[發明專利]無線膠囊內窺鏡三維位置和三維姿態的定位系統及其定位方法

有效

• 申請號: 201710151040.X
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106983487B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 陽萬安;戴厚德;胡超;蔡樂才;蘇詩薦;陳冬君;宋霜;李彥
• 申請（專利權）人: 宜賓學院
• 主分類號: A61B1/04
• 分類號: A61B1/04;A61B5/06
• 代理公司: 11369 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 靳浩;周明飛<國際申請>=<國際公布>=

1.無線膠囊內窺鏡三維位置和三維姿態的定位系統，包括設置于人體外且三軸正交的發射線圈、體外無線接收模塊、體外位姿計算模塊和位于體內的無線膠囊內窺鏡，其特征在于：

所述發射線圈由三軸正交的線圈I、線圈II和線圈III組成，所述線圈I、線圈II和線圈III順序發射各自固定頻率的信號，線圈I、線圈II、線圈III發射完一次信號形成一個周期；

所述無線膠囊內窺鏡內設置有二軸正交的感應線圈，所述二軸正交的感應線圈對應發射線圈的一個周期內輸出三組不同頻率的電壓信號，且二軸正交的感應線圈輸出的每組不同頻率的電壓信號個數為二個；

所述發射線圈與無線膠囊內窺鏡之間通過交變磁場形成磁路，所述無線膠囊內窺鏡與體外無線接收模塊之間通過無線信號連接，所述位姿計算模塊與體外無線接收模塊之間直接連接。

2.根據權利要求1所述的無線膠囊內窺鏡三維位置和三維姿態的定位系統，其特征在于，所述無線膠囊內窺鏡還包括信號放大模塊、AD轉換模塊和無線發送模塊，所述二軸正交的感應線圈與信號放大模塊直接連接，所述信號放大模塊與AD轉換模塊直接連接，所述AD轉換模塊與無線發送模塊直接連接。

3.無線膠囊內窺鏡三維位置和三維姿態的定位方法，所述無線膠囊內窺鏡內設置有二軸正交的感應線圈，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、在人體外設置三軸正交的發射線圈，發射線圈由三軸正交的線圈I、線圈II和線圈III組成；

步驟2、發射線圈所在三個軸建立的坐標系OXYZ作為參考坐標系，感應線圈二個軸的交點設置在無線膠囊內窺鏡中心點，作為無線膠囊內窺鏡的位置，其在參考坐標系中表示為(x,y,z)，感應線圈所在的二個軸建立的坐標系O'u_xu_y u_z作為物體坐標系，用單位向量u_x和u_y指示無線膠囊內窺鏡的姿態；

步驟3、上電后，發射線圈的線圈I、線圈II和線圈III在每一個周期內順序發射各自固定頻率的信號；

步驟4、無線膠囊內窺鏡內的放大模塊放大感應線圈的輸出電壓；

步驟5、無線膠囊內窺鏡內AD轉換模塊采樣經過放大的輸出電壓；

步驟6、無線膠囊內窺鏡內的無線發送模塊發送采樣信號；

步驟7、體外無線接收模塊接收采樣信號，并發送給位姿計算模塊；

步驟8、位姿計算模塊的定位過程如下：

求解9個參數(x,y,z,u_xx,u_xy,u_xz,u_yx,u_yy,u_yz)，其中(u_xx,u_xy,u_xz)和(u_yx,u_yy,u_yz)分別表示u_x和u_y在參考坐標系X、Y、Z軸的投影分量；

將每個軸的發射線圈都等效為磁偶極子，根據畢奧薩法爾定律，磁偶極子在無線膠囊內窺鏡位置處產生的磁通量密度沿參考坐標系的X、Y、Z軸的三個正交分量如公式(1)、(2)、(3)所示：

其中，(m，n，p)是各軸發射線圈的方向向量，(x，y，z)是感應線圈的位置，(a，b，c)是發射線圈的位置，B_T是與發射線圈有關的一個常量，L是感應線圈到發射線圈的距離，L如公式(4)所示：

由于物體坐標系發生了偏轉，物體坐標系的坐標軸與參考坐標系的坐標軸不重合，發射線圈在無線膠囊內窺鏡位置產生的磁通量密度在物體坐標系下的值為公式(5)所示：

其中，R為方位矩陣，如公式(6)所示，由于只有兩個感應線圈，所以B'_z不激發線圈輸出電壓；

其中

(u_xx,u_xy,u_xz)＝u_x (7)

(u_yx,u_yy,u_yz)＝u_y (8)

感應線圈輸出的是感應電壓信號，根據法拉第電磁感應定律，感應線圈產生的感應電動勢為公式(9)所示：

其中，N為感應線圈匝數，φ為穿過曲面S的磁通量；

在u_x和u_y方向上，感應線圈輸出的電壓信號與磁通量密度之間的關系如下：

由于感器線圈很小，故將其體積忽略，認為感應線圈各處磁通量密度相等，所以公式(10)和(11)變為如下公式(12)和(13)，

因為感應線圈的方向與物體坐標系的坐標軸方向相同，所以得到如下公式(14)和(15)，

若發射已知頻率的正弦信號，物體坐標系下的磁通量密度可以描述為如下公式(16)：

至此，可以得出感應線圈u_x、u_y軸輸出電壓值與物體坐標系各軸上磁通量密度之間的關系式，如公式(17)、(18)所示：

感應線圈的輸出電壓信號是與發射信號同頻率的余弦信號，取該信號的幅值來建立方程組，設E_Tx＝-ω_xN_x·S_x，E_Ty＝-ω_yN_y·S_y，E_Tz＝-ω_zN_z·S_z，得到方程(19)、(20)如下：

ε_xmax＝-ωN_x·B'_xmax·S_x＝E_Tx·B'_xmax (19)

ε_ymax＝-ωN_y·B'_ymax·S_y＝E_Ty·B'_ymax (20)

提取余弦信號幅值和相位的方法有快速傅里葉變換或函數擬合方法；

若三個軸的發射線圈依次激勵各自固定頻率的正弦信號，二軸感應線圈總計感應到6組交變信號，從而可以建立6個方程，由于要求解9個未知參數，所以還需要3個方程；由于u_x和u_y取單位向量，并且相互垂直，所以再增加如下3個約束方程，3個方程式(21)、(22)、(23)如下所示：

u_xx.u_yx+u_xy.u_yy+u_xz.u_yz＝0 (23)

下面分別對發射線圈的三個軸進行分析：

線圈I對應于參考坐標系的X軸，其位置和方向參數為

(a，b，c)＝(0，0，0)

(m，n，p)＝(1，0，0)

將其帶入公式(1)、(2)和(3)中，得到公式(24)、(25)和(26)如下：

線圈II對應于參考坐標系的Y軸，其位置和方向參數為

(a，b，c)＝(0，0，0)

(m，n，p)＝(0，1，0)

將其帶入公式(1)、(2)和(3)中，得到公式(27)、(28)和(29)如下：

線圈III對應于參考坐標系的Z軸，其位置和方向參數為

(a，b，c)＝(0，0，0)

(m，n，p)＝(0，0，1)

將其帶入公式(1)、(2)和(3)中，得到公式(30)、(31)和(32)如下：

根據公式(5)、(19)和(20)，再定義公式(33)如下：

其中，B_ixmax、B_iymax和B_izmax分別是三軸發射線圈的線圈I、線圈II和線圈III發射時，在感應線圈處產生的磁通量密度沿參考坐標系的X、Y、Z軸三個分量的幅值，即是B_ix、B_iy和B_iz的幅值；ε_ixmax和ε_iymax分別是三軸發射線圈的線圈I、線圈II和線圈III發射時，無線膠囊內窺鏡內二軸感應線圈的u_x和u_y軸感應電壓的理論幅值，ε_izmax沒有對應的感應線圈輸出，所以不參與計算；

設ε'_ixmax和ε'_iymax分別是發射線圈的線圈I、線圈II和線圈III發射時，無線膠囊內窺鏡內二軸感應線圈的u_x和u_y軸感應電壓的實際輸出值，即測量值，定義誤差E的公式(34)如下:

利用優化算法Levenberg-Marquardt或Gauss-Newton算法，使E最小，可以求解出無線膠囊內窺鏡的位姿參數(x,y,z,u_xx,u_xy,u_xz,u_yx,u_yy,u_yz)；

步驟9、位姿計算模塊將無線膠囊內窺鏡的位姿信息發送給顯示終端，實時反映當前無線膠囊內窺鏡的位姿，便于操作者觀察或后續應用。