【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及三維定位技術(shù),尤其涉及無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位系統(tǒng)及其定位方法。
背景技術(shù):
當(dāng)前,臨床的無線膠囊內(nèi)窺鏡缺點(diǎn)之一就是不能主動受控,要實(shí)現(xiàn)這一主動受控功能并方便臨床使用,無線膠囊內(nèi)窺鏡的三維位置和三維姿態(tài)信息要實(shí)時反饋給控制系統(tǒng);同時,無線膠囊內(nèi)窺鏡在重建的消化道里視覺導(dǎo)航也需要三維位置和三維姿態(tài)信息,醫(yī)生才能方便操控?zé)o線膠囊窺鏡。
針對以上問題,現(xiàn)有技術(shù)中普遍利用x光成像、ct(計(jì)算機(jī)斷層掃描)和mri(核磁共振)成像技術(shù)進(jìn)行三維重建來定位無線膠囊內(nèi)窺鏡,這種由重建技術(shù)間接定位的速度和精度都受到影響,并且射線存在損害,不宜長時間定位。
以色列的givenimaging公司最早提出了一種應(yīng)用于無線膠囊內(nèi)窺鏡定位的無線射頻(rf)信號定位技術(shù)。其利用在人體外的8個無線射頻天線接收體內(nèi)無線膠囊內(nèi)窺鏡發(fā)射的無線射頻信號,并利用算法獲取無線膠囊內(nèi)窺鏡的位置。該方法直接利用了無線膠囊內(nèi)窺鏡傳輸圖象的無線射頻信號,缺點(diǎn)是定位精度低,平均定位精度為37.7毫米,臨床應(yīng)用效果不好。
也有人提出了利用永磁定位技術(shù)定位無線膠囊內(nèi)窺鏡。在無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部放置永磁體作為磁標(biāo)記,在人體周圍布置多個磁場傳感器測量不同點(diǎn)的磁場,用算法計(jì)算出無線膠囊內(nèi)窺鏡的三維位置和鏡頭對準(zhǔn)(二維)方向。該技術(shù)具有精度高,定位速度快的優(yōu)點(diǎn),但無法確定無線膠囊內(nèi)窺鏡繞主軸旋轉(zhuǎn)的方向變化信息,這一維信息缺失就不能利用無線膠囊內(nèi)窺鏡拍攝的圖像進(jìn)行消化道三維重建;另外,由于永磁體的磁場強(qiáng)度隨距離增加快速衰減,磁場傳感器和磁標(biāo)記間的有效距離難以滿足人體尺寸要求。
也有人提出基于永磁和感應(yīng)線圈的定位方法,即利用機(jī)械臂控制永磁體的位置和方向,讓永磁體在震動模塊的作用下作往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生變化的磁場,膠囊內(nèi)的三軸感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電動勢。此方法需要在無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)布置兩個三軸感應(yīng)線圈才能定位,要增大無線膠囊內(nèi)窺鏡的體積。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決現(xiàn)有技術(shù)不足,本發(fā)明的目的在于提供一種只采用一個二軸感應(yīng)線圈,集成方便,占用無線膠囊內(nèi)窺鏡空間小,可實(shí)時連續(xù)對無線膠囊內(nèi)窺鏡定位,方便后續(xù)操作的無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位系統(tǒng)及其定位方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
該發(fā)明的第一發(fā)明目的,提供無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位系統(tǒng),包括設(shè)置于人體外且三軸正交的發(fā)射線圈、體外無線接收模塊、體外位姿計(jì)算模塊和位于體內(nèi)的無線膠囊內(nèi)窺鏡,所述發(fā)射線圈由三軸正交的線圈i、線圈ii和線圈iii組成,所述線圈i、線圈ii和線圈iii順序發(fā)射各自固定頻率的信號,線圈i、線圈ii、線圈iii發(fā)射完一次信號形成一個周期;所述無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置有二軸正交的感應(yīng)線圈,所述二軸正交的感應(yīng)線圈對應(yīng)發(fā)射線圈的一個周期內(nèi)輸出三組不同頻率的電壓信號,且二軸正交的感應(yīng)線圈輸出的每組不同頻率的電壓信號個數(shù)為二個;所述發(fā)射線圈與無線膠囊內(nèi)窺鏡之間通過交變磁場形成磁路,所述無線膠囊內(nèi)窺鏡與體外無線接收模塊之間通過無線信號連接,所述位姿計(jì)算模塊與體外無線接收模塊之間直接連接。
優(yōu)選地,所述無線膠囊內(nèi)窺鏡還包括信號放大模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊和無線發(fā)送模塊,所述二軸正交的感應(yīng)線圈與信號放大模塊直接連接,所述信號放大模塊與無線發(fā)送模塊直接連接。
該發(fā)明第二發(fā)明目的,提供無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位方法,包括以下步驟:
步驟1、在人體外設(shè)置三軸正交的發(fā)射線圈,在無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置二軸正交的感應(yīng)線圈并隨無線膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體內(nèi),發(fā)射線圈由三軸正交的線圈i、線圈ii和線圈iii組成;
步驟2、發(fā)射線圈所在三個軸建立的坐標(biāo)系oxyz作為參考坐標(biāo)系,感應(yīng)線圈二個軸的交點(diǎn)設(shè)置在無線膠囊內(nèi)窺鏡中心點(diǎn),作為無線膠囊內(nèi)窺鏡的位置,其在參考坐標(biāo)系中表示為(x,y,z),感應(yīng)線圈所在的二個軸建立的坐標(biāo)系o'uxuyuz作為物體坐標(biāo)系,用單位向量ux和uy指示無線膠囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài);
步驟3、上電后,發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii在每一個周期內(nèi)順序發(fā)射各自固定頻率的信號;
步驟4、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)的放大模塊放大感應(yīng)線圈的輸出電壓;
步驟5、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)ad轉(zhuǎn)換模塊采樣經(jīng)過放大的輸出電壓;
步驟6、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)的無線發(fā)送模塊發(fā)送采樣信號;
步驟7、體外無線接收模塊接收采樣信號,并發(fā)送給位姿計(jì)算模塊;
步驟8、位姿計(jì)算模塊的定位過程如下:
求解9個參數(shù)(x,y,z,uxx,uxy,uxz,uyx,uyy,uyz),其中(uxx,uxy,uxz)和(uyx,uyy,uyz)分別表示ux和uy在參考坐標(biāo)系的x、y、z軸的投影分量;
將每個軸的發(fā)射線圈都等效為磁偶極子,根據(jù)畢奧薩法爾定律,磁偶極子在無線膠囊內(nèi)窺鏡位置處產(chǎn)生的磁通量密度沿參考坐標(biāo)系的x、y、z軸的三個正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示:
其中,(m,n,p)是各軸發(fā)射線圈的方向向量,(x,y,z)是感應(yīng)線圈的位置,(a,b,c)是發(fā)射線圈的位置,bt是與發(fā)射線圈有關(guān)的一個常量,l是感應(yīng)線圈到發(fā)射線圈的距離,l如公式(4)所示:
由于物體坐標(biāo)系發(fā)生了偏轉(zhuǎn),物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸不重合,發(fā)射線圈在無線膠囊內(nèi)窺鏡位置產(chǎn)生的磁通量密度在物體坐標(biāo)系下的值為公式(5)所示:
其中,r為方位矩陣,如公式(6)所示,由于只有兩個感應(yīng)線圈,所以b'z不激發(fā)線圈輸出電壓;
其中
(uxx,uxy,uxz)=ux(7)
(uyx,uyy,uyz)=uy(8)
感應(yīng)線圈輸出的是感應(yīng)電壓信號,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為公式(9)所示:
其中,n為感應(yīng)線圈匝數(shù),φ為穿過曲面s的磁通量;
在ux和uy方向上,感應(yīng)線圈輸出的電壓信號與磁通量密度之間的關(guān)系如下:
由于感器線圈很小,故將其體積忽略,認(rèn)為感應(yīng)線圈各處磁通量密度相等,所以公式(10)和(11)變?yōu)槿缦鹿?12)和(13),
因?yàn)楦袘?yīng)線圈的方向與物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向相同,所以得到如下公式(14)和(15),
若發(fā)射已知頻率的正弦信號,物體坐標(biāo)系下的磁通量密度可以描述為如下公式(16):
至此,可以得出感應(yīng)線圈的ux、uy軸輸出電壓值與物體坐標(biāo)系各軸上磁通量密度之間的關(guān)系式,如公式(17)、(18)所示:
感應(yīng)線圈的輸出電壓信號是與發(fā)射信號同頻率的余弦信號,取該信號的幅值來建立方程組,設(shè)etx=-ωxnx·sx,ety=-ωyny·sy,etz=-ωznz·sz,得到方程組(19)、(20)如下:
εxmax=-ωnx·b'xmax·sx=etx·b'xmax(19)
εymax=-ωny·b'ymax·sy=ety·b'ymax(20)
提取余弦信號幅值和相位的方法有快速傅里葉變換或函數(shù)擬合方法等;
若三個軸的發(fā)射線圈依次激勵各自固定頻率的正弦信號,二軸的感應(yīng)線圈總計(jì)感應(yīng)到6組交變信號,從而可以建立6個方程,由于要求解9個未知參數(shù),所以還需要3個方程;由于ux和uy取單位向量,并且相互垂直,所以再增加如下3個約束方程,3個方程式(21)、(22)、(23)如下所示:
uxx.uyx+uxy.uyy+uxz.uyz=0(23)
下面分別對發(fā)射線圈的三個軸進(jìn)行分析:
線圈i對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的x軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(1,0,0)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(24)、(25)和(26)如下:
線圈ii對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的y軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(0,1,0)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(27)、(28)和(29)如下:
線圈iii對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的z軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(0,0,1)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(30)、(31)和(32)如下:
根據(jù)公式(5)、(19)和(20),再定義公式(33)如下:
其中,bixmax、biymax和bizmax分別是三軸發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,在感應(yīng)線圈處產(chǎn)生的磁通量密度沿參考坐標(biāo)系的x、y、z軸三個分量的幅值,即是bix、biy和biz的幅值;εixmax和εiymax分別是三軸發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)二軸感應(yīng)線圈的ux和uy軸感應(yīng)電壓的理論幅值,εizmax沒有感應(yīng)線圈輸出,所以不參與計(jì)算;
設(shè)ε'ixmax和ε'iymax分別是發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)二軸感應(yīng)線圈的ux和uy軸感應(yīng)電壓的實(shí)際輸出值,即測量值,定義誤差e的公式(34)如下:
利用優(yōu)化算法如levenberg-marquardt或gauss-newton算法等,使e最小,可以求解出無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿參數(shù)(x,y,z,uxx,uxy,uxz,uyx,uyy,uyz);
步驟9、位姿計(jì)算模塊將無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿信息發(fā)送給顯示終端,實(shí)時反映當(dāng)前無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿,便于操作者觀察或后續(xù)應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用在人體外設(shè)置一個三軸正交的發(fā)射線圈,在無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)只布置一個二軸正交的感應(yīng)線圈,發(fā)射線圈放置在人體附近,發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii順序發(fā)射各自固定頻率的信號,三軸發(fā)射線圈發(fā)射完一次信號稱為一個周期,二軸感應(yīng)線圈在一個周期內(nèi)感應(yīng)輸出三組不同頻率的電壓信號,從而建立方程組進(jìn)行無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的計(jì)算,該方法集成方便、二軸感應(yīng)線圈占用無線膠囊內(nèi)窺鏡空間小,能實(shí)時連續(xù)對無線膠囊內(nèi)窺鏡定位,方便后續(xù)操作,安全可靠、成本低廉。
【附圖說明】
圖1是本發(fā)明體外三軸發(fā)射線圈及其對應(yīng)的無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部二軸線圈的放大結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明的定位流程圖。
【具體實(shí)施方式】
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂,下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。
無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位系統(tǒng),如圖1所示,包括設(shè)置于人體外且三軸正交的發(fā)射線圈、體外無線接收模塊、體外位姿計(jì)算模塊和位于體內(nèi)的無線膠囊內(nèi)窺鏡,所述發(fā)射線圈由三軸正交的線圈i、線圈ii和線圈iii組成,所述線圈i、線圈ii和線圈iii順序發(fā)射各自固定頻率的信號,線圈i、線圈ii、線圈iii發(fā)射完一次信號形成一個周期;所述無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置有二軸正交的感應(yīng)線圈,所述二軸正交的感應(yīng)線圈對應(yīng)發(fā)射線圈的一個周期內(nèi)輸出三組不同頻率的電壓信號,且二軸正交的感應(yīng)線圈輸出的每組不同頻率的電壓信號個數(shù)為二個;所述發(fā)射線圈與無線膠囊內(nèi)窺鏡之間通過交變磁場形成磁路,所述無線膠囊內(nèi)窺鏡與體外無線接收模塊之間通過無線信號連接,所述位姿計(jì)算模塊與體外無線接收模塊之間直接連接。
其中,無線膠囊內(nèi)窺鏡還包括信號放大模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊和無線發(fā)送模塊,所述二軸正交的感應(yīng)線圈與信號放大模塊直接連接,所述信號放大模塊與ad轉(zhuǎn)換模塊直接連接,所述ad轉(zhuǎn)換模塊與無線發(fā)送模塊直接連接。
該實(shí)施例的無線膠囊內(nèi)窺鏡三維位置和三維姿態(tài)的定位方法,如圖2所示,包括以下步驟:
步驟1、在人體外設(shè)置三軸正交的發(fā)射線圈,在無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置二軸正交的感應(yīng)線圈并隨無線膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體內(nèi),發(fā)射線圈由三軸正交的線圈i、線圈ii和線圈iii組成;
步驟2、發(fā)射線圈所在三個軸建立的坐標(biāo)系oxyz作為參考坐標(biāo)系,感應(yīng)線圈二個軸的交點(diǎn)設(shè)置在無線膠囊內(nèi)窺鏡中心點(diǎn),作為無線膠囊內(nèi)窺鏡的位置,其在參考坐標(biāo)系中表示為(x,y,z),感應(yīng)線圈所在的二個軸建立的坐標(biāo)系o'uxuyuz作為物體坐標(biāo)系,用單位向量ux和uy指示無線膠囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài);
步驟3、上電后,發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii在每一個周期內(nèi)順序發(fā)射各自固定頻率的信號;
步驟4、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)的放大模塊放大感應(yīng)線圈的輸出電壓;
步驟5、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)ad轉(zhuǎn)換模塊采樣經(jīng)過放大的輸出電壓;
步驟6、無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)的無線發(fā)送模塊發(fā)送采樣信號;
步驟7、體外無線接收模塊接收采樣信號,并發(fā)送給位姿計(jì)算模塊;
步驟8、位姿計(jì)算模塊的定位過程如下:
求解9個參數(shù)(x,y,z,uxx,uxy,uxz,uyx,uyy,uyz),其中(uxx,uxy,uxz)和(uyx,uyy,uyz)分別表示ux和uy在參考坐標(biāo)系的x、y、z軸的投影分量;
將每個軸的發(fā)射線圈等效成磁偶極子,根據(jù)畢奧薩法爾定律,磁偶極子在無線膠囊內(nèi)窺鏡位置處產(chǎn)生的磁通量密度沿參考坐標(biāo)系的x、y、z軸的三個正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示:
其中,(m,n,p)是各軸發(fā)射線圈的方向向量,(x,y,z)是感應(yīng)線圈的位置,(a,b,c)是發(fā)射線圈的位置,bt是與發(fā)射線圈有關(guān)的一個常量,l是感應(yīng)線圈到發(fā)射線圈的距離,l如公式(4)所示:
由于物體坐標(biāo)系發(fā)生了偏轉(zhuǎn),物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸不重合,發(fā)射線圈在無線膠囊內(nèi)窺鏡位置產(chǎn)生的磁通量密度在物體坐標(biāo)系下的值為公式(5)所示:
其中,r為方位矩陣,如公式(6)所示,由于只有兩個感應(yīng)線圈,所以b'z不激發(fā)線圈輸出電壓;
其中
(uxx,uxy,uxz)=ux(7)
(uyx,uyy,uyz)=uy(8)
感應(yīng)線圈輸出的是感應(yīng)電壓信號,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為公式(9)所示:
其中,n為感應(yīng)線圈匝數(shù),φ為穿過曲面s的磁通量;
在ux和uy方向上,感應(yīng)線圈輸出的電壓信號與磁通量密度之間的關(guān)系如下:
由于感器線圈很小,故將其體積忽略,認(rèn)為感應(yīng)線圈各處磁通量密度相等,所以公式(10)和(11)變?yōu)槿缦鹿?12)和(13),
因?yàn)楦袘?yīng)線圈的方向與物體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向相同,所以得到如下公式(14)和(15),
若發(fā)射已知頻率的正弦信號,也可用其它信號,本發(fā)明不限于此,物體坐標(biāo)系下的磁通量密度可以描述為如下公式(16):
至此,可以得出感應(yīng)線圈的ux、uy軸輸出電壓值與物體坐標(biāo)系各軸上磁通量密度之間的關(guān)系式,如公式(17)、(18)所示:
感應(yīng)線圈的輸出電壓信號是與發(fā)射信號同頻率的余弦信號,取該信號的幅值來建立方程組,設(shè)etx=-ωxnx·sx,ety=-ωyny·sy,etz=-ωznz·sz,得到方程組(19)、(20)如下:
εxmax=-ωnx·b'xmax·sx=etx·b'xmax(19)
εymax=-ωny·b'ymax·sy=ety·b'ymax(20)
提取余弦信號幅值和相位的方法有快速傅里葉變換或函數(shù)擬合方法,也可用其它方法,本發(fā)明不限于此,
三個軸的發(fā)射線圈依次激勵各自不同頻率的正弦信號,二軸感應(yīng)線圈總計(jì)感應(yīng)到6組交變信號,從而可以建立6個方程,由于要求解9個未知參數(shù),所以還需要3個方程;由于ux和uy取單位向量,并且相互垂直,所以再增加如下3個約束方程,3個方程式(21)、(22)、(23)如下所示:
uxx.uyx+uxy.uyy+uxz.uyz=0(23)
下面分別對發(fā)射線圈的三個軸進(jìn)行分析:
線圈i對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的x軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(1,0,0)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(24)、(25)和(26)如下:
線圈ii對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的y軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(0,1,0)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(27)、(28)和(29)如下:
線圈iii對應(yīng)于參考坐標(biāo)系的z軸,其位置和方向參數(shù)為
(a,b,c)=(0,0,0)
(m,n,p)=(0,0,1)
將其帶入公式(1)、(2)和(3)中,得到公式(30)、(31)和(32)如下:
根據(jù)公式(5)、(19)和(20),再定義公式(33)如下:
其中,bixmax、biymax和bizmax分別是三軸發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,在感應(yīng)線圈處產(chǎn)生的磁通量密度沿參考坐標(biāo)系的x、y、z軸三個分量的幅值,即是bix、biy和biz的幅值;εixmax和εiymax分別是三軸發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)二軸感應(yīng)線圈的ux和uy軸感應(yīng)電壓的理論幅值,εizmax沒有感應(yīng)線圈輸出,所以不參與計(jì)算;
設(shè)εi'xmax和εi'ymax分別是發(fā)射線圈的線圈i、線圈ii和線圈iii發(fā)射時,無線膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)二軸感應(yīng)線圈的ux和uy軸感應(yīng)電壓的實(shí)際輸出值,即測量值,定義誤差e的公式(34)如下:
利用優(yōu)化算法如levenberg-marquardt或gauss-newton算法,也可用其它方法,本發(fā)明不限于此,使e最小,可以求解出無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿參數(shù)(x,y,z,uxx,uxy,uxz,uyx,uyy,uyz);
步驟9、位姿計(jì)算模塊將無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿信息發(fā)送給顯示終端,實(shí)時反映當(dāng)前無線膠囊內(nèi)窺鏡的位姿,便于操作者觀察或后續(xù)應(yīng)用。
以上所述實(shí)施例只是為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍,除了具體實(shí)施例中列舉的情況外,凡依本發(fā)明原理所作的等效變化,均應(yīng)涵蓋于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。