步骤：

步骤一、数字式磁场检测装置由看门狗定时芯片从休眠中唤醒后，发送握手请求信号至数据无线接收与处理平台；

步骤二、数据无线接收与处理平台接收到握手请求信号后，发送接收信号至数字式磁场检测装置；同时，数字式磁场检测装置输出控制信号至多磁源分频激磁装置，使其开始工作，并激励多个激磁线圈，使激磁线圈产生不同频率的正弦交变磁场信号；

步骤三、数字式磁场检测装置通过一个次级感应线圈，将交变磁场信号转换为同频率的电信号输出，通过信号处理技术提取特征值，并将数据无线传输至数据无线接收与处理平台；

步骤四、数据无线接收与处理平台对获取的特征值进行后续的数据分析和方位求解，进一步获取电子胶囊在人体内的空间方位，数据无线接收与处理平台可将获取的电子胶囊的空间方位通过上位机的数据显示界面实时显示，或者将方位信息存储至存储器中，待检查结束后，将整个检查过程获取的数据一次性读出，进行数据的分析和后处理；

步骤五、数字式磁场检测装置的微处理器根据智能休眠技术控制电源管理模块关断各个模块的供电，使微处理器进入休眠，直至被看门狗定时芯片再次唤醒，进行下一次检测操作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，包括：

多磁源分频激磁装置：设于体外，用于产生不同频率的交变磁场，所述的多磁源分频激磁装置包括分频激磁电路和多个激磁线圈，分频激磁电路设有多路输出端，多路输出端分别与多个激磁线圈的输入端连接；

数字式磁场检测装置：固定在电子胶囊上，用于检测电子胶囊所处位置的磁场强度后进行特征值提取，所述的数字式磁场检测装置包括依次连接的次级感应线圈、模拟信号前端预处理模块、数字信号处理模块和射频通信模块；

数据无线接收与处理平台：设于体外，与多磁源分频激磁装置和数字式磁场检测装置无线连接，用于接收数字式磁场检测装置发送的特征值后，进行数据分析和方位求解，所述的数据无线接收与处理平台包括用于收发信号的数据无线收发电路；

所述的数据无线接收与处理平台采用粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法，粒子群与LM算法改进的BP神经网络算法的步骤如下：

步骤一：根据磁定位优化问题，确定BP神经网络的结构并初始化相关参数，并确定粒子的维数；

步骤二：初始化粒子群参数，设定粒子数目N，惯性因子w，学习因子c1和c2，最大迭代次数itmax，限定速度Vmin、Vmax，随机产生粒子的速度与位置，并将神经网络的连接权值和阈值编码为粒子；

步骤三：选取均方误差e1作为神经网络的目标函数，即是粒子的适应度函数，然后计算每个粒子的适应度值；

步骤四：更新个体pbest，对每个粒子，比较粒子当前位置的适应度值与其所经过的最优位置pbest的适应度值，如果此时的位置更好，则置pbest为粒子当前位置，否则不变；

步骤五：更新全局gbest，比较粒子的适应度值与粒子群gbest的适应度值，如果优于gbest，则粒子群最优位置gbest信息更新为当前粒子的位置，否则不更新；

步骤六：更新粒子的位置和速度；

步骤七：判断终止条件，当达到设定的最大粒子群迭代次数itmax或者误差e2达到要求的精度时，则停止迭代，保存最优的权值和阈值，否则转到步骤三；

步骤八：将步骤七保存的数据作为LM改进的BP神经网络的初始权值和阈值，开始网络训练；

所述的数字式磁场检测装置还包括用于定时的看门狗定时芯片和用于供电的电源管理模块；所述的数字式磁场检测装置采用智能休眠技术实现握手通讯。

2.根据权利要求1所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，所述的模拟信号前端预处理模块包括依次连接的前端阻抗匹配电路、可编程放大电路、电平抬升电路与ADC驱动电路，所述的前端阻抗匹配电路的输入端与次级感应线圈的输出端连接，所述的数字信号处理模块的输入端与电平抬升电路与ADC驱动电路的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，所述的数字信号处理模块为微处理器。

4.根据权利要求1所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，所述的射频通信模块为射频通信芯片。

5.根据权利要求1所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，所述的电源管理模块包括电池、升压芯片、稳压芯片和微控制器，所述的微控制器与升压芯片和稳压芯片分别连接。

6.根据权利要求1所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***，其特征在于，所述的数字信号处理模块采用的核心算法包括数字滤波算法、峰值检测算法和激磁线圈智能识别算法。

7.一种应用权利要求1-6任一项所述的一种消化道电子胶囊的数字式定位***的电子胶囊数字式定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）数字式磁场检测装置通过看门狗定时芯片从休眠中唤醒后，发送握手请求信号至数据无线接收与处理平台；

2）数据无线接收与处理平台发送接收信号至数字式磁场检测装置，同时，数据无线接收与处理平台发送控制信号至多磁源分频激磁装置，控制其启动并产生交变磁场；

3）数字式磁场检测装置根据次级感应线圈及模拟信号前端预处理模块检测电子胶囊所处位置的磁场强度，并利用数字信号处理模块对检测到的磁场强度进行特征值提取；

4）提取后的特征值通过射频通信模块无线发送到体外的数据无线接收与处理平台，以进行数据分析和方位求解；

5）数字式磁场检测装置的微处理器根据智能休眠技术控制电源管理模块关断各个模块的供电，使微处理器进入休眠，直至被看门狗定时芯片再次唤醒，进行下一次检测操作。