CN101053517A - 一种跟踪体内微型装置的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种跟踪体内微型装置的方法及系统，该系统包括内置永磁体、功能传感器、微处理器、无线射频电路和发射天线的体内微型装置，以及包括有阵列检测单元、便携式数据记录仪、数据处理与显示中心的体外数据接收及处理系统，该体外数据接收及处理系统用于接收微型装置数据并对其跟踪定位。跟踪方法综合了磁定位的线性算法、非线性优化算法、和射频天线综合的定位算法，能快速地获得体内微型装置全6维的位置方向参数，实时跟踪体内微型装置的位置和方向，并保证了系统的准确性、可靠性和实时性。能为医生提供体内微型医疗装置的精确定位和其运动轨迹、方向和速度信息，以及病状和病变部位等重要的病理信息。

Description

一种跟踪体内微型装置的方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于对人体内部进行检测的体内微型装置跟踪系统及跟踪体内微型装置的方法。

背景技术

随着微机械、微电子加工技术的发展，越来越多的微创和无创的微型医疗装置被应用于患者体内的临床疾病诊断和治疗。为了保证和提高诊断与治疗过程的有效性以及更好地进行医学基础研究，对这些微型医疗装置在体内的空间位置和方向进行实时定位和跟踪就显得尤为重要。

目前，关于如何定位体内的微型装置的问题，可用的技术有X射线检查、CT检查、核磁共振检查、三维超声检查、计算机视觉、射频无线信号强度的检测、磁定位等等。其中X射线检查、CT检查、核磁共振检查、三维超声检查可以提供清晰度比较高的二维或三维影像，但是这些技术提供的是图像信息，需要进一步的处理计算才能给出体内装置的三维位置，并且也不能给出体内装置的面对方向；这些装置价格昂贵而且操作复杂，不可能长时间来对消化道内的微型装置进行实时跟踪，且在检查过程中对人体会有些副作用。所以，设计一种高精度、实时、使用方便、且对人体无害的跟踪系统是十分必要的。

美国专利6,904,308采用了多个天线来对胶囊内镜的位置进行了跟踪。通过分析从不同天线检测到的从胶囊内镜发射的无线信号的强度来对胶囊内镜进行定位。用多个天线来定位比较方便，但是无线信号受人体反射和透射率影响较大，所以其定位和定向精度很低。改进的方法可以采用磁定位技术。由于人体对磁场是没有反射和透射阻挡的，所以磁定位可以很高的精度。目前也有用磁场定位定向方法来定位和跟踪体内微型装置，例如通过用三组3轴的磁场传感器测量内置于体内微型装置的永磁体发出的磁场强度，来检测微型装置的位置和方向。磁场定位定向方法比天线定位具有更高的定位精度，但由于通常采用非线性优化方法来计算，其计算方法复杂，计算时间很长，因此限制和影响对体内微型装置定位定向速度，难以实现对体内微型装置的快速实时跟踪。并且磁场定位定向方法仅能提供体内微型装置的三维的位置变化和二维的方向变化，缺少一维方向信息，即缺少反映体内微型装置绕主轴自转的变化参数，还不能全方位(三维位置和三维方向)地反映体内微型装置的位置和方向变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种跟踪体内微型装置的方法和系统，该方法和系统可以实时跟踪体内微型装置并显示体内微型装置的运动轨迹、方向信息，准确、可靠并快速地为医生提供体内微型装置的精确定位。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

第一种跟踪体内微型装置的方法，体内微型装置内设有永磁体，以及设置与人体位置相对固定的磁传感器阵列，所述磁传感器阵列包括至少5个磁传感器；所述方法包括以下步骤：

A、通过测量获得各传感器空间位置，以及所述体内微型装置作用在各磁传感器位置上的磁感应强度，并根据磁传感器各点位置上的磁感应强度，用线性矩阵法计算出微型装置内永磁体当前的位置和方向数据，作为永磁体当前的初始定位数据；

B、将所述初始定位数据作为非线性优化算法的初始值，用非线性优化算法得到微型装置内永磁体的三维位置数据和二维方向数据，作为所述永磁体的基本定位数据；

C、综合所述永磁体在此之前运动轨迹的历史数据，判断所述基本定位数据的合理性，若该基本定位数据合理，则存储基本定位数据，并将其作为下一次计算的历史数据，依次循环；否则，删除该基本定位数据，返回步骤A重新计算。

第二种跟踪体内微型装置的方法，体内微型装置内设有永磁体及发射天线，且所述永磁体的轴向与发射天线的方向呈一角度；同时设置与人体位置相对固定的磁传感器阵列及接收天线阵列，所述磁传感器阵列及接收天线阵列分别包括至少5个磁传感器及5个接收天线；所述方法包括以下步骤：

A、通过测量获得各传感器空间位置，以及所述体内微型装置作用在各点磁传感器位置上的磁感应强度，并根据磁传感器各点位置上的磁感应强度，用线性矩阵法计算出微型装置内永磁体当前的位置和方向数据，作为永磁体当前的初始定位数据；

B、将所述初始定位数据作为非线性优化算法的初始值，用非线性优化算法得到微型装置内永磁体的三维位置数据和二维方向数据，作为所述永磁体的基本定位数据；

C、在所述各点接收天线处采集所述发射天线发出的信号强度，根据天线发射的数学模型，计算所述发射天线的三维位置数据和二维方向数据，作为所述发射天线的当前数据；

D、综合所述永磁体在此之前运动轨迹的历史数据，分别判断所述基本定位数据及所述发射天线的当前数据的合理性，若二者数据不合理，则删除，返回步骤A重新计算；否则转入步骤E；

E、用综合优化拟合算法对所述基本定位数据及发射天线的当前数据进行综合计算，得出体内微型装置六维的位置和方向的最终结果，并存储所述最终结果作为下一次计算的历史数据，依次循环。

所述的方法，其中：用线性矩阵法计算微型装置内永磁体当前的位置和方向的初始参数包括以下步骤：

A1、通过测量得到各个传感器的位置(x_iy_iz_i)^T；

A2、通过测量获得所述体内微型装置作用在各点磁传感器位置上的磁感应强度(B_ixB_iyB_iz)^T；

A3、利用线性方程FR＝ b计算R

式中：F＝[B_x，B_y，B_z，(B_zy-B_yz)，(B_xz-B_zx)]

R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]^T

b＝B_xy-B_yx

其中：e′＝e/g，f′＝f/g，e、f、g为所述永磁体的方向参数，a、b、c为所述永磁体的位置参数，且e²+f²+g²＝1，i＝1、2...N，N≥5；

A4、用R值计算所述永磁体当前的空间位置参数和方向参数，得到所述初始定位数据。

所述的方法，其中：所述步骤A4包括如下处理：

A41、利用R和e²+f²+g²＝1，计算出永磁体方向参数e，f，g；

A42、利用永磁体的方向参数e，f，g和R，计算得到永磁体的位置参数a，b，c；

A43、由永磁体的方向参数e，f，g得到其方向角度参数θ，Φ，

其中： $\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\sqrt{e^2+f^2}\right),$ $\mathrm{\Φ}={\cos }^{-1}\frac{e}{\sqrt{e^2+f^2}},$ 所述位置参数a，b，

c和方向角度参数θ，Φ即为初始定位数据。

所述的方法，其中：所述步骤B包括如下具体步骤：

B1、利用测量得到的各点磁传感器位置上的磁感应强度，以及利用毕奥-萨伐尔定律计算得到的对应点的磁场强度值，定义二次型目标函数

其中，

为磁传感器位置上的磁感应强度测量值，

为磁传感器位置上的磁感应强度计算值，i＝1、2...N，N≥5；

B2、采用非线性优化算法，并将所述初始定位数据作为计算的初始值，寻找新的最佳位置参数和方向角度参数，以使所述二次型目标函数

为最小，此时的位置参数和方向角度参数就是永磁体的基本定位数据。

所述的方法，其中：所述非线性优化算法采用Levenberg-Marquardt算法。

所述的方法，其中：在磁传感器阵列及接收天线阵列与被检查者的相对位置固定后，且被检查者吞入微型装置之前，按以下步骤对磁传感器的坐标位置进行标定：将测量仪放到所述磁传感器阵列中间位置的一个磁传感器上方，依次测得各磁传感器输出，从而获得各磁传感器的相对坐标位置，并保存这些坐标位置。

一种跟踪体内微型装置的系统，包括体内微型装置及体外数据接收及处理系统，体内微型装置内置永磁体，以及顺序连接的功能传感器、微处理器、无线射频电路和无线发射天线；所述体外数据接收及处理系统包括：

与人体位置相对固定的阵列检测单元，所述阵列检测单元包括由至少5个磁传感器组成的磁传感器阵列，每个磁传感器用于感应所述永磁体的磁场强度；

顺序连接的信号接收单元、放大电路、A/D转换单元、采样数据预处理与存储单元，以及数据处理与显示中心；所述信号接收单元用于接收体内微型装置发送的病理信息信号，以及磁传感器阵列采集到的与永磁体位置方向相关的信号，所述信号经放大电路和A/D转换单元放大并转换成数字信号，所述采样数据预处理与存储单元用于对位置数据和病理数据进行整理和存储，并传送至数据处理与显示中心，由数据处理与显示中心在处理和显示病理数据的同时，计算出永磁体在不同时间的位置，得到并显示体内微型装置的运动轨迹。

所述的系统，其中：所述无线发射天线的方向与所述永磁体的轴向呈一角度设置；所述阵列检测单元还包括一接收天线阵列，所述接收天线阵列包括至少5个接收天线，所述接收天线输出端与信号接收单元连接。

所述的系统，其中：所述阵列检测单元设置在人体可穿戴物上，所述磁传感器及接收天线分布排列。

所述的系统，其中：所述磁传感器固定在柔性印刷电路板上。

所述的系统，其中：在采样数据预处理与存储单元以及数据处理与显示中心之间，还设置有数据无线发送单元和数据无线接收单元，用于采样数据预处理与存储单元以及数据处理显示中心之间数据的无线传送。

本发明的有益效果为：本发明由于对体内微型装置采用了磁感应定位定向，并且在用磁感应定位定向过程中将线性算法和非线性算法者综合形成一种综合算法，大大地改善了系统的可靠性，提高了精度和计算速度，可以实时、快速、准确地为医生提供体内微型医疗装置的精确定位，建立和显示微型医疗装置的运动的轨迹、方向和速度信息，为相关的诊断治疗提供病状和病变部位等重要的病理信息；并且，本发明在采用磁感应定位定向的同时，还融合了用天线阵列实现射频信号定位定向方法，因此能获得体内微型装置全六维位置方向参数，提供体内微型装置全六维的运动轨迹和方向，还可以消除磁定位时可能出现的奇异情况，使系统的定位精度和可靠性得以进一步提高。

附图说明

图1为体内微型装置跟踪系统框图；

图2为可吞入式微型装置结构示意图；

图3为可吞入式微型装置内各模块之间关系框图；

图4a、b分别为可穿戴阵列检测单元正面和反面示意图；

图5为微型装置内永磁体的磁场示意图；

图6为永磁体的磁偶极子简化模型计算的坐标示意图；

图7为永磁体与发射天线位置及方向定义示意图；

图8为本发明系统操作流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的体内微型装置跟踪系统如图1所示，本发明涉及的消化道内微型装置跟踪系统包括带有永磁体的可吞入式微型装置、设置在人体附近并且与人体位置相对固定的阵列检测单元、便携式数据记录仪以及数据处理与显示中心等。体内微型装置如图2、3所示，微型装置壳体21内置永磁体24、电池23、功能元件27，永磁体产生的磁场如图5所示，还包括顺序连接的功能传感器22、微处理器26、无线射频电路和无线发射天线25，传感器因研究目的不同而设置，例如微型摄像机、温度传感器、压力传感器、pH值传感器等，功能元件也可以因用途不同而设置，例如病理组织采样器、喷药器等。阵列检测单元包括磁传感器阵列、天线阵列，可以将阵列检测单元设置在人体可穿戴物上，例如图4a、b所示的马甲上，即将磁传感器阵列42和天线阵列45固定在马甲41上，图中41为用于捕获人体呼吸数据的带式呼吸传感器，43为便携式数据记录仪。磁传感器阵列和天线阵列可以分布在腹部，也可以分布在后腰部，还可以同时安放在腹部和后腰部。天线阵列包括五个和五个以上的接收天线来接收从体内微型装置发送的无线信号。对磁传感器阵列，若采用非线性算法，可以放置五个和五个以上的单轴磁传感器或两个和两个以上的三轴磁传感器；对线性方法，则采用5个或5个以上三轴磁传感器。磁传感器数量多并且分布较密，则测量精度越高，磁传感器和接收天线可以均匀分布在可穿戴物上，如3*3、4*4、4*5、5*5、6*6等可选，或者根据体内微型装置的移动范围进行优化的分布设计。磁传感器固定在2*2cm²的小柔性电路板上，且小柔性电路板固定在马甲上。电路板的输入输出引线通过细电缆连接，细电缆都固定在马甲上，最后通过接口引出到便携式数据记录仪。便携式数据记录仪43包括顺序连接的信号接收单元、放大电路、A/D转换单元、采样数据预处理与存储单元，用于接收体内微型装置发送的病理信息信号，以及磁传感器阵列采集到的永磁体的位置信息信号，并将接收到的信号进行放大处理后转换成数字信号进行整理和存储，再传送给数据处理与显示中心；数据处理与显示中心采用PC机或工作站来实现，用于处理和显示病理数据，计算微型装置(永磁体)在不同时间的精确位置、方向和速度信息，建立和显示体内微型装置的运动轨迹，实现对微型医疗装置的实时跟踪。

在实际应用中，在采样数据预处理与存储单元以及数据处理与显示中心之间，还设置有数据无线发送单元和数据无线接收单元，用于数据的无线传送，并且将无线发送单元设置在便携式数据记录仪内，这样被检查者可以身着可穿戴式阵列检测单元，随身携带便携式数据记录仪，无论是在随意走动或静止时，本系统都能实时跟踪体内微型装置的位置和方向。

利用上述系统并采用以下方法来实现对体内微型装置的实时跟踪。

人体的组织是非磁性的，它同空气、水以及真空有相似的磁导率。这样永磁体产生的磁场和周围的人体组织结构无关，只与磁源的位置和方向有关。可以认为真空的磁导率等于人体组织和空气的磁导率。并且，永磁体周围空间的磁场分布是静态场，是不变的，并且微型装置选用的永磁体为沿轴均匀磁化的圆柱形永久磁铁，此时永久磁铁的分子电流是分布在圆柱侧面的面电流。当永磁体的尺寸远小于检测点和永磁体间的距离时，永磁体可等效为磁偶极子，如图7所示为永磁体等效的磁偶极子的磁矩矢量

的五个参数(x，y，z，θ，Φ)。这里， $m=\left|\stackrel{\→}{m}\right|$ 是表征磁体的磁场强度的常数；x，y，z是空间点相对永磁体中心点(假定为0，0，0)的坐标；θ是该空间点相对X轴的夹角；Φ是该点相对x-Y平面的夹角。这样就可以套用Biot-savart定律具体算出空间各点的磁感应强度，其磁感应强度计算可简化如公式(1)。

其中， 是永磁体的磁矩向量， 是永磁体与某一被测点P的距离向量，r是永磁体与某一被测点P的距离值，μ₀是真空磁导率，人体的磁导率可视为与真空一致。如图6所示，(a，b，c)为永磁体中心的位置坐标，在永磁体周围空间任意一点(x，y，z)处的磁场矢量由六个参数m，x，y，z，θ，Φ确定。若用 x、 y、和 z表示x-a、y-b、和z-c，即有：

$+[(2{\stackrel{\‾}{y}}^2-{\stackrel{\‾}{x}}^2-{\stackrel{\‾}{z}}^2)\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{y}\·\stackrel{\‾}{z}\cos \mathrm{\θ}]\stackrel{\→}{j}---\left(2\right)$

$+[(2{\stackrel{\‾}{z}}^2-{\stackrel{\‾}{y}}^2-{\stackrel{\‾}{x}}^2)\cos \mathrm{\θ}+3\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{z}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{y}\·\stackrel{\‾}{z}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}]\stackrel{\→}{k}\}$

或表示成

$+[(2{\stackrel{\‾}{y}}^2-{\stackrel{\‾}{x}}^2-{\stackrel{\‾}{z}}^2)\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{y}\·\stackrel{\‾}{z}\cos \mathrm{\θ}]\stackrel{\→}{j}---\left(3\right)$

$+[(2{\stackrel{\‾}{z}}^2-{\stackrel{\‾}{y}}^2-{\stackrel{\‾}{x}}^2)\cos \mathrm{\θ}+3\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{z}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+3\stackrel{\‾}{y}\·\stackrel{\‾}{z}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}]\stackrel{\→}{k}\}$

其中

分别表示X轴、Y轴和Z轴方向的单位矢量。从上述公式可知如果六个参数m，x，y，z，θ，Φ已知，则任意一点处的磁场强度矢量就可以求出。因此，由此可知，通过5个或5个磁传感器阵列测量到磁感应强度

然后利用 就可以推演微型装置在人体内的位置。计算时，采用定义二次型目标函数

并利用非线性全局优化算法来寻找、计算最佳的六个参数m，x，y，z，θ，Φ，使二次型目标函数

为最小，由于采用该方法，首先需要推测一个永磁体在空间某点的磁场矢量作为非线性全局优化算法的初始值，再通过计算不断逼近，得到精确的永磁体磁场矢量，因此单独采用这种非线性算法，一来计算量庞大，二来如果初始值给的不恰当，会使后面的计算走向歧路。因此本发明先采用一种线性矩阵算法来计算永磁体位置3个参数和方向2个参数，并将线性矩阵算法计算的结果作为非线性优化算法的初始值，达到节省计算时间，简化计算，实时跟踪显示微型装置的轨迹的目的。

参见图7，从公式(1)，通过矢量运算可得

$\stackrel{\→}{B}\×\stackrel{\→}{r}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{\stackrel{\→}{m}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3}---\left(4\right)$

式中”×”表示矢量积，

取代了

进一步通过矢量运算，则有：

$(\stackrel{\→}{B}\×\stackrel{\→}{r})\·\stackrel{\→}{m}=0---\left(5\right)$

式中”·”表示数量积。

可用矢量(B_xB_yB_z)^T表示； 表示一空间点(x，y，z)到磁体中心点(a，b，c)的空间矢量，即(x-a，y-b，z-c)^T(注意这里a，b，c不为0)；方向矢量用 $\stackrel{\→}{A}{=\left(\mathrm{e\; f\; g}\right)}^T$ 表示，由于磁体的方向是2维的，本发明可定义

为单位矢量，即e²+f²+g²＝1。式(5)可展开变成：

$\left(\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}x-a\\ y-b\\ z-c\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}e\\ f\\ g\end{array}\right)=0---\left(6\right)$

这一式可进一步简化为线性方程：

FR＝ b                          (7)

式中，

F＝[B_x，B_y，B_z，(B_zy-B_yz)，(B_xz-B_zx)]

R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]^T

b＝B_xy-B_yx

式中，e′＝e/g，f′＝f/g。如果在人体外胶囊活动区间周围布置三轴磁场传感器，可测得在传感器位置(x，y，z)上的磁场强度(B_xB_yB_z)^T，这样，F和 b就是已知的。用5个或5个以上传感器，本发明就得到5个或5个以上用公式(7)表示的线性方程。用矩阵计算即可算出R，进一步用R可计算磁体的空间位置参数(a，b，c)和方向参数(e，f，g)。运行结果表明：这一线性计算方法将比非线性优化的计算方法有高的多(10倍以上)的计算速度。需要说明的是，图7中X-Y-Z为全局坐标系，(x，y，z)为空间点相对微型装置中心位置的坐标，坐标系X’-Y’-Z’是以(x，y，z)为原点的新坐标系，新的坐标系X’-Y’-Z’仅仅是原坐标系X-Y-Z的简单平移。图中61为微型装置，62为微型装置中的发射天线，63为微型装置中的永磁体。微型装置的方向就是磁矩矢量

的方向，天线主轴方向

与

相垂直。为了表示 的方向角度，如图7所示定义了两个参数θ和Φ，其中，θ为磁矩矢量

与Z轴的夹角；Φ为磁感应强度矢量

在X-Y平面的投影与X轴的夹角。这样磁矩矢量 在坐标系X’-Y’-Z’的位置坐标(a，b，c)和其方向参数θ和Φ就构成了(a，b，c，θ，Φ)五元组参数。方向的定义也可以用单位矢量 $\stackrel{\→}{A}=(e,f,g)$ (e²+f²+g²＝1)表示，这样构成了(a，b，c，e，f，g)六元组参数。

本发明方法的步骤如下：

1、在人体体外布置5个或5个以上的三轴磁场传感器，测量得到各个传感器的位置(x_iy_iz_i)^T(i＝1、2...N，N≥5)；

2、利用三轴磁场传感器，对体内微型装置中永磁体发出的磁场信号进行检测，即可得到5个或5个以上的三轴磁场数据(B_ixB_iyB_iz)^T(i＝1、2...N，N≥5)；

3、计算线性方程中的F_i＝[B_ix，B_iy，B_iz，(B_izy_i-B_iyz_i)，(B_ixz_i-B_izx_i)](i＝1、2...N，N≥5)；

4、计算线性方程中的 b_i＝B_ixy_i-B_iyx_i(i＝1、2...N，N≥5)；

5、利用线性方程公式(7)，计算R；

6、利用R和e²+f²+g²＝1，计算方向参数(e，f，g)；

7、利用方向参数(e，f，g)和R，计算位置参数(a，b，c)，这样通过线性算法得到了磁体的位置和方向参数；

8、进一步，首先由方向参数(e，f，g)计算磁体方向角度参数

$\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\sqrt{e^2+f^2}\right),$ $\mathrm{\Φ}={\cos }^{-1}\frac{e}{\sqrt{e^2+f^2}};$

9、参数(a，b，c)和(θ，Φ)定义为初始定位数据，作为非线性算法的初始猜测值；

10、利用传感器测得的

根据(3)计算 (i＝1、2...N，N≥5)，并定义二次型目标函数

11、选取合适的非线性优化算法(如Levenberg-Marquardt算法)，从步骤9得到的初始猜测值开始，寻找新的最佳的(a，b，c)和(θ，Φ)，以使二次型目标函数 为最小。这时，所获得的参数(a，b，c)和(θ，Φ)就是基本定位定向结果数据，即为基本定位数据。

12、如线性算法结果和非线性结果相差明显很大，则要综合永磁体在此之前运动轨迹的历史数据，判断基本定位数据的合理性，若合理，则存储基本定位数据，并将其作为下一次计算的历史数据，依次循环；否则，剔除不合理的结果，返回步骤1，重新计算永磁体在该点位置的数据。

根据以上方法步骤，用磁定位技术能提供体内微型装置的3维位置和2维方向，而体内装置的方向变化是3维的，所以本发明进一步提出用体内装置中的无线信号进行定位定向，和磁定位定向综合来获取微型装置全6维的位置方向信息。由于无线信号是体内装置固有的与外工作站的通讯手段，无线信号定位定向不会增加体内装置中任何元件或空间。无线信号定位定向与磁定位定向是相似的。如图4所示，阵列检测单元除包括磁传感器阵列外，还包括接收天线阵列，即在可穿戴的物体上(如马甲上)布置5个或5个以上的无线接收天线，并且体内装置中的发射天线方向

应与永磁体的方向

垂直或成一定角度，在利用磁场传感器对体内微型装置中永磁体发出的磁场信号进行检测和计算过程中，同时对体内微型装置中发射天线发出的信号强度进行采集，并根据天线发射的数学模型，计算体内装置中发射天线的3维位置和2维方向，作为发射天线的当前数据。不同天线有不同的数学模型，实施中要根据精度、尺寸要求设计天线结构。根据天线发射的数学模型，计算体内装置中发射天线的3维位置和2维方向，为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。当获得发射天线的当前数据之后，在上述步骤11的基础上继续以下步骤：

13、分别利用磁定位和天线阵列定位两种定位方法得出的结果，综合历史数据，分析偏差情况，判断两方法得出的结果的合理性；

14、如是合理的，用适当的综合优化拟合算法，如加权综合、最小二乘、非线性优化算法等，将磁场强度数据和无线接收数据进行综合计算，得出体内胶囊全6维的位置和方向的最终结果；新的结果将被储存作为下一次的计算的历史数据，依次循环，实现实时跟踪。

15、如是不合理的，特别是出现奇异情况，要舍去这奇异的数据，返回步骤1，重新计算微型装置在该点位置的数据。

这样无线信号定位定向5维数据和磁定位定向5维数据合理综合后，即可获得全6维的体内微型装置的位置和方向变化数据。运用无线信号定位定向还可判断并避免磁定位可能出现的奇异情况。

本发明方法还包括如图8所示步骤，即在开始测试前，要检查马甲上传感器阵列安装是否牢固，检查外部接线是否有损坏。检查通过后穿上马甲以贴身舒适为宜。接着对穿上的传感器阵列的坐标进行校正，同时还可以在此步骤检查装置工作正常与否。由于不同的身材、胖瘦等个体差异较大，而且马甲不同时候的佩戴位置也有所差异，因此被测试者穿上马甲后准备吞入微型装置前，要对传感器的坐标位置进行标定。其标定方法是将标准三座标测量仪放到磁传感器阵列的中间位置的一个磁传感器上，依次测得传感器阵列输出，这样就测得相互间的相对坐标位置并保存这些坐标位置。当传感器阵列的坐标位置重新标定好之后，让被检查对象吞入微型装置，开始同步记录体内微型装置的位置、体内微型装置发射的数据、被检查对象的呼吸数据等等。体内微型装置的发射的数据可以是微型摄像机拍摄的视频图像，也可以是消化道的压力数据、消化道的pH值数据等等。本发明可以用到胶囊内镜中，可以结合采集的同步图像和定位定向数据来对消化道进行三维重建，使对肠胃道及病理组织的观测更为直接准确。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1、一种跟踪体内微型装置的方法，体内微型装置内设有永磁体，以及设置与人体位置相对固定的磁传感器阵列，所述方法包括以下步骤：

A、通过测量获得各传感器空间位置，以及所述体内微型装置作用在各磁传感器位置上的磁感应强度，并根据磁传感器各点位置上的磁感应强度，用线性矩阵法计算出微型装置内永磁体当前的位置和方向数据，作为永磁体当前的初始定位数据；

B、将所述初始定位数据作为非线性优化算法的初始值，用非线性优化算法得到微型装置内永磁体的三维位置数据和二维方向数据，作为所述永磁体的基本定位数据；

C、综合所述永磁体在此之前运动轨迹的历史数据，判断所述基本定位数据的合理性，若该基本定位数据合理，则存储基本定位数据，并将其作为下一次计算的历史数据，依次循环；否则，删除该基本定位数据，返回步骤A重新计算。

2、一种跟踪体内微型装置的方法，体内微型装置内设有永磁体及发射天线，且所述永磁体的轴向与发射天线的方向呈一角度；同时设置与人体位置相对固定的磁传感器阵列及接收天线阵列，所述方法包括以下步骤：

A、通过测量获得各传感器空间位置，以及所述体内微型装置作用在各点磁传感器位置上的磁感应强度，并根据磁传感器各点位置上的磁感应强度，用线性矩阵法计算出微型装置内永磁体当前的位置和方向数据，作为永磁体当前的初始定位数据；

B、将所述初始定位数据作为非线性优化算法的初始值，用非线性优化算法得到微型装置内永磁体的三维位置数据和二维方向数据，作为所述永磁体的基本定位数据；

C、在所述各点接收天线处采集所述发射天线发出的信号强度，根据天线发射的数学模型，计算所述发射天线的三维位置数据和二维方向数据，作为所述发射天线的当前数据；

D、综合所述永磁体在此之前运动轨迹的历史数据，分别判断所述基本定位数据及所述发射天线的当前数据的合理性，若二者数据不合理，则删除，返回步骤A重新计算；否则转入步骤E；

E、用综合优化拟合算法对所述基本定位数据及发射天线的当前数据进行综合计算，得出体内微型装置六维的位置和方向的最终结果，并存储所述最终结果作为下一次计算的历史数据，依次循环。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：用线性矩阵法计算微型装置内永磁体当前的位置和方向的初始参数包括以下步骤：

A1、通过测量得到各个传感器的位置(x_iy_iz_i)^T；

A2、通过测量获得所述体内微型装置作用在各点磁传感器位置上的磁感应强度(B_ixB_iyB_iz)^T；

A3、利用线性方程FR＝ b计算R

式中：F＝[B_x，B_y，B_z，(B_zy-B_yz)，(B_xz-B_zx)]

      R＝[(b-cf′)，(ce′-a)，(af′-be′)，e′，f′]^T

       b＝B_xy-B_yx

其中：e′＝e/g，f′＝f/g，e、f、g为所述永磁体的方向参数，a、b、c为所述永磁体的位置参数，且e²+f²+g²＝1，i＝1、2...N，N≥5；

A4、用R值计算所述永磁体当前的空间位置参数和方向参数，得到所述初始定位数据。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤A4包括如下处理：

A41、利用R和e²+f²+g²＝1，计算出永磁体方向参数e，f，g；

A42、利用永磁体的方向参数e，f，g和R，计算得到永磁体的位置参数a，b，c；

A43、由永磁体的方向参数e，f，g得到其方向角度参数θ，Φ，

其中： $\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\sqrt{e^2+f^2}\right),$ $\mathrm{\Φ}={\cos }^{-1}\frac{e}{\sqrt{e^2+f^2}},$ 所述位置参数a，b，c和方向角度参数θ，Φ即为初始定位数据。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤B包括如下具体步骤：

B1、利用测量得到的各点磁传感器位置上的磁感应强度，以及利用毕奥-萨伐尔定律计算得到的对应点的磁场强度值，定义二次型目标函数

其中，

为磁传感器位置上的磁感应强度测量值， 为磁传感器位置上的磁感应强度计算值，i＝1、2...N，N≥5；

B2、采用非线性优化算法，并将所述初始定位数据作为计算的初始值，寻找新的最佳位置参数和方向角度参数，以使所述二次型目标函数

为最小，此时的位置参数和方向角度参数就是永磁体的基本定位数据。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述非线性优化算法采用Levenberg-Marquardt算法。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在磁传感器阵列及接收天线阵列与被检查者的相对位置固定后，且被检查者吞入微型装置之前，按以下步骤对磁传感器的坐标位置进行标定：将测量仪放到所述磁传感器阵列中间位置的一个磁传感器上方，依次测得各磁传感器输出，从而获得各磁传感器的相对坐标位置，并保存这些坐标位置。

8、一种跟踪体内微型装置的系统，包括体内微型装置及体外数据接收及处理系统，体内微型装置内置永磁体，以及顺序连接的功能传感器、微处理器、无线射频电路和无线发射天线；其特征在于：所述体外数据接收及处理系统包括：

与人体位置相对固定的阵列检测单元，所述阵列检测单元包括由至少5个磁传感器组成的磁传感器阵列，每个磁传感器用于感应所述永磁体的磁场强度；

顺序连接的信号接收单元、放大电路、A/D转换单元、采样数据预处理与存储单元，以及数据处理与显示中心；所述信号接收单元用于接收体内微型装置发送的病理信息信号，以及磁传感器阵列采集到的与永磁体位置方向相关的信号，所述信号经放大电路和A/D转换单元放大并转换成数字信号，所述采样数据预处理与存储单元用于对位置数据和病理数据进行整理和存储，并传送至数据处理与显示中心，由数据处理与显示中心在处理和显示病理数据的同时，计算出永磁体在不同时间的位置，得到并显示体内微型装置的运动轨迹。

9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述无线发射天线的方向与所述永磁体的轴向呈一角度设置；所述阵列检测单元还包括一接收天线阵列，所述接收天线阵列包括至少5个接收天线，所述接收天线输出端与信号接收单元连接。

10、根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述阵列检测单元设置在人体可穿戴物上，所述磁传感器及接收天线分布排列。

11、根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述磁传感器固定在柔性印刷电路板上。

12、根据权利要求11所述的系统，其特征在于：在采样数据预处理与存储单元以及数据处理与显示中心之间，还设置有数据无线发送单元和数据无线接收单元，用于采样数据预处理与存储单元以及数据处理显示中心之间数据的无线传送。

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