CN112230185B - 一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法，首先根据已知的3个基站的位置坐标，由TOA射频定位算法计算出2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标，并构建6个等式；然后利用无线胶囊内在2个相邻状态下的测量距离差和实际距离差构建1个等式；最后联立上述构建的共7个等式，求解出2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标。本发明能够有效解决时间延迟引起的定位误差问题，以提高其定位精度。

Description

一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法

技术领域

本发明涉及无线胶囊定位技术领域，具体涉及一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法。

背景技术

无线胶囊内窥镜(WCE)在卷曲、长而紧凑的小肠内的精确定位一直是研究人员十多年来面临的难题。在无线胶囊内窥镜的定位方法中，主要采用了磁定位算法和射频定位算法。

磁定位算法又包含了永磁体定位技术和电磁定位技术。基于磁定位的算法其主要问题为：无线胶囊内窥镜与接收信号的传感器之间的距离高度敏感，磁偶极子模型存在较大的定位误差；同时还需要额外的能量来及激发磁场，从而增加了定位技术的成本。

射频定位算法主要包括RSS射频定位技术(Received Signal Strength，接收强度)和TOA射频定位技术(time of arrival，到达时间)。基于RSS的射频定位算法通过测量无线胶囊内窥镜发射信号的信号强度，并基于信道衰减模型判断出无线胶囊内窥镜的位置。虽然利用现有的医用植入式通信波段(MICS)内的无线电传播信号衰减模型，能够提高RSS定位技术的精度，但是基于RSS的定位技术仍然不能突破10cm以下的精度，因此并不适用于临床应用。基于TOA的定位算法利用了均匀液体和人体形态模型等模拟人体环境，采用时域有限差分法(FDTD)模拟无线电在人体中的传播确定了TOA射频定位技术在无线胶囊内窥镜定位中的可用性，其定位精度能达到4cm左右，虽然比RSS定位精度好要，但仍然不能支持在临床治疗中的应用。

发明内容

本发明所要解决的是现有无线胶囊内窥镜的定位方法存在定位误差的问题，提供一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法，包括步骤如下：

步骤1、根据已知的3个基站的位置坐标(x_s1,y_s1,z_s1)，(x_s2,y_s2,z_s2)和(x_s3,y_s3,z_s3)，由TOA射频定位算法计算出2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)和(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)，并构建如下6个等式：

步骤2、利用无线胶囊内在2个相邻状态下的测量距离差和实际距离差，测量距离差为2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)和(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)之间的距离，实际距离差为2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_i,y_i,z_i)和(x_i+1,y_i+1,z_i+1)之间的距离，构建如下等式：

(x_ideal,i+1-x_ideal,i)²+(y_ideal,i+1-y_ideal,i)²+(z_ideal,i+1-z_ieal,i)²＝(x_i+1-x_i)²+(y_i+1-y_i)²+(z_i+1-z_i)²

步骤3、联立步骤1和步骤2的共7个等式，求解出2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_i,y_i,z_i)和(x_i+1,y_i+1,z_i+1)即为无线胶囊内窥镜的精确定位结果；

式中，C_avg表示无线胶囊内窥镜信号在人体中的传播速度；t_p表示无线胶囊内窥镜的延迟时间；RS_1,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第1个基站的距离，RS_1,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第1个基站的距离；RS_2,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第2个基站的距离，RS_2,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第2个基站的距离；RS_3,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第3个基站的距离，RS_3,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第3个基站的距离；(x_s1,y_s1,z_s1)表示第1个基站的位置坐标，(x_s2,y_s2,z_s2)表示第2个基站的位置坐标，(x_s3,y_s3,z_s3)表示第3个基站的位置坐标；(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)表示第i个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标，(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)表示第i+1个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标；(x_i,y_i,z_i)表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标，(x_i+1,y_i+1,z_i+1)表示第i+1个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标；i表示状态数，i＝1,2,…。

上述步骤3在联立求解步骤1和步骤2的共7个等式时，所求解出的无线胶囊内窥镜的延迟时间t_p只取正值。

与现有技术相比，本发明基于现有TOA定位算法进行改进，提出一种基于TOA的胶囊内窥镜中的高精度定位方法，其能够有效解决时间延迟引起的定位误差问题，以提高其定位精度。

附图说明

图1为一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法的流程图。

图2为本发明所提出的定位算法模型示意图。

图3为距离差相等模型示意图。

具体实施方式

由于TOA定位技术采用测距的方法来计算无线胶囊内窥镜的位置信息，因此在接收传感器与无线胶囊内窥镜时间严格同步的情况下，其定位精度将与传感器接收到的测量时间有关。在对该测量时间进行分析后，传感器接收到的测量时间包含了无线胶囊内窥镜的时间延迟信息，该时间延迟对TOA的定位精度存在一定的影响，因此我们提出了一种改进的定位算法，解决由于时间延迟引起的定位误差问题。

假设接收无线胶囊内窥镜信号的各个传感器时间同步，并且无线胶囊内窥镜与传感器之间同样严格同步。传感器接收无线胶囊内窥镜信号的时间记为T_k，由于无线胶囊内窥镜存在一定的时间延迟，因此TOA的测量时间模型为：

T_k＝t_k+t_p (1)

其中，T_k表示第k个传感器接的测量时间，k＝1，2，3…K，表示传感器的个数。t_k表示无线胶囊内窥镜信号传输到传感器所需要的时间，t_p表示无线胶囊内窥镜的延迟时间。

根据物理速度运算公式，即可得出WCE与传感器之间的测量距离R_k为：

R_k＝c_avgT_k＝c_avg(t_k+t_p)＝c_avgt_k+c_avgt_p＝r_k+Δd (2)

其中，C_avg为无线胶囊内窥镜信号在人体中的传播速度。r_k为无线胶囊内窥镜到第k个传感器之间的直接距离，Δd表示由无线胶囊内窥镜的时间延迟引起的测距误差。

假设无线胶囊内窥镜的坐标为(x,y,z)，传感器的坐标为(x_k,y_k,z_k)，并且传感器的坐标可知。通过以下的几何公式即可计算出无线胶囊内窥镜的坐标。

但在实际的应用中，只有T_k为已知信息，因此传统的TOA算法计算无线胶囊内窥镜的位置坐标通过下式计算：

由该式计算的无线胶囊内窥镜坐标包含了测距误差Δd，影响其坐标的准确性。

在以上的情况下，根据TOA定位算法原理，利用R_k分别计算出第i个状态和第i+1个状态下WCE_i和WCE_i+1的坐标，i＝1，2，3…M表示无线胶囊内窥镜的运动状态，则R_k,i表示第i个状态下WCE_i到第k个基站的测量距离，R_k,i+1表示第i+1个状态下WCE_i+1到第k个基站的测量距离。

去掉由时间延迟引起的测距误差Δd后，估计出第i个状态和第i+1个状态下WCE_i′和WCE_i+1′的位置(即坐标信息)，r_k,i表示第i个状态下WCE_i′到第k个基站的直接距离，r_k,i+1表示第i+1个状态下WCE_i+1′到第k个基站的直接距离。

由于无线胶囊内窥镜的采样周期非常短，一般不超过1秒，所以无线胶囊内窥镜的两个相邻状态之间的距离间隔非常小。因此，可以近似认为无线胶囊内窥镜在采样周期内以恒定的速度运动，其在采样周期内的运动轨迹近似为直线。假设在相邻两个状态之间的无线胶囊内窥镜的速度为v，采样周期为t，(t≤1s)，则WCE_i到WCE_i+1的运动速度等于WCE_i′到WCE_i+1′的运动速度。

表示WCE_i到WCE_i+1的距离，/>

表示WCE_i′到WCE_i+1′的距离。则

因此

假设WCE_i的坐标为X_i＝[x_i,y_i,x_i]^T，WCE_i+1的坐标为X_i+1＝[x_i+1,y_i+1,x_i+1]^T，公式(4)可写成：

AX_i＝b_i (9)

其中

同理可得：

AX_i+1＝b_i+1 (13)

以上公式皆根据TOA算法原理推出，已知WCE_i和WCE_i+1的坐标，即可推出矩阵A、b_i和b_i+1。

假设WCE_i′的坐标为X'_i＝[x'_i,y'_i,z'_i]^T，WCE_i+1′的坐标为X'_i+1＝[x'_i+1,y'_i+1,z'_i+1]^T，公式(3)可写成：

AX'_i＝b'_i (16)

同理可得

AX'_i+1＝b'_i+1 (18)

WCE_i′和WCE_i+1′为WCE_i和WCE_i+1去掉测距误差Δd后的估计位置，r_k,i为未知量。根据公式(3)，无线胶囊内窥镜到传感器基站的测量距离与直接距离的关系为：

因此b'_i与b'_i+1可写成：

b'_i＝L_i-H_it_p-K_i (21)

b'_i+1＝L_i+1-H_i+1t_p-K_i (22)

其中

根据公式(7)可得出：

联立公式(21)、(22)和(29)计算出时间延迟t_p。将t_p带入(21)(22)后，根据公式(16)(18)，利用加权最小二乘法计算出X'_i＝[x'_i,y'_i,z'_i]^T与X'_i+1＝[x'_i+1,y'_i+1,z'_i+1]^T。

基于上述分析，本发明所提出的一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法，如图1所示，其具体包括步骤如下：

步骤1：根据已知的3个基站的位置坐标，由TOA射频定位算法计算出2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标，并构建如下6个等式：

图2为本发明所提出的定位算法模型，其中BS为基站，BS(x，y，z)为基站坐标。用i和i+1表示无线胶囊内窥镜相邻的两个状态，相邻的两个状态表示无线胶囊内窥镜经过一定的时间间隔从第i个状态走到第i+1个状态。用WCE_ideal表示利用TOA定位算法定位出的无线胶囊内窥镜的位置，用WCE表示要求出的不包含固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置，其中固定延时误差的产生是脉冲经过人体组织时产生的时间误差，且固定延时误差只能表示无线胶囊内窥镜到基站的一部分误差。

根据已知的三个基站坐标BS₁(x_s1,y_s1,z_s1)，BS₂(x_s2,y_s2,z_s2)，BS₃(x_s3,y_s3,z_s3)，由TOA定位算法计算出的两个相邻状态下的无线胶囊内窥镜的位置坐标WCE_ideal,i(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)，WCE_ideal,i+1(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)。利用公式(1)(2)(3)可以得到同一状态下具有固定延时误差和不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜分别与三个基站之间的距离关系，关系为固定延时t_p乘于脉冲速度C_avg加上不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到基站的距离RS_k，m等于具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到基站的距离，其中k表示基站，m表示无线胶囊内窥镜的状态。一共具有两种相邻状态的无线胶囊内窥镜的位置坐标WCE_ideal,i(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)，WCE_ideal,i+1(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)和三个基站坐标BS₁(x_s1,y_s1,z_s1)，BS₂(x_s2,y_s2,z_s2)，BS₃(x_s3,y_s3,z_s3)，可以列出六个等式，其中未知数为分别在两种不同状态下不具有固定延时误差的WCE的位置坐标WCE_i(x_i,y_i,z_i)，WCE_i+1(x_i+1,y_i+1,z_i+1)和固定延时t_p。其中C_avg为脉冲传播速度。

步骤2：利用无线胶囊内在2个相邻状态下的测量距离差和实际距离差，构建如下等式：

如图3所示，M_i和M_i+1分别表示图2中的WCE_ideal,i和WCE_ideal,i+1。M’_i和M'_i+1分别表示图2中的WCE_i和WCE_i+1。在一定时间内可以将无线胶囊内窥镜的运动看做匀速直线运动，则两种相邻状态下的测量距离差和实际距离差相等，其中测量距离差为坐标WCE_ideal,i(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)到坐标WCE_ideal,i+1(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)之间的距离。实际距离差为坐标WCE_i(x_i,y_i,z_i)到坐标WCE_i+1(x_i+1,y_i+1,z_i+1)之间的距离。

步骤3：联立步骤1和步骤2的共7个等式即式(30)和(31)，求解出2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标。

根据上述两个步骤的等式，已知的三个基站的坐标和由TOA算法定位出的具有固定延时的无线胶囊内窥镜的位置坐标，可以计算出固定延时t_p和不具有固定延时的无线胶囊内窥镜的位置坐标WCE_i(x_i,y_i,z_i)和WCE_i+1(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，其中计算出来的t_p有正负两个结果，只取正值。

另外，根据求出的不具有固定延时的无线胶囊内窥镜的位置坐标，可以计算出这个算法的均方根误差。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、根据已知的3个基站的位置坐标(x_s1,y_s1,z_s1)，(x_s2,y_s2,z_s2)和(x_s3,y_s3,z_s3)，由TOA射频定位算法计算出2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)和(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)，并构建如下6个等式：

步骤2、利用无线胶囊内在2个相邻状态下的测量距离差和实际距离差，测量距离差为2个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)和(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)之间的距离，实际距离差为2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_i,y_i,z_i)和(x_i+1,y_i+1,z_i+1)之间的距离，构建如下等式：

(x_ideal,i+1-x_ideal,i)²+(y_ideal,i+1-y_ideal,i)²+(z_ideal,i+1-z_ieal,i)²＝(x_i+1-x_i)²+(y_i+1-y_i)²+(z_i+1-z_i)²

步骤3、联立步骤1和步骤2的共7个等式，求解出2个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标(x_i,y_i,z_i)和(x_i+1,y_i+1,z_i+1)；

式中，C_avg表示无线胶囊内窥镜信号在人体中的传播速度；t_p表示无线胶囊内窥镜的延迟时间；RS_1,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第1个基站的距离，RS_1,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第1个基站的距离；RS_2,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第2个基站的距离，RS_2,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第2个基站的距离；RS_3,i表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第3个基站的距离，RS_3,i+1表示第i+1个状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜到第3个基站的距离；(x_s1,y_s1,z_s1)表示第1个基站的位置坐标，(x_s2,y_s2,z_s2)表示第2个基站的位置坐标，(x_s3,y_s3,z_s3)表示第3个基站的位置坐标；(x_ideal,i,y_ideal,i,z_ideal,i)表示第i个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标，(x_ideal,i+1,y_ideal,i+1,z_ideal,i+1)表示第i+1个相邻状态下无线胶囊内窥镜的位置坐标；(x_i,y_i,z_i)表示第i个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标，(x_i+1,y_i+1,z_i+1)表示第i+1个相邻状态下不具有固定延时误差的无线胶囊内窥镜的位置坐标；i表示状态数，i＝1,2,…。

2.根据权利要求1所述的一种应用于胶囊内窥镜中的高精度定位方法，其特征是，步骤3在联立求解步骤1和步骤2的共7个等式时，所求解出的无线胶囊内窥镜的延迟时间t_p只取正值。

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