CN104720805A - 基于永磁体的动力胶囊实时定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，通过位于人体外部的三维磁传感器阵列采集位于人体内部的动力胶囊内的永磁体的磁场强度信号；将三维磁传感器阵列测得的数据进行小波变换以滤除因呼吸、电磁干扰等产生的噪声。根据磁场数学模型，对步骤2)中得到的过滤后的磁场强度信号，通过Levenberg‐Marquardt算法消除误差并获得胶囊在胃肠道内的位置；三维磁传感器阵列包括：四个位于同一平面上的三维磁传感器，每个三维磁传感器采集三个相互垂直方向的磁场强度。本发明利用体外磁传感器检测体内永磁体的磁感应强度实现动力胶囊在胃肠道内的定位。因为人体具有磁渗透能力，对静态磁场影响较小，所以该定位系统可达到更高的定位精度，此外本发明还具有体积小、结构简单的优点。

Description

基于永磁体的动力胶囊实时定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种微型医疗仪器领域的技术，具体是一种基于永磁体的动力胶囊实时定位方法。

背景技术

结肠直肠癌是三大最常见癌症之一，并且它已成为世界上因癌症死亡的第二大原因。然而令人担忧的是，近年来结肠直肠癌患者逐年增加。据美国癌症杂志估计，2014年有96830例结肠癌和40000例直肠癌发生。当能在结肠病变早期发现，结肠直肠癌发病率将大大降低。目前临床上应用的结肠诊断方法有结肠测压、结肠内窥镜、无线动力胶囊、放射性扫描等。然而，结肠测压是把装有测压传感器的导管从肛门插入人体内，给病人带来了极大的痛苦，且容易造成肠穿孔和交叉感染。结肠内窥镜分为有创和无创两类。有创的结肠内窥镜是纤维结肠镜，它通过肛门插入逆行向下，可检查直肠、乙状结肠、降结肠、模结肠、升结肠和盲肠以及与大肠相连的一小段小肠。然而它同样给患者带来了极大的痛苦。无创的结肠内窥镜有以色列Given Imaging公司开发的胶囊内镜“M2A”，Yokneam公司发布的PillCam^TM和日本Olympus公司生产的“EndoCapsule”。这些胶囊内镜带有摄像装置，可拍摄人体胃肠道的图片；它们通过胃肠的蠕动前进，因此病人不会感到不适；与有创结肠内窥镜相比，它们更加灵活方便。无线动力胶囊装载有温度、压力、pH传感器，可检测生理状态下的胃肠道信息并无线发输出至体外，经上位机专用数据处理软件分析，可评估胃肠道的健康状况。然而，上述这些胶囊本身没有定位系统，不能实时显示它们在胃肠道内的位置，这给胃肠疾病的诊断和治疗带来极大不便。因此，开发胶囊实时定位系统已是目前亟待解决的问题。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103637803A公开(公告)日2014.03.19，公开了一种基于永磁和感应线圈的胶囊内镜空间定位系统，包括：振动模块、体外牵引永磁体、体内胶囊内窥镜、无线接收装置以及单片机微处理器，所述振动模块的一端与所述体外牵引永磁体相连接，所述体外牵引永磁体与体内胶囊内窥镜之间形成磁路，所述体内胶囊内窥镜与所述无线接收装置无线连接，所述无线接收装置与所述单片机微处理器相连接。同时还提供了上述定位系统的定位方法。但该系统过于复杂，且通过振动模块使体外永磁体做往复运动，进而产生变化的磁场，而体内三轴线圈测量变化磁场的磁场强度信息实现体内图像胶囊的定位。因体外永磁体在做往复运动，即参考点的位置是一个范围，则推算的体内胶囊的位置也是一个范围，从而该定位方法的定位精度不高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，利用体外磁传感器检测体内永磁体的磁感应强度实现动力胶囊在胃肠道内的定位。因为人体具有磁渗透能力，对静态磁场影响较小，所以该定位系统可达到更高的定位精度，此外本发明还具有体积小、结构简单的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，包括以下步骤：

1)通过位于人体外部的三维磁传感器阵列采集位于人体内部的动力胶囊内的永磁体的磁场强度信号；

所述的三维磁传感器阵列包括：四个位于同一平面上的三维磁传感器，每个三维磁传感器采集三个相互垂直方向的磁场强度。

所述的三维磁传感器优选为固定在同一平板上。

所述的磁场强度信号是与永磁体的位置和磁场方向相关的；

2)将三维磁传感器阵列测得的数据进行小波变换以滤除因呼吸、电磁干扰等产生的噪声。

所述的小波变换是指：用DB4小波对采集的数据进行二层分解，得到D1、D2、A2，其中D1、D2为分解的第一层、第二层的高频小波系数，A2为分解的第二层的低频小波系数；因数据采集频率是0.83Hz，根据小波分析原理可知D1、D2的频率范围分别是0.21～0.42Hz、0.10～0.21Hz，D1是呼吸波，所以在信号重建时直接被滤除了；最后用D2和A2重建磁场强度信号；

3)根据磁场数学模型，对步骤2)中得到的过滤后的磁场强度信号，通过

Levenberg‐Marquardt算法消除误差并获得胶囊在胃肠道内的位置，即通过采用四个三维磁传感器并由此构建12个公式，采用不同的公式可求出不同的位置参数组合(a，b，c，m，n，p)，进一步通过Levenberg‐Marquardt算法消除误差。

所述的永磁体为圆柱形，直径为7.5mm，高度为2mm。

所述的三维磁传感器阵列包括：带有调理电路的四个所述三维磁传感器、模拟开关、单片机、时钟模块、无线通讯模块、电源管理模块和电源模块，其中：三维传感器调理模块与模拟开关相连；模拟开关、时钟模块、无线通讯模块与单片机相连；电源模块与电源管理模块相连；电源管理模块与三维传感器调理模块、模拟开关、单片机、时钟模块、无线通讯模块相连，调理电路采集磁场强度信号并转换为电信号后输出至模拟开关，模拟开关每次选通一路三维磁传感器信号并输出至单片机。

所述的单片机包括：放大电路、AD电路、控制单元、非易失性存储模块、SPI模块，其 中：放大电路、AD电路、控制单元依次相连，非易失性存储模块、SPI模块与控制单元相连，放大电路将放大后的模拟信号输出至AD电路，AD电路在控制单元的控制下，将放大后的模拟信号转换成数字信号，控制单元读取时钟模块的时钟信号并将转换的数字信号与该时钟信号存储到非易失性存储模块，控制单元通过SPI模块把数据输出至无线通讯模块并无线输出。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用三维磁传感器阵列采集体内永磁体的磁场强度实现了胶囊的精确定位；并且永磁体无耗能，节约了电池能量，延长了胶囊的使用寿命；本发明的数据处理器可对三维磁传感器阵列采集的数据进行滤波、实时追踪胶囊在胃肠道内的位置，并以图形显示；通过无线通信技术，实现了磁场强度和时间信息的无线传送；通过记录仪实现对信息的接收和存储。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为三维磁传感器阵列示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：位于体内的胶囊a、三维磁传感器阵列b、数据记录仪c以及数据处理器d，其中：胶囊a内装有圆柱形永磁体，在永磁体周围会产生磁场；体外背部位置安装有磁传感器阵列b；磁传感器阵列b采集体内永磁体的磁场强度并无线发输出至数据记录仪c；采集的磁场强度与磁传感器到永磁体的距离和永磁体磁场强度的方向有关；数据记录仪c接收数据并存储到MMC卡，经USB接口送到数据处理器d；数据处理器利用追踪算法对采集到的数据进行处理，并计算磁传感器到永磁体的距离和永磁体磁场强度的方向，实现胶囊在体内的定位。

本实施例包括以下步骤：

1)通过位于人体外部的磁传感器阵列采集位于人体内部的动力胶囊内的永磁体的磁场强度信号；

2)将磁场强度信号进行小波变换以滤除因呼吸、电磁干扰等产生的噪声。

3)根据磁场数学模型，对步骤2)中得到的过滤后的磁场强度信号，通过Levenberg‐Marquardt算法消除误差并获得胶囊在胃肠道内的位置；

所述的磁场数学模型如下：当永磁体在笛卡尔坐标系中的位置为(a,b,c)^T，永磁体的磁场 方向为H₀＝(m,n,p)^T，当存在N个三维磁传感器，其中第i个三维磁传感器的坐标为(x_i，y_i，z_i)，则第i个三维磁传感器测得的x轴、y轴、z轴的磁场强度如公式1‐3所示。

$B_{\mathrm{ix}}=B_T\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(x_i-a)}{R_i^5}-\frac{m}{R_i^3}\}---\left(1\right)$

$B_{\mathrm{iy}}=B_T\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(y_i-b)}{R_i^5}-\frac{n}{R_i^3}\}---\left(2\right)$

$B_{\mathrm{iz}}=B_T\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(z_i-c)}{R_i^5}-\frac{p}{R_i^3}\}---\left(3\right)$

其中，R_i为第i个三维传感器到永磁体的距离。

$R_i=\sqrt{{(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2+{(z_i-c)}^2}---\left(4\right)$

参数m,n,p满足如下条件：m²+n²+p²＝1    (5) 

从上述公式可知，求得(a，b，c，m，n，p)参数的值即可知道永磁体的位置，即至少需要构建像公式1‐3这样的5个公式，联合公式(5)即可求得(a，b，c，m，n，p)。

本实施例中通过采用四个三维磁传感器以提高定位精度，并由此构建12个公式，采用不同的公式可求出不同的(a，b，c，m，n，p)，这样算出的永磁体的位置不唯一。为减少误差，算出永磁体的精确位置，利用了Levenberg‐Marquardt算法。

所述的Levenberg‐Marquardt算法如下：为找出永磁体的精确位置，我们定义了三维磁传感器在三个相互垂直方向上测得磁场强度的误差函数，如公式6‐8所示。

$E_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{ix}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(x_i-a)}{R_i^5}-\frac{m}{R_i^3}]\}}^2---\left(6\right)$

$E_y=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{iy}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(y_i-b)}{R_i^5}-\frac{n}{R_i^3}]\}}^2---\left(7\right)$

$E_z=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\{B_{\mathrm{iz}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)\×(z_i-c)}{R_i^5}-\frac{p}{R_i^3}]\}}^2---\left(8\right)$

则总的误差为：E＝E_x+E_y+E_z    (9)

利用Levenberg‐Marquardt算法求出总误差最小时对应的(a，b，c，m，n，p)即可定位永磁体，具体步骤如下：

a)取初始点p₀，终止控制常数ε，计算ε₀＝||x-f(p₀)||，其中f()为公式(9)，设k＝0，λ₀＝10^-3，v＝10。

b)计算Jacobi矩阵J_k，计算构造增量正规方程

c)求解增量正规方程得到δ_k，具体是：

c1)当||x-f(p_k+δ_k)||<ε_k，则令p_k+1＝p_k+δ_k，若||δ_k||<ε，停止迭代，输出结果；否则令λ_k+1＝λ_k/v，转到步骤b。

c2)当||x-f(p_k+δ_k)||≥ε_k，则令λ_k+1＝λ_k×v，重新解正规方程得到δ_k，返回步骤a。

如图2所示，本实施例中涉及的三维磁传感器阵列包括：三维传感器调理模块5、模拟开关7、单片机12、时钟模块14、无线通讯模块15、电源管理模块16和电源模块17，其中：三维传感器调理模块5与模拟开关7相连；模拟开关7、时钟模块14、无线通讯模块15与单片机12相连；电源模块17与电源管理模块16相连；电源管理模块16与三维传感器调理模块5、模拟开关7、单片机12、时钟模块14、无线通讯模块15相连，

所述的三维传感器调理模块5包括：四个三维传感器1‐4和相应的调理电路6，其中：负责磁场强度信号的采集及电信号的转换，并将信号输出至模拟开关7。模拟开关7每次选通一路三维磁传感器信号，并输出至单片机12；

所述的单片机12包括：放大电路8、AD电路9、控制单元10、非易失性存储模块11、SPI模块13，其中：放大电路8、AD电路9、控制单元10依次相连；非易失性存储模块11、SPI模块13与控制单元10相连。放大电路8将放大后的模拟信号输出至AD电路9；AD电路9在控制单元10的控制下，将放大后的模拟信号转换成数字信号；控制单元10读取时钟模块14的时钟信号并将转换的数字信号与该时钟信号存储到非易失性存储模块11；控制单元10通过SPI模块13把数据输出至无线通讯模块15，由无线通讯模块15把数据发送出去。

所述的放大电路8支持放大倍数2、4或8设置。

所述的AD转换电路9为∑‐Δ型转换电路，其可调整输入信号的放大倍率有0.25、0.5、1、2、4、8或16。

Claims (10)

1.一种基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过位于人体外部的三维磁传感器阵列采集位于人体内部的动力胶囊内的永磁体的磁场强度信号；

2)将三维磁传感器阵列测得的数据进行小波变换以滤除因呼吸、电磁干扰等产生的噪声；

3)根据磁场数学模型，对步骤2)中得到的过滤后的磁场强度信号，通过Levenberg‐Marquardt算法消除误差并获得胶囊在胃肠道内的位置；

所述的三维磁传感器阵列包括：四个位于同一平面上的三维磁传感器，每个三维磁传感器采集三个相互垂直方向的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的小波变换是指：用DB4小波对采集的数据进行二层分解，得到D1、D2、A2，其中：D1、D2为分解的第一层、第二层的高频小波系数，A2为分解的第二层的低频小波系数；因数据采集频率是0.83Hz，根据小波分析原理可知D1、D2的频率范围分别是0.21～0.42Hz、0.10～0.21Hz，D1是呼吸波，所以在信号重建时直接被滤除了；最后用D2和A2重建磁场强度信号。

3.根据权利要求1所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的永磁体为圆柱形，直径为7.5mm，高度为2mm。

4.根据权利要求1所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的磁场数学模型为：当永磁体在笛卡尔坐标系中的位置为(a,b,c)^T，永磁体的磁场方向为H₀＝(m,n,p)^T，当存在N个三维磁传感器，其中第i个三维磁传感器的坐标为(x_i，y_i，z_i)，则第i个三维磁传感器测得的x轴、y轴、z轴的磁场强度依次为：

$B_{\mathrm{ix}}=B_T=\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(x_i-a)}{R_i^5}-\frac{m}{R_i^3}\},$

$B_{\mathrm{iy}}=B_T\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(y_i-b)}{R_i^5}-\frac{n}{R_i^3}\},$

$B_{\mathrm{iz}}=B_T\{\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(z_i-c)}{R_i^5}-\frac{p}{R_i^3}\},$

其中：R_i为第i个三维传感器到永磁体的距离，

并且上述位置参数m,n,p满足：m²+n²+p²＝1。

5.根据权利要求4所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，通过采用四个三维磁传感器并由此构建12个公式，采用不同的公式可求出不同的位置参数组合(a，b，c，m，n，p)，进一步通过Levenberg‐Marquardt算法消除误差。

6.根据权利要求1或4所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的消除误差是指：根据三维磁传感器在三个相互垂直方向上测得磁场强度的总误差函数，利用Levenberg‐Marquardt算法求出总误差最小时对应的(a，b，c，m，n，p)即可定位永磁体。

7.根据权利要求6所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的Levenberg‐Marquardt算法具体步骤包括：

a)取初始点p₀，终止控制常数ε，计算ε₀＝||x-f(p₀)||，其中f()为总误差函数；

b)计算Jacobi矩阵J_k，计算构造增量正规方程

c)求解增量正规方程得到δ_k，具体是：

c1)当||x-f(p_k+δ_k)||<ε_k，则令p_k+1＝p_k+δ_k，若||δ_k||<ε，停止迭代，输出结果；否则令λ_k+1＝λ_k/v，转到步骤b；

c2)当||x-f(p_k+δ_k)||≥ε_k，则令λ_k+1＝λ_k×v，重新解正规方程得到δ_k，返回步骤a。

8.根据权利要求6或7所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的总误差函数为：E＝E_x+E_y+E_z，即三维磁传感器在三个相互垂直方向上测得磁场强度的误差函数的总和，

$E_x=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\{B_{\mathrm{ix}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(x_i-a)}{R_i^5}-\frac{m}{R_i^3}\left]\right\}}^2,$

$E_y=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\{B_{\mathrm{iy}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(y_i-b)}{R_i^5}-\frac{n}{R_i^3}\left]\right\}}^2,$

$E_z=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\{B_{\mathrm{iz}}-B_T[\frac{3[m(x_i-a)+n(y_i-b)+p(z_i-c)]\&times;(z_i-c)}{R_i^5}-\frac{p}{R_i^3}\left]\right\}}^2.$

9.根据权利要求1所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的三维磁传感器阵列包括：带有调理电路的四个所述三维磁传感器、模拟开关、单片机、时钟模块、无线通讯模块、电源管理模块和电源模块，其中：三维传感器调理模块与模拟开关相连；模拟开关、时钟模块、无线通讯模块与单片机相连；电源模块与电源管理模块相连；电源管理模块与三维传感器调理模块、模拟开关、单片机、时钟模块、无线通讯模块相连，调理电路采集磁场强度信号并转换为电信号后输出至模拟开关，模拟开关每次选通一路三维磁传感器信号并输出至单片机。

10.根据权利要求9所述的基于永磁体的动力胶囊实时定位方法，其特征是，所述的单片机包括：放大电路、AD电路、控制单元、非易失性存储模块、SPI模块，其中：放大电路、AD电路、控制单元依次相连，非易失性存储模块、SPI模块与控制单元相连，放大电路将放大后的模拟信号输出至AD电路，AD电路在控制单元的控制下，将放大后的模拟信号转换成数字信号，控制单元读取时钟模块的时钟信号并将转换的数字信号与该时钟信号存储到非易失性存储模块，控制单元通过SPI模块把数据输出至无线通讯模块并无线输出。