一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法。本发明专利技术将磁铁安装于胶囊内镜向外发射磁场信号，背心式的三轴磁传感器阵列板的多个磁传感器同时采集磁场信号强度，并传输至第二无线处理器，进行数据处理；加速度计、陀螺分别采集胶囊内镜加速度和角速度信息并传输至第一无线处理器，第一无线处理器根据加速度、角速度通过计算得到姿态信息，第一无线处理器将姿态信息无线传输至第二无线处理器，从而确定姿态参数，只估计位置参数。本专利根据此系统提出了基于磁强计各轴向观测值的非线性最小二乘联合平差方法，提高了计算效率，并减少了粗差的出现,从而达到胶囊内镜定位系统实时计算的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法
本专利技术属于医学工程领域，尤其涉及一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法。
技术介绍
自从2001年无线胶囊内窥镜在以色列诞生以来，其在临床诊断中的应用很大程度的弥补了胃镜肠镜等有线内窥镜在视野受限和病人体验感差的不足。而且无线胶囊内窥镜能够在诊断和治疗肠胃消化道疾病的同时，不会引起病人的不适且不会影响病人的正常工作和生活。为了更好的发展无线胶囊内窥镜的临床应用，辅助医生诊断治疗肠胃疾病，迫切需要解决一个问题：无线胶囊内窥镜在体内位置信息的获取。以帮助医生确定病灶在人体内的确切位置提高诊断效率，减少病人痛苦。因此为其配置一套高精度、操作简便、携带方便的定位系统成为无线胶囊内镜发展进程中的重要任务。由此，无线胶囊内窥镜的定位技术成为目前该领域的研究重点从2000年至今近二十年发展时间内，众多研究者利用不同传感器，不同定位技术展开了对无线胶囊内窥镜在人体内部的轨迹以及精确定位的深入研究。目前无线胶囊内镜的主要定位方式有：射频信号(RF)、电磁定位(胶囊内置永磁体)、惯性导航定位、视觉定位、多传感器融合定位、以及利用CT、MRF、超声等辅助设备定位等。在众多定位方式中，磁场作为一种对人体无害，且具有静态低频磁信号可以通过人体组织且没有任何衰减的优点的技术手段，成为了研究热点。目前关于胶囊内镜磁定位的研究都是基于环绕型的结构设计，在实验室环境下进行，而胶囊内镜在人体内的停留时间长达7个小时以上，无法完全在实验室环境下完成对胶囊内镜的定位。同时目前的高精度定位算法定位效率较低，无法满足实时定位需求。因此需要一种可穿戴的胶囊内镜定位系统，在不影响病人正常活动的情况下确定胶囊内镜在人体内的位置。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法，将背心式的磁传感器阵列定位设备穿戴于人体上，同时根据此从而解决胶囊内镜在人体内时的位置实时获取问题。所述胶囊内镜人体内位置获取系统，其特征在于，包括：胶囊内镜、磁体、加速度计、陀螺仪、第一无线处理器、多个三轴磁传感器、背心、第二无线处理器、存储器、应用端；所述加速度计与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述陀螺仪与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述第一无线处理器与所述第二无线处理器通过无线方式连接；所述第二无线处理器与所述多个三轴磁传感器通过有线方式连接依次连接；所述第二无线处理器与所述存储器通过有线方式连接；所述第二无线处理器与所述应用端通过无线方式连接；所述的多个三轴磁传感器、第二无线处理器、存储器构成磁传感器阵列板，并安装于所述背心中；所述背心穿戴于人体上；所述的加速度计、陀螺仪、第一无线处理器均安装于胶囊内镜内部；所述磁体为永磁体或电磁体，安装于胶囊内镜内部，向外发射磁场；所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，进一步通过所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器；所述多个三轴磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器；所述第二无线处理器，根据所述多个三轴磁传感器采集的磁场信号强度、姿态信息进行定位解算，计算出磁体位置信息，并无线传输至所述应用端；所述存储器，用于存储多个磁传感器的坐标数据库以及收磁体位置信息；所述应用端，用于从微处理器接收磁体位置信息。数据库包括观测值数据库、传感器坐标数据库、传感器位置数据；所述观测值数据库包括各三轴磁传感器识别码及相应观测的磁场信号强度，存储于第二无线处理器。所述传感器坐标数据库包括胶囊内镜识别码、位置、姿态以及胶囊内镜位置对应的时间信息，存储于所述第二无线处理器。所述传感器位置数据库用于存储各三轴磁传感器位置，存储于所述第二无线处理器，并发送给传感器位置数据库。所述位置获取方法包括以下步骤：步骤1：磁铁发射磁场信号，所述多个磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器，结合环境磁场强度对磁场信号强度进行补偿得到补偿后磁场信号强度，根据采样时刻对补偿后磁场信号强度进行粗差剔除得到有效的磁场信号强度，进一步对有效的磁场信号强度进行平滑处理得到平滑后磁场信号强度；步骤2：所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器，并存储至第二无线处理器观测值；步骤3，第二微处理器结合姿态信息计算磁矩方向矢量，根据磁矩方向矢量依次构建第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，利用平滑后磁场信号强度，线性化后的第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，进一步计算胶囊内镜位置。作为优选，步骤1所述磁场信号强度为：i∈[1,N],t∈[1,M],k∈[1,T]其中，N为磁传感器的数量，M为采样时刻的数量，T为采样周期的数量，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的X轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的Y轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的Z轴磁场信号强度；步骤1所述结合环境磁场强度对磁场信号强度进行补偿得到补偿后磁场信号强度为：i∈[1,N],t∈[1,M],k∈[1,T]其中，N为磁传感器的数量，M为采样时刻的数量，T为采样周期的数量，令为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后X轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后Y轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后Z轴磁场信号强度，[Be,xBe,yBe,z]为环境磁场强度，Be,x为X轴环境磁场强度，Be,y为Y轴环境磁场强度，Be,z为Z轴环境磁场强度；步骤1所述根据采样时刻对补偿后磁场信号强度进行粗差剔除得到有效的磁场信号强度为：若磁传感器X，Y，Z轴任一轴在第k个采样周期内t时刻的磁场信号强度满足如下条件，则判断该时刻数据为粗差：其中，为第k个采样周期内t时刻前一采样时刻补偿后的X轴磁场信号强度，为第k个采样周期内t时刻后一采样时刻补偿后的X轴磁场信号强度，为第k个采样周期内t时刻前一采样时刻补偿后的Y轴磁场信号强度，为t时刻后一采样时刻补偿后的Y轴磁场信号强度，别为t时刻前一采样时刻补偿后的Z轴磁场信号强度，为t时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法，其特征在于：/n所述胶囊内镜人体内位置获取系统，其特征在于，包括：/n胶囊内镜、磁体、加速度计、陀螺仪、第一无线处理器、多个三轴磁传感器、背心、第二无线处理器、存储器、应用端；/n所述加速度计与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述陀螺仪与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述第一无线处理器与所述第二无线处理器通过无线方式连接；所述第二无线处理器与所述多个三轴磁传感器通过有线方式连接依次连接；所述第二无线处理器与所述存储器通过有线方式连接；所述第二无线处理器与所述应用端通过无线方式连接；/n所述的多个三轴磁传感器、第二无线处理器、存储器构成磁传感器阵列板，并安装于所述背心中；/n所述背心穿戴于人体上；/n所述的加速度计、陀螺仪、第一无线处理器均安装于胶囊内镜内部；/n所述磁体为永磁体或电磁体，安装于胶囊内镜内部，向外发射磁场；/n所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，进一步通过所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器；/n所述多个三轴磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器；/n所述第二无线处理器，根据所述多个三轴磁传感器采集的磁场信号强度、姿态信息进行定位解算，计算出磁体位置信息，并无线传输至所述应用端；/n所述存储器，用于存储多个磁传感器的坐标数据库以及收磁体位置信息；/n所述应用端，用于从微处理器接收磁体位置信息；/n所述位置获取方法包括以下步骤：/n步骤1：磁铁发射磁场信号，所述多个磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器，结合环境磁场强度对磁场信号强度进行补偿得到补偿后磁场信号强度，根据采样时刻对补偿后磁场信号强度进行粗差剔除得到有效的磁场信号强度，进一步对有效的磁场信号强度进行平滑处理得到平滑后磁场信号强度；/n步骤2：所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器，并存储至第二无线处理器观测值；/n步骤3，第二微处理器结合姿态信息计算磁矩方向矢量，根据磁矩方向矢量依次构建第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，利用平滑后磁场信号强度，线性化后的第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，进一步计算胶囊内镜位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法，其特征在于：
所述胶囊内镜人体内位置获取系统，其特征在于，包括：
胶囊内镜、磁体、加速度计、陀螺仪、第一无线处理器、多个三轴磁传感器、背心、第二无线处理器、存储器、应用端；
所述加速度计与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述陀螺仪与所述第一无线处理器通过有线方式连接；所述第一无线处理器与所述第二无线处理器通过无线方式连接；所述第二无线处理器与所述多个三轴磁传感器通过有线方式连接依次连接；所述第二无线处理器与所述存储器通过有线方式连接；所述第二无线处理器与所述应用端通过无线方式连接；
所述的多个三轴磁传感器、第二无线处理器、存储器构成磁传感器阵列板，并安装于所述背心中；
所述背心穿戴于人体上；
所述的加速度计、陀螺仪、第一无线处理器均安装于胶囊内镜内部；
所述磁体为永磁体或电磁体，安装于胶囊内镜内部，向外发射磁场；
所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，进一步通过所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器；
所述多个三轴磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器；
所述第二无线处理器，根据所述多个三轴磁传感器采集的磁场信号强度、姿态信息进行定位解算，计算出磁体位置信息，并无线传输至所述应用端；
所述存储器，用于存储多个磁传感器的坐标数据库以及收磁体位置信息；
所述应用端，用于从微处理器接收磁体位置信息；
所述位置获取方法包括以下步骤：
步骤1：磁铁发射磁场信号，所述多个磁传感器依次采集磁场信号强度，并出传输至所述第二无线处理器，结合环境磁场强度对磁场信号强度进行补偿得到补偿后磁场信号强度，根据采样时刻对补偿后磁场信号强度进行粗差剔除得到有效的磁场信号强度，进一步对有效的磁场信号强度进行平滑处理得到平滑后磁场信号强度；
步骤2：所述加速度计用于采集胶囊内镜加速度传输至所述第一无线处理器，所述陀螺仪用于采集胶囊内镜角速度传输至所述第一无线处理器，所述第一无线处理器根据加速度、角速度通过使用惯性导航的机械编排算法得到姿态信息，所述第一无线处理器将姿态信息无线传输至所述第二无线处理器，并存储至第二无线处理器观测值；
步骤3，第二微处理器结合姿态信息计算磁矩方向矢量，根据磁矩方向矢量依次构建第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，利用平滑后磁场信号强度，线性化后的第一磁偶极子模型函数、第二磁偶极子模型函数、第三磁偶极子模型函数，进一步计算胶囊内镜位置。


2.根据权利要求1所述的基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法，其特征在于：
步骤1所述磁场信号强度为：



其中，N为磁传感器的数量，M为采样时刻的数量，T为采样周期的数量，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的X轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的Y轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的Z轴磁场信号强度；
步骤1所述结合环境磁场强度对磁场信号强度进行补偿得到补偿后磁场信号强度为：



其中，N为磁传感器的数量，M为采样时刻的数量，T为采样周期的数量，令为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后X轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后Y轴磁场信号强度，为在第k个采样周期内t时刻采样第i个三轴磁传感器的补偿后Z轴磁场信号强度，[Be,xBe,yBe,z]为环境磁场强度，Be,x为X轴环境磁场强度，Be,y为Y轴环境磁场强度，Be,z为Z轴环境磁场强度；
步骤1所述根据采样时刻对补偿后磁场信号强度进行粗差剔除得到有效的磁场信号强度为：
若磁传感器X，Y，Z轴任一轴在第k个采样周期内t时刻的磁场信号强度满足如下条件，则判断该时刻数据为粗差：









其中，为第k个采样周期内t时刻前一采样时刻补偿后的X轴磁场信号强度，为第k个采样周期内t时刻后一采样时刻补偿后的X轴磁场信号强度，为第k个采样周期内t时刻前一采样时刻补偿后的Y轴磁场信号强度，为t时刻后一采样时刻补偿后的Y轴磁场信号强度，别为t时刻前一采样时刻补偿后的Z轴磁场信号强度，为t时刻后一采样时刻补偿后的Z轴磁场信号强度，Th为设定的阈值，若判断t时刻磁场信号强度为粗差，则可以降低其权重或者舍弃该数据；
步骤1所述根据采样时刻对有效的磁场信号强度进行数据平滑处理得到平滑后磁场信号强度为：



w1＜w2...＜wN
其中，令为第k个采样周期内第i个三轴磁传感器的平滑后磁场信号强度，为第k个采样周期内第i个三轴磁传感器的平滑后X轴磁场信号强度，为第k个采样周期内第i个三轴磁传感器的平滑后Y轴磁场信号强度，为第k个采样周期内第i个三轴磁传感器的平滑后Z轴磁场信号强度。


3.根据权利要求1所述的基于胶囊内镜人体内位置获取系统的位置获取方法，其特征在于：
步骤2所述姿态信息包括：俯仰角、横滚角、航向角；
所述横滚角定义为φk，表示第k个采样周期内胶囊内镜绕胶囊内镜定位局部坐标系中Xl轴所旋转角度；
所述俯仰角定义为θk，表示第k个采样周期内胶囊内镜绕胶囊内镜定位局部坐标系中Yl轴所旋转角度；
所述航向角定义为ψk，表示第k个采样周期内胶囊内镜绕胶囊内镜定位局部坐标系中Zl轴所旋转角度；
所述胶囊内镜定位局部坐标系的构建方法为：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，陈锐志，董卫国，田山，董明玥，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42