CN101803923A - 利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，包括步骤：S1，利用位于人体内的内视镜胶囊向外发射电磁波，所述电磁波是包含相位信息的信号；S2，在人体胸前或后背利用分布于平板内的N根天线接收该电磁波；S3，以平板内的一根天线为参考天线，该参考天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，根据其余N-1根天线中的i根天线到参考天线之间的直线距离，以及该i根天线各自接收到的电磁波信号的相位与所述参考相位之差，计算所述内视镜胶囊分别到参考天线和该i根天线的直线距离，从而确定出内视镜胶囊的位置，其中i为3至N-1之间的整数，N是大于3的整数。本发明的技术方案可提高定位精度、成本低、操作简单。

Description

利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法及其系统

技术领域

本发明涉及物体定位技术领域，尤其涉及一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法及其系统。

背景技术

目前医疗中使用的以拍照方式工作的内视镜胶囊大大降低了病人做胃镜、肠镜的痛苦，是一种革新的检测手段。但该手段必须采用精确定位的方法，把定时拍照的影像和该时刻胶囊在体内的位置对应起来，才能使医生对消化道中各器官的状况进行分析，进而确定诊断和治疗的方法。因此定位是人体腔道介入诊疗设备必须解决的关键技术。

传统的胶囊定位方法一般采用X射线透视、核医学影像及荧光造型定位、B超成像等技术。但是这些定位方法存在着不具有实时性、长时间或者多次检测会对人体造成伤害、检测成本高，使用复杂等问题。

目前在医院中已经使用的几种胶囊，主要采用以下两种定位技术。一是放射性同位素闪烁照相定位，Innovative Devices公司生产的InteliSite射频激活、药物释放胶囊将gamma放射性同位素密封在胶囊内，每隔一段时间利用对放射性敏感的gamma相机照相以确定胶囊的位置。这种方法虽然简单，但要借助昂贵的设备，且不是一种连续跟踪定位方法，对人体有一定的辐射危害；二是根据电磁波信号强度定位。目前大多数无线遥测胶囊采用的是这种方法。如以色列生产的内视镜胶囊“M2A”(专利号为6904308的美国专利)，该定位系统包含一个穿在病人身上的天线阵列，用来接收胶囊发射的影像信号，根据不同位置处天线接收的信号强度来计算胶囊在体内的位置。该方法的定位平均位置误差为3.77cm，最大误差为11.4cm。日本RFSystem Lab公司2001年研制的Norika v3内视镜胶囊同样利用天线背心接收到的信号能量计算胶囊在体内的位置和方向。这些定位方法利用的都是体内胶囊发射的电磁信号的强度。由于人体是一种非常复杂的电磁结构，电磁波在人体组织内的传播受多种因素影响，因此迄今为止，对于体表处接收的电磁场强度和体内的辐射源之间没有准确定量的对应关系。因此，根据电磁波强度定位的方法其定位精度并不理想。

此外，还有超声波定位方法和磁场定位方法等。超声波定位方法(如专利申请号为02137174的中国专利申请)来源于超声波成像，在该方法中，将多个探头分布在人体外的几个“关键点”，用超声波探测胶囊通过与否。该方法需要额外的超声波检测设备，且长时间使用可能对人体造成伤害。

磁场和电磁场相比，具有不受人体影响、磁场分布稳定、对人体无害等优点。磁场定位方法可分成两种情况。一是在胶囊内设永磁体，以形成一定的磁场；同时在人体表面设多个磁感应装置，确定磁场的场强。当胶囊运动的时候，磁场发生变化，通过计算可以实时地得到胶囊的位置，甚至姿态信息；二是在人体表面设多个永磁体，胶囊内部设磁感应装置，该装置接收多个永磁体产生的磁力线。根据磁场方程可以计算它相对于多个永磁体的位置。由此可见，上述磁场定位的方法需要永磁体和磁感应装置，放置于胶囊内部的磁器件会占用空间，结构也更复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种可提高定位精度、成本低、操作简单的人体内视镜胶囊定位方案。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，包括以下步骤：

S1，利用位于人体内的内视镜胶囊向外发射电磁波，所述电磁波是包含相位信息的信号；

S2，在人体胸前或后背利用分布于平板内的N根天线接收该电磁波；

S3，以平板内的一根天线为参考天线，该参考天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，根据其余N-1根天线中的i根天线到参考天线之间的直线距离，以及该i根天线各自接收到的电磁波信号的相位与所述参考相位之差，计算所述内视镜胶囊分别到参考天线和该i根天线的直线距离，从而确定出内视镜胶囊的位置，其中i为3至N-1之间的整数，N是大于3的整数。

其中，在步骤S3中根据最优化原则计算所述内视镜胶囊M分别到参考天线和该i根天线的直线距离。

其中，所述平板P采用不变形材料制成。

其中，在所述内视镜胶囊M还发射包含其拍摄得到的影像数据的电磁波。

本发明还提供了一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位系统，包括：

内视镜胶囊，用于发射电磁波，所述电磁波是包含相位信息的信号；

信号接收装置，包括平板以及固定于所述平板上的N根天线，所述N根天线用于接收所述电磁波；以及

定位数据处理装置，用于根据N根天线中参考天线到其余N-1根天线A₁、A₂、...A_N-1中的i根天线之间的直线距离，以及该i根天线各自接收到的电磁波信号的相位与参考天线接收到的电磁波信号的相位之差，计算所述内视镜胶囊分别到参考天线和该i根天线的直线距离，从而确定出内视镜胶囊的位置，其中i为3至N-1之间的整数。

该系统中，所述平板P采用不变形材料制成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过电磁波相位差实现定位，提高了人体内视镜胶囊定位的精度，并简化了定位的操作；不需要昂贵的设备，降低了成本，且对人体无害。

附图说明

图1为本发明实施例的系统的使用示意图；

图2是本发明实施例的系统中的内视镜胶囊的部分结构框图；

图3是本发明实施例的系统中的体外模块的结构框图；

图4是本发明实施例的方法的4天线定位原理图；

图5是本发明实施例的方法的人体外4天线布局示意图；

图6是本发明实施例的方法的5天线定位原理图；

图7是本发明实施例的方法的人体外5天线布局示意图；

图8是本发明实施例的方法的体外天线坐标定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例的人体内窥镜胶囊定位系统的使用示意图。患者(通常为人体)1吞服的内窥镜胶囊2在消化道内运动，胶囊向体外发射定位用的电磁波信号，该电磁波是包含相位信息的信号。该胶囊还拍摄所经消化道的影像(图2中未示出胶囊内的拍摄装置)，这些影像数据通过无线传输的方式以电磁波为载体发送到体外(相位信息和影像数据可以同时发送(这时，二者的信号频率不同)，也可以不同时发送，因此可以得到(近似)同一时刻的相位信息和影像数据)。安置于人体体表的天线阵列31(本实施例中为5根天线)接收该含有影像数据的电磁波信号或相位信息的电磁波信号，并以有线方式传送给数据处理装置3。数据处理装置3中的定位数据处理装置32对接收到的电磁波经过专门处理得到定位数据。当内视镜胶囊完成任务后，这些定位数据和拍摄所得的影像数据同时在工作站4中进行处理，将每一时刻的胶囊位置和该时刻的影像相关联，从而得到不同时刻、不同位置检查到的体内影像信息。

本发明实施例的定位系统包括体内、体外两个模块以及体内发端、体外收端的天线(阵)。其中体内模块为胶囊内和定位相关的装置。如图2所示，体内定位模块21包括定位数据产生单元211和定位数据发射单元212。其中定位数据产生单元211生成需要发送的低频信号，该单元可以用数字电路或者模拟电路实现，需要产生的电磁波(定位数据)可以是包含幅度、相位信息的信号，例如正弦波。定位数据发射单元212把定位数据产生单元211生成的低频信号(比如说数字信号，或者低频模拟信号)调制到射频，并进行放大滤波等操作，然后通过天线22发射。天线22也可以用于向体外发射调制后的体内影像数据。可替换地，该影像数据也可以用另一天线(图2中未示出)发送。

本发明实施例的定位系统体外部分如图3所示。天线阵列31由位于人体体表不同部位的多个天线构成，它接收体内胶囊发射的电磁波信号。定位系统体外模块，即定位数据处理装置32，位于数据处理装置3中。它包括天线阵列选择单元321、信号相位差检测单元322、数据存储单元323和数据处理单元324。天线阵列选择单元321从天线阵列31接收的多个信号中选择出需要的几个信号(例如4个或5个)。信号相位差检测单元322测量以上选择出的若干接收信号的相位差，并将测得的模拟信号转换为数字信号，供后面的数字电路使用。数据存储单元323用来存信号相位差信息，供数据处理单元324使用。数据处理单元324一方面根据其它单元提供的数据进行定位计算，得到实时的胶囊定位信息；一方面将定位数据输出给工作站4。或者数据处理单元324本身不进行运算，只实现数据格式处理和传输功能，将定位计算交由工作站4。工作站4完成胶囊定位信息的最终处理。

本发明根据体外天线阵列31中各个天线接收信号的相位差来定位。该天线阵列可分为线阵、面阵和立体阵。对于固定阵列来说，线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定位，否则没有唯一解。面阵可以在整个平面对目标进行定位，也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位。立体阵则可以对整个空间定位，但其算法要复杂得多。由于实际应用中，天线阵列31或者位于人体1胸前，或者位于人体1背后，体内胶囊位于天线阵列所在的平面事先能够确定，因此本实施例中采用平面阵进行定位。

本发明实施例提出4天线相位差定位方法。图4是使用4天线、三角形布局的天线定位原理图。3个接收天线A₁、A₂、A₃分布在平板P(接收天线和平板组成信号接收装置)上，中心O再布设1个接收天线，中心O到各天线A₁、A₂、A₃的距离分别为：a、b、c，为已知量。以位于中心O天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，接收天线A₁、A₂、A₃各自接收到的电磁波信号的相位和参考相位的差为Δφ₁，Δφ₂，Δφ₃，该3个相位差是已知量。被测胶囊M到中心O的距离为R₀，到天线A₁、A₂、A₃的距离分别为R₁、R₂、R₃，OM直线和OA₁、OA₂、OA₃直线的夹角分别是γ、θ、ψ。7个参数R₀、R₁、R₂、R₃、γ、θ、ψ是未知量。6个已知量和7个未知量之间存在6个独立的关系方程，且由空间几何关系，γ、θ、ψ之间存在约束关系。由此可以求出R₀、R₁、R₂、R₃和γ、θ、ψ的值，从而得到胶囊的位置(本发明中只关注前四个参数的计算，不计算后三个参数)。

图5是根据4天线相位差定位原理而得的人体外4天线布局示意图。如图5所示，体外4天线阵列31A中的4个天线(其中之一为天线311A)位于同一平面312A中。在本实施例中，平面312A由某种不变形的材料构成，且紧贴人体，并固定在人体表面。天线阵列31A中的各天线在平面312A中具有固定的位置，且能通过有线方式和数据处理装置3(图5中未示出)相连。图中天线阵列31A位于人体胸前，不失一般性，天线阵列也可位于人体后背。

4天线相位差定位方法计算复杂，且会出现多解的情况，对多个解的取舍较为麻烦。为了简化运算，避免多解，本发明再提出5天线相位差定位方法。

图6是5天线定位原理图。其中4个接收天线正交分布在平板P上，连线A₁A₂和A₃A₄垂直。中心O处布设第5个接收天线，中心O到A₁、A₂天线的距离为a，到A₃、A₄天线的距离为b。a、b为已知量。以位于中心O天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，接收天线A₁、A₂、A₃、A₄各自接收到的电磁波信号的相位和参考相位的差为Δφ₁、Δφ₂、Δφ₃、Δφ₄，该4个相位差是已知量。被测胶囊M到中心O的距离为R₀，到天线A₁、A₂、A₃、A₄的距离分别为R₁、R₂、R₃、R₄。5个参数R₀、R₁、R₂、R₃、R₄是未知量。6个已知量和5个未知量之间存在6个独立的关系方程，构成典型的线性超定方程组，根据一定的优化原则(如最小二乘，最小方差)可以得到唯一的解。由于该方法只涉及对线性方程组的求解，计算量不大，且不会出现多解的问题。计算方法如下：

其中4个接收天线正交分布在平板P上，连线A₁A₂和A₃A₄垂直。中心O处布设第5个接收天线，中心O到各个天线的距离分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{1}O=A_{2}O=a\\ A_{3}O=A_{4}O=b\end{array}\right.---\left(1\right)$

被测胶囊M到中心O的距离为R，到天线A₁、A₂、A₃、A₄的距离分别为R₁、R₂、R₃、R₄，OM直线和OA₁、OA₃直线的夹角分别是γ、ψ。可以得到目标与各个天线之间距离的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{R_1}^2=R^2+a^2-2\mathrm{aR}\cos \mathrm{\γ}\\ {R_2}^2=R^2+a^2+2\mathrm{aR}\cos \mathrm{\γ}\\ {R_3}^2=R^2+b^2-2\mathrm{bR}\cos \mathrm{\ψ}\\ {R_4}^2=R^2+b^2+2\mathrm{bR}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

相加得到：

$\left\{\begin{array}{c}{R_1}^2+{R_2}^2-{2R}^2={2a}^2\\ {R_3}^2+{R_4}^2-{2R}^2={2b}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

把(3)式改写如下：

$\left\{\begin{array}{c}(R_1-R)(R_1+R)+(R_2-R)(R_2+R)={2a}^2\\ (R_3-R)(R_3+R)+(R_4-R)(R_4+R)={2b}^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

相位测距是测定两个接收信号的相位差来间接测量信号到达两点的距离差，距离差和相位差的关系为：

$\mathrm{\Δd}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{c\Δ\φ}}{2\mathrm{\πf}}---\left(5\right)$

其中Δd为目标物距离2个接收天线的距离差，Δφ为测量信号到达2个天线的相位差，λ为电磁波波长，c为电磁波速度，f为电磁波频率。考虑到图6中胶囊和接收天线之间的位置关系，有：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1-R=c\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_1}{2\mathrm{\πf}}\\ R_2-R=c\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2}{2\mathrm{\πf}}\\ R_3-R=c\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_3}{2\mathrm{\πf}}\\ R_4-R=c\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_4}{2\mathrm{\πf}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

结合方程组(4)和(6)，共有6个方程，包含5个未知数(R、R₁～R₄)，这是典型的线性超定方程组，根据一定的优化原则(如最小二乘，最小方差)可以得到唯一的解，有：

Ar＝b                  (7)

其中：

r＝[R₁R₂R₃R₄R]^T                    (8)

$A=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_1}{2\mathrm{\πf}}& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_2}{2\mathrm{\πf}}& 0& 0& \frac{c({\mathrm{\Δ\φ}}_1+{\mathrm{\Δ\φ}}_2)}{2\mathrm{\πf}}\\ 0& 0& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_3}{2\mathrm{\πf}}& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_4}{2\mathrm{\πf}}& \frac{c({\mathrm{\Δ\φ}}_3+{\mathrm{\Δ\φ}}_4)}{2\mathrm{\πf}}\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& 0& 0& 1& -1\end{array}\right]---\left(9\right)$

$b={\left[\begin{array}{cccccc}{2a}^2& {2b}^2& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_1}{2\mathrm{\πf}}& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_2}{2\mathrm{\πf}}& \frac{{\mathrm{c\Δ\φ}}_3}{2\mathrm{\πf}}& \frac{\mathrm{c\Δ}{\mathrm{\φ}}_4}{2\mathrm{\πf}}\end{array}\right]}^T---\left(10\right)$

可以广义逆计算其最小二乘解，从而得到一组确定的数据。显然，采用这种5天线的定位方法，避免了非线性高次方程组，只涉及对线性方程组的求解，计算量不大，且不会出现多解的问题。

图7是根据5天线相位差定位原理而得的人体外5天线布局示意图。如图所示，体外5天线阵列31B中的5个天线(其中之一为天线311B)位于同一平板312B中，且5个天线的位置分布满足以上所述5天线定位原理的要求。在本实施例中，平板312B由某种不变形的材料构成，且紧贴人体，并固定在人体表面。天线阵列31B中的各天线在平面312B中具有固定的位置，且能通过有线方式和数据处理装置3(图中未示出)相连。图中天线阵列31B位于人体胸前，不失一般性，天线阵列也可位于人体后背。

本发明还提出N根天线(N大于5)的相位差定位方法。在一定的天线布局下，中心O处布设的参考天线到其它N-1根天线A₁、A₂、...A_M-1的距离分别是a₁、a₂...a_M-1，均为已知量。以位于中心O天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，接收天线A₁、A₂、...A_M-1各自接收到的电磁波信号的相位和参考相位的差为Δφ₁、Δφ₂、...Δφ_M-1，均为已知量。被测胶囊M到中心O的距离为R₀，到天线A₁、A₂、...A_M-1的距离分别为R₁、R₂、...R_M-1，均为未知量。OM直线和OA₁、OA₂、...OA_M-1直线的夹角分别是θ₁、θ₂、...θ_M-1，均为未知量。且由空间几何关系，θ₁、θ₂、...θ_M-1之间存在约束关系。根据包含已知量和未知量在内的M个以上独立的关系方程，根据一定的优化原则，可以得到关于未知量的唯一解，从而确定胶囊的位置。也可以通过天线阵列选择单元，从M根天线中选出4根或者5根天线，从而用4天线或者5天线法求定位信息计算方法进行定位计算。

图8是体外天线坐标定义示意图。如图所示，以使用5天线的定位方法为例，在5天线所在平板312B中，沿人体水平方向规定为X轴，沿人体垂直方向规定为Y轴，作为相位参考的接收天线所在坐标为坐标系的原点，进而可以确定其他天线在坐标系中的坐标。有各天线坐标之后，可以计算体内胶囊相对于该坐标系的位置信息。

由以上实施例可以看出，本发明通过电磁波相位差实现定位，提高了人体内视镜胶囊定位的精度，并简化了定位的操作；不需要昂贵的设备，降低了成本，且对人体无害。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用位于人体内的内视镜胶囊向外发射电磁波，所述电磁波是包含相位信息的信号；

S2，在人体胸前或后背利用分布于平板内的N根天线接收该电磁波；

S3，以平板内的一根天线为参考天线，该参考天线接收到的电磁波信号的相位为参考相位，根据其余N-1根天线中的i根天线到参考天线之间的直线距离，以及该i根天线各自接收到的电磁波信号的相位与所述参考相位之差，计算所述内视镜胶囊分别到参考天线和该i根天线的直线距离，从而确定出内视镜胶囊的位置，其中i为3至N-1之间的整数，N是大于3的整数。

2.如权利要求1所述的利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，其特征在于，在步骤S3中根据最优化原则计算所述内视镜胶囊M分别到参考天线和该i根天线的直线距离。

3.如权利要求1所述的利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，其特征在于，所述平板P采用不变形材料制成。

4.如权利要求1所述的利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位方法，其特征在于，在所述内视镜胶囊M还发射包含其拍摄得到的影像数据的电磁波。

5.一种利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位系统，其特征在于，包括：

内视镜胶囊，用于发射电磁波，所述电磁波是包含相位信息的信号；

信号接收装置，包括平板以及固定于所述平板上的N根天线，所述N根天线用于接收所述电磁波；以及

定位数据处理装置，用于根据N根天线中参考天线到其余N-1根天线A₁、A₂、...A_N-1中的i根天线之间的直线距离，以及该i根天线各自接收到的电磁波信号的相位与参考天线接收到的电磁波信号的相位之差，计算所述内视镜胶囊分别到参考天线和该i根天线的直线距离，从而确定出内视镜胶囊的位置，其中i为3至N-1之间的整数。

6.如权利要求5所述的利用电磁波相位差的人体内视镜胶囊定位系统，其特征在于，所述平板P采用不变形材料制成。

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