CN111956171A - 基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法，通过在人体外固定设计好的三维传感器阵列采集体胶囊内窥镜中永磁体的磁场强度信号；将所述三维传感器阵列测量的数据进行滤波以消除传感器的传输噪声。将所述滤波后的数据按照规则进行差分运算，依据磁偶极子模型构建目标函数，通过最优化算法进行求解，从而获得人在运动过程中胶囊内窥镜相对传感器阵列的位置坐标及方向信息。本发明的有益效果是：本发明有效地克服了人在运动过程中地磁变化对定位精度造成的影响，能以较高的精度确定胶囊内窥镜的位置及方向信息。

Description

基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法。

背景技术

无线胶囊内窥镜用于消化道检查，通常需要有传输数据、图像的功能，这种检查方式极大地减轻了使用传统内窥镜带给患者的痛苦，因为胶囊是一次性使用，所以也降低了患者交叉感染的风险。

但是在目前应用中无线胶囊内窥镜会存在一些问题，因为整个检查过程会持续8小时左右，不可能让患者长时间保持一个姿势不动，所以需要让患者在进行正常活动的同时完成检测。目前常用技术主要有：射频定位、微波成像定位、超声定位、磁场定位等，磁定位相对其他技术定位精度更高、实时性更好。

对于人在进行正常活动的同时完成体内胶囊内窥镜的定位，国内外还鲜有研究，大多数研究集中在固定位置、固定设备的定位方式研究上。

发明内容

为了解决人在进行正常活动的同时无法完成体内胶囊内窥镜的定位的问题，本发明提供了一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法。

本发明提供了一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过布置在人体外的三维传感器阵列对胶囊内窥镜的磁场强度进行测量，得到磁场强度数据；

步骤2：将三维传感器阵列得到的磁场强度数据进行滤波处理，消除传输噪声；

步骤3：将滤波后的磁场强度数据按照规则进行差分运算；

步骤4：依据磁偶极子模型构建目标函数表达式；

步骤5：利用最优化算法对步骤4中构造的目标函数进行求解，解出胶囊内窥镜的位置及方向信息，实现对胶囊内窥镜的定位。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，三维传感器阵列在某一时刻会对磁场值进行多次测量，对所测量数据进行滤波处理，所述滤波处理采用均值滤波。

作为本发明的进一步改进，三维传感器阵列包括多个三维传感器，多个三维传感器的布置方式包括分组布置方式和等间距均匀布置方式，所述分组布置方式是指采用一定数量的同型号三维传感器作为一组，进行分组布置，其中每组三维传感器以一定距离等间隔分别进行横向与纵向布置，形成规则布置的三维传感器阵列；等间距均匀布置方式是指多个三维传感器在同一平面内等间隔均匀布置。

作为本发明的进一步改进，步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对分组布置方式，对同一组相邻的三维传感器均值滤波后的数据按顺序差分：B_m12＝B_m1-B_m2；B_m23＝B_m2-B_m3；B_m34＝B_m3-B_m4；B_m41＝B_m4-B_m1；

其中，1、2、3、4代表同一组中四个三维传感器按顺时针或者逆时针的编号，B_m12表示1、2号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m23表示2、3号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m34表示3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m41表示4、1号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m1、B_m2、B_m3、B_m4分别表示1、2、3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值。

作为本发明的进一步改进，步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对等间距均匀布置方式，对相邻的四个三维传感器做差分运算：B_m67＝B_m6-B_m7；B_m78＝B_m7-B_m8；B_m89＝B_m8-B_m9；B_m96＝B_m9-B_m6；B_m67表示表示6、7号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m78表示7、8号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m89表示8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m96表示9、6号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m6,B_m7,B_m8,B_m9分别表示6、7、8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值。

作为本发明的进一步改进，步骤4中，依据磁偶极子模型构建目标函数表达式过程为：针对分组布置方式，

其中，以三维传感器阵列所在平面为XOY平面，与三维传感器Z轴相同方向为Z轴建立三维传感器阵列坐标系；a、b、c为胶囊内窥镜在三维传感器阵列坐标系中的坐标，m、n、p为胶囊内窥镜磁场方向，(x_jr,y_jr,z_jr)为第j组中编号为r的三维传感器的坐标，B_irqx_j,B_irqy_j,B_irqz_j表示第j组三维传感器中编号为r与q的三维传感器依据磁偶极子模型计算出的磁场强度值的差值；R_jr为第j组中编号为r的三维传感器到胶囊内窥镜的距离，R_jr＝

并且上述参数m,n,p满足：m²+n²+p²＝1；N为三维传感器阵列中传感器的总组数；E为建立的目标函数。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤5中，所述最优化算法为LM算法。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤5中，运用LM算法算出目标函数总误差最小时对应的a、b、c、m、n、p的值即为待定位的胶囊内窥镜的方位信息，具体步骤如下：

步骤a：取初始点p₀,终止常数ε,计算ε₀＝||E_i-E||,其中E_i为依据测量值计算的理想误差值，E为误差函数；设最大迭代次数count＝300,λ₀＝10^-3,v＝2,开始迭代步数k＝0；

步骤b：计算Jocabi矩阵，由对参数a、b、c、m、n、p分别求偏导数构成；步骤c：求解增量方程δ_k,具体为：

(1)当||E_i-E(p_k+δ_k)||<ε,令p_k+1＝p_k+δ_k,若||δ_k||<ε,停止迭代，否则，令λ_k+1＝λ_k/v,返回步骤b；

(2)当||E_i-E(p_k+δ_k)||≥ε,令λ_k+1＝λ_k·v,重新解增量方程后，返回步骤c。

本发明的有益效果是：本发明有效地克服了人在运动过程中地磁变化对定位精度造成的影响，能以较高的精度确定胶囊内窥镜的位置及方向信息。可用于可穿戴式传感器阵列。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是三维传感器阵列的分组布置方式示意图；

图3是三维传感器阵列的等间距均匀布置方式示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法，可以较大程度上解决人在移动过程中地磁场变化的问题。

本发明通过差分的方法降低移动过程中地磁干扰的问题，以达到定位的目的。

工作时，将设计好的三维传感器阵列固定在人体外腹部处，用于测量胶囊内窥镜磁场强度信号；将测量的磁场强度数据进行滤波处理消除传感器传输噪声；利用滤波后的数据按照规则进行差分运算；依据磁偶极子模型构建目标函数，通过最优化算法进行求解，最终达到定位目的。

如图1所示，本发明公开了一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法，包括如下步骤：

步骤1：通过布置在人体外的三维传感器阵列对胶囊内窥镜的磁场强度进行测量，得到磁场强度数据；

步骤2：将三维传感器阵列得到的磁场强度数据进行滤波处理，消除传输噪声；

步骤3：将滤波后的磁场强度数据按照规则进行差分运算；

步骤4：依据磁偶极子模型构建目标函数表达式；

步骤5：利用最优化算法对步骤4中构造的目标函数进行求解，解出胶囊内窥镜的位置及方向信息，实现对胶囊内窥镜的定位。

在所述步骤2中，三维传感器的传输噪声服从正态分布，三维传感器阵列在某一时刻会对磁场值进行多次测量，对所测量数据进行滤波处理。

通过所述的三维传感器阵列对磁场值进行测量，各三维传感器可以测量观测点处传感器x,y,z三个感应轴方向的磁场强度。

将所述的三维传感器阵列采集到的磁场数据进行滤波处理，消除传输噪声。

优选地，所述滤波处理可以采用均值滤波。

三维传感器阵列包括多个三维传感器，多个三维传感器的布置方式包括分组布置方式和等间距均匀布置方式，所述分组布置方式是指采用一定数量的同型号三维传感器作为一组，进行分组布置，其中每组三维传感器以一定距离等间隔分别进行横向与纵向布置，形成规则布置的三维传感器阵列,一种可行的布置方式为：3×3布置；每组中的三维传感器按照一定规则布置，一种可行的布置方式为：布置在边长为2cm的正方形的四角上，即每组中相邻传感器间隔2cm，按顺时针或逆时针布置成正方形，所布置的三轴传感器要求各轴的朝向相同，此间隔距离可根据实际应用做调整，但间隔不可过大。

如图2所示，为所述三维传感器阵列采用分组布置方式，三维传感器阵列的具体布置形式可在本实例上作适当改变。三维传感器阵列包括多组三维传感器，第一组三维传感器中包括编号为1、2、3、4的三维传感器。

等间距均匀布置方式是指多个三维传感器在同一平面内等间隔均匀布置。

如图3所示，三位传感器阵列采用等间距均匀布置的方式，其中三维传感器的间距较近，可根据实际情况做适当改变。包括编号为6、7、8、9四个相邻的三维传感器。

步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对分组布置方式，对同一组相邻的三维传感器均值滤波后的数据按顺序差分：B_m12＝B_m1-B_m2；B_m23＝B_m2-B_m3；B_m34＝B_m3-B_m4；B_m41＝B_m4-B_m1；

其中，1、2、3、4代表同一组中四个三维传感器按顺时针或者逆时针的编号，B_m12表示1、2号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m23表示2、3号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m34表示3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m41表示4、1号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m1、B_m2、B_m3、B_m4分别表示1、2、3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值。

步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对等间距均匀布置方式，对相邻的四个三维传感器做差分运算：B_m67＝B_m6-B_m7；B_m78＝B_m7-B_m8；B_m89＝B_m8-B_m9；B_m96＝B_m9-B_m6；B_m67表示表示6、7号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m78表示7、8号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m89表示8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m96表示9、6号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m6,B_m7,B_m8,B_m9分别表示6、7、8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值。

所述的利用磁偶极子模型构造目标函数表达式具体为：

以三维传感器阵列分组的布置方式为例，将一个高度为L，半径为R且磁化强度为M的圆柱永磁体放置在与阵列中三维传感器方向相同的参考坐标系O-XYZ中，永磁体的几何中心坐标为(a,b,c)，磁场方向为(m,n,p)，三维传感器阵列中第j组第k个三维传感器的坐标为(x_jk,y_jk,z_jk),距离永磁体的距离为R_jk，该三维传感器处对应的x,y,z轴的磁场强度公式如下所示：

以三维传感器阵列分组的布置方式为例，将同一组三维传感器中依据磁偶极子模型计算出的磁场强度依据所述对滤波后的三维传感器数据进行差分的规则进行差分运算，具体为：

在第j组三维传感器阵列中总共布置了4个三维传感器：1号、2号、3号、4号传感器，x,y,z轴的磁场计算值分别按规则进行差分运算：

其中，

并且参数m,n,p满足：m²+n²+p²＝1

根据所述的三维传感器阵列，同一组四个三维传感器中相邻传感器间隔为2cm，此间距可依据实际情况进行调整，由于相邻两个三维传感器距离很近，则相邻两个三维传感器所测量的地磁差异大小相对目标永磁体移动造成的磁场大小差异可以忽略不记，以第j组中编号为1、2号的三维传感器为例：

B_m12x_j＝B_m1x_j-B_m2x_j (17)

B_m12y_j＝B_m1y_j-B_m2y_j (18)

B_m12z_j＝B_m1z_j-B_m2z_j (19)

B_m1x_j＝B_mag1x_j+G_1xx_j (20)

B_m1y_j＝B_mag1y_j+G_1yy_j (21)

B_m1z_j＝B_mag1z_j+G_1zz_j (22)

B_m2x_j＝B_mag2x_j+G_2xx_j (23)

B_m2y_j＝B_mag2y_j+G_2yy_j (24)

B_m2z_j＝B_mag2z_j+G_2zz_j (25)

其中，B_m1x_j,B_m2x_j,B_m1y_j,B_m2y_j,B_m1z_j,B_m2z_j表示j组中编号为1、2号的三维传感器x,y,z三个方向测量的磁场值；B_m12x_j,B_m12y_j,B_m12z_j表示第j组中编号为1、2号的三维传感器x,y,z三个方向测量的磁场值之差；B_mag1x_j,B_mag1y_j,B_mag1z_j,B_mag2x_j,B_mag2y_j,B_mag2z_j表示永磁体在第j组中编号为1、2号的三维传感器处产生的磁场值沿传感器x,y,z方向的分量值；G_1xx_j,G_1yy_j,G_1zz_j,G_2xx_j,G_2yy_j,G_2zz_j表示第j组中编号为1、2号的三维传感器所在位置的地磁场沿传感器x,y,z方向的分量值；可以近似认为G_1xx_j＝G_2xx_j,G_1yy_j＝G_2yy_j,G_1zz_j＝G_2zz_j；进而可以得到以下表达式：

B_m12＝B_m1-B_m2＝B_mag1+G₁-B_mag2-G₂＝B_mag1-B_mag2；其中，B_m12表示编号为1、2号的三维传感器的测量值之差；B_m1,B_m2分别表示编号为1、2号的三维传感器的测量值；B_mag1,B_mag2分别表示永磁体在编号为1、2号的三维传感器处产生的磁场值；G₁,G₂表示编号为1、2号的三维传感器处的地磁场值。

为定位胶囊内窥镜的位置与方向，构建了目标函数表达式，过程如下：

其中，N为三维传感器阵列中传感器的总组数；E为建立的目标函数。

优选地，所述三维传感器阵列分组布置的计算方式，均可推广到三维传感器阵列等间隔均匀布置的计算方式中。

优选地，所述推广过程为：三维传感器阵列分组布置的计算方式中分组做差分的规则，可在三维传感器阵列等间隔均匀布置的计算方式中用相邻的四个三维传感器做同样规则的差分运算来替代。

优选地，所述利用最优化算法选取LM算法。

运用LM算法算出目标函数总误差最小时对应的(a,b,c,m,n,p)的值即为待定位的胶囊内窥镜的方位信息，具体步骤如下：

(a)取初始点p₀,终止常数ε,计算ε₀＝||E_i-E||,其中E_i为依据测量值计算的理想误差值，E为式(38)构造的误差函数；设最大迭代次数count＝300,λ₀＝10^-3,v＝2,开始迭代步数k＝0；

(b)计算Jocabi矩阵，由式(26)-(37)对参数(a,b,c,m,n,p)分别求偏导数构成；

(c)求解增量方程δ_k,具体为：

(1)当||E_i-E(p_k+δ_k)||<ε,令p_k+1＝p_k+δ_k,若||δ_k||<ε,停止迭代，否则，令λ_k+1＝λ_k/v,返回步骤(b)；

(2)当||E_i-E(p_k+δ_k)||≥ε,令λ_k+1＝λ_k·v,重新解增量方程后，返回步骤(a)。

本发明有效地克服了人在运动过程中地磁变化对定位精度造成的影响，能以较高的精度确定胶囊内窥镜的位置及方向信息。可用于可穿戴式传感器阵列。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于差分信号的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过布置在人体外的三维传感器阵列对胶囊内窥镜的磁场强度进行测量，得到磁场强度数据；

步骤2：将三维传感器阵列得到的磁场强度数据进行滤波处理，消除传输噪声；

步骤3：将滤波后的磁场强度数据按照规则进行差分运算；

步骤4：依据磁偶极子模型构建目标函数表达式；

步骤5：利用最优化算法对步骤4中构造的目标函数进行求解，解出胶囊内窥镜的位置及方向信息，实现对胶囊内窥镜的定位。

2.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，在所述步骤2中，三维传感器阵列在某一时刻会对磁场值进行多次测量，对所测量数据进行滤波处理，所述滤波处理采用均值滤波。

3.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，三维传感器阵列包括多个三维传感器，多个三维传感器的布置方式包括分组布置方式和等间距均匀布置方式，所述分组布置方式是指采用一定数量的同型号三维传感器作为一组，进行分组布置，其中每组三维传感器以一定距离等间隔分别进行横向与纵向布置，形成规则布置的三维传感器阵列；等间距均匀布置方式是指多个三维传感器在同一平面内等间隔均匀布置。

4.根据权利要求3所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对分组布置方式，对同一组相邻的三维传感器均值滤波后的数据按顺序差分：B_m12＝B_m1-B_m2；B_m23＝B_m2-B_m3；B_m34＝B_m3-B_m4；B_m41＝B_m4-B_m1；

其中，1、2、3、4代表同一组中四个三维传感器按顺时针或者逆时针的编号，B_m12表示1、2号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m23表示2、3号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m34表示3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m41表示4、1号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m1、B_m2、B_m3、B_m4分别表示1、2、3、4号三维传感器的测量值滤波后的数值。

5.根据权利要求3所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，步骤3中将滤波后的磁场强度数据进行差分运算的规则如下：针对等间距均匀布置方式，对相邻的四个三维传感器做差分运算：B_m67＝B_m6-B_m7；B_m78＝B_m7-B_m8；B_m89＝B_m8-B_m9；B_m96＝B_m9-B_m6；B_m67表示表示6、7号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m78表示7、8号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m89表示8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值之差,B_m96表示9、6号三维传感器的测量值滤波后的数值之差，B_m6,B_m7,B_m8,B_m9分别表示6、7、8、9号三维传感器的测量值滤波后的数值。

6.根据权利要求3所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，步骤4中，依据磁偶极子模型构建目标函数表达式过程为：针对分组布置方式，

其中，以三维传感器阵列所在平面为XOY平面，与三维传感器Z轴相同方向为Z轴建立三维传感器阵列坐标系；a、b、c为胶囊内窥镜在三维传感器阵列坐标系中的坐标，m、n、p为胶囊内窥镜磁场方向，(x_jr,y_jr,z_jr)为第j组中编号为r的三维传感器的坐标，B_irqx_j,B_irqy_j,B_irqz_j表示第j组三维传感器中编号为r与q的三维传感器依据磁偶极子模型计算出的磁场强度值的差值；R_jr为第j组中编号为r的三维传感器到胶囊内窥镜的距离，

并且上述参数m,n,p满足：m²+n²+p²＝1；N为三维传感器阵列中传感器的总组数；E为建立的目标函数。

7.根据权利要求6所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述最优化算法为LM算法。

8.根据权利要求7所述的胶囊内窥镜实时定位方法，其特征在于，在所述步骤5中，运用LM算法算出目标函数总误差最小时对应的a、b、c、m、n、p的值即为待定位的胶囊内窥镜的方位信息，具体步骤如下：

步骤a：取初始点p₀,终止常数ε,计算ε₀＝||E_i-E||,其中E_i为依据测量值计算的理想误差值，E为误差函数；设最大迭代次数count＝300,λ₀＝10^-3,v＝2,开始迭代步数k＝0；

步骤b：计算Jocabi矩阵，由对参数a、b、c、m、n、p分别求偏导数构成；步骤c：求解增量方程δ_k,具体为：

(1)当||E_i-E(p_k+δ_k)||<ε,令p_k+1＝p_k+δ_k,若||δ_k||<ε,停止迭代，否则，令λ_k+1＝λ_k/v,返回步骤b；

(2)当||E_i-E(p_k+δ_k)||≥ε,令λ_k+1＝λ_k·v,重新解增量方程后，返回步骤c。

Images