器422、多路模擬開關(guān)423、可編 程放大及濾波電路424、峰值檢測電路425和采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路426,其中信號控制電 路的輸出分別與多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路及無線數(shù)據(jù) 發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和 采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路順序電信相連，采樣及A / D轉(zhuǎn)換電路的輸出連接信號控制電路。
[0066]當每輪跟蹤采樣開始時，傾角式無線磁傳感模塊和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊均處于接收 狀態(tài)，不斷查詢是否接收到操作指令。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊上電初始化后，立即無線發(fā)送一個 "握手請求"信號至傾角式無線磁傳感模塊，則處于接收等待狀態(tài)；若每等待2秒后仍沒有 收到"握手成功"信號，則再次發(fā)送"握手請求"信號。傾角式無線磁傳感模塊接收到"握手 請求"信號后，即發(fā)送一個"握手成功"信號，返回給無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 接收到"握手成功"信號后，則輸出控制信號至磁場發(fā)生器，使其開始激磁。磁場發(fā)生器產(chǎn) 生一定電流強度的正弦電流，通入單個勵磁線圈的諧振回路，使其在空間產(chǎn)生一定頻率的 交變磁場。此時，傾角式無線磁傳感模塊即檢測電子膠囊處的磁場信號和加速度信號，電子 膠囊所處的方位與磁場信號的峰值、加速度信號的分量都有確定的函數(shù)關(guān)系式，因此，通過 檢測電子膠囊所處方位的交流磁場信號峰值和加速度信號分量，將它們轉(zhuǎn)換為電信號，并 無線傳輸?shù)襟w外的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。
[0067] 設三軸加速度傳感器的三個軸向輸出分別為Ax'、A/、AZ'，三軸兩兩互相垂直。 在三軸磁傳感器上建立動坐標系〇' -X' y' z'，其中以磁傳感器的幾何中心點為坐標原 點〇'，三個軸向輸出分別為o' X'、〇' y'、〇' z'。安裝時，使加速度傳感器的Ax，方 向平行于三軸磁傳感器〇' X'，加速度傳感器的V方向平行于o' y'，加速度傳感器的 V方向平行o' z'。設體外的基準坐標系為o-xyz，則根據(jù)歐拉角坐標旋轉(zhuǎn)，如圖2所 示，動坐標系0' -X' y' z'繞z'軸旋轉(zhuǎn)角度Y1，此時o' X'與N軸重合；再繞N軸旋 轉(zhuǎn)角度此時z'軸與z軸重合；最后繞z軸旋轉(zhuǎn)角度Y3，三次旋轉(zhuǎn)后o' -X' y' z' 與o-xyz重合。
[0068] 根據(jù)加速度傳感器三個軸向的靜態(tài)加速度輸出，可獲得磁傳感子模塊中三軸磁傳 感器與基準坐標系o-xyz的三個旋轉(zhuǎn)角Y 1、Y 2、Y3，即三軸磁傳感器經(jīng)過以旋轉(zhuǎn)角Y p Y 2、Y 3為參數(shù)的坐標旋轉(zhuǎn)后,其三個輸出軸均平行于基準坐標系o-xyz的三個坐標軸。因 此將坐標旋轉(zhuǎn)角Y 2、Y3獲得后，代入空間磁場矢量與電子膠囊方位的磁場模型中，計 算化簡后，磁場非線性方程組中僅包含了電子膠囊的空間位置坐標，從而減少了磁場逆問 題求解的未知量個數(shù)，縮短了求解時間，提高了定位精度。空間磁場矢量的大小可由磁傳感 子模塊測量獲得。
[0069] 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將接收到的磁場信號和傾角信號傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺，進行方 位求解。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的工作方式分為：便攜式數(shù)據(jù)存儲和上位機實時監(jiān)測。當無線 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線斷開時，接收到的數(shù)據(jù)被存儲至裝置中的多媒體存 儲卡中，待檢查結(jié)束后，由讀卡器一次性讀入數(shù)據(jù)處理平臺中；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù)據(jù) 處理平臺的數(shù)據(jù)線連通時，接收到的數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺中，進行后 續(xù)處理。
[0070] 數(shù)據(jù)處理平臺的軟件算法，采用了改進式人工蜂群算法對方位信息的非線性方程 組進行求解。模擬蜂群的集體智能行為，首先將非線性方程組轉(zhuǎn)換為函數(shù)尋優(yōu)問題，將蜜源 的位置對應了優(yōu)化函數(shù)的一個可行解，蜂群尋找最優(yōu)蜜源的過程就是搜索函數(shù)最優(yōu)解的過 程，最優(yōu)蜜源的位置則是函數(shù)的最優(yōu)解，即電子膠囊的空間位置。標準的人工蜂群算法具有 較好的全局搜索能力，但局部搜索能力較差，為了提高算法的精度，避免出現(xiàn)過早收斂陷入 局部極值和停滯現(xiàn)象的發(fā)生，對人工蜂群算法的搜索步長進行了自適應調(diào)整，提高了求解 速度和求解精度。
[0071] 通過上述設計，吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)可實時顯示電子膠囊的空間 方位，或者將方位信息存儲至多媒體卡中，待檢查結(jié)束后，通過讀卡器一次性讀出，進行數(shù) 據(jù)的分析和后處理。
【主權(quán)項】
1. 一種吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：包括設置在體外的磁場發(fā) 生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁 傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。2. 如權(quán)利要求1所述的吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述磁場 發(fā)生器僅由單個勵磁線圈組成，不需要分時勵磁。3. 如權(quán)利要求1所述的吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述傾角 式無線磁傳感模塊主要包括傾角傳感子模塊、磁傳感子模塊和無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，傾角 傳感子模塊和磁傳感子模塊的輸出分別連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述傾角傳感子模塊由 加速度傳感器、信號調(diào)理電路組成，加速度傳感器的輸出連接信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路 的輸出連接無線數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊；所述磁傳感子模塊包括信號控制電路、三軸磁傳感器、多 路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電路和采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路，其中信號控 制電路的輸出分別與多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路及無線 數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊相連，三軸磁傳感器、多路模擬開關(guān)、可編程放大及濾波電路、峰值檢測電 路和采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路順序電信相連，采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出連接信號控制電 路。4. 如權(quán)利要求1所述的吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述無線 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊提供便攜式數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理平臺實時監(jiān)測兩種方式；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模 塊與數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線斷開時，接收到的數(shù)據(jù)被存儲至無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中的多媒體 存儲卡中，待檢查結(jié)束后，由讀卡器一次性讀入數(shù)據(jù)處理平臺中；當無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與數(shù) 據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)線連通時，接收到的數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺中，進行 后續(xù)處理。5. 如權(quán)利要求1所述的吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù) 處理平臺采用排序選擇的混沌蜂群算法，對方位信息的非線性方程組進行求解。
【專利摘要】一種吞咽式電子膠囊的傾角式磁跟蹤系統(tǒng)，包括設置在體外的磁場發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理平臺，以及設置在吞咽式電子膠囊上的傾角式無線磁傳感模塊；傾角式無線磁傳感模塊與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊無線通信相連，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分別與磁場發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理平臺通信相連。本發(fā)明采用傾角式傳感與磁場傳感相結(jié)合的方法，僅使用單個勵磁線圈即可實現(xiàn)多自由度的方位跟蹤，減少了跟蹤系統(tǒng)中磁場發(fā)生器的體積和功耗，縮短了跟蹤算法的求解時間，縮減了每輪跟蹤的采樣數(shù)據(jù)量和采樣時間，提高了跟蹤精度。
【IPC分類】A61B5/07, A61B1/00, A61B5/06
【公開號】CN104887230
【申請?zhí)枴緾N201410078477
【發(fā)明人】郭旭東, 葛斌, 嚴榮國, 翟剛, 楊菲
【申請人】上海理工大學
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2014年3月5日