CN112493970B - 无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统 - Google Patents

无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例适用于医用检查检验仪器及服务技术领域，提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统，所述方法包括：从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列，所述当前磁场由无线胶囊内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成；基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。采用上述方法，可以对无线胶囊内窥镜进行准确的定位。

Description

无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统
技术领域
本申请属于医用检查检验仪器及服务技术领域，特别是涉及一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统。
背景技术
无线胶囊内窥镜是一种无痛苦的、非侵入性的内镜技术，也是目前对消化道进行完整检查的重要技术手段。例如，无线胶囊内窥镜可以完整地检查病人小肠，这是传统胃镜和传统肠镜都无法到达的区域。
通常，无线胶囊内窥镜只有一颗胶囊的大小，病人可以吞下胶囊。由于它搭载有照明模块、相机模块、图像处理模块、无线传输模块等，在进入病人消化道后，胶囊可以在病人体内进行图像拍摄并将图像实时地传输到体外。医生可以根据接收到的图像进行疾病诊断。
但是，现有的无线胶囊内窥镜在人体内主要依靠肠道的自然蠕动前进，胶囊不受外部控制。当医生通过接收到的图像发现了病变区域时，无法对此刻胶囊在人体肠道中的位置做出准确的判断。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统，以解决现有技术中无法准确地对无线胶囊内窥镜进行定位的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法，包括：
从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列，所述当前磁场由无线胶囊内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成；
基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
本申请实施例的第二方面提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位装置，包括：
传感器子阵列激活模块，用于从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
本申请实施例的第三方面提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位系统，包括无线胶囊、数据处理设备、检查床，以及设置于所述检查床下方的磁传感器阵列、安装于所述检查床预设位置的机械臂，所述无线胶囊内配置有永磁环，所述永磁环的充磁方向与胶囊轴线方向正交，所述机械臂的末端配置有体外驱动器，所述体外驱动器包含一电机和体外永磁铁，所述电机与所述体外永磁铁刚性连接，所述体外永磁铁的磁矩方向与所述电机旋转时的轴线正交，所述体外永磁铁与所述永磁环相互作用生成磁场；所述数据处理设备包括如下模块：
传感器子阵列激活模块，用于从所述磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
本申请实施例的第四方面提供了一种数据处理设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
本申请实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
本申请实施例的第六方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行上述第一方面所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：
本申请实施例，可以配置一大型磁传感器阵列，然后从该磁传感器阵列中激活传感器子阵列，用于测量由无线胶囊内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成的磁场，极大地增加了检查时的工作空间；基于已激活的传感器子阵列，可以首先计算出无线胶囊的五维位姿，然后在此基础上，确定胶囊位姿的第六维，有助于提高无线胶囊定位的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位系统的示意图；
图2是本申请一个实施例的一种体外驱动器的示意图；
图3是本申请一个实施例的一种无线胶囊的内部结构示意图；
图4是本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的步骤流程示意图；
图5是本申请一个实施例的另一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的步骤流程示意图；
图6(a)是本申请一个实施例的一种传感器排布方式示意图；
图6(b)是本申请一个实施例的另一种传感器排布方式示意图；
图7是本申请一个实施例的一种仿真测试的示意图；
图8是本申请一个实施例的一种目标排布方式的示意图；
图9是本申请一个实施例的一种被激活的传感器子阵列的示意图；
图10是本申请一个实施例的一种基于自适应激活的传感器子阵列的无线胶囊定位过程示意图；
图11是本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的示意图；
图12是本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位装置的示意图；
图13是本申请一个实施例的一种数据处理设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
目前，无线胶囊内窥镜在人体内主要依靠肠道的自然蠕动前进，胶囊不受外部控制。当医生发现疑似病变区域后，不能准确地对胶囊进行定位。针对上述问题，相关研究人员提出了多种用于对无线胶囊内窥镜进行定位的方法。这些方法一般基于电磁铁或永磁铁进行设计。例如，有研究人员提出通过使用若干个电磁铁组成的阵列产生的磁场来控制胶囊的运动，但是这种方法与基于永磁铁的方法相比，所需的设备通常非常庞大，造价昂贵，能耗较高；而且在采用这种方法控制胶囊运动时，其工作空间较小，一般难以容纳整个腹部，无法对消化道进行完整的检查。基于永磁铁的技术方案也有很多。一般来说，基于永磁铁的技术方案都是一个内嵌永磁铁的胶囊被一个体外永磁铁驱动，它们的叠加磁场被磁传感器测量，磁铁的五维位姿可以通过磁偶极子模型求解得到。但是，这些基于永磁铁的技术方案的最大挑战是用于驱动的永磁铁的磁场会对定位结果产生不期望的影响，降低定位的准确性。
在许多研究工作中，有研究人员使用了一种有特殊内部结构的胶囊。通过在这种胶囊中放置一个小型永磁铁，并在它周围特定的六个位置上放置一个磁传感器，这种特殊的排布方式恰好能使这六个传感器无法测量到胶囊中这个小型永磁铁的磁场，只能测量到外部大的永磁铁的磁场。因此，就可以通过胶囊内六个传感器的磁场读数，求解出胶囊相对于体外大永磁铁的位姿。在这种特殊设计的胶囊的基础上，还有研究人员提出使用体外永磁铁以拖拉的方式吸引胶囊运动。但是，肠道是细长收缩的，胶囊难以在肠道中被拖拉。因为作用在胶囊上的磁力矩跟胶囊与体外永磁铁之间距离的三次方成反比，而作用在胶囊上的磁力跟胶囊与体外永磁铁之间距离的四次方成反比，所以显然随着胶囊与体外永磁铁之间距离的增加，作用在胶囊上的磁力矩的衰减比磁力慢得多。因此，又有研究人员提出将胶囊外壳外壁制作成螺旋状，再用旋转永磁铁产生旋转磁场，使得胶囊旋转前进或后退。但以上两种方案中，胶囊内除了原本需要安装的相机、照明、无线收发模组后，还需要安装新的高频耗电模组，所以这必然占用了胶囊内宝贵的体积，增大了电能的消耗。
在另一些研究工作中，有研究人员提出将内部传感器阵列移动到胶囊外，然后开发了基于积分滤波的方法把体外永磁铁的磁场从叠加磁场中滤除，再用剩余磁场计算胶囊的位姿。这样显然大大缩小了胶囊尺寸并降低了胶囊功耗，胶囊所需的改装也较少。但是这种方法明显降低了胶囊的定位频率。还有研究人员开发了一种多磁目标定位技术，可以对多个永磁铁进行建模，然后用磁传感器测量叠加磁场，直接解算多个永磁体的位姿，这样虽然极大地提高了定位频率。但是，采用该技术时，工作空间由外部传感器阵列的规模大小决定，而且传感器的数量和排布的密度都将影响定位精度；其次，胶囊在体内推进的鲁棒性容易受到环境的影响，需要特别研究在复杂环境中(特别是大曲率锐角转弯处)胶囊的运动特点。
在一些研究工作中，还可以在无线胶囊内窥镜定位系统中使用无线电信号定位和视觉定位。其中，无线电信号定位技术是用人体外的传感器阵列获取胶囊发出的无线电信号强度来定位，但是这种定位的结果误差较大。而视觉定位是通过图像识别算法或深度学习制作的视觉里程计来预测胶囊的位置，这种定位技术在不同的环境中得到的定位结果误差也相差较大。无线电信号定位和视觉定位暂未成为无线胶囊内窥镜定位系统的主流选择。
因此，针对上述问题，本申请实施例提出了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法及系统，采用上述方法及系统，即使在大范围复杂环境中，也能够实现对无线胶囊的精确定位。
下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。
参照图1，示出了本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位系统的示意图，该系统由检查床101、磁传感器阵列102、机械臂103、无线胶囊104和数据处理设备(图中未示出)组成。其中：
磁传感器阵列位于检查床下方，用于定位人体内无线胶囊的位置，磁传感器阵列为矩阵排布。
机械臂安装于检查床的预设位置。例如，机械臂可以安装于检查床附近便于对病人进行检查的位置。如图1所示，机械臂的末端配置有体外驱动器1031。在工作时，体外驱动器位于检查床上方，用于驱动人体内的无线胶囊。
如图2所示，是本申请一个实施例的一种体外驱动器的示意图。图2中的体外驱动器包含一电机201和体外永磁铁202。电机和体外永磁铁刚性连接。体外永磁铁能绕电机旋转的轴线旋转。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，体外永磁铁可以是球形永磁铁。需要说明的是，不论体外永磁铁是什么形状，在本申请实施例的应用场景下，都可以将其建模成一个单独的没有形状的磁偶极子，这被称为永磁铁的磁偶极子模型。但是，由于模型磁场和真实磁场之间有一定的误差，而球形永磁铁的模型磁场与真实磁场之间的误差是所有形状中最小的，因此使用球形永磁铁可以降低后续定位的误差。
由于本申请实施例采用旋转驱动，体外永磁铁旋转产生旋转磁场，胶囊也应跟着旋转。因此，安装体外永磁铁时，可以将其磁矩方向与电机的旋转轴线正交。这样，电机旋转时，体外永磁铁的磁矩就会旋转，也就产生了旋转磁场。
在本申请实施例中，无线胶囊除配置有传统的图像传感器、无线信号收发模块、微处理模块、纽扣电池外，还增加了永磁环，即图3所示的无线胶囊的内部结构示意图中被胶囊外壳301包裹的环形永磁铁302。现有技术中的无线胶囊通常采用立方体实心永磁铁或者圆柱实心永磁铁，这样的实心永磁铁占据了胶囊内宝贵的空间，本申请实施例通过使用环形永磁铁，极大地减少了对胶囊内空间的占用。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，无线胶囊内的永磁环的充磁方向与胶囊轴线方向(即图3中的AA方向)正交。通常，在胶囊内放置永磁铁都是为了能够驱动和定位胶囊。在现有技术中，胶囊内永磁铁的充磁方向一般就是胶囊的轴线方向，这种处理方式使得在后续工作中能够较为容易地判定胶囊的轴线方向，也就是胶囊的头部方向。但这也导致了无法沿着胶囊轴线旋转胶囊。本申请实施例通过使永磁环的充磁方向与胶囊轴线正交，这样能使胶囊在旋转磁场作用下沿着胶囊轴线旋转并驱动胶囊。
在本申请实施例中，数据处理设备可以是配置于检查床附近的一台通用计算机。该计算机可以由工作人员操作，用于对机械臂和电机发出控制指令，采集处理磁传感器阵列测量的磁场数据，显示当前胶囊的定位追踪结果。
数据处理设备内可储存有自适应同时驱动与定位的程序和算法。通过对体外驱动磁铁(体外永磁铁)、胶囊内被动磁铁(永磁环)的叠加磁场的建模，以及对两个磁铁交互作用的建模，对胶囊进行同时驱动控制和定位跟踪。
此外，本申请实施例通过在检查床下方设置一大型的磁传感器阵列，极大地增加了工作空间。但是，在每次定位时，本申请实施例只需激活其中若干个传感器。本申请实施例通过探究传感器子阵列的最佳排布方式，可以以最佳传感器子阵列的排布从大型磁传感器阵列中激活若干传感器，从而在保持高定位频率、高定位精度的同时，有效地扩大工作空间，降低系统功耗。
参照图4，示出了本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的步骤流程示意图，具体可以包括如下步骤：
S401、从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列，所述当前磁场由无线胶囊内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成。
需要说明的是，本方法可以应用于前述无线胶囊内窥镜的追踪定位系统，本方法所介绍的各个步骤可以由前述系统中的数据处理设备执行。即，本申请实施例的执行主体为上述数据处理设备，基于数据处理设备的控制指令，激活传感器子阵列，从而测量磁场数据，完成无线胶囊定位位姿的计算。
在本申请实施例中，检查时，病人在吞咽下无线胶囊后，应平躺于检查床上，无线胶囊内包含的永磁环和体外驱动器中的永磁铁相互作用生成磁场。为了对该磁场的磁场数据进行测量，可以从磁传感器阵列中激活若干传感器，构成传感器子阵列。
在本申请实施例中，被激活用于构成传感器子阵列的传感器可以是磁传感器阵列中的部分传感器，也可以是全部传感器。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，可以激活部分传感器构成传感器子阵列。例如，在开始检查时，可以随机激活部分传感器，通过被激活的传感器初步确定无线胶囊在人体内的位置。然后，在后续的检查过程中，根据无线胶囊所处的位置，激活该位置附近的部分传感器。通过循环执行上述步骤，在无线胶囊处于人体内不同位置时，分别激活不同的传感器构成传感器子阵列，从而完成整个检查。
在本申请实施例的另一种可能的实现方式中，被激活的部分传感器可以按照固定的排布方式进行排布。例如，基于无线胶囊所处的不同位置，对应激活的部分传感器的数量是相同的，且这些传感器的排布方式也是相同的。
在本申请实施例中，可以通过预先试验，从多种不同的排布方式中确定出一种精度最优的排布。然后，每次激活的部分传感器均按照上述精度最优的排布方式进行排布，以便在后续对无线胶囊定位时，获得精度较高的定位结果。
S402、基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向。
在本申请实施例中，被激活的传感器子阵列可以用于测量叠加磁场，该叠加磁场即是体外驱动器中的永磁铁与无线胶囊内的永磁环相互作用形成的磁场。
数据处理设备中可以配置有用于对磁场数据进行处理或计算的程序和算法。例如，多磁目标追踪(multi-object tracking，MOT)算法。数据处理设备可以采用MOT算法对测量得到的磁场数据进行处理，计算出无线胶囊当前的五维位姿。
需要说明的是，对于永磁铁，它在空间中有六维位姿，即三维位置和三维磁矩方向(朝向)。但是由于本申请实施例是通过磁场变化来计算永磁铁的位姿，而永磁铁绕自身磁矩方向旋转，模型磁场是不变化的，所以也就损失了这个自由度。即对于基于磁偶极子模型的永磁铁定位来说，永磁铁只有五维位姿，也就是三维位置和二维磁矩方向。
因此，在本申请实施例中，根据测量得到的磁场数据，可以计算出无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向共五维位姿。然后，在上述三维位置和二维磁矩方向的基础上，可以执行S403，确定出剩下的一维朝向，也就是无线胶囊的第六维位姿。
S403、根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
在本申请实施例中，由于胶囊是旋转驱动的，所以胶囊旋转轴的方向正是前进方向，也就是位姿的第六维。因此，可以对MOT算法进行改进，采用改进型的多磁目标追踪(improvedmulti-object tracking，IMOT)算法，根据无线胶囊的五维位姿计算胶囊位姿的第六维。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，可以分别对计算得到的三维位置和二维磁矩方向进行处理。例如，对三维位置进行处理，得到一个一维朝向，对二维磁矩方向进行处理，得到另一个一维朝向。然后，对上述得到的两个一维朝向进行融合，以融合后的朝向作为无线胶囊的第六维位姿。
在本申请实施例的另一种可能的实现方式中，对分别计算得到的两个一维朝向进行融合时，可以分别赋予两个一维朝向不同的权重值，然后按照该权重值对两个一维朝向进行融合。
融合后得到第六维位姿和上述五维位姿，共同构成了无线胶囊的定位位姿。
在本申请实施例中，可以配置一大型磁传感器阵列，然后从该磁传感器阵列中激活传感器子阵列，用于测量由无线胶囊内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成的磁场，极大地增加了检查时的工作空间；基于已激活的传感器子阵列，可以首先计算出无线胶囊的五维位姿，然后在此基础上，确定胶囊位姿的第六维，有助于提高无线胶囊定位的精准度。
参照图5，示出了本申请一个实施例的另一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的步骤流程示意图，具体可以包括如下步骤：
S501、获取前一次对所述无线胶囊进行定位时得到的历史位姿。
需要说明的是，本方法可以应用于图1所示的无线胶囊内窥镜的追踪定位系统。关于该系统的介绍可以参见前述实施例的描述，在此不再赘述。
在本申请实施例中，在驱动无线胶囊对病人消化道进行检查时，可以首先由病人吞咽下一颗无线胶囊，该无线胶囊可以是将一个永磁环嵌入现有通用的无线胶囊内窥镜中获得。
然后，病人应平躺于图1所示的检查床中，检查床下设置的大型磁传感器阵列中的若干传感器可以被激活，用于测量由图1中体外驱动器中的永磁铁和上述无线胶囊内的永磁环相互作用生成的磁场。
在本申请实施例中，被激活的传感器可以根据前一次对无线胶囊进行定位时得到的历史位姿确定，该历史位姿也就是前一次定位时，无线胶囊的定位位姿。
需要说明的是，在初次定位时，由于没有前一次的历史位姿数据，磁传感器阵列可以根据数据处理设备的指令，随机激活若干传感器，构成传感器子阵列。
S502、根据所述历史位姿，从所述磁传感器阵列中激活预设个数的目标传感器，构成测量所述当前磁场的传感器子阵列。
在本申请实施例中，根据前一次定位得到的定位位姿，可以激活检查床下方的磁传感器阵列中的若干目标传感器，构成测量当前磁场的传感器子阵列。
需要说明的是，上述被激活的若干目标传感器的个数可以预先设置，即每次激活的传感器的格式均是相等的。并且，每次被激活的预设个数的目标传感器的排布方式应当是相同的，即预设个数的目标传感器按照预设的目标排布方式进行排布。
在本申请实施例中，按照目标排布方式排布的预设个数的目标传感器具有最优的定位精度。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，针对检查床下方设置的大型磁传感器阵列，可以预先确定一种具有最优的定位精度的目标排布方式。然后，在后续检查过程中，每次均按照该最优的目标排布方式激活相应的目标传感器。
在本申请实施例中，在确定目标排布方式时，可以首先确定传感器子阵列中待排布的目标传感器个数。然后，基于待排布的目标传感器个数，生成多种待测试的传感器排布方式。通过仿真测试，可以分别测试每种待测试的传感器排布方式的定位精度。最后，可以确定定位精度最优的传感器排布方式为上述目标排布方式。
在具体实现中，可以首先确定每次从磁传感器阵列中激活多少个目标传感器。例如，每次可以激活8个或9个传感器。然后使用基于组合数学的方法来列举所有可能的排布。例如，可以将传感器排布在一个网格中，以方便列举所有的可能性，网格满足绕中心的四重旋转对称。
如图6(a)和图6(b)所示，分别是两种不同的传感器排布方式示意图。根据在每一行每一列可以排布的传感器数量是否为偶数或奇数，可以将网格称为“偶网格”或“奇网格”。其中，图6(a)为偶网格，每行及每列可排布4个传感器，图6(a)每行及每列中实际排布2个传感器；图6(b)为奇网格，每行及每列可排布5个传感器，图6(b)每行及每列中实际排布2个传感器。
需要说明的是，由于稀疏的排布将导致定位精度下降，因此本申请实施例可以不考虑大于6(a)和图6(b)所展示的网格的尺寸。并且，因为对称性的要求，只有四分之一的网格需要被考虑在排布设计中。
对于每一种排布的传感器子阵列，都可以在仿真中测试其定位精度。如图7所示，是本申请一个实施例的一种仿真测试的示意图，其中，Pa、Pc表示无限胶囊在不同位置处的三维位置信息，
Figure BDA0002807629550000121
表示对应位置处无限胶囊内永磁环的磁矩方向。在仿真测试过程中，无线胶囊可以被随机生成在图7所示的盒状区域中，该盒状区域在传感器上方，驱动器的位姿由旋转驱动算法生成。理论合成磁场和附加随机噪音被传感器子阵列所测量，并通过基于磁偶极子模型的多磁目标追踪算法求解出无线胶囊的五维位姿。最终，可以获得具有最优定位精度的排布，即目标排布方式。如图8所示，是本申请实施例的一种具有最优定位精度的目标排布方式的示意图。
在本申请实施例中，在追踪胶囊的过程中，可以以上述预先确定的目标排布方式，实时激活若干传感器，构成传感器子阵列，由被激活的传感器子阵列实时地对叠加磁场进行测量。如图9所示，是本申请一个实施例的一种被激活的传感器子阵列的示意图。在图9中，根据无线胶囊前一次定位时的位姿，可以从磁传感器阵列中按照上述目标排布方式激活若干传感器，构成传感器子阵列。
需要说明的是，在追踪胶囊的过程中，虽然胶囊的位姿是在不断变化的，但是通过仿真确定的最优排布是不变的，而以最优排布激活的传感器子阵列却是变化的。也就是说，通过仿真得到最优排布的这个过程在实际操作中只需执行一次。后续的定位过程中，一直都是采用最优的目标排布方式，在变化的区域内激活一定数量的传感器，组成传感器子阵列。至于接下来的定位流程，也就是一个胶体进行的过程。即：
1)通过前一次胶囊位姿解算的结果，确定激活的传感器子阵列，然后通过激活的传感器子阵列，测量磁场；
2)用测量到的磁场数据，反解出最新的胶囊位姿，此最新位姿又可以用于确定下一次的传感器子阵列。
S503、采用所述传感器子阵列测量所述当前磁场，得到当前磁场数据。
S504、基于所述当前磁场数据计算所述无线胶囊当前的五维位姿。
在本申请实施例中，可以基于经典的MOT算法，根据测量到的叠加磁场，计算出无线胶囊的五维位姿，上述五维位姿包括三维位置和二维磁矩方向。
S505、确定在预设时间段内的多个二维磁矩方向，对所述预设时间段内的多个二维磁矩方向进行法向量拟合，得到第一前进方向。
在本申请实施例中，可以分别对计算得到的三维位置和二维磁矩方向进行处理。例如，对三维位置进行处理，得到一个一维朝向，对二维磁矩方向进行处理，得到另一个一维朝向。然后，对上述得到的两个一维朝向进行融合，以融合后的朝向作为无线胶囊的第六维位姿。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，对二维磁矩方向进行处理的过程可以是对二维磁矩方向进行法向量拟合(NVF)，得到第一前进方向
Figure BDA0002807629550000131
在本申请实施例中，由于胶囊的旋转轴可以视为胶囊的前进方向，而胶囊内永磁环的磁矩方向始终应该与胶囊前进方向正交，所以可以通过一段时间内多次磁矩方向的共同法向量拟合出无线胶囊的前进方向。
需要说明的是，当无线胶囊的运动速度相对较慢时，NVF算法能以高精度估计胶囊的前进方向，但是当无线胶囊速度变大时，由于在多次测量中，胶囊的移动方向可能已经改变，因此NVF的精度在逐渐下降。
S506、对所述三维位置进行贝兹曲线拟合，得到第二前进方向。
在本申请实施例中，对三维位置的处理可以采用贝兹曲线拟合并计算导数(BCG)的方式进行，从而得到第二前进方向
Figure BDA0002807629550000132
通常，BCG算法使用贝兹曲线来拟合无线胶囊在一段时间内的位置轨迹，在轨迹末端的方向导数可以被用于估计当前的移动方向。因此，在本申请实施例中，可以采用贝兹曲线将预设时间段内的三维位置拟合为位置轨迹，通过计算该置轨迹的轨迹末端的方向导数，从而使用计算得到的方向导数表征第二前进方向。
在具体实现中，可以使用高斯混合模型(GMM)结合期望-最大化(EM)算法对轨迹中的位置点聚类为三个控制点P0、P1、P2，再用这三个控制点生成一条光滑的二次贝兹曲线来拟合胶囊的轨迹。胶囊的移动方向就可以用曲线末端的导数来表示。
需要说明的是，当无线胶囊高速运动时，BCG算法可以以高精度估计胶囊的前进方向，但是当胶囊移动缓慢时，由于BCG算法对位置噪音的敏感度较大，BCG算法的定位误差也会变大。
由于NVF算法是利用了二维的姿态信息序列，而BCG算法是利用了三维的位置信息序列，两者的计算过程是解耦的，因此上述S505和S506步骤可以同时进行。
S507、对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行球面线性插值，得到所述无线胶囊的前进方向，将所述前进方向作为所述无线胶囊的所述第六维位姿。
在使用NVF算法计算出无线胶囊的第一前进方向
Figure BDA0002807629550000141
使用BCG算法计算出无线胶囊的第二前进方向
Figure BDA0002807629550000142
后，由于有了两个不一致的前进方向，因此需要对第一前进方向和第二前进方向进行加权融合，得到最终的前进方向。
在本申请实施例中，可以使用球面线性差值(SLI)，对第一前进方向
Figure BDA0002807629550000143
和第二前进方向
Figure BDA0002807629550000144
进行融合，得到最终的前进方向
Figure BDA0002807629550000145
SLI算法可以根据无线胶囊的运动速度，自适应地给定两个前进方向的权重值。
因此，在使用SLI算法对第一前进方向和第二前进方向进行融合时，可以首先无线胶囊当前的运动速度，然后根据运动速度分别确定第一前进方向和第二前进方向的权重值。需要说明的是，第一前进方向的权重值随运动速度的增加而减小，而第二前进方向的权重值随运动速度的增加而增大。即，当无线胶囊运动速度较快时，BCG的权重值增大，而NVF的权重值减小；当无线胶囊的速度变慢时，BCG的权重值变小，而NVF的权重值变大。最后，可以按照上述确定的权重值，对第一前进方向和第二前进方向进行加权融合，得到融合后的无线胶囊的前进方向。如此，无论胶囊的速度快慢，经过SLI融合后的结果都能较好地估计无线胶囊的前进方向。
如图10所示，是本申请一个实施例的一种基于自适应激活的传感器子阵列的无线胶囊定位过程示意图。在图10中，当无线胶囊处于某一位置时(例如Pc1处)，基于前一次的历史位姿被激活的传感器子阵列为子阵列1，基于子阵列1的磁场数据，可以计算出无线胶囊当前的五维位姿，并在该五维位姿的基础上确定出第六维位姿。随着无线胶囊在人体内的运动，当无线胶囊的由Pc1移动至Pc2时，基于前一次的历史位姿被激活的传感器子阵列变更为子阵列2，基于子阵列2的磁场数据，又可以计算出无线胶囊在Pc2处的五维位姿，并在该五维位姿的基础上确定出第六维位姿，得到无线胶囊在Pc2处的定位位姿。
为了便于理解，下面结合一个具体的示例，对本申请的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法作一介绍。
如图11所示，是本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位方法的示意图。按照图11所示流程，可以根据无线胶囊前一次定位时得到的历史位姿(Pc及
Figure BDA0002807629550000151
)，激活传感器子阵列。使用上述已激活的传感器子阵列对磁场进行测量，可以获得相应的磁场数据。基于磁场数据，使用多磁目标追踪算法可以计算出无线胶囊当前的五维位姿。对于计算出的五维位姿，可以对其中的二维磁矩方向进行法向量拟合，对三维位置使用贝兹曲线拟合并计算曲线末端导数，分别得到两个前进方向。针对两个不一致的前进方向，可以继续使用球面线性差值对其进行融合，获得无限胶囊的第六维位姿。第六维位姿和前述五维位姿共同构成了无线胶囊当前的定位位姿。新的定位位姿又可以作用下一次定位时激活传感器子阵列的依据。
需要说明的是，在使用无线胶囊的五维位姿确定第六维位姿时，需要判断无线胶囊在外部旋转磁场的作用下绕胶囊轴线旋转的角度
Figure BDA0002807629550000152
是否足够，只有旋转了足够的角度后，才能保证法向量拟合的结果是旋转轴的方向。通常，在实际操作中，只要胶囊在正常的旋转，上述判断其实是一直能够满足的。
在本申请实施例中，通过提供一个大型的磁传感器阵列，极大地增加了工作空间，使得本方法可以适用于具有复杂环境的较大工作空间中。其次，在对无线胶囊进行定位时，本申请实施例只需使用若干个传感器，通过确定传感器子阵列的最优排布方式，通过以最优的传感器子阵列的排布从大型磁传感器阵列中激活若干传感器，可以在极大地扩大工作空间的同时，保持高定位频率和高定位精度。第三，本申请实施例使用的无线胶囊只需将一个永磁环嵌入现有通用的无线胶囊内窥镜中，改装非常简单；外部驱动采用机械臂持一个旋转球形永磁铁来驱动胶囊旋转，体外驱动器的装置也非常简单且易于安装，通过将旋转运动转化为直线运动比直接直线推动更容易克服收缩的肠道的阻力问题。
需要说明的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
参照图12，示出了本申请一个实施例的一种无线胶囊内窥镜的追踪定位装置的示意图，具体可以包括传感器子阵列激活模块1201、五维位姿确定模块1202和第六维位姿确定模块1203，其中：
传感器子阵列激活模块，用于从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
在本申请实施例中，所述传感器子阵列激活模块可以包括如下子模块：
历史位姿获取子模块，用于获取前一次对所述无线胶囊进行定位时得到的历史位姿；
目标传感器激活子模块，用于根据所述历史位姿，从所述磁传感器阵列中激活预设个数的目标传感器，构成测量所述当前磁场的传感器子阵列，所述预设个数的目标传感器按照预设的目标排布方式进行排布；其中，按照所述目标排布方式排布的所述预设个数的目标传感器具有最优的定位精度。
在本申请实施例中，所述目标排布方式通过调用如下模块确定：
目标传感器个数确定模块，用于确定所述传感器子阵列中待排布的目标传感器个数；
传感器排布方式生成模块，用于基于所述待排布的目标传感器个数，生成多种待测试的传感器排布方式；
仿真测试模块，用于通过仿真测试，分别测试每种待测试的传感器排布方式的定位精度；
目标排布方式确定模块，用于确定所述定位精度最优的传感器排布方式为所述目标排布方式。
在本申请实施例中，所述五维位姿确定模块可以包括如下子模块：
当前磁场测量子模块，用于采用所述传感器子阵列测量所述当前磁场，得到当前磁场数据；
五维位姿计算子模块，用于基于所述当前磁场数据计算所述无线胶囊当前的五维位姿。
在本申请实施例中，所述第六维位姿确定模块可以包括如下子模块：
二维磁矩方向确定子模块，用于确定在预设时间段内的多个二维磁矩方向；
法向量拟合子模块，用于对所述预设时间段内的多个二维磁矩方向进行法向量拟合，得到第一前进方向；
贝兹曲线拟合子模块，用于对所述三维位置进行贝兹曲线拟合，得到第二前进方向；
球面线性插值子模块，用于对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行球面线性插值，得到所述无线胶囊的前进方向，将所述前进方向作为所述无线胶囊的所述第六维位姿。
在本申请实施例中，所述贝兹曲线拟合子模块可以包括如下单元：
位置轨迹拟合单元，用于采用所述贝兹曲线将所述预设时间段内的三维位置拟合为位置轨迹；
方向导数计算单元，用于计算所述位置轨迹的轨迹末端的方向导数，所述方向导数用于表征所述第二前进方向。
在本申请实施例中，所述球面线性插值子模块可以包括如下单元：
运动速度确定单元，用于确定所述无线胶囊当前的运动速度；
权重值确定单元，用于根据所述运动速度分别确定所述第一前进方向和所述第二前进方向的权重值，其中，所述第一前进方向的权重值随所述运动速度的增加而减小，所述第二前进方向的权重值随所述运动速度的增加而增大；
前进方向融合单元，用于按照所述权重值，对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行加权融合，得到融合后的所述无线胶囊的前进方向。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
参照图13，示出了本申请一个实施例的一种数据处理设备的示意图。如图13所示，本实施例的数据处理设备1300包括：处理器1310、存储器1320以及存储在所述存储器1320中并可在所述处理器1310上运行的计算机程序1321。所述处理器1310执行所述计算机程序1321时实现上述无线胶囊内窥镜的追踪定位方法各个实施例中的步骤，例如图4所示的步骤S401至S403。或者，所述处理器1310执行所述计算机程序1321时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图12所示模块1201至1203的功能。
示例性的，所述计算机程序1321可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器1320中，并由所述处理器1310执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序1321在所述数据处理设备1300中的执行过程。例如，所述计算机程序1321可以被分割成传感器子阵列激活模块、五维位姿确定模块和第六维位姿确定模块，各模块具体功能如下：
传感器子阵列激活模块，用于从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
所述数据处理设备1300可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述数据处理设备1300可包括，但不仅限于，处理器1310、存储器1320。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是数据处理设备1300的一种示例，并不构成对数据处理设备1300的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述数据处理设备1300还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器1310可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器1320可以是所述数据处理设备1300的内部存储单元，例如数据处理设备1300的硬盘或内存。所述存储器1320也可以是所述数据处理设备1300的外部存储设备，例如所述数据处理设备1300上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等等。进一步地，所述存储器1320还可以既包括所述数据处理设备1300的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器1320用于存储所述计算机程序1321以及所述数据处理设备1300所需的其他程序和数据。所述存储器1320还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
本申请实施例还提供了一种无线胶囊内窥镜的追踪定位系统，包括无线胶囊、数据处理设备、检查床，以及设置于所述检查床下方的磁传感器阵列、安装于所述检查床预设位置的机械臂，所述无线胶囊内配置有永磁环，所述永磁环的充磁方向与胶囊轴线方向正交，所述机械臂的末端配置有体外驱动器，所述体外驱动器包含一电机和体外永磁铁，所述电机与所述体外永磁铁刚性连接，所述体外永磁铁的磁矩方向与所述电机旋转时的轴线正交，所述体外永磁铁与所述永磁环相互作用生成磁场；所述数据处理设备包括如下模块：
传感器子阵列激活模块，用于从所述磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于根据所述三维位置和所述二维磁矩方向，确定所述无线胶囊的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊的定位位姿。
本申请实施例还提供了一种数据处理设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述各个实施例所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述各个实施例所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行前述各个实施例所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位方法。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线胶囊内窥镜的追踪定位装置，其特征在于，应用所述装置执行如下步骤：
从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列，所述当前磁场由无线胶囊内窥镜内包含的永磁环和体外永磁铁相互作用生成；
基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊内窥镜当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊内窥镜的三维位置和二维磁矩方向；
确定在预设时间段内的多个二维磁矩方向，对所述预设时间段内的多个二维磁矩方向进行法向量拟合，得到第一前进方向；
对所述三维位置进行贝兹曲线拟合，得到第二前进方向；
对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行球面线性插值，得到所述无线胶囊内窥镜的前进方向，将所述前进方向作为所述无线胶囊内窥镜的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊内窥镜的定位位姿。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列，包括：
获取前一次对所述无线胶囊内窥镜进行定位时得到的历史位姿；
根据所述历史位姿，从所述磁传感器阵列中激活预设个数的目标传感器，构成测量所述当前磁场的传感器子阵列，所述预设个数的目标传感器按照预设的目标排布方式进行排布；其中，按照所述目标排布方式排布的所述预设个数的目标传感器具有最优的定位精度。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述目标排布方式通过应用所述装置执行如下步骤确定：
确定所述传感器子阵列中待排布的目标传感器个数；
基于所述待排布的目标传感器个数，生成多种待测试的传感器排布方式；
通过仿真测试，分别测试每种待测试的传感器排布方式的定位精度；
确定所述定位精度最优的传感器排布方式为所述目标排布方式。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊内窥镜当前的五维位姿，包括：
采用所述传感器子阵列测量所述当前磁场，得到当前磁场数据；
基于所述当前磁场数据计算所述无线胶囊内窥镜当前的五维位姿。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对所述三维位置进行贝兹曲线拟合，得到第二前进方向，包括：
采用所述贝兹曲线将所述预设时间段内的三维位置拟合为位置轨迹；
计算所述位置轨迹的轨迹末端的方向导数，所述方向导数用于表征所述第二前进方向。
6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行球面线性插值，得到所述无线胶囊内窥镜的前进方向，包括：
确定所述无线胶囊内窥镜当前的运动速度；
根据所述运动速度分别确定所述第一前进方向和所述第二前进方向的权重值，其中，所述第一前进方向的权重值随所述运动速度的增加而减小，所述第二前进方向的权重值随所述运动速度的增加而增大；
按照所述权重值，对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行加权融合，得到融合后的所述无线胶囊内窥镜的前进方向。
7.一种无线胶囊内窥镜的追踪定位系统，其特征在于，包括无线胶囊内窥镜、数据处理设备、检查床，以及设置于所述检查床下方的磁传感器阵列、安装于所述检查床预设位置的机械臂，所述无线胶囊内窥镜内配置有永磁环，所述永磁环的充磁方向与无线胶囊内窥镜轴线方向正交，所述机械臂的末端配置有体外驱动器，所述体外驱动器包含一电机和体外永磁铁，所述电机与所述体外永磁铁刚性连接，所述体外永磁铁的磁矩方向与所述电机旋转时的轴线正交，所述体外永磁铁与所述永磁环相互作用生成磁场；所述数据处理设备包括如下模块：
传感器子阵列激活模块，用于从所述磁传感器阵列中激活测量当前磁场的传感器子阵列；
五维位姿确定模块，用于基于所述传感器子阵列，确定所述无线胶囊内窥镜当前的五维位姿，所述五维位姿包括所述无线胶囊内窥镜的三维位置和二维磁矩方向；
第六维位姿确定模块，用于确定在预设时间段内的多个二维磁矩方向，对所述预设时间段内的多个二维磁矩方向进行法向量拟合，得到第一前进方向；对所述三维位置进行贝兹曲线拟合，得到第二前进方向；对所述第一前进方向和所述第二前进方向进行球面线性插值，得到所述无线胶囊内窥镜的前进方向，将所述前进方向作为所述无线胶囊内窥镜的第六维位姿，所述五维位姿和所述第六维位姿共同构成所述无线胶囊内窥镜的定位位姿。
8.一种数据处理设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位装置执行的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的无线胶囊内窥镜的追踪定位装置执行的步骤。
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