專利名稱：用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)及球囊內(nèi)窺鏡的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用植入式微型設備的姿態(tài)感知技術(shù)領域，特別是涉及一種用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)及球囊內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
膠囊式內(nèi)窺鏡，它是內(nèi)窺鏡技術(shù)的突破，從整體結(jié)構(gòu)上以藥丸式取代了傳統(tǒng)的線纜插入式，可以吞服的方式進入消化道，實現(xiàn)了真正的無創(chuàng)診療，同時可以實時觀察病人消化道圖像，大大拓展了全消化道檢查的范圍和視野。在進行消化道檢查時，無線膠囊內(nèi)窺鏡從待測者口腔吞入，通過胃腸道的蠕動遍歷整個消化道，并從內(nèi)部對胃腸道進行圖像采集。目前市場上的膠囊內(nèi)窺鏡多采用1-2個攝像頭，因此在進行消化道檢查時觀測視野小，容易造成對胃部以及腸道的漏檢現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，只有一個攝像頭的膠囊內(nèi)窺鏡消化道的拍攝盲區(qū)大概為 20%。例如，在專利 US2002/0109774，JP2001112710, US2003/0023150 等中，均使用不超過兩個攝像頭。雖然采用了不同的擴大其視野的方法(包括機械轉(zhuǎn)動等方法)，但是這些發(fā)明都無法實現(xiàn)全視角的圖像采集。在申請?zhí)枮?00910008885、200910080350中國發(fā)明專利申請中均提出了一種球
囊狀設備(稱為球囊內(nèi)窺鏡)，其內(nèi)部采用多攝像頭的圖像采集方案。以包含6攝像頭的球囊內(nèi)窺鏡為例，若要實現(xiàn)無盲區(qū)的圖像采集，球囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)必須保證至少每秒6幀的拍攝速度(6個攝像頭同時進行圖像采集)，而要實現(xiàn)這樣的拍攝速度，系統(tǒng)工作電流至少約為100mA，在這樣的工作電流要求下，以現(xiàn)有無線內(nèi)窺鏡中普遍采用的電池進行供電，僅能維持工作很短的時間，因此無法實現(xiàn)對全消化道，特別是小腸的檢查。若采用無線供能的方式進行供電，一是目前還未見成熟的、可實際應用于無線內(nèi)窺鏡檢查的無線供能系統(tǒng)，二是以目前文獻報道的無線供能效率進行推算，則體外供能系統(tǒng)至少需要發(fā)出數(shù)十瓦到數(shù)百瓦的無線能量，這種電磁輻射是否對人體有害以及其危害程度目前還無定論，同時體外供能系統(tǒng)還需配置制冷設備，這將限制病人的活動空間。若體內(nèi)的設備在采用電池供電的情況下，為了使得體內(nèi)系統(tǒng)能夠在低功耗下工作，以延長電池的工作時間，體內(nèi)系統(tǒng)需以低于6幀/秒的速度進行拍攝。同時6個攝像頭最好輪流進行圖像采集，避免同一時間有多個攝像頭工作的情況出現(xiàn)——多個攝像頭同時工作會大大提高系統(tǒng)的峰值工作電流，從而降低電池的使用壽命。在假設球囊相對于消化道相對靜止的前提下，采用6個攝像頭輪流進行圖像采集的策略可以實現(xiàn)無盲區(qū)的圖像采集。不過，球囊在消化道中的運動是在重力和消化道蠕動的共同作用下引起的。在6個攝像頭輪流進行圖像采集的過程中，極有可能球囊發(fā)生了運動或者旋轉(zhuǎn)，如果這個時候繼續(xù)采用前面的策略必然會造成圖像采集的盲區(qū)。因而，為了降低球囊功耗而采取的輪流采集圖像策略，在為節(jié)省功耗而降低拍攝幀率的情況下仍將存在拍攝盲區(qū)問題。申請?zhí)枮?01010189438的中國發(fā)明專利申請專利中，提出了一種用于生物體腔內(nèi)的多視角圖像采集與存儲系統(tǒng)和方法。如果知道球囊內(nèi)窺鏡相對于消化道的姿態(tài)，那么保證球囊在低功耗工作的前提下，則能夠?qū)崿F(xiàn)無盲區(qū)的圖像采集。所謂姿態(tài)感知系統(tǒng)，即利用運動傳感器或姿態(tài)傳感器或兩者的組合，從而實現(xiàn)對載體姿態(tài)和運動進行檢測的系統(tǒng)。 但是，上述專利并沒有涉及到姿態(tài)感知系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。綜上，目前尚無有效、實用的技術(shù)手段實現(xiàn)對無線球囊內(nèi)窺鏡姿態(tài)的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何在小尺寸和低功耗的前提條件下，準確地檢測球囊內(nèi)窺鏡在消化道中的姿態(tài)。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集與處理的體內(nèi)裝置以及用于在體外產(chǎn)生磁場的體外裝置；其中，所述體內(nèi)裝置與所述體外裝置進行通信，且包括姿態(tài)傳感器單元，包含一種或者多種姿態(tài)傳感器，用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集；姿態(tài)傳感器控制單元，用于配置所述姿態(tài)傳感器的工作模式；姿態(tài)計算單元，用于對來自姿態(tài)傳感器單元的姿態(tài)信息進行濾波等處理后，采用相應的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角。優(yōu)選地，所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器、磁場傳感器和角速度傳感器中的一種或者多種的組合。優(yōu)選地，所述體外裝置包括磁場產(chǎn)生裝置，所述磁場產(chǎn)生裝置是電磁線圈或永久性磁鐵。優(yōu)選地，所述電磁線圈為3對相互正交的電磁線圈，依次產(chǎn)生絕對坐標系的X軸、 Y軸和Z軸方向的勻強磁場。優(yōu)選地，所述姿態(tài)角包括俯仰角、橫滾角和航向角，當所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器和磁場傳感器時，采用基于重力加速度和地磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為Si，利用所述加速度傳感器測量球囊內(nèi)窺鏡的重力加速度，利用所述磁場傳感器測量球囊內(nèi)窺鏡的磁場強度；S2，通過所采集的姿態(tài)信息判斷球囊內(nèi)窺鏡是否在運動，若是，則返回步驟Si，否則執(zhí)行步驟S3 ；S3，根據(jù)所述重力加速度和磁場強度計算球囊內(nèi)窺鏡的俯仰角、橫滾角和航向角；S4，根據(jù)所述俯仰角、橫滾角和航向角計算球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)攝像頭的方向矢量。優(yōu)選地，當所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器、磁場傳感器和陀螺儀時，采用基于重力加速度、角速度以及地磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為S1’，利用步驟Sl S3計算球囊內(nèi)窺鏡的俯仰角、橫滾角和航向角；S2’，將步驟Si，的計算結(jié)果作為球囊內(nèi)窺鏡的初始姿態(tài)角，利用陀螺儀測量球囊內(nèi)窺鏡的角速度，對所述角速度進行積分，計算此后的球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角；
S3’，周期性地采用步驟Sl S3計算姿態(tài)角，并將計算結(jié)果替換在步驟S2’所計算出的姿態(tài)角。優(yōu)選地，當所述姿態(tài)傳感器單元包括磁場傳感器和陀螺儀時，采用基于角速度和磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為Si”，利用基于磁場原理的方法進行姿態(tài)角測量所述體外裝置依次在A時刻、B時刻和C時刻產(chǎn)生絕對坐標系的X軸、Y軸和Z軸方向的勻強磁場之后，磁場傳感器分別檢測 A時刻、B時刻和C時刻球囊內(nèi)窺鏡在載體坐標系的V軸、Y’軸和V軸方向的磁場強度， 利用A時刻、B時刻和C時刻的磁場強度計算得到球囊內(nèi)窺鏡的初始姿態(tài)角；S2”，利用所述陀螺儀測量球囊內(nèi)窺鏡的角速度，對所述角速度進行積分，估計出此后各時刻球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角；S3”，采用所述基于磁場原理的方法計算姿態(tài)角，并將計算結(jié)果周期性地替換利用步驟S2”所計算出的姿態(tài)角。本發(fā)明還提供了一種球囊內(nèi)窺鏡，包括一幾何體，所述的系統(tǒng)，以及攝像頭，所述的系統(tǒng)位于所述幾何體內(nèi)部，所述攝像頭分布于所述幾何體的外表面。(三)有益效果本發(fā)明提出的姿態(tài)感知系統(tǒng)是基于重力加速度、角速度以及磁場原理的設計，基于該原理的設計中易于采用一系列低功耗技術(shù)以及MEMS技術(shù)。其中，體內(nèi)姿態(tài)傳感器單元采用若干小尺寸、低功耗的姿態(tài)傳感器采集球囊的姿態(tài)信息；姿態(tài)計算單元中亦采用低功耗的方法實現(xiàn)。因此，該姿態(tài)感知系統(tǒng)具有小尺寸、低功耗的特點，有利于集成到球囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中。本發(fā)明提出的姿態(tài)感知系統(tǒng)應用于球囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中時，可以根據(jù)檢測的姿態(tài)角選擇特定的攝像頭工作，實現(xiàn)對消化道的全視角圖像采集；同時避免對同一部位進行重復的圖像采集，大大降低了圖像的冗余量，從而降低球囊內(nèi)窺鏡的功耗。本發(fā)明的系統(tǒng)中的三種姿態(tài)方法，分別為(1)基于重力加速度和地磁場原理的姿態(tài)感知方法，該方法運算量小、易于硬件實現(xiàn)以及實時檢測姿態(tài)角；(2)基于重力加速度、角速度和磁場原理的姿態(tài)感知方法，該方法精度高、易于硬件實現(xiàn)，可以應用于劇烈運動的環(huán)境中；(3)以及基于角速度和磁場原理的姿態(tài)感知方法，該方法精度高、易于硬件實現(xiàn)，需要體外裝置。


圖1是本發(fā)明實施例的無線球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部幾何體的立體示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的用于無線球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例檢測球囊姿態(tài)角的流程圖；圖4是本發(fā)明實施例一中姿態(tài)感知系統(tǒng)用于人體消化道檢查的示意圖；圖5是本發(fā)明實施例一中用于無線球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例一采用的姿態(tài)方法A的流程圖；圖7是本發(fā)明實施例二中用于無線球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明實施例二采用的姿態(tài)方法B的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明實施例三中姿態(tài)感知系統(tǒng)用于人體消化道檢查的示意圖10是本發(fā)明實施例三中用于無線球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明實施例三采用的姿態(tài)方法C的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明適用于多攝像頭的球囊內(nèi)窺鏡(也簡稱為球囊)。球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部核心部分(即本發(fā)明的姿態(tài)感知系統(tǒng))被柔性PCB板包裹起來做成一個單獨的幾何體，在幾何體的外表面均勻放置有多個攝像頭，通過這些攝像頭進行全視角圖像采集。其中，根據(jù)需要該幾何體可以是正四面體、正方體、球面體等。本發(fā)明中，以幾何體為正立方體的情況進行說明，但是本發(fā)明同時適用于其他幾何體。圖1為無線球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部幾何體107的立體示意圖，攝像頭101 106分別位于正方體每個表面的正中心位置處。本發(fā)明提出的用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)主要由兩部分組成用于體內(nèi)姿態(tài)信息采集與處理的體內(nèi)裝置以及用于配置體外磁場環(huán)境的體外裝置。如圖2所示，體內(nèi)裝置包括姿態(tài)傳感器單元，包含一種或者多種姿態(tài)傳感器，實現(xiàn)對球囊內(nèi)窺鏡姿態(tài)信息的采集工作；姿態(tài)傳感器控制單元，用于配置姿態(tài)傳感器的工作模式；姿態(tài)計算單元，用于處理來自姿態(tài)傳感器單元的球囊姿態(tài)信息；無線收發(fā)單元，實現(xiàn)了與體外裝置的通信；以及控制整個體內(nèi)裝置工作模式的姿態(tài)系統(tǒng)控制單元。體外裝置包括磁場控制單元，控制體外的磁場產(chǎn)生裝置產(chǎn)生勻強磁場；無線收發(fā)單元，實現(xiàn)與體內(nèi)裝置的通信；以及體外姿態(tài)系統(tǒng)控制單元，用于控制和調(diào)度整個體外系統(tǒng)的配置工作。本發(fā)明應用于球囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，利用姿態(tài)感知系統(tǒng)，能夠判斷出球囊6個攝像頭所正對的方向。球囊在消化道某一位置進行圖像采集，依然采用攝像頭依次采集各個方向圖像的方法。倘若在采集過程中，由于消化道的蠕動或者其他原因球囊姿態(tài)發(fā)生了變化， 則對輪流采集圖像的策略進行修正。根據(jù)姿態(tài)感知系統(tǒng)，能夠檢測到每個攝像頭所正對的方向，選取其中的一個或者某幾個攝像頭對沒有采集的區(qū)域進行圖像采集，這樣就可以完成對該位置的無盲區(qū)圖像采集。另外，在完成球囊對該位置的圖像采集之后，可以停止球囊的圖像采集工作，直到球囊在消化道中的位置發(fā)生變化。這樣，由于引入了姿態(tài)感知系統(tǒng)， 避免了對消化道某些地方進行重復的圖像采集，從而大大的節(jié)省了能耗。這可使得電池壽命增強近倍，在無漏檢的前提下，一次全消化道檢查將成為可能。通過姿態(tài)感知系統(tǒng)，結(jié)合相應的姿態(tài)方法(將在下面介紹，包括姿態(tài)方法A、B、C)， 最終能夠得到球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角。一般采用姿態(tài)角或者攝像頭的方向矢量來描述球囊的姿態(tài)。姿態(tài)角定義為橫滾角θ、俯仰角^和航向角α ；而攝像頭的方向矢量定義為6個攝像頭在絕對坐標系中指向的方向(采用3維矢量描述)。一般球囊所在參考系稱為載體坐標系(由坐標軸Χ’，Υ’和Ζ’確定，參見圖4)，地球所在參考系稱為絕對坐標系(地理北極為 X軸，東為Y軸，重力方向為Z軸，參見圖4)。姿態(tài)角和攝像頭的方向矢量是兩種等效的描述方式，它們之間存在確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。姿態(tài)感知系統(tǒng)進行一次姿態(tài)角檢測主要包含以下幾個步驟Al，體內(nèi)裝置的姿態(tài)系統(tǒng)控制單元發(fā)起姿態(tài)角檢測，即通過無線收發(fā)單元發(fā)送姿態(tài)角檢測指令給體外裝置；
A2，體外裝置配置體外磁場環(huán)境，完成環(huán)境配置后發(fā)送指令通知姿態(tài)系統(tǒng)控制單元；A3，姿態(tài)系統(tǒng)控制單元通過姿態(tài)傳感器控制單元初始化配置姿態(tài)傳感器；A4，姿態(tài)傳感器單元中的一種或者多種傳感器以一定的方式完成對球囊姿態(tài)信息的采集；A5，姿態(tài)計算單元接收來自姿態(tài)傳感器單元的球囊姿態(tài)信息，對姿態(tài)信號進行卡爾曼濾波；A6，姿態(tài)計算單元利用濾波后的姿態(tài)信號，采用姿態(tài)方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)詳細過程參見流程圖3。其中A5中對姿態(tài)信號進行了卡爾曼濾波。姿態(tài)傳感器測量得到的姿態(tài)信號存在隨機誤差，采用卡爾曼濾波的算法可以減小該誤差。其中，姿態(tài)傳感器單元中包含的姿態(tài)傳感器可以是MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計 (加速度計也稱為加速度傳感器)、MEMS陀螺儀和MEMS磁場強度計(磁場強度計也稱為磁場傳感器)中一種或者多種的組合。但是，不同的傳感器組合對應的體外裝置不盡相同。同時，針對不同的組合所采用的姿態(tài)方法也不盡相同。下面以三個實施例來詳細說明姿態(tài)感知系統(tǒng)組成及工作原理。實施例一如圖5，優(yōu)選地，本實施例中，姿態(tài)感知系統(tǒng)的體內(nèi)裝置包括加速度傳感器，采用 1個3軸加速度傳感器能夠測量出重力加速度載體坐標系3個軸向上的重力分量；磁場傳感器，采用1個3軸磁場傳感器能夠測量出地磁場載體坐標系3個軸向上的磁場強度分量； 姿態(tài)傳感器控制單元，用于配置姿態(tài)傳感器工作模式；姿態(tài)計算單元，用于處理來自姿態(tài)傳感器單元的球囊姿態(tài)信息；該實施例中，采用地磁場作為姿態(tài)感知的一個參考物理量，因而不需要額外的體外裝置對磁場環(huán)境進行配置。對球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角進行檢測時，需按照以下方法進行。首先，姿態(tài)系統(tǒng)控制單元發(fā)起姿態(tài)角測量；姿態(tài)傳感器控制單元配置加速度傳感器和磁場傳感器的測量頻率、 測量范圍以及工作模式等；在姿態(tài)傳感器控制單元完成對姿態(tài)傳感器的配置后，加速度傳感器和磁場傳感器可以周期性地采集每個軸向的重力加速度和磁場強度，并對采集的模擬值進行A/D采樣、存儲等操作；加速度傳感器和磁場傳感器將加速度值和磁場值傳遞到姿態(tài)計算單元，姿態(tài)計算單元對姿態(tài)信號進行卡爾曼濾波，以減小傳感器引起的測量誤差；然后，姿態(tài)計算單元利用姿態(tài)方法可以得到球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)或者攝像頭的方向矢量。為進一步說明本實施例，下面針對姿態(tài)感知系統(tǒng)中的各組成部分分別進行詳細的描述。加速度傳感器，測量運動物體的加速度。技術(shù)成熟的MEMS加速度計分為三種壓電式、容感式、熱感式，運用得最多的是容感式MEMS加速度計，容感式MEMS加速度計內(nèi)部存在一個質(zhì)量塊，從單個單元來看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。當芯片有向右的加速度時，中間的活動質(zhì)量塊相對于另外兩塊電容板向左移動，這兩平行板電容器的電容就發(fā)生了變化，從而測量出芯片運動的加速度。當3軸加速度計靜止不動時，其測得的是重力加速度在3個軸向的加速度分量。當3軸加速度計運動時，其測得的是重力加速度和運動加速度的矢量和。磁場強度傳感器，其可以測量各個方向上的磁場強度。根據(jù)電場和磁場的原理，當在鐵磁合金薄帶的長度方向施加一個電流時，如果在垂直于電流的方向再施加磁場，鐵磁性材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化。基于此原理的磁場強度傳感器可以測量地磁場在各個方向上的磁場分量強度。該類型的磁場強度傳感器稱為磁阻傳感器。本實施例中，姿態(tài)傳感器單元由MEMS加速度計和MEMS磁場傳感器組成。加速度計和磁場傳感器均具有小尺寸、低功耗和高精度的特點，因而特別適合類似于無線球囊內(nèi)窺鏡這類低功耗的植入式醫(yī)療微型設備。參見圖4，將一個3軸MEMS加速度計403和一個 3軸MEMS磁場傳感器404安裝在無線球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部幾何體107的某一個面上(也可以是在幾何體的內(nèi)部)，保證加速度計和磁場傳感器的3個測量軸分別與載體坐標系的3個軸重合。人體401從口腔吞入球囊內(nèi)窺鏡，球囊內(nèi)窺鏡在消化道中進行圖像采集的過程中一般不會做劇烈運動，因而通過3軸加速度計測得的加速度值為重力加速度在載體坐標系三個軸向的重力分量(gx,，gy,，gz, ) ；3軸磁場傳感器測得的磁場強度為地磁場在載體坐標系三個軸向的磁場強度分量(Bx,，By, , Bz, ) ο姿態(tài)傳感器控制單元，在無線球囊內(nèi)窺鏡啟動后需要對加速度計和磁場傳感器進行初始配置。初始配置主要包括設定傳感器的測量范圍以及測量精度；設定傳感器對姿態(tài)信息的采集頻率；以及其他中斷處理。在完成對傳感器的初始化后，加速度計和磁場傳感器會周期性地測量3個軸向的加速度和磁場強度。球囊內(nèi)窺鏡在消化道中進行圖像采集的過程中，可以根據(jù)需要通過姿態(tài)傳感器控制單元重新配置姿態(tài)傳感器的工作模式。姿態(tài)系統(tǒng)控制單元，負責球囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)體內(nèi)裝置的整體調(diào)度與控制。在球囊內(nèi)窺鏡未啟動時，整個體內(nèi)裝置都處于休眠狀態(tài)，姿態(tài)傳感器同樣處于休眠狀態(tài)。球囊內(nèi)窺鏡啟動后，姿態(tài)系統(tǒng)控制單元要負責完成姿態(tài)傳感器等相關(guān)體內(nèi)裝置的初始化工作。在進行圖像信息采集過程中，負責調(diào)度姿態(tài)傳感器的姿態(tài)信息采集、姿態(tài)角的計算等相關(guān)工作。姿態(tài)計算單元，通過加速度計和磁場傳感器測量的重力加速度分量以及地磁場強度分量計算出球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角。這是整個姿態(tài)感知系統(tǒng)中最為核心的組成部分。目前， 學術(shù)界中存在一些方法可以計算出姿態(tài)角。但大部分的方法存在運算復雜度高、對硬件數(shù)據(jù)處理能力要求高等缺陷，因而不能應用于小型的嵌入式設備中。本實施例中的姿態(tài)方法(稱之為姿態(tài)方法A)。姿態(tài)方法A可以快速、準確并且以較低的硬件代價計算出球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角以及攝像頭的方向矢量。下面，分步驟說明如何計算球囊的姿態(tài)角。Sl 測量加速度和磁場強度，判斷球囊內(nèi)窺鏡是否做劇烈運動。通過加速度傳感器測量得到。，gy,，gz,。如果(g為當?shù)氐闹亓铀俣戎?，一般?. 8m/s2)，說明球囊運動平緩，可以采用S2計算姿態(tài)角；否則，說明球囊運動劇烈，回到Si。S2 計算俯仰角ρ。如果
k-'l > α/Χ ‘ 8 ,那么sin φ = sgn (~gx,) . ^Jl - sin2 θ ’- sin2 φ , g，
其中=sin^ = -^1.否則 =-arcsin
S3 計算橫滾角 θ。θ = -arcsin
權(quán)利要求
1.一種用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集與處理的體內(nèi)裝置以及用于在體外產(chǎn)生磁場的體外裝置；其中，所述體內(nèi)裝置與所述體外裝置進行通信，且包括姿態(tài)傳感器單元，包含一種或者多種姿態(tài)傳感器，用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集；姿態(tài)傳感器控制單元，用于配置所述姿態(tài)傳感器的工作模式；姿態(tài)計算單元，用于對來自姿態(tài)傳感器單元的姿態(tài)信息進行濾波等處理后，采用相應的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器、磁場傳感器和角速度傳感器中的一種或者多種的組合。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述體外裝置包括磁場產(chǎn)生裝置，所述磁場產(chǎn)生裝置是電磁線圈或永久性磁鐵。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁線圈為3對相互正交的電磁線圈， 依次產(chǎn)生絕對坐標系的X軸、Y軸和Z軸方向的勻強磁場。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述姿態(tài)角包括俯仰角、橫滾角和航向角， 當所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器和磁場傳感器時，采用基于重力加速度和地磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為Si，利用所述加速度傳感器測量球囊內(nèi)窺鏡的重力加速度，利用所述磁場傳感器測量球囊內(nèi)窺鏡的磁場強度；S2，通過所采集的姿態(tài)信息判斷球囊內(nèi)窺鏡是否在運動，若是，則返回步驟Si，否則執(zhí)行步驟S3 ；S3，根據(jù)所述重力加速度和磁場強度計算球囊內(nèi)窺鏡的俯仰角、橫滾角和航向角；S4，根據(jù)所述俯仰角、橫滾角和航向角計算球囊內(nèi)窺鏡內(nèi)攝像頭的方向矢量。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，當所述姿態(tài)傳感器單元包括加速度傳感器、 磁場傳感器和陀螺儀時，采用基于重力加速度、角速度以及地磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為S1’，利用步驟Sl S3計算球囊內(nèi)窺鏡的俯仰角、橫滾角和航向角；S2’，將步驟Si’的計算結(jié)果作為球囊內(nèi)窺鏡的初始姿態(tài)角，利用陀螺儀測量球囊內(nèi)窺鏡的角速度，對所述角速度進行積分，計算此后的球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角；S3’，周期性地采用步驟Sl S3計算姿態(tài)角，并將計算結(jié)果替換在步驟S2’所計算出的姿態(tài)角。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，當所述姿態(tài)傳感器單元包括磁場傳感器和陀螺儀時，采用基于角速度和磁場原理的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角，具體為Si”，利用基于磁場原理的方法進行姿態(tài)角測量所述體外裝置依次在A時刻、B時刻和 C時刻產(chǎn)生絕對坐標系的X軸、Y軸和Z軸方向的勻強磁場之后，磁場傳感器分別檢測A時刻、B時刻和C時刻球囊內(nèi)窺鏡在載體坐標系的V軸、Y’軸和V軸方向的磁場強度，利用 A時刻、B時刻和C時刻的磁場強度計算得到球囊內(nèi)窺鏡的初始姿態(tài)角；S2”，利用所述陀螺儀測量球囊內(nèi)窺鏡的角速度，對所述角速度進行積分，估計出此后各時刻球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角；S3”，采用所述基于磁場原理的方法計算姿態(tài)角，并將計算結(jié)果周期性地替換利用步驟 S2”所計算出的姿態(tài)角。
8. 一種球囊內(nèi)窺鏡，其特征在于，包括一幾何體，權(quán)利要求1 7中任一項所述的系統(tǒng)， 以及攝像頭，權(quán)利要求1 中任一項所述的系統(tǒng)位于所述幾何體內(nèi)部，所述攝像頭分布于所述幾何體的外表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)用植入式微型設備的姿態(tài)感知技術(shù)領域，公開了一種用于球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)感知系統(tǒng)及球囊內(nèi)窺鏡，系統(tǒng)包括用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集與處理的體內(nèi)裝置以及用于在體外產(chǎn)生磁場的體外裝置；其中，所述體內(nèi)裝置與所述體外裝置進行通信，包括姿態(tài)傳感器單元，包含一種或者多種姿態(tài)傳感器，用于在體內(nèi)進行球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)信息的采集；姿態(tài)傳感器控制單元，用于配置所述姿態(tài)傳感器的工作模式；姿態(tài)計算單元，用于對來自姿態(tài)傳感器單元的姿態(tài)信息進行濾波等處理后，采用相應的方法計算球囊內(nèi)窺鏡的姿態(tài)角。本發(fā)明能在小尺寸和低功耗的前提條件下，準確地檢測球囊內(nèi)窺鏡在消化道中的姿態(tài)。
文檔編號A61B1/00GK102302357SQ201110169290
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者孫天佳, 李國林, 王丹, 王志華, 胡軍, 謝翔, 谷熒柯 申請人:清華大學