CN103339523B - 用于确定体内装置的位置以及取向的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于相对于体内装置所处的外部系统来确定该装置的位置以及取向的系统和方法，该系统包括其上附连有外部磁体的框架。体内装置被插入到患者体内，患者被安置于系统内，并且外部磁体在体内装置上施加磁力。无线电信标发射器附连至框架以用于发射无线电脉冲。体内装置包括超声波发射器，以用于被无线电脉冲触发而发射超声波信号。至少三个应答器被放置在患者身体上，每个应答器都被无线电脉冲触发而发送的第一声信号，并且每个应答器都被装置的超声波信号触发而发送第二声信号。至少三个声波探测器定位在框架上，以用于探测应答器的第一声信号和第二声信号中的每一个，并且处理器测量应答器信号的探测时间并且因此计算装置在框架坐标、以及在身体坐标中的位置。

Description

用于确定体内装置的位置以及取向的系统和方法

技术领域

本发明涉及确定体内装置的位置的领域，并且更具体地涉及确定体内装置的体内位置和取向、以及其相对于该装置所处的外部系统的位置和取向。

背景技术

可吞咽胶囊内窥镜是众所周知的用于采集体内管腔（例如，胃肠（GI）道）的图像的装置。当今，增加对为这种胶囊以及为其它的体内装置的操纵能力，并且因此具有在沿这种装置顺其行进的管腔的特定位置处执行各种体内操作的能力的需要持续增长。在体内装置处于体内的同时对其进行操纵的一种方法是使用外部磁场，该外部磁场可以围绕通过体内装置进行治疗的患者，并且可以控制体内装置的位置。

外部磁场还可以有助于确定体内装置沿体内管腔的位置和取向。为了确定装置（例如，胶囊内窥镜装置）的位置和取向，该装置可以包括感测线圈以感测磁场。可以接着基于所感测到的场的强度来计算装置的位置和取向。然而，这种方法需要在体内装置内侧进行复杂的处理。此外，基于外部磁场确定位置和取向以及使用同一个磁场来操纵装置可能在外部磁性系统上产生过载。

因此，存在对不依赖用于操纵体内装置的相同磁力的用于确定体内装置（例如，可吞咽胶囊）的位置（和取向）的不同系统和方法的需要。

发明内容

本发明提供用于确定体内装置的位置以及取向的系统和方法，该体内装置定位在向该装置施加磁场的外部系统内。在一个例子中，体内装置可以是随着其沿GI道移动而进行成像的胶囊内窥镜。在其它例子中，体内装置可以是导管、内窥镜或者可以在患者体内进行磁性操纵的任何其它的体内装置。

附图说明

在结合附图考虑下文的详细描述时，本发明的上述和其它的目的以及优点将是显而易见的，图中，附图标记在全部附图中表示相似部件并且在图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于确定体内装置的位置的示意性二维系统；

图2A-2B示出了根据本发明的实施例的示意性时序图；

图3示出了根据本发明的实施例的示意性时序连接系统；

图4示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统；

图5示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统；

图6示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统；

图7示出了根据本发明的一个实施例的用于确定体内装置的位置和取向的示意性二维系统；

图8示出了根据本发明的一个实施例的用于确定体内装置的位置的方法；

图9示出了根据本发明的另一个实施例的用于确定体内装置的位置的示意性二维系统；

图10A-10B示出了根据本发明的实施例的基于时间对体内装置与系统部件之间的示意性距离估计；

图11A-11B示出了根据本发明的实施例的基于反射脉冲形状对体内装置的示意性取向估计；

图12A-12B示出了根据本发明的实施例的体内装置上的示意性反射图案；以及

图13A-13D示出了根据本发明的实施例的体内装置的外壳上的示意性调制图案以及捕获到的指示滚动角的反射信号。

应当领会，为了图示的简单和清楚，附图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其它元件有所夸大。此外，当被认为合适时，附图标记可以在附图之间重复使用，以指示相应的或类似的元件。

具体实施方式

在下文的详细描述中，阐述了多个具体细节，以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以在没有这些具体细节的前提下实施。在其它情况下，对众所周知的方法、过程、和部件没有进行详细描述，以免使本发明模糊不清。

下文所描述的体内系统和方法提供了相对于装置被插入到其中的患者身体的坐标并且相对于体内装置定位在其中的外部系统的坐标确定体内装置的位置和取向的例子。

现在参照图1，其中示出了根据本发明的实施例的用于确定体内装置的位置的示意性二维系统10。根据一些实施例，体内成像装置（例如，胶囊内窥镜）100可以被插入到患者身体102中。在一些实施例中，装置或胶囊100可以通过吞咽、摄食被插入到患者102体内，或者其可以在递送装置的帮助下被插入到患者102体内。患者102可以被安置在机器框架110内，机器框架110可以包括可用于通过向装置100施加磁力而对其进行操纵的外部磁体（未示出）。在一些实施例中，装置100可以包括内部磁体，外部磁体可以向内部磁体施加磁力。在一些实施例中，装置100可以在患者102被安置在机器框架内之前被插入到患者102体内。在其它实施例中，装置100可以在患者被定位在包括外部磁体的框架110内之后被插入到患者102体内。

在一些实施例中，装置100可以包括超声波发射器101，以用于发射超声波信号。超声波发射器101可以包括小的压电元件，使得其可以向任何方向发射超声波信号，例如超声波发射器101可以全方位地发射信号。根据一些实施例，由超声波发射器101发射的超声波信号的强度的重要性比信号基本同时到达所有方向的重要性小。然而，信号的强度应当足够高，以使得其能够被探测到。

装置100可以包括成像系统，该成像系统可以包括光学系统和成像器，该成像器用于采集装置100穿过其中的管腔的图像。装置100还可以包括发射器，以用于将体内采集的图像发射至外部接收器。为了机器框架110和装置100的操作者方便起见，采集到的图像可以显示在监测器或屏幕上。图像可以实时地显示，以便使得装置100的操作者能够根据采集到的图像来操纵装置100。例如，操作者可以根据实时显示的图像来确定装置100的体内位置，并且可以接着决定操纵成像装置100朝其移动的新的位置。装置100可以包括内部电源，例如一个或多个电池。然而，在其它实施例中，装置100可以仅包括电容器，可以通过外部供电装置向该电容器供给电力。在一些实施例中，外部磁体可以用于为装置100供电。

装置100可以包括各种工具，以用于在沿管腔的特定位置处执行操作。例如，装置100可以包括腔室，在体内组织的活检或样本被吸入并且由装置100还可以包括的刀片或任何其它的切割元件切割之后，可以被插入到该腔室中。在一些实施例中，样本可以是体内流体的流体样本。装置100可以包括成像器，以用于采集装置100沿其通过的管腔的图像并且采集腔室的图像。在其它实施例中，装置100可以包括分离的成像器；一个用于对体内管腔进行成像并且一个用于对腔室进行成像。在一些实施例中，装置100可以包括药物，该药物可以在沿管腔的目标位置处被注射或者从装置100被释放。

根据一些实施例，机器框架110可以包括无线电信标发射器103，该无线电信标发射器103可以发射无线电脉冲。机器框架110还可以包括至少两个声波探测器114和115。根据一些实施例，至少两个应答器104和105可以被放置在或附连至患者身体102上。

在一些实施例中，无线电信标发射器103可以发射无线电脉冲，该无线电脉冲可以触发系统10中其它部件发射信号。由无线电信标103发送的无线电信号可以基本同时到达系统10的所有部件，从而使得信号反应具有相同的起始时间。根据一些实施例，可以通过无线电信标103所发送的无线电脉冲来触发装置100中的超声波发射器101。因此，超声波发射器101可以发送超声波信号。

一旦无线电信标103发送无线电脉冲，则两个应答器104和105中的每一个都可以被触发以发送第一声信号。一旦被存在于装置100中的超声波发射器101所发送的超声波信号触发，则应答器104和105中的每一个可以发送第二声信号。声波探测器114和115可以探测可以由应答器104和105中的每一个发射的第一声信号和第二声信号。

如图1中所示，可由超声波发射器101发送的超声波信号可以在时间t_c1被应答器104探测到。由装置100发送的相同的超声波信号可以在时间t_c2被应答器105探测到。如图1中所示，由应答器104响应于装置100所发射的超声波信号而可以发送的第二声信号可以在时间t_1,1被声波探测器114探测到，而相同的第二声信号可以在时间t_1,2被声波探测器115探测到。由应答器105响应于装置100所发射的超声波信号而发送的第二声信号可以在时间t_2,2被声波探测器115探测到，而其可以在时间t_2,1被声波探测器114探测到。

根据一些实施例，为了防止无线电信标发射器103所发射的无线电脉冲触发可能定位在无线电信标103或机器框架110附近的其它装置的操作，无线电脉冲可以具有比标准脉冲更复杂的波形。为了系统10的部件，例如，应答器104和105、装置100以及声波探测器114和115探测到独特的无线电脉冲（并且在响应中一些部件可以发射其自身信号），这种部件可以包括可识别无线电信标103所发送的特定无线电脉冲的编码器。

根据一些实施例，应答器104和105中的每一个都可以包括电源和用于接收无线电信标发射器103所发送的无线电脉冲的无线电接收器。应答器中的每一个都可以还包括用于从装置100接收超声波信号的超声波接收器、以及用于响应于无线电脉冲发射第一声信号并且用于响应于超声波信号发射第二声信号的发射器。

在一些实施例中，应答器104可以以与应答器105所发射的信号频率不同的频率发射声信号。至少两个应答器的不同的信号频率可以使得能够对声波探测器114和115所探测到的声信号的来源之间进行区分。即，声波探测器114、115所探测到的声信号的不同频率可以使得处理器能够确定探测到的信号是由应答器104发射的还是由应答器105发射的。在其它实施例中，应答器104和105中的每一个都可以发射包括不同的特定声音的声信号。在再其它的实施例中，应答器104和105中的任一个所发射的声信号都可以包括易于对探测到的声信号的来源之间进行区分的不同代码。在一些实施例中，在应答器104和105之间的区分可以通过时分复用来完成。

现在参照图2A至2B，其中示出了根据本发明的实施例的示意性时序图。图2A示出了参照声波探测器114的时序图。图2A中的视图示出了依据声波探测器114所探测到的所有信号的随着时间过去的信号密度。例如，探测器114所探测到的第一信号可以是在时间t_1,1被探测到并且由应答器104发送的信号。该信号可以已被无线电信标103所发射的无线电脉冲触发，例如，在时间t_1,1探测到的信号可以是由应答器104发送的第一声信号。可以被探测器114探测到的第二信号可以已在时间t_2,1被探测到。被探测器114探测到的该第二信号可以是应答器105所发送的第一声信号，其可以已被无线电信标103所发射的无线电脉冲触发。可以被探测器114探测到的第三信号可以在时间t_1,1+t_c1被探测到。即，第三探测信号可以是被装置100启动的一个信号，并且该第三探测信号触发应答器104发送第二声信号。被探测器114探测到的第四信号可以在时间t_c2+t_2,1被探测到，例如，该信号可以已被装置100启动并且可以已经触发应答器105发送第二声信号。

类似地，图2B示出了相对于声波探测器115的时序图的例子。图2B中的视图示出了依据声波探测器115所探测到的所有信号的随着时间过去的信号强度。例如，被探测器115探测到的第一信号可以是在时间t_2,2被探测到并且由应答器105发送的信号。该信号可以已被无线电信标103所发射的无线电脉冲触发，例如，在时间t_2,2被探测到的信号可以是应答器105所发送的第一声信号。可以被探测器115探测到的第二信号可以已在时间t_2,2+t_c2被探测到。被探测器115探测到的该第二信号可以是应答器105所发送的第二声信号，其可以已被装置100所发射的超声波信号触发。可以被探测器115探测到的第三信号可以在时间t_1,2处被探测到。即，第三探测信号可以是应答器104所发送的第一声信号（可以已被无线电脉冲触发）。被探测器115探测到的第四信号可以在时间t_1,2+t_c1处被探测到，例如，该信号可以已被装置100启动并且可以已经触发应答器104发送第二声信号。

参照图3，其中示出了根据本发明的实施例的示意性时序连接系统。图3以更直接的方式示出了上文参照图1所公开的信号发射和探测时序。根据图3，声波探测器114探测由探测装置100发送的超声波信号所花费的时间可以等于t_c1+t_1,1或等于t_c2+t_2,1。根据图3，声波探测器115探测由装置100发送的超声波信号所花费的时间可以等于t_c2+t_2,2或等于t_c1+t_1,2。

已知声音在20°C下的干燥空气中的传播速度为V_A=343.2[m/sec]，因此应答器（104和105）与声波探测器（114和115）之间的距离可以由以下公式计算得到：

（1）距离[m]=时间[sec]*速度[m/sec]

此外，已知声音在体内的传播速度（或者超声波在身体组织中的传播速度）大致为V_B≈1530[m/sec]，因此装置100与应答器（104和105）中的任何应答器之间的距离也可以通过等式（1）计算得到。

现在参照4，其中示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统。根据等式（1），如果信号到达声波探测器114和115中的任一个所花费的时间是已知的，则可以确定声波探测器114和115与发送该信号的系统10的部件（例如，应答器104和105以及/或者装置100）之间的距离。以下等式可以用于计算应答器104和105与声波探测器114和115之间的距离：

（2） $\left[\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{1,1}}& t_{\mathrm{1,2}}\\ t_{\mathrm{2,1}}& t_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right]\×V_A=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{1,1}}& r_{\mathrm{1,2}}\\ r_{\mathrm{2,1}}& r_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right]$

其中，t_i,j代表当从应答器（i）被发射时信号到达声波探测器（j）所花费的时间，并且V_A代表声音在干燥空气中的传播速度。以下等式可以用于计算装置100与应答器104和105之间的距离：

（3） $\left[\begin{array}{c}{t}_{c1}\\ t_{c2}\end{array}\right]\×V_B=\left[\begin{array}{c}{r}_{c1}\\ r_{c2}\end{array}\right]$

其中，t_ci代表当从装置100（例如，装置100可以是内窥镜胶囊）被发射时信号到达应答器（i）所花费的时间，并且V_B代表声音在体内的传播速度。

图4示出了机器框架110的坐标（X,Y）中的应答器104的坐标（x₁,y₁）。为了计算机器框架坐标中的应答器104坐标（x₁,y₁），可以使用余弦定理：

（4）a²＝b²+c²-2bcCosδ；其中：

图4中所示的角度β可以被限定在距离r1,1（即，应答器104与声波探测器114之间的距离）与（即，声波探测器114与声波探测器115之间的距离）之间。为了计算角度β，可以使用如下的等式（4）：

（5） $\mathrm{\β}=\mathrm{arcCos}\left(\frac{x_0^2+y_0^2+r_{\mathrm{1,1}}^2-r_{\mathrm{1,2}}^2}{2\sqrt{x_0^2+y_0^2}\·r_{\mathrm{1,1}}}\right)$

为了计算相对于机器框架坐标（X,Y）的应答器104的（x₁,y₁）坐标，可以使用如下等式：

（6）y₁=r_1,1Cos（γ）+y₀

（7）x₁=r_1,1Sin（γ）

其中：γ=180°-α-β=180°-arctg（x₀/y₀）-β

现在参照图5，其中示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统。通过较少的调整，可以根据以上的等式（1）至（7）来计算相对于机器框架110的坐标（X,Y）的应答器105的坐标（x₂,y₂）。

图5中所示的角度β’可以被限定在距离r_2,2（即，应答器105与声波探测器115之间的距离）与（即，声波探测器114与声波探测器115之间的距离）之间。为了计算角度β’，可以使用如下的等式（4）：

（5’） ${\mathrm{\β}}^{\′}=\mathrm{arcCos}\left(\frac{x_0^2+y_0^2+r_{\mathrm{2,2}}^2-r_{\mathrm{2,1}}^2}{2\sqrt{x_0^2+y_0^2}\·r_{\mathrm{2,2}}}\right)$

为了计算相对于机器框架坐标（X,Y）的应答器105的坐标（x₂,y₂），可以使用以下等式：

（6’）y₂=r_2,2Cos（γ’）

（7’）x₂=x₀-r_2,2Sin（γ’）

其中：γ’=180°-α’-β’=180°-arctg（x₀/y₀）-β’

现在参照图6，其中示出了根据本发明的实施例的协助计算体内装置的位置的示意性系统。图6示出了相对于机器框架110的坐标（X,Y）的装置100（例如，胶囊内窥镜100）的坐标（X_c,Y_c）。通过较少的调整，可以根据以上的等式（1）至（7）来计算装置100的坐标（X_c,Y_c）。图6中所示的角度β_c可以被限定在距离r_c1（即，应答器104与装置100之间的距离）与（即，应答器104与应答器105之间的距离）之间。为了计算角度β_c，可以使用如下的等式（4）：

（5’’） ${\mathrm{\β}}_c=\mathrm{arcCos}\left(\frac{{(x_2-x_1)}^2+{(y_1-y_2)}^2+r_{c1}^2-r_{c2}^2}{2\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_1-y_2)}^2}\·r_{c1}}\right)$

为了计算相对于机器框架坐标（X,Y）的装置100的坐标（X_c,Y_c），可以使用以下等式：

（6’’）Y_c=y₁+r_c1Cos（γ_c）

（7’’）X_c=x₁+r_c1Sin（γ_c）

由此：

并且上文已计算出相对于机器框架坐标的应答器104的坐标（x₁,y₁）（见图4）。

根据一些实施例，为了基于应答器104的坐标（X₁,Y₁）来找出装置100的坐标（X_c,Y_c）的在图6帮助下所执行的计算也可以相对于应答器105的坐标（x₂,y₂）进行。第二次计算装置100的坐标的目的可以是减少这些计算结果中的噪声。这些计算结果中的噪声可能由于在计算系统10的部件之间的距离（例如，r_i,j和r_ci）过程中缺乏准确性而出现，该准确性的缺乏可能由于在测量信号从系统10的一个元件被发射直到其到达系统10的另一个元件为止所花费的时间（例如，时间t_i,j和t_ci）过程中缺乏准确性而出现。

现在参照图7，其中示出了根据本发明的一个实施例的用于确定体内装置的位置和取向的示意性二维系统。为了确定体内装置100的取向（这可以有助于更好地理解在装置100通过管腔的同时其朝向（heading）的方向），装置100可以包括至少两个分离的超声波发射器，例如，超声波发射器101a、和101b。这至少两个超声波发射器（例如，101a，101b）可以定位在装置100的相对端部处。可以使用其它数量的超声波发射器和沿装置100的其它位置。可以预先确定超声波发射器101a与101b之间的距离（D）。因此，相对于包括一个超声波发射器101的装置100，可以如上文所描述地计算相对于机器框架110的坐标（X,Y）的超声波发射器中任何超声波发射器的坐标。

根据一些实施例，超声波发射器101a和101b的发射频率可以不同。超声波发射器以不同频率发送超声波信号可以使得能够对被应答器104和105中的任何一个探测到的信号进行区分。超声波发射器101a和101所发射的信号之间的区别可以使得能够更准确地计算系统10的部件之间的距离，因此可以使得能够更准确地计算装置100相对于患者身体102、以及相对于机器框架110的位置和取向。例如，相对于机器框架110的坐标（X,Y）的超声波发射器101a的坐标可以是（X_f1,Y_f1），并且相对于机器框架110的坐标的超声波发射器101b的坐标可以是（X_f2,Y_f2）。在一些实施例，可以如下地计算取向角θ：

（8） $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{Y_{f2}-Y_{f1}}{X_{f1}-X_{f2}}\right)$

根据一些实施例，为了在3D系统中确定体内装置（例如装置100）的位置和取向，可以通过细微调整来执行如上文参照等式（1）至（7）所示的类似的计算。例如，为了确定位置（例如相对于机器框架110的坐标（X,Y,Z）的装置100的坐标（X_c,Y_c,Z_c）），存在至少三个应答器（而不是最少两个应答器）的需求并且因此存在至少三个相关联的声波探测器（而不是最少两个探测器）的需求。在一些实施例中，在3D系统中，可能存在与装置100的取向相关的两个角度（例如，θ1,θ2），这两个角度都可以根据基于上文参照2D系统（例如，系统10）示出的等式（8）的等式计算出。处理器（未示出）可以执行确定装置100的位置和取向所需的所有计算。该处理器可以定位在装置100内、或者定位在装置100外部在机器框架110内、或者可以定位在机器框架110的外部。

现在参照图8，其中示出了根据本发明的一个实施例的用于确定体内装置的位置的方法。该方法可以包括将体内装置插入到患者体内的步骤（800）。可以通过吞咽装置或者通过由递送装置插入（以便于具有吞咽困难的患者）来完成将体内装置（例如，装置100）插入到患者体内。该方法还可以包括将患者安置在包括外部磁体的机器框架中的步骤（810）。患者被安置在其中的机器框架可以与机器框架110（图1）类似。

根据一些实施例，该方法可以包括通过无线电信标发射器来发送无线电脉冲的步骤（820）。无线电信标发射器（例如，无线电信标103）可以定位在机器框架（例如，框架110）上。无线电信标可以发射无线电脉冲，该无线电脉冲可以触发机器框架110内的其它部件发射信号。由于无线电波在空气中的传播速度非常快，因此可以假设无线电脉冲基本同时到达系统10的所有部件，由此为稍后的计算确定起始时间t=0。

在一些实施例中，该方法可以包括通过放置于患者身上的应答器来探测从装置（例如，装置100）发射的超声波信号的步骤（830）。应答器（例如，（应答器104和105）可以附连至患者身体，以用于接收由超声波发射器（例如，发射器101、或者发射器101a和101b）所发射的超声波信号。由装置（例如，装置100）发射的超声波信号可以通过无线电信标（例如，无线电信标103）所发送的无线电脉冲来触发。该方法还可以包括通过每个应答器发送声信号的步骤（840）。应答器（例如，应答器104和105）可以被无线电脉冲触发以发送第一声信号，并且可以被超声波信号触发以发送第二声信号。根据一些实施例，在3D系统中，应当具有被放置于患者身体上的至少三个应答器，以便相对于系统的坐标来确定体内装置的位置和取向。

该方法还可以包括通过定位在框架上的声波探测器来探测声信号（850）。在3D系统中，应当存在至少三个声波探测器，以便确定相对于系统坐标的体内装置的位置和取向。声波探测器（例如，声波探测器114和115）可以附连至系统框架，例如附连至机器框架110。

该方法还可以包括由处理器来测量探测信号时间的步骤（860）。可以由处理器来测量每个探测到的信号到达声波探测器所花费的时间。处理器可以定位在体内装置内或者处理器可以位于体内装置的外部，或是定位在机器框架内或是也可以定位在机器框架外部。

该方法还可以包括计算装置在框架坐标以及在身体坐标中的位置（和取向）的步骤（870）。在一些实施例中，可以由处理器来执行相对于系统（例如，系统10或机器框架110）坐标的体内装置的位置和取向的计算。可以根据经过调整以适于3D系统而不是2D系统的上述等式（例如，等式（1）至（8））来完成计算。在一些实施例中，为了确定体内装置在3D系统中的位置，可以根据经过从2D系统到3D系统的必要调整的等式（1）至（7）来计算装置的（X,Y,Z）坐标。为了确定体内装置的取向，可以根据经过从2D系统到3D系统的必要调整的等式（8）来计算取向角（例如，角度θ）。在一些实施例中，为了确定体内装置的取向，至少两个超声波发射器（例如，超声波发射器101a和101b）应当结合到体内装置中。可以根据等式（8）来计算与装置的取向相关的至少两个超声波发射器之间的角度θ。

现在参照图9，其中示出了根据本发明的另一个实施例的用于确定体内装置的位置的示意性二维系统。与图1中所描述的机器框架类似，图9的系统90可以包括机器框架110，机器框架110可以包括外部磁体。患者102可以被安置于系统90的机器框架110内。体内装置200可以在患者被安置于机器框架110内之前被预先插入到患者102体内。但是，在其它实施例中，装置200可以在患者102被定位在机器框架110内之后被插入到患者102体内。装置200可以包括外壳，外壳可以包括适当的涂层，使得装置200可以是强反射器。在一些实施例中，取代装置200包括可以发送超声波信号的超声波发射器（图1），装置200的外壳可以用作反射器，以便反射可能朝向其发送的超声波信号。在一些实施例中，装置200可以包括角反射器而不是反射涂层。

在一些实施例中，在2D系统中，患者102可以附连有至少两个收发器140和150。收发器140和150可以以广角（例如，超过90°的角度）向体内发射超声波脉冲。在一些实施例中，系统90还可以包括无线电信标103，无线电信标103可以发送无线电脉冲以便激活至少两个收发器140和150。2D系统90还可以包括至少两个声波探测器141和151。

根据一些实施例，无线电同步脉冲（由无线电信标103发送）可以触发收发器140和150以朝向装置200发送其相应的广角超声波脉冲。同时，收发器140和150均可以发送第一声波脉冲，第一声波脉冲可以被声波探测器141和151接收到。当来自装置200的反射脉冲被收发器140和150中的每一个接收到时，可以从收发器140和150中的每一个朝向声波探测器141和151发射第二声波脉冲。

现在参照图10A至10B，其中示出了根据本发明的实施例的基于时间对体内装置与系统部件之间的示意性距离估计。图10A示出了可以发送超声波脉冲40的收发器140。超声波脉冲40可以到达装置200。由于装置200可以包括反射涂层，因此超声波脉冲可以被反射离开装置200，从而产生反射波42，反射波42可以被反射回到收发器140。图10B示出了可以用于计算收发器140与装置200之间的距离的时间图。超声波信号从收发器140被发送至装置200并且接着被反射离开装置200以被收发器140接收到所花费的时间可以大致等于收发器（例如，收发器140）与装置200之间的距离除以声音在体内的传播速度的值的两倍。可以基于上述的等式（1）来计算距离。可以由收发器（140）来计算时间（t），并且已知声音在体内的传播速度（V_B）大致为V_B≈1530[m/sec]，因此收发器140与装置200之间的距离（R）可以为2R=t*V_B。，由于超声波信号从收发器出发并且再次回到收发器，因此信号通过收发器与装置200之间的距离两次，所以距离R乘以2。

根据一些实施例，通过调整对装置与收发器140和150中的每一个之间的距离的计算，可以基于上文的等式（1）至（7）来计算对相对于机器框架110的坐标的体内装置200的确定位置。在一些实施例中，为了确定体内装置200在3D系统中的位置，应当对等式（1）至（7）进行调整。例如，在3D系统中，系统应当包括至少三个收发器和至少三个声波探测器。

现在参照图11A至11B，其中示出了根据本发明的实施例的基于反射脉冲形状对体内装置的示意性取向估计。图11A示出了装置200的取向的例子，其中装置200的纵向轴线与收发器中的一个（例如，收发器140）的中心相交。由于装置200的横截面最小，因此反射超声波信号（R）（被反射离开装置200）可以具有与发射信号（S）（由收发器发射）基本相同的形状，例如，相同的宽度：W_R=W_S。然而，反射信号的强度实际上是发射信号强度的一半。

图11B示出了装置200的取向的另一个例子。图11B示出了装置200相对于收发器（例如，收发器140）的中心倾斜。因此，装置200的一端可以定位成比装置200的另一端更靠近收发器。从近端（R_P）的反射比来自装置200的更远端（R_d）的反射先到达收发器（例如，收发器104）。这种反射时间的不同可以造成反射信号的拉伸，因此相应的半强度宽度W_R可以比发射信号（S）的宽度W_S宽。即，反射信号的宽度可以是装置200的倾斜角（）的指示。以下等式可以用于确定倾斜角（）：

（10）

因此，当W_R=W_S时，则Sin()＝0，并且倾斜角（）=0°。然而，当W_R=W_Smax，则Sin)＝1，并且（）=90°。可以根据相同的等式（10）来计算示于图11A至11B中的两个取向之间的倾斜角。

现在参照图12A至12B，其中示出了根据本发明的实施例的体内装置上的示意性反射图案。在一些实施例中，装置200可以包括定位在装置200的相对端部处的两个成像系统。在其它实施例中，装置200可以仅包括一个成像系统210，成像系统210可以定位在装置200的一端处，而另一个端部220不包括成像系统。在装置200可以仅包括一个成像系统210的实施例中，需要在装置200的端部之间进行区分，即，除了确定倾斜角（）（图11A至11B），还确定装置200的不同端部中的每一个的取向。因此，在一些实施例中，装置200的外壳可以被设计成使得从一个端部反射强信号（即，高强度），而从另一个端部反射较低的信号（即，低强度）。根据图12A，如果包括成像系统的端部210被设计成其反射的信号比端部220强，则可以被收发器140接收到的第一反射信号可能比第二接收信号低，原因是端部220比端部210更靠近收发器140。然而，如图12B中所示，可以被收发器140接收到的第一反射信号可以比第二接收信号强，原因是在图12B中，端部210比端部220更靠近收发器140。

现在参照图13A至13D，其中示出了根据本发明的实施例的体内装置外壳上的示意性调制图案以及指示滚动角的捕获到的反射信号。根据图13A，装置200还可以具有滚动角（ψ），即，装置200可以围绕其自身的纵向轴线滚动。这可以改变在不同的滚动角（ψ）处采集到的图像的取向。在一些采集到的图像中，图像中的物体可以定位在图像的顶部处，而如果装置已在采集这些图像之间围绕其自身滚动的话，那么同样的物体可以定位在采集到的图像的底部处。为了确定滚动角（ψ），装置200可以以调制反射率的方式涂覆。在一些实施例中，通过围绕装置200的圆周的中心结合反射率可变的环213，调制凹口可以出现在反射信号的中心处（图13B）。凹口的深度（d）可以指示滚动角（ψ），如以下等式所限定的：

（11）ψ＝k·d；其中（k）为常数。

因此，可以通过凹口的深度（d）来确定滚动角（ψ）。当（d）相对较小时（例如，图13B），滚动角（ψ）也小，例如，装置200刚开始滚动。然而，当（d）相对较大时（例如，图13C、图13D），滚动角（ψ）比之前大，例如，装置200已滚动比其初始取向明显大的角度。图13A至13D示出了对无线电AM调制的回想（reminiscent）。可以使用其它的调制，例如FM调制。

尽管已参照一个或多个特定实施例对本发明进行了描述，但是该描述被期望为整体而言是说明性的，而不理解成将本发明限于图示的实施例。应当领会，尽管本文中未具体示出但是本领域技术人员能够想到的各种修改仍然属于本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于确定体内装置的位置的系统，所述系统包括：

框架，所述框架包括用于围绕患者身体的磁性致动器和外部磁体，所述身体包括体内装置，其中所述外部磁体用于在所述体内装置上施加磁力；

无线电信标发射器，所述无线电信标发射器附连至所述框架，所述无线电信标发射器用于发射无线电脉冲；

其中所述体内装置包括超声波发射器，以用于发射被所述无线电脉冲触发的超声波信号；

至少三个应答器，所述至少三个应答器被放置在所述患者身体上，每个应答器被所述无线电脉冲触发而发送第一声信号，并且每个应答器被所述体内装置的超声波信号触发而发送第二声信号；

至少三个声波探测器，所述至少三个声波探测器定位在所述框架上，以用于探测所述应答器的第一声信号和第二声信号中的每一个；以及

处理器，所述处理器用于测量所述应答器信号的探测的时间并且计算所述体内装置在框架坐标、以及在身体坐标中的位置。

2.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中每个应答器都包括超声波接收器和声波发射器。

3.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中所述声波探测器连接至所述处理器。

4.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中所述体内装置包括至少两个超声波发射器，每个超声波发射器都发射具有不同频率的超声波信号。

5.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中所述体内装置是可吞咽胶囊内窥镜。

6.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中所述体内装置包括用于在体内目标位置处执行操作的工具。

7.根据权利要求1所述的用于确定体内装置的位置的系统，其中所述体内装置包括内部磁体。

8.一种用于探测体内装置的位置的方法，所述方法包括：

将体内装置插入到患者身体内，所述体内装置包括超声波发射器；

将患者安置于围绕所述患者的框架中，所述框架包括用于在所述体内装置上施加磁力的外部磁体；

通过无线电信标发射器向被放置在所述患者身上的至少三个应答器、并且向所述体内装置发送无线电脉冲，以用于触发所述应答器中的每一个发射超声波信号并且用于触发所述体内装置在基本相同的时间周期发射超声波信号；

由被放置在所述患者上的所述应答器来探测从所述体内装置发射的超声波信号；

被体内装置的超声波信号触发而通过所述应答器中的每一个发送声信号；

由定位在所述框架上的至少三个声波探测器来探测通过所述应答器中的每一个发送的声信号；

由处理器来测量信号的探测的时间；以及

计算所述体内装置在框架坐标、以及在身体坐标中的位置。

9.根据权利要求8所述的用于探测体内装置的位置的方法，其中所述体内装置包括至少两个超声波发射器，所述至少两个超声波发射器中每一个发射超声波信号，并且其中计算所述体内装置的位置包括计算每个体内装置的超声波发射器的位置，从而计算所述体内装置的体内取向。

10.根据权利要求8所述的用于探测体内装置的位置的方法，其中所述体内装置是可吞咽胶囊内窥镜。

11.一种用于探测体内装置的位置的方法，所述方法包括：

将体内装置插入到患者身体内，所述体内装置包括涂层以便反射超声波信号；

将所述患者安置于围绕所述患者的框架中，所述框架包括用于在所述体内装置上施加磁力的外部磁体；

通过无线电信标发射器向被放置在所述患者上的至少三个应答器发送无线电脉冲，以用于触发所述应答器中的每一个，以发射第一声信号，并且用于触发所述应答器中的每一个以基本相同的时间周期朝向所述体内装置发送超声波信号；

由被放置在所述患者身体上的所述应答器来探测被反射离开所述体内装置的反射超声波信号；

通过所述应答器中的每一个发送第二声信号，所述应答器中的每一个被所述体内装置的反射超声波信号触发；

由定位在所述框架上的至少三个声波探测器来探测通过所述应答器中的每一个发送的第一声信号和第二声信号；

由处理器来测量信号的探测的时间；以及

计算所述体内装置在框架坐标、以及在身体坐标中的位置。