專利名稱：一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于對人體內(nèi)部進行檢測的體內(nèi)微型裝置跟蹤系統(tǒng)及跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法。
背景技術(shù)：
隨著微機械、微電子加工技術(shù)的發(fā)展，越來越多的微創(chuàng)和無創(chuàng)的微型醫(yī)療裝置被應(yīng)用于患者體內(nèi)的臨床疾病診斷和治療。為了保證和提高診斷與治療過程的有效性以及更好地進行醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，對這些微型醫(yī)療裝置在體內(nèi)的空間位置和方向進行實時定位和跟蹤就顯得尤為重要。
目前，關(guān)于如何定位體內(nèi)的微型裝置的問題，可用的技術(shù)有X射線檢查、CT檢查、核磁共振檢查、三維超聲檢查、計算機視覺、射頻無線信號強度的檢測、磁定位等等。其中X射線檢查、CT檢查、核磁共振檢查、三維超聲檢查可以提供清晰度比較高的二維或三維影像，但是這些技術(shù)提供的是圖像信息，需要進一步的處理計算才能給出體內(nèi)裝置的三維位置，并且也不能給出體內(nèi)裝置的面對方向；這些裝置價格昂貴而且操作復(fù)雜，不可能長時間來對消化道內(nèi)的微型裝置進行實時跟蹤，且在檢查過程中對人體會有些副作用。所以，設(shè)計一種高精度、實時、使用方便、且對人體無害的跟蹤系統(tǒng)是十分必要的。
美國專利6,904,308采用了多個天線來對膠囊內(nèi)鏡的位置進行了跟蹤。通過分析從不同天線檢測到的從膠囊內(nèi)鏡發(fā)射的無線信號的強度來對膠囊內(nèi)鏡進行定位。用多個天線來定位比較方便，但是無線信號受人體反射和透射率影響較大，所以其定位和定向精度很低。改進的方法可以采用磁定位技術(shù)。由于人體對磁場是沒有反射和透射阻擋的，所以磁定位可以很高的精度。目前也有用磁場定位定向方法來定位和跟蹤體內(nèi)微型裝置，例如通過用三組3軸的磁場傳感器測量內(nèi)置于體內(nèi)微型裝置的永磁體發(fā)出的磁場強度，來檢測微型裝置的位置和方向。磁場定位定向方法比天線定位具有更高的定位精度，但由于通常采用非線性優(yōu)化方法來計算，其計算方法復(fù)雜，計算時間很長，因此限制和影響對體內(nèi)微型裝置定位定向速度，難以實現(xiàn)對體內(nèi)微型裝置的快速實時跟蹤。并且磁場定位定向方法僅能提供體內(nèi)微型裝置的三維的位置變化和二維的方向變化，缺少一維方向信息，即缺少反映體內(nèi)微型裝置繞主軸自轉(zhuǎn)的變化參數(shù)，還不能全方位(三維位置和三維方向)地反映體內(nèi)微型裝置的位置和方向變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)可以實時跟蹤體內(nèi)微型裝置并顯示體內(nèi)微型裝置的運動軌跡、方向信息，準(zhǔn)確、可靠并快速地為醫(yī)生提供體內(nèi)微型裝置的精確定位。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為第一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法，體內(nèi)微型裝置內(nèi)設(shè)有永磁體，以及設(shè)置與人體位置相對固定的磁傳感器陣列，所述磁傳感器陣列包括至少5個磁傳感器；所述方法包括以下步驟A、通過測量獲得各傳感器空間位置，以及所述體內(nèi)微型裝置作用在各磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，并根據(jù)磁傳感器各點位置上的磁感應(yīng)強度，用線性矩陣法計算出微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向數(shù)據(jù)，作為永磁體當(dāng)前的初始定位數(shù)據(jù)；B、將所述初始定位數(shù)據(jù)作為非線性優(yōu)化算法的初始值，用非線性優(yōu)化算法得到微型裝置內(nèi)永磁體的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述永磁體的基本定位數(shù)據(jù)；C、綜合所述永磁體在此之前運動軌跡的歷史數(shù)據(jù)，判斷所述基本定位數(shù)據(jù)的合理性，若該基本定位數(shù)據(jù)合理，則存儲基本定位數(shù)據(jù)，并將其作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)；否則，刪除該基本定位數(shù)據(jù)，返回步驟A重新計算。
第二種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法，體內(nèi)微型裝置內(nèi)設(shè)有永磁體及發(fā)射天線，且所述永磁體的軸向與發(fā)射天線的方向呈一角度；同時設(shè)置與人體位置相對固定的磁傳感器陣列及接收天線陣列，所述磁傳感器陣列及接收天線陣列分別包括至少5個磁傳感器及5個接收天線；所述方法包括以下步驟A、通過測量獲得各傳感器空間位置，以及所述體內(nèi)微型裝置作用在各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，并根據(jù)磁傳感器各點位置上的磁感應(yīng)強度，用線性矩陣法計算出微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向數(shù)據(jù)，作為永磁體當(dāng)前的初始定位數(shù)據(jù)；B、將所述初始定位數(shù)據(jù)作為非線性優(yōu)化算法的初始值，用非線性優(yōu)化算法得到微型裝置內(nèi)永磁體的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述永磁體的基本定位數(shù)據(jù)；C、在所述各點接收天線處采集所述發(fā)射天線發(fā)出的信號強度，根據(jù)天線發(fā)射的數(shù)學(xué)模型，計算所述發(fā)射天線的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)；D、綜合所述永磁體在此之前運動軌跡的歷史數(shù)據(jù)，分別判斷所述基本定位數(shù)據(jù)及所述發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)的合理性，若二者數(shù)據(jù)不合理，則刪除，返回步驟A重新計算；否則轉(zhuǎn)入步驟E；E、用綜合優(yōu)化擬合算法對所述基本定位數(shù)據(jù)及發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)進行綜合計算，得出體內(nèi)微型裝置六維的位置和方向的最終結(jié)果，并存儲所述最終結(jié)果作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。
所述的方法，其中用線性矩陣法計算微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向的初始參數(shù)包括以下步驟A1、通過測量得到各個傳感器的位置(xiyizi)T；A2、通過測量獲得所述體內(nèi)微型裝置作用在各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度(BixBiyBiz)T；A3、利用線性方程FR＝b計算R式中F＝[Bx，By，Bz，(Bzy-Byz)，(Bxz-Bzx)]R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]Tb＝Bxy-Byx其中e′＝e/g，f′＝f/g，e、f、g為所述永磁體的方向參數(shù)，a、b、c為所述永磁體的位置參數(shù)，且e2+f2+g2＝1，i＝1、2...N，N≥5；A4、用R值計算所述永磁體當(dāng)前的空間位置參數(shù)和方向參數(shù)，得到所述初始定位數(shù)據(jù)。
所述的方法，其中所述步驟A4包括如下處理A41、利用R和e2+f2+g2＝1，計算出永磁體方向參數(shù)e，f，g；A42、利用永磁體的方向參數(shù)e，f，g和R，計算得到永磁體的位置參數(shù)a，b，c；A43、由永磁體的方向參數(shù)e，f，g得到其方向角度參數(shù)θ，Φ，其中θ=tg-1(e2+f2),]]>Φ=cos-1ee2+f2,]]>所述位置參數(shù)a，b，c和方向角度參數(shù)θ，Φ即為初始定位數(shù)據(jù)。
所述的方法，其中所述步驟B包括如下具體步驟B1、利用測量得到的各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，以及利用畢奧-薩伐爾定律計算得到的對應(yīng)點的磁場強度值，定義二次型目標(biāo)函數(shù) 其中， 為磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度測量值， 為磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度計算值，i＝1、2...N，N≥5；B2、采用非線性優(yōu)化算法，并將所述初始定位數(shù)據(jù)作為計算的初始值，尋找新的最佳位置參數(shù)和方向角度參數(shù)，以使所述二次型目標(biāo)函數(shù) 為最小，此時的位置參數(shù)和方向角度參數(shù)就是永磁體的基本定位數(shù)據(jù)。
所述的方法，其中所述非線性優(yōu)化算法采用Levenberg-Marquardt算法。
所述的方法，其中在磁傳感器陣列及接收天線陣列與被檢查者的相對位置固定后，且被檢查者吞入微型裝置之前，按以下步驟對磁傳感器的坐標(biāo)位置進行標(biāo)定將測量儀放到所述磁傳感器陣列中間位置的一個磁傳感器上方，依次測得各磁傳感器輸出，從而獲得各磁傳感器的相對坐標(biāo)位置，并保存這些坐標(biāo)位置。
一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的系統(tǒng)，包括體內(nèi)微型裝置及體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)，體內(nèi)微型裝置內(nèi)置永磁體，以及順序連接的功能傳感器、微處理器、無線射頻電路和無線發(fā)射天線；所述體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)包括與人體位置相對固定的陣列檢測單元，所述陣列檢測單元包括由至少5個磁傳感器組成的磁傳感器陣列，每個磁傳感器用于感應(yīng)所述永磁體的磁場強度；順序連接的信號接收單元、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元，以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心；所述信號接收單元用于接收體內(nèi)微型裝置發(fā)送的病理信息信號，以及磁傳感器陣列采集到的與永磁體位置方向相關(guān)的信號，所述信號經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換單元放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元用于對位置數(shù)據(jù)和病理數(shù)據(jù)進行整理和存儲，并傳送至數(shù)據(jù)處理與顯示中心，由數(shù)據(jù)處理與顯示中心在處理和顯示病理數(shù)據(jù)的同時，計算出永磁體在不同時間的位置，得到并顯示體內(nèi)微型裝置的運動軌跡。
所述的系統(tǒng)，其中所述無線發(fā)射天線的方向與所述永磁體的軸向呈一角度設(shè)置；所述陣列檢測單元還包括一接收天線陣列，所述接收天線陣列包括至少5個接收天線，所述接收天線輸出端與信號接收單元連接。
所述的系統(tǒng)，其中所述陣列檢測單元設(shè)置在人體可穿戴物上，所述磁傳感器及接收天線分布排列。
所述的系統(tǒng)，其中所述磁傳感器固定在柔性印刷電路板上。
所述的系統(tǒng)，其中在采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心之間，還設(shè)置有數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元和數(shù)據(jù)無線接收單元，用于采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元以及數(shù)據(jù)處理顯示中心之間數(shù)據(jù)的無線傳送。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明由于對體內(nèi)微型裝置采用了磁感應(yīng)定位定向，并且在用磁感應(yīng)定位定向過程中將線性算法和非線性算法者綜合形成一種綜合算法，大大地改善了系統(tǒng)的可靠性，提高了精度和計算速度，可以實時、快速、準(zhǔn)確地為醫(yī)生提供體內(nèi)微型醫(yī)療裝置的精確定位，建立和顯示微型醫(yī)療裝置的運動的軌跡、方向和速度信息，為相關(guān)的診斷治療提供病狀和病變部位等重要的病理信息；并且，本發(fā)明在采用磁感應(yīng)定位定向的同時，還融合了用天線陣列實現(xiàn)射頻信號定位定向方法，因此能獲得體內(nèi)微型裝置全六維位置方向參數(shù)，提供體內(nèi)微型裝置全六維的運動軌跡和方向，還可以消除磁定位時可能出現(xiàn)的奇異情況，使系統(tǒng)的定位精度和可靠性得以進一步提高。


圖1為體內(nèi)微型裝置跟蹤系統(tǒng)框圖；圖2為可吞入式微型裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為可吞入式微型裝置內(nèi)各模塊之間關(guān)系框圖；圖4a、b分別為可穿戴陣列檢測單元正面和反面示意圖；圖5為微型裝置內(nèi)永磁體的磁場示意圖；圖6為永磁體的磁偶極子簡化模型計算的坐標(biāo)示意圖；圖7為永磁體與發(fā)射天線位置及方向定義示意圖；圖8為本發(fā)明系統(tǒng)操作流程圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明本發(fā)明的體內(nèi)微型裝置跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，本發(fā)明涉及的消化道內(nèi)微型裝置跟蹤系統(tǒng)包括帶有永磁體的可吞入式微型裝置、設(shè)置在人體附近并且與人體位置相對固定的陣列檢測單元、便攜式數(shù)據(jù)記錄儀以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心等。體內(nèi)微型裝置如圖2、3所示，微型裝置殼體21內(nèi)置永磁體24、電池23、功能元件27，永磁體產(chǎn)生的磁場如圖5所示，還包括順序連接的功能傳感器22、微處理器26、無線射頻電路和無線發(fā)射天線25，傳感器因研究目的不同而設(shè)置，例如微型攝像機、溫度傳感器、壓力傳感器、pH值傳感器等，功能元件也可以因用途不同而設(shè)置，例如病理組織采樣器、噴藥器等。陣列檢測單元包括磁傳感器陣列、天線陣列，可以將陣列檢測單元設(shè)置在人體可穿戴物上，例如圖4a、b所示的馬甲上，即將磁傳感器陣列42和天線陣列45固定在馬甲41上，圖中41為用于捕獲人體呼吸數(shù)據(jù)的帶式呼吸傳感器，43為便攜式數(shù)據(jù)記錄儀。磁傳感器陣列和天線陣列可以分布在腹部，也可以分布在后腰部，還可以同時安放在腹部和后腰部。天線陣列包括五個和五個以上的接收天線來接收從體內(nèi)微型裝置發(fā)送的無線信號。對磁傳感器陣列，若采用非線性算法，可以放置五個和五個以上的單軸磁傳感器或兩個和兩個以上的三軸磁傳感器；對線性方法，則采用5個或5個以上三軸磁傳感器。磁傳感器數(shù)量多并且分布較密，則測量精度越高，磁傳感器和接收天線可以均勻分布在可穿戴物上，如3*3、4*4、4*5、5*5、6*6等可選，或者根據(jù)體內(nèi)微型裝置的移動范圍進行優(yōu)化的分布設(shè)計。磁傳感器固定在2*2cm2的小柔性電路板上，且小柔性電路板固定在馬甲上。電路板的輸入輸出引線通過細電纜連接，細電纜都固定在馬甲上，最后通過接口引出到便攜式數(shù)據(jù)記錄儀。便攜式數(shù)據(jù)記錄儀43包括順序連接的信號接收單元、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元，用于接收體內(nèi)微型裝置發(fā)送的病理信息信號，以及磁傳感器陣列采集到的永磁體的位置信息信號，并將接收到的信號進行放大處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行整理和存儲，再傳送給數(shù)據(jù)處理與顯示中心；數(shù)據(jù)處理與顯示中心采用PC機或工作站來實現(xiàn)，用于處理和顯示病理數(shù)據(jù)，計算微型裝置(永磁體)在不同時間的精確位置、方向和速度信息，建立和顯示體內(nèi)微型裝置的運動軌跡，實現(xiàn)對微型醫(yī)療裝置的實時跟蹤。
在實際應(yīng)用中，在采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心之間，還設(shè)置有數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元和數(shù)據(jù)無線接收單元，用于數(shù)據(jù)的無線傳送，并且將無線發(fā)送單元設(shè)置在便攜式數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)，這樣被檢查者可以身著可穿戴式陣列檢測單元，隨身攜帶便攜式數(shù)據(jù)記錄儀，無論是在隨意走動或靜止時，本系統(tǒng)都能實時跟蹤體內(nèi)微型裝置的位置和方向。
利用上述系統(tǒng)并采用以下方法來實現(xiàn)對體內(nèi)微型裝置的實時跟蹤。
人體的組織是非磁性的，它同空氣、水以及真空有相似的磁導(dǎo)率。這樣永磁體產(chǎn)生的磁場和周圍的人體組織結(jié)構(gòu)無關(guān)，只與磁源的位置和方向有關(guān)?？梢哉J(rèn)為真空的磁導(dǎo)率等于人體組織和空氣的磁導(dǎo)率。并且，永磁體周圍空間的磁場分布是靜態(tài)場，是不變的，并且微型裝置選用的永磁體為沿軸均勻磁化的圓柱形永久磁鐵，此時永久磁鐵的分子電流是分布在圓柱側(cè)面的面電流。當(dāng)永磁體的尺寸遠小于檢測點和永磁體間的距離時，永磁體可等效為磁偶極子，如圖7所示為永磁體等效的磁偶極子的磁矩矢量 的五個參數(shù)(x，y，z，θ，Φ)。這里，m=|m→|]]>是表征磁體的磁場強度的常數(shù)；x，y，z是空間點相對永磁體中心點(假定為0，0，0)的坐標(biāo)；θ是該空間點相對X軸的夾角；Φ是該點相對x-Y平面的夾角。這樣就可以套用Biot-savart定律具體算出空間各點的磁感應(yīng)強度，其磁感應(yīng)強度計算可簡化如公式(1)。
其中， 是永磁體的磁矩向量， 是永磁體與某一被測點P的距離向量，r是永磁體與某一被測點P的距離值，μ0是真空磁導(dǎo)率，人體的磁導(dǎo)率可視為與真空一致。如圖6所示，(a，b，c)為永磁體中心的位置坐標(biāo)，在永磁體周圍空間任意一點(x，y，z)處的磁場矢量由六個參數(shù)m，x，y，z，θ，Φ確定。若用x、y、和z表示x-a、y-b、和z-c，即有 +[(2y‾2-x‾2-z‾2)sinθsinφ+3x‾·y‾sinθcosφ+3y‾·z‾cosθ]j→---(2)]]>+[(2z‾2-y‾2-x‾2)cosθ+3x‾·z‾sinθcosφ+3y‾·z‾sinθsinφ]k→}]]>或表示成
+[(2y‾2-x‾2-z‾2)sinθsinφ+3x‾·y‾sinθcosφ+3y‾·z‾cosθ]j→---(3)]]>+[(2z‾2-y‾2-x‾2)cosθ+3x‾·z‾sinθcosφ+3y‾·z‾sinθsinφ]k→}]]>其中 分別表示X軸、Y軸和Z軸方向的單位矢量。從上述公式可知如果六個參數(shù)m，x，y，z，θ，Φ已知，則任意一點處的磁場強度矢量就可以求出。因此，由此可知，通過5個或5個磁傳感器陣列測量到磁感應(yīng)強度 然后利用 就可以推演微型裝置在人體內(nèi)的位置。計算時，采用定義二次型目標(biāo)函數(shù) 并利用非線性全局優(yōu)化算法來尋找、計算最佳的六個參數(shù)m，x，y，z，θ，Φ，使二次型目標(biāo)函數(shù) 為最小，由于采用該方法，首先需要推測一個永磁體在空間某點的磁場矢量作為非線性全局優(yōu)化算法的初始值，再通過計算不斷逼近，得到精確的永磁體磁場矢量，因此單獨采用這種非線性算法，一來計算量龐大，二來如果初始值給的不恰當(dāng)，會使后面的計算走向歧路。因此本發(fā)明先采用一種線性矩陣算法來計算永磁體位置3個參數(shù)和方向2個參數(shù)，并將線性矩陣算法計算的結(jié)果作為非線性優(yōu)化算法的初始值，達到節(jié)省計算時間，簡化計算，實時跟蹤顯示微型裝置的軌跡的目的。
參見圖7，從公式(1)，通過矢量運算可得B→×r→=-μ04πm→×r→r3---(4)]]>式中”×”表示矢量積， 取代了 進一步通過矢量運算，則有(B→×r→)·m→=0---(5)]]>式中”·”表示數(shù)量積。 可用矢量(BxByBz)T表示； 表示一空間點(x，y，z)到磁體中心點(a，b，c)的空間矢量，即(x-a，y-b，z-c)T(注意這里a，b，c不為0)；方向矢量用A→=(e f g)T]]>表示，由于磁體的方向是2維的，本發(fā)明可定義 為單位矢量，即e2+f2+g2＝1。式(5)可展開變成BxByBz×x-ay-bz-c·efg=0---(6)]]>這一式可進一步簡化為線性方程FR＝b (7)式中，F(xiàn)＝[Bx，By，Bz，(Bzy-Byz)，(Bxz-Bzx)]R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]Tb＝Bxy-Byx式中，e′＝e/g，f′＝f/g。如果在人體外膠囊活動區(qū)間周圍布置三軸磁場傳感器，可測得在傳感器位置(x，y，z)上的磁場強度(BxByBz)T，這樣，F(xiàn)和b就是已知的。用5個或5個以上傳感器，本發(fā)明就得到5個或5個以上用公式(7)表示的線性方程。用矩陣計算即可算出R，進一步用R可計算磁體的空間位置參數(shù)(a，b，c)和方向參數(shù)(e，f，g)。運行結(jié)果表明這一線性計算方法將比非線性優(yōu)化的計算方法有高的多(10倍以上)的計算速度。需要說明的是，圖7中X-Y-Z為全局坐標(biāo)系，(x，y，z)為空間點相對微型裝置中心位置的坐標(biāo)，坐標(biāo)系X’-Y’-Z’是以(x，y，z)為原點的新坐標(biāo)系，新的坐標(biāo)系X’-Y’-Z’僅僅是原坐標(biāo)系X-Y-Z的簡單平移。圖中61為微型裝置，62為微型裝置中的發(fā)射天線，63為微型裝置中的永磁體。微型裝置的方向就是磁矩矢量 的方向，天線主軸方向 與 相垂直。為了表示 的方向角度，如圖7所示定義了兩個參數(shù)θ和Φ，其中，θ為磁矩矢量 與Z軸的夾角；Φ為磁感應(yīng)強度矢量 在X-Y平面的投影與X軸的夾角。這樣磁矩矢量 在坐標(biāo)系X’-Y’-Z’的位置坐標(biāo)(a，b，c)和其方向參數(shù)θ和Φ就構(gòu)成了(a，b，c，θ，Φ)五元組參數(shù)。方向的定義也可以用單位矢量A→=(e,f,g)]]>(e2+f2+g2＝1)表示，這樣構(gòu)成了(a，b，c，e，f，g)六元組參數(shù)。
本發(fā)明方法的步驟如下1、在人體體外布置5個或5個以上的三軸磁場傳感器，測量得到各個傳感器的位置(xiyizi)T(i＝1、2...N，N≥5)；2、利用三軸磁場傳感器，對體內(nèi)微型裝置中永磁體發(fā)出的磁場信號進行檢測，即可得到5個或5個以上的三軸磁場數(shù)據(jù)(BixBiyBiz)T(i＝1、2...N，N≥5)；3、計算線性方程中的Fi＝[Bix，Biy，Biz，(Bizyi-Biyzi)，(Bixzi-Bizxi)](i＝1、2...N，N≥5)；4、計算線性方程中的bi＝Bixyi-Biyxi(i＝1、2...N，N≥5)；5、利用線性方程公式(7)，計算R；6、利用R和e2+f2+g2＝1，計算方向參數(shù)(e，f，g)；7、利用方向參數(shù)(e，f，g)和R，計算位置參數(shù)(a，b，c)，這樣通過線性算法得到了磁體的位置和方向參數(shù)；8、進一步，首先由方向參數(shù)(e，f，g)計算磁體方向角度參數(shù)θ=tg-1(e2+f2),]]>Φ=cos-1ee2+f2;]]>9、參數(shù)(a，b，c)和(θ，Φ)定義為初始定位數(shù)據(jù)，作為非線性算法的初始猜測值；10、利用傳感器測得的 根據(jù)(3)計算 (i＝1、2...N，N≥5)，并定義二次型目標(biāo)函數(shù) 11、選取合適的非線性優(yōu)化算法(如Levenberg-Marquardt算法)，從步驟9得到的初始猜測值開始，尋找新的最佳的(a，b，c)和(θ，Φ)，以使二次型目標(biāo)函數(shù) 為最小。這時，所獲得的參數(shù)(a，b，c)和(θ，Φ)就是基本定位定向結(jié)果數(shù)據(jù)，即為基本定位數(shù)據(jù)。
12、如線性算法結(jié)果和非線性結(jié)果相差明顯很大，則要綜合永磁體在此之前運動軌跡的歷史數(shù)據(jù)，判斷基本定位數(shù)據(jù)的合理性，若合理，則存儲基本定位數(shù)據(jù)，并將其作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)；否則，剔除不合理的結(jié)果，返回步驟1，重新計算永磁體在該點位置的數(shù)據(jù)。
根據(jù)以上方法步驟，用磁定位技術(shù)能提供體內(nèi)微型裝置的3維位置和2維方向，而體內(nèi)裝置的方向變化是3維的，所以本發(fā)明進一步提出用體內(nèi)裝置中的無線信號進行定位定向，和磁定位定向綜合來獲取微型裝置全6維的位置方向信息。由于無線信號是體內(nèi)裝置固有的與外工作站的通訊手段，無線信號定位定向不會增加體內(nèi)裝置中任何元件或空間。無線信號定位定向與磁定位定向是相似的。如圖4所示，陣列檢測單元除包括磁傳感器陣列外，還包括接收天線陣列，即在可穿戴的物體上(如馬甲上)布置5個或5個以上的無線接收天線，并且體內(nèi)裝置中的發(fā)射天線方向 應(yīng)與永磁體的方向 垂直或成一定角度，在利用磁場傳感器對體內(nèi)微型裝置中永磁體發(fā)出的磁場信號進行檢測和計算過程中，同時對體內(nèi)微型裝置中發(fā)射天線發(fā)出的信號強度進行采集，并根據(jù)天線發(fā)射的數(shù)學(xué)模型，計算體內(nèi)裝置中發(fā)射天線的3維位置和2維方向，作為發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)。不同天線有不同的數(shù)學(xué)模型，實施中要根據(jù)精度、尺寸要求設(shè)計天線結(jié)構(gòu)。根據(jù)天線發(fā)射的數(shù)學(xué)模型，計算體內(nèi)裝置中發(fā)射天線的3維位置和2維方向，為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，在此不再贅述。當(dāng)獲得發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)之后，在上述步驟11的基礎(chǔ)上繼續(xù)以下步驟13、分別利用磁定位和天線陣列定位兩種定位方法得出的結(jié)果，綜合歷史數(shù)據(jù)，分析偏差情況，判斷兩方法得出的結(jié)果的合理性；
14、如是合理的，用適當(dāng)?shù)木C合優(yōu)化擬合算法，如加權(quán)綜合、最小二乘、非線性優(yōu)化算法等，將磁場強度數(shù)據(jù)和無線接收數(shù)據(jù)進行綜合計算，得出體內(nèi)膠囊全6維的位置和方向的最終結(jié)果；新的結(jié)果將被儲存作為下一次的計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)，實現(xiàn)實時跟蹤。
15、如是不合理的，特別是出現(xiàn)奇異情況，要舍去這奇異的數(shù)據(jù)，返回步驟1，重新計算微型裝置在該點位置的數(shù)據(jù)。
這樣無線信號定位定向5維數(shù)據(jù)和磁定位定向5維數(shù)據(jù)合理綜合后，即可獲得全6維的體內(nèi)微型裝置的位置和方向變化數(shù)據(jù)。運用無線信號定位定向還可判斷并避免磁定位可能出現(xiàn)的奇異情況。
本發(fā)明方法還包括如圖8所示步驟，即在開始測試前，要檢查馬甲上傳感器陣列安裝是否牢固，檢查外部接線是否有損壞。檢查通過后穿上馬甲以貼身舒適為宜。接著對穿上的傳感器陣列的坐標(biāo)進行校正，同時還可以在此步驟檢查裝置工作正常與否。由于不同的身材、胖瘦等個體差異較大，而且馬甲不同時候的佩戴位置也有所差異，因此被測試者穿上馬甲后準(zhǔn)備吞入微型裝置前，要對傳感器的坐標(biāo)位置進行標(biāo)定。其標(biāo)定方法是將標(biāo)準(zhǔn)三座標(biāo)測量儀放到磁傳感器陣列的中間位置的一個磁傳感器上，依次測得傳感器陣列輸出，這樣就測得相互間的相對坐標(biāo)位置并保存這些坐標(biāo)位置。當(dāng)傳感器陣列的坐標(biāo)位置重新標(biāo)定好之后，讓被檢查對象吞入微型裝置，開始同步記錄體內(nèi)微型裝置的位置、體內(nèi)微型裝置發(fā)射的數(shù)據(jù)、被檢查對象的呼吸數(shù)據(jù)等等。體內(nèi)微型裝置的發(fā)射的數(shù)據(jù)可以是微型攝像機拍攝的視頻圖像，也可以是消化道的壓力數(shù)據(jù)、消化道的pH值數(shù)據(jù)等等。本發(fā)明可以用到膠囊內(nèi)鏡中，可以結(jié)合采集的同步圖像和定位定向數(shù)據(jù)來對消化道進行三維重建，使對腸胃道及病理組織的觀測更為直接準(zhǔn)確。
可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法，體內(nèi)微型裝置內(nèi)設(shè)有永磁體，以及設(shè)置與人體位置相對固定的磁傳感器陣列，所述方法包括以下步驟A、通過測量獲得各傳感器空間位置，以及所述體內(nèi)微型裝置作用在各磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，并根據(jù)磁傳感器各點位置上的磁感應(yīng)強度，用線性矩陣法計算出微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向數(shù)據(jù)，作為永磁體當(dāng)前的初始定位數(shù)據(jù)；B、將所述初始定位數(shù)據(jù)作為非線性優(yōu)化算法的初始值，用非線性優(yōu)化算法得到微型裝置內(nèi)永磁體的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述永磁體的基本定位數(shù)據(jù)；C、綜合所述永磁體在此之前運動軌跡的歷史數(shù)據(jù)，判斷所述基本定位數(shù)據(jù)的合理性，若該基本定位數(shù)據(jù)合理，則存儲基本定位數(shù)據(jù)，并將其作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)；否則，刪除該基本定位數(shù)據(jù)，返回步驟A重新計算。
2.一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法，體內(nèi)微型裝置內(nèi)設(shè)有永磁體及發(fā)射天線，且所述永磁體的軸向與發(fā)射天線的方向呈一角度；同時設(shè)置與人體位置相對固定的磁傳感器陣列及接收天線陣列，所述方法包括以下步驟A、通過測量獲得各傳感器空間位置，以及所述體內(nèi)微型裝置作用在各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，并根據(jù)磁傳感器各點位置上的磁感應(yīng)強度，用線性矩陣法計算出微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向數(shù)據(jù)，作為永磁體當(dāng)前的初始定位數(shù)據(jù)；B、將所述初始定位數(shù)據(jù)作為非線性優(yōu)化算法的初始值，用非線性優(yōu)化算法得到微型裝置內(nèi)永磁體的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述永磁體的基本定位數(shù)據(jù)；C、在所述各點接收天線處采集所述發(fā)射天線發(fā)出的信號強度，根據(jù)天線發(fā)射的數(shù)學(xué)模型，計算所述發(fā)射天線的三維位置數(shù)據(jù)和二維方向數(shù)據(jù)，作為所述發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)；D、綜合所述永磁體在此之前運動軌跡的歷史數(shù)據(jù)，分別判斷所述基本定位數(shù)據(jù)及所述發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)的合理性，若二者數(shù)據(jù)不合理，則刪除，返回步驟A重新計算；否則轉(zhuǎn)入步驟E；E、用綜合優(yōu)化擬合算法對所述基本定位數(shù)據(jù)及發(fā)射天線的當(dāng)前數(shù)據(jù)進行綜合計算，得出體內(nèi)微型裝置六維的位置和方向的最終結(jié)果，并存儲所述最終結(jié)果作為下一次計算的歷史數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于用線性矩陣法計算微型裝置內(nèi)永磁體當(dāng)前的位置和方向的初始參數(shù)包括以下步驟A1、通過測量得到各個傳感器的位置(xiyizi)T；A2、通過測量獲得所述體內(nèi)微型裝置作用在各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度(BixBiyBiz)T；A3、利用線性方程FR＝b計算R式中F＝[Bx，By，Bz，(Bzy-Byz)，(Bxz-Bzx)]R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]Tb＝Bxy-Byx其中e′＝e/g，f′＝f/g，e、f、g為所述永磁體的方向參數(shù)，a、b、c為所述永磁體的位置參數(shù)，且e2+f2+g2＝1，i＝1、2...N，N≥5；A4、用R值計算所述永磁體當(dāng)前的空間位置參數(shù)和方向參數(shù)，得到所述初始定位數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟A4包括如下處理A41、利用R和e2+f2+g2＝1，計算出永磁體方向參數(shù)e，f，g；A42、利用永磁體的方向參數(shù)e，f，g和R，計算得到永磁體的位置參數(shù)a，b，c；A43、由永磁體的方向參數(shù)e，f，g得到其方向角度參數(shù)θ，Φ，其中θ=tg-1(e2+f2),]]>Φ=cos-1ee2+f2,]]>所述位置參數(shù)a，b，c和方向角度參數(shù)θ，Φ即為初始定位數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟B包括如下具體步驟B1、利用測量得到的各點磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，以及利用畢奧-薩伐爾定律計算得到的對應(yīng)點的磁場強度值，定義二次型目標(biāo)函數(shù) 其中， 為磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度測量值， 為磁傳感器位置上的磁感應(yīng)強度計算值，i＝1、2...N，N≥5；B2、采用非線性優(yōu)化算法，并將所述初始定位數(shù)據(jù)作為計算的初始值，尋找新的最佳位置參數(shù)和方向角度參數(shù)，以使所述二次型目標(biāo)函數(shù) 為最小，此時的位置參數(shù)和方向角度參數(shù)就是永磁體的基本定位數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述非線性優(yōu)化算法采用Levenberg-Marquardt算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在磁傳感器陣列及接收天線陣列與被檢查者的相對位置固定后，且被檢查者吞入微型裝置之前，按以下步驟對磁傳感器的坐標(biāo)位置進行標(biāo)定將測量儀放到所述磁傳感器陣列中間位置的一個磁傳感器上方，依次測得各磁傳感器輸出，從而獲得各磁傳感器的相對坐標(biāo)位置，并保存這些坐標(biāo)位置。
8.一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的系統(tǒng)，包括體內(nèi)微型裝置及體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)，體內(nèi)微型裝置內(nèi)置永磁體，以及順序連接的功能傳感器、微處理器、無線射頻電路和無線發(fā)射天線；其特征在于所述體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)包括與人體位置相對固定的陣列檢測單元，所述陣列檢測單元包括由至少5個磁傳感器組成的磁傳感器陣列，每個磁傳感器用于感應(yīng)所述永磁體的磁場強度；順序連接的信號接收單元、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元，以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心；所述信號接收單元用于接收體內(nèi)微型裝置發(fā)送的病理信息信號，以及磁傳感器陣列采集到的與永磁體位置方向相關(guān)的信號，所述信號經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換單元放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元用于對位置數(shù)據(jù)和病理數(shù)據(jù)進行整理和存儲，并傳送至數(shù)據(jù)處理與顯示中心，由數(shù)據(jù)處理與顯示中心在處理和顯示病理數(shù)據(jù)的同時，計算出永磁體在不同時間的位置，得到并顯示體內(nèi)微型裝置的運動軌跡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述無線發(fā)射天線的方向與所述永磁體的軸向呈一角度設(shè)置；所述陣列檢測單元還包括一接收天線陣列，所述接收天線陣列包括至少5個接收天線，所述接收天線輸出端與信號接收單元連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陣列檢測單元設(shè)置在人體可穿戴物上，所述磁傳感器及接收天線分布排列。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述磁傳感器固定在柔性印刷電路板上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于在采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元以及數(shù)據(jù)處理與顯示中心之間，還設(shè)置有數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元和數(shù)據(jù)無線接收單元，用于采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲單元以及數(shù)據(jù)處理顯示中心之間數(shù)據(jù)的無線傳送。
全文摘要
一種跟蹤體內(nèi)微型裝置的方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括內(nèi)置永磁體、功能傳感器、微處理器、無線射頻電路和發(fā)射天線的體內(nèi)微型裝置，以及包括有陣列檢測單元、便攜式數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)處理與顯示中心的體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)，該體外數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)用于接收微型裝置數(shù)據(jù)并對其跟蹤定位。跟蹤方法綜合了磁定位的線性算法、非線性優(yōu)化算法、和射頻天線綜合的定位算法，能快速地獲得體內(nèi)微型裝置全6維的位置方向參數(shù)，實時跟蹤體內(nèi)微型裝置的位置和方向，并保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和實時性。能為醫(yī)生提供體內(nèi)微型醫(yī)療裝置的精確定位和其運動軌跡、方向和速度信息，以及病狀和病變部位等重要的病理信息。
文檔編號A61B5/07GK101053517SQ200710074398
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者孟慶虎, 胡超, 王曉娜, 徐禮勝, 馬同星 申請人:深圳先進技術(shù)研究院