用于球囊内窥镜的姿态感知系统及球囊内窥镜技术方案

本发明专利技术涉及医用植入式微型设备的姿态感知技术领域，公开了一种用于球囊内窥镜的姿态感知系统及球囊内窥镜，系统包括用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集与处理的体内装置以及用于在体外产生磁场的体外装置；其中，所述体内装置与所述体外装置进行通信，包括：姿态传感器单元，包含一种或者多种姿态传感器，用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集；姿态传感器控制单元，用于配置所述姿态传感器的工作模式；姿态计算单元，用于对来自姿态传感器单元的姿态信息进行滤波等处理后，采用相应的方法计算球囊内窥镜的姿态角。本发明专利技术能在小尺寸和低功耗的前提条件下，准确地检测球囊内窥镜在消化道中的姿态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医用植入式微型设备的姿态感知
，特别是涉及一种用于球囊内窥镜的姿态感知系统及球囊内窥镜。
技术介绍
胶囊式内窥镜，它是内窥镜技术的突破，从整体结构上以药丸式取代了传统的线缆插入式，可以吞服的方式进入消化道，实现了真正的无创诊疗，同时可以实时观察病人消化道图像，大大拓展了全消化道检查的范围和视野。在进行消化道检查时，无线胶囊内窥镜从待测者口腔吞入，通过胃肠道的蠕动遍历整个消化道，并从内部对胃肠道进行图像采集。目前市场上的胶囊内窥镜多采用1-2个摄像头，因此在进行消化道检查时观测视野小，容易造成对胃部以及肠道的漏检现象。据统计，只有一个摄像头的胶囊内窥镜消化道的拍摄盲区大概为 20%。例如，在专利 US2002/0109774，JP2001112710, US2003/0023150 等中，均使用不超过两个摄像头。虽然采用了不同的扩大其视野的方法(包括机械转动等方法)，但是这些专利技术都无法实现全视角的图像采集。在申请号为200910008885、200910080350中国专利技术专利申请中均提出了一种球囊状设备(称为球囊内窥镜)，其内部采用多摄像头的图像采集方案。以包含6摄像头的球囊内窥镜为例，若要实现无盲区的图像采集，球囊内窥镜系统必须保证至少每秒6帧的拍摄速度(6个摄像头同时进行图像采集)，而要实现这样的拍摄速度，系统工作电流至少约为100mA，在这样的工作电流要求下，以现有无线内窥镜中普遍采用的电池进行供电，仅能维持工作很短的时间，因此无法实现对全消化道，特别是小肠的检查。若采用无线供能的方式进行供电，一是目前还未见成熟的、可实际应用于无线内窥镜检查的无线供能系统，二是以目前文献报道的无线供能效率进行推算，则体外供能系统至少需要发出数十瓦到数百瓦的无线能量，这种电磁辐射是否对人体有害以及其危害程度目前还无定论，同时体外供能系统还需配置制冷设备，这将限制病人的活动空间。若体内的设备在采用电池供电的情况下，为了使得体内系统能够在低功耗下工作，以延长电池的工作时间，体内系统需以低于6帧/秒的速度进行拍摄。同时6个摄像头最好轮流进行图像采集，避免同一时间有多个摄像头工作的情况出现——多个摄像头同时工作会大大提高系统的峰值工作电流，从而降低电池的使用寿命。在假设球囊相对于消化道相对静止的前提下，采用6个摄像头轮流进行图像采集的策略可以实现无盲区的图像采集。不过，球囊在消化道中的运动是在重力和消化道蠕动的共同作用下引起的。在6个摄像头轮流进行图像采集的过程中，极有可能球囊发生了运动或者旋转，如果这个时候继续采用前面的策略必然会造成图像采集的盲区。因而，为了降低球囊功耗而采取的轮流采集图像策略，在为节省功耗而降低拍摄帧率的情况下仍将存在拍摄盲区问题。申请号为201010189438的中国专利技术专利申请专利中，提出了一种用于生物体腔内的多视角图像采集与存储系统和方法。如果知道球囊内窥镜相对于消化道的姿态，那么保证球囊在低功耗工作的前提下，则能够实现无盲区的图像采集。所谓姿态感知系统，即利用运动传感器或姿态传感器或两者的组合，从而实现对载体姿态和运动进行检测的系统。 但是，上述专利并没有涉及到姿态感知系统的具体实现方法。综上，目前尚无有效、实用的技术手段实现对无线球囊内窥镜姿态的检测。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何在小尺寸和低功耗的前提条件下，准确地检测球囊内窥镜在消化道中的姿态。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于球囊内窥镜的姿态感知系统，所述系统包括用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集与处理的体内装置以及用于在体外产生磁场的体外装置；其中，所述体内装置与所述体外装置进行通信，且包括姿态传感器单元，包含一种或者多种姿态传感器，用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集；姿态传感器控制单元，用于配置所述姿态传感器的工作模式；姿态计算单元，用于对来自姿态传感器单元的姿态信息进行滤波等处理后，采用相应的方法计算球囊内窥镜的姿态角。优选地，所述姿态传感器单元包括加速度传感器、磁场传感器和角速度传感器中的一种或者多种的组合。优选地，所述体外装置包括磁场产生装置，所述磁场产生装置是电磁线圈或永久性磁铁。优选地，所述电磁线圈为3对相互正交的电磁线圈，依次产生绝对坐标系的X轴、 Y轴和Z轴方向的勻强磁场。优选地，所述姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角，当所述姿态传感器单元包括加速度传感器和磁场传感器时，采用基于重力加速度和地磁场原理的方法计算球囊内窥镜的姿态角，具体为Si，利用所述加速度传感器测量球囊内窥镜的重力加速度，利用所述磁场传感器测量球囊内窥镜的磁场强度；S2，通过所采集的姿态信息判断球囊内窥镜是否在运动，若是，则返回步骤Si，否则执行步骤S3 ；S3，根据所述重力加速度和磁场强度计算球囊内窥镜的俯仰角、横滚角和航向角；S4，根据所述俯仰角、横滚角和航向角计算球囊内窥镜内摄像头的方向矢量。优选地，当所述姿态传感器单元包括加速度传感器、磁场传感器和陀螺仪时，采用基于重力加速度、角速度以及地磁场原理的方法计算球囊内窥镜的姿态角，具体为S1’，利用步骤Sl S3计算球囊内窥镜的俯仰角、横滚角和航向角；S2’，将步骤Si，的计算结果作为球囊内窥镜的初始姿态角，利用陀螺仪测量球囊内窥镜的角速度，对所述角速度进行积分，计算此后的球囊内窥镜的姿态角；S3’，周期性地采用步骤Sl S3计算姿态角，并将计算结果替换在步骤S2’所计算出的姿态角。优选地，当所述姿态传感器单元包括磁场传感器和陀螺仪时，采用基于角速度和磁场原理的方法计算球囊内窥镜的姿态角，具体为Si”，利用基于磁场原理的方法进行姿态角测量所述体外装置依次在A时刻、B时刻和C时刻产生绝对坐标系的X轴、Y轴和Z轴方向的勻强磁场之后，磁场传感器分别检测 A时刻、B时刻和C时刻球囊内窥镜在载体坐标系的V轴、Y’轴和V轴方向的磁场强度， 利用A时刻、B时刻和C时刻的磁场强度计算得到球囊内窥镜的初始姿态角；S2”，利用所述陀螺仪测量球囊内窥镜的角速度，对所述角速度进行积分，估计出此后各时刻球囊内窥镜的姿态角；S3”，采用所述基于磁场原理的方法计算姿态角，并将计算结果周期性地替换利用步骤S2”所计算出的姿态角。本专利技术还提供了一种球囊内窥镜，包括一几何体，所述的系统，以及摄像头，所述的系统位于所述几何体内部，所述摄像头分布于所述几何体的外表面。(三)有益效果本专利技术提出的姿态感知系统是基于重力加速度、角速度以及磁场原理的设计，基于该原理的设计中易于采用一系列低功耗技术以及MEMS技术。其中，体内姿态传感器单元采用若干小尺寸、低功耗的姿态传感器采集球囊的姿态信息；姿态计算单元中亦采用低功耗的方法实现。因此，该姿态感知系统具有小尺寸、低功耗的特点，有利于集成到球囊内窥镜系统中。本专利技术提出的姿态感知系统应用于球囊内窥镜系统中时，可以根据检测的姿态角选择特定的摄像头工作，实现对消化道的全视角图像采集；同时避免对同一部位进行重复的图像采集，大大降低了图像的冗余量，从而降低球囊内窥镜的功耗。本专利技术的系统中的三种姿态方法，分别为(1)基于重力加速度和地磁场原理的姿态感知方法，该方法运算量小、易于硬件实现以及实时检测姿态角；(2)基于重力本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于球囊内窥镜的姿态感知系统，其特征在于，所述系统包括用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集与处理的体内装置以及用于在体外产生磁场的体外装置；其中，所述体内装置与所述体外装置进行通信，且包括：姿态传感器单元，包含一种或者多种姿态传感器，用于在体内进行球囊内窥镜的姿态信息的采集；姿态传感器控制单元，用于配置所述姿态传感器的工作模式；姿态计算单元，用于对来自姿态传感器单元的姿态信息进行滤波等处理后，采用相应的方法计算球囊内窥镜的姿态角。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，李国林，谢翔，谷荧柯，孙天佳，王丹，王志华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11