專利名稱：利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物體定位技術領域，尤其涉及一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法及其系統(tǒng)。
背景技術：
目前醫(yī)療中使用的以拍照方式工作的內視鏡膠囊大大降低了病人做胃鏡、腸鏡的 痛苦，是一種革新的檢測手段。但該手段必須采用精確定位的方法，把定時拍照的影像和該 時刻膠囊在體內的位置對應起來，才能使醫(yī)生對消化道中各器官的狀況進行分析，進而確 定診斷和治療的方法。因此定位是人體腔道介入診療設備必須解決的關鍵技術。傳統(tǒng)的膠囊定位方法一般采用X射線透視、核醫(yī)學影像及熒光造型定位、B超成像 等技術。但是這些定位方法存在著不具有實時性、長時間或者多次檢測會對人體造成傷害、 檢測成本高，使用復雜等問題。目前在醫(yī)院中已經(jīng)使用的幾種膠囊，主要采用以下兩種定位技術。一是放射性同 位素閃爍照相定位，Innovative Devices公司生產的InteliSite射頻激活、藥物釋放膠囊 將gamma放射性同位素密封在膠囊內，每隔一段時間利用對放射性敏感的gamma相機照相 以確定膠囊的位置。這種方法雖然簡單，但要借助昂貴的設備，且不是一種連續(xù)跟蹤定位方 法，對人體有一定的輻射危害；二是根據(jù)電磁波信號強度定位。目前大多數(shù)無線遙測膠囊采 用的是這種方法。如以色列生產的內視鏡膠囊“M2A”(專利號為6904308的美國專利)，該定 位系統(tǒng)包含一個穿在病人身上的天線陣列，用來接收膠囊發(fā)射的影像信號，根據(jù)不同位置 處天線接收的信號強度來計算膠囊在體內的位置。該方法的定位平均位置誤差為3. 77cm, 最大誤差為11. 4cm。日本RFSystem Lab公司2001年研制的Norika v3內視鏡膠囊同樣利 用天線背心接收到的信號能量計算膠囊在體內的位置和方向。這些定位方法利用的都是體 內膠囊發(fā)射的電磁信號的強度。由于人體是一種非常復雜的電磁結構，電磁波在人體組織 內的傳播受多種因素影響，因此迄今為止，對于體表處接收的電磁場強度和體內的輻射源 之間沒有準確定量的對應關系。因此，根據(jù)電磁波強度定位的方法其定位精度并不理想。此外，還有超聲波定位方法和磁場定位方法等。超聲波定位方法(如專利申請?zhí)?為02137174的中國專利申請)來源于超聲波成像，在該方法中，將多個探頭分布在人體外 的幾個“關鍵點”，用超聲波探測膠囊通過與否。該方法需要額外的超聲波檢測設備，且長時 間使用可能對人體造成傷害。磁場和電磁場相比，具有不受人體影響、磁場分布穩(wěn)定、對人體無害等優(yōu)點。磁場 定位方法可分成兩種情況。一是在膠囊內設永磁體，以形成一定的磁場；同時在人體表面 設多個磁感應裝置，確定磁場的場強。當膠囊運動的時候，磁場發(fā)生變化，通過計算可以實 時地得到膠囊的位置，甚至姿態(tài)信息；二是在人體表面設多個永磁體，膠囊內部設磁感應裝 置，該裝置接收多個永磁體產生的磁力線。根據(jù)磁場方程可以計算它相對于多個永磁體的 位置。由此可見，上述磁場定位的方法需要永磁體和磁感應裝置，放置于膠囊內部的磁器件 會占用空間，結構也更復雜。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷和不足，提供了一種可提高定位精度、成本低、操作簡單的人體內視鏡膠囊定位方案。( 二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提出了一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方 法，包括以下步驟Si，利用位于人體內的內視鏡膠囊向外發(fā)射電磁波，所述電磁波是包含相位信息 的信號；S2，在人體胸前或后背利用分布于平板內的N根天線接收該電磁波；S3，以平板內的一根天線為參考天線，該參考天線接收到的電磁波信號的相位為 參考相位，根據(jù)其余N-I根天線中的i根天線到參考天線之間的直線距離，以及該i根天線 各自接收到的電磁波信號的相位與所述參考相位之差，計算所述內視鏡膠囊分別到參考天 線和該i根天線的直線距離，從而確定出內視鏡膠囊的位置，其中i為3至N-I之間的整數(shù)， N是大于3的整數(shù)。其中，在步驟S3中根據(jù)最優(yōu)化原則計算所述內視鏡膠囊M分別到參考天線和該i 根天線的直線距離。其中，所述平板P采用不變形材料制成。其中，在所述內視鏡膠囊M還發(fā)射包含其拍攝得到的影像數(shù)據(jù)的電磁波。本發(fā)明還提供了一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位系統(tǒng)，包括內視鏡膠囊，用于發(fā)射電磁波，所述電磁波是包含相位信息的信號；信號接收裝置，包括平板以及固定于所述平板上的N根天線，所述N根天線用于接 收所述電磁波；以及定位數(shù)據(jù)處理裝置，用于根據(jù)N根天線中參考天線到其余N-I根天線、、A2、. . . An^1 中的i根天線之間的直線距離，以及該i根天線各自接收到的電磁波信號的相位與參考天 線接收到的電磁波信號的相位之差，計算所述內視鏡膠囊分別到參考天線和該i根天線的 直線距離，從而確定出內視鏡膠囊的位置，其中i為3至N-I之間的整數(shù)。該系統(tǒng)中，所述平板P采用不變形材料制成。(三)有益效果本發(fā)明的上述技術方案具有如下優(yōu)點通過電磁波相位差實現(xiàn)定位，提高了人體 內視鏡膠囊定位的精度，并簡化了定位的操作；不需要昂貴的設備，降低了成本，且對人體無害。


圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)的使用示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)中的內視鏡膠囊的部分結構框圖；圖3是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)中的體外模塊的結構框圖；圖4是本發(fā)明實施例的方法的4天線定位原理圖5是本發(fā)明實施例的方法的人體外4天線布局示意圖；圖6是本發(fā)明實施例的方法的5天線定位原理圖；圖7是本發(fā)明實施例的方法的人體外5天線布局示意圖；圖8是本發(fā)明實施例的方法的體外天線坐標定義示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，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。圖1是本發(fā)明實施例的人體內窺鏡膠囊定位系統(tǒng)的使用示意圖?；颊?通常為人 體)1吞服的內窺鏡膠囊2在消化道內運動，膠囊向體外發(fā)射定位用的電磁波信號，該電磁 波是包含相位信息的信號。該膠囊還拍攝所經(jīng)消化道的影像(圖2中未示出膠囊內的拍攝 裝置)，這些影像數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞揭噪姶挪檩d體發(fā)送到體外(相位信息和影像 數(shù)據(jù)可以同時發(fā)送(這時，二者的信號頻率不同)，也可以不同時發(fā)送，因此可以得到(近 似)同一時刻的相位信息和影像數(shù)據(jù))。安置于人體體表的天線陣列31 (本實施例中為5 根天線)接收該含有影像數(shù)據(jù)的電磁波信號或相位信息的電磁波信號，并以有線方式傳送 給數(shù)據(jù)處理裝置3。數(shù)據(jù)處理裝置3中的定位數(shù)據(jù)處理裝置32對接收到的電磁波經(jīng)過專門 處理得到定位數(shù)據(jù)。當內視鏡膠囊完成任務后，這些定位數(shù)據(jù)和拍攝所得的影像數(shù)據(jù)同時 在工作站4中進行處理，將每一時刻的膠囊位置和該時刻的影像相關聯(lián)，從而得到不同時 刻、不同位置檢查到的體內影像信息。本發(fā)明實施例的定位系統(tǒng)包括體內、體外兩個模塊以及體內發(fā)端、體外收端的天 線(陣)。其中體內模塊為膠囊內和定位相關的裝置。如圖2所示，體內定位模塊21包括 定位數(shù)據(jù)產生單元211和定位數(shù)據(jù)發(fā)射單元212。其中定位數(shù)據(jù)產生單元211生成需要發(fā) 送的低頻信號，該單元可以用數(shù)字電路或者模擬電路實現(xiàn)，需要產生的電磁波(定位數(shù)據(jù)) 可以是包含幅度、相位信息的信號，例如正弦波。定位數(shù)據(jù)發(fā)射單元212把定位數(shù)據(jù)產生單 元211生成的低頻信號(比如說數(shù)字信號，或者低頻模擬信號)調制到射頻，并進行放大濾 波等操作，然后通過天線22發(fā)射。天線22也可以用于向體外發(fā)射調制后的體內影像數(shù)據(jù)。 可替換地，該影像數(shù)據(jù)也可以用另一天線(圖2中未示出)發(fā)送。本發(fā)明實施例的定位系統(tǒng)體外部分如圖3所示。天線陣列31由位于人體體表不同 部位的多個天線構成，它接收體內膠囊發(fā)射的電磁波信號。定位系統(tǒng)體外模塊，即定位數(shù)據(jù) 處理裝置32，位于數(shù)據(jù)處理裝置3中。它包括天線陣列選擇單元321、信號相位差檢測單元 322、數(shù)據(jù)存儲單元323和數(shù)據(jù)處理單元324。天線陣列選擇單元321從天線陣列31接收的 多個信號中選擇出需要的幾個信號(例如4個或5個)。信號相位差檢測單元322測量以 上選擇出的若干接收信號的相位差，并將測得的模擬信號轉換為數(shù)字信號，供后面的數(shù)字 電路使用。數(shù)據(jù)存儲單元323用來存信號相位差信息，供數(shù)據(jù)處理單元324使用。數(shù)據(jù)處 理單元324 —方面根據(jù)其它單元提供的數(shù)據(jù)進行定位計算，得到實時的膠囊定位信息；一 方面將定位數(shù)據(jù)輸出給工作站4?；蛘邤?shù)據(jù)處理單元324本身不進行運算，只實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式 處理和傳輸功能，將定位計算交由工作站4。工作站4完成膠囊定位信息的最終處理。本發(fā)明根據(jù)體外天線陣列31中各個天線接收信號的相位差來定位。該天線陣列 可分為線陣、面陣和立體陣。對于固定陣列來說，線陣只能對陣列所在直線為界的半個平面進行定位，否則沒有唯一解。面陣可以在整個平面對目標進行定位，也可以對陣列所在平面 為界的半個空間進行定位。立體陣則可以對整個空間定位，但其算法要復雜得多。由于實 際應用中，天線陣列31或者位于人體1胸前，或者位于人體1背后，體內膠囊位于天線陣列 所在的平面事先能夠確定，因此本實施例中采用平面陣進行定位。本發(fā)明實施例提出4天線相位差定位方法。圖4是使用4天線、三角形布局的天 線定位原理圖。3個接收天線~、A2、A3分布在平板P(接收天線和平板組成信號接收裝置) 上，中心0再布設1個接收天線，中心0到各天線ApA2、A3的距離分別為a、b、c，為已知量。 以位于中心0天線接收到的電磁波信號的相位為參考相位，接收天線A” A2、A3各自接收到 的電磁波信號的相位和參考相位的差為A (j^，A A (t3，該3個相位差是已知量。被測 膠囊M到中心0的距離為禮，到天線A。A2、A3的距離分別為禮、R2、R3，0M直線和OA。0A2、 0A3直線的夾角分別是y、e、V。7個參數(shù)禮、禮、1 2、1 3、￥、9、11;是未知量。6個已知量 和7個未知量之間存在6個獨立的關系方程，且由空間幾何關系，Y、9、V之間存在約束 關系。由此可以求出禮、禮、1 2、1 3和Y、9、V的值，從而得到膠囊的位置(本發(fā)明中只關 注前四個參數(shù)的計算，不計算后三個參數(shù))。圖5是根據(jù)4天線相位差定位原理而得的人體外4天線布局示意圖。如圖5所示， 體外4天線陣列31A中的4個天線(其中之一為天線311A)位于同一平面312A中。在本 實施例中，平面312A由某種不變形的材料構成，且緊貼人體，并固定在人體表面。天線陣列 31A中的各天線在平面312A中具有固定的位置，且能通過有線方式和數(shù)據(jù)處理裝置3 (圖5 中未示出)相連。圖中天線陣列31A位于人體胸前，不失一般性，天線陣列也可位于人體后 背。4天線相位差定位方法計算復雜，且會出現(xiàn)多解的情況，對多個解的取舍較為麻 煩。為了簡化運算，避免多解，本發(fā)明再提出5天線相位差定位方法。圖6是5天線定位原理圖。其中4個接收天線正交分布在平板P上，連線kA和 A3A4垂直。中心0處布設第5個接收天線，中心0到Ai、A2天線的距離為a，到A3、A4天線的 距離為b。a、b為已知量。以位于中心0天線接收到的電磁波信號的相位為參考相位，接收 天線^^、^、^各自接收到的電磁波信號的相位和參考相位的差為A A小2、A小3、 A小4，該4個相位差是已知量。被測膠囊1到中心0的距離為禮，到天線~、4、^、~的距 離分別為Ri、R2、R3、R4。5個參數(shù)禮、禮、1 2、1 3、1 4是未知量。6個已知量和5個未知量之間 存在6個獨立的關系方程，構成典型的線性超定方程組，根據(jù)一定的優(yōu)化原則(如最小二 乘，最小方差)可以得到唯一的解。由于該方法只涉及對線性方程組的求解，計算量不大， 且不會出現(xiàn)多解的問題。計算方法如下其中4個接收天線正交分布在平板P上，連線和A3A4垂直。中心0處布設第 5個接收天線，中心0到各個天線的距離分別為<formula>formula see original document page 6</formula>被測膠囊M到中心0的距離為R，到天線A。A2、A3、A4的距離分別為禮、R2、R3、R4， 0M直線和OApO^直線的夾角分別是y、V?？梢缘玫侥繕伺c各個天線之間距離的關系為<formula>formula see original document page 7</formula> 把(3)式改寫如下
f(代—i )(代 + i )+ (盡-7 )(矣 + i ) = 2a2
(4) 相位測距是測定兩個接收信號的相位差來間接測量信號到達兩點的距離差，距離 差和相位差的關系為
<formula>formula see original document page 7</formula> 其中Ad為目標物距離2個接收天線的距離差，A 為測量信號到達2個天線的 相位差，\為電磁波波長，c為電磁波速度，f為電磁波頻率?？紤]到圖6中膠囊和接收天 線之間的位置關系，有
<formula>formula see original document page 7</formula>
結合方程組⑷和(6)，共有6個方程，包含5個未知數(shù)(R、 R4)，這是典型的 線性超定方程組，根據(jù)一定的優(yōu)化原則(如最小二乘，最小方差)可以得到唯一的解，有<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>
可以廣義逆計算其最小二乘解，從而得到一組確定的數(shù)據(jù)。顯然，采用這種5天線 的定位方法，避免了非線性高次方程組，只涉及對線性方程組的求解，計算量不大，且不會 出現(xiàn)多解的問題。圖7是根據(jù)5天線相位差定位原理而得的人體外5天線布局示意圖。如圖所示， 體外5天線陣列31B中的5個天線(其中之一為天線311B)位于同一平板312B中，且5個 天線的位置分布滿足以上所述5天線定位原理的要求。在本實施例中，平板312B由某種不 變形的材料構成，且緊貼人體，并固定在人體表面。天線陣列31B中的各天線在平面312B 中具有固定的位置，且能通過有線方式和數(shù)據(jù)處理裝置3 (圖中未示出)相連。圖中天線陣 列31B位于人體胸前，不失一般性，天線陣列也可位于人體后背。本發(fā)明還提出N根天線(N大于5)的相位差定位方法。在一定的天線布局下，中 心0處布設的參考天線到其它N-1根天線Ai、A2、. . . AM_i的距離分別是ai、a2. . . 均為已 知量。以位于中心0天線接收到的電磁波信號的相位為參考相位，接收天線~、A2、...AM_i 各自接收到的電磁波信號的相位和參考相位的差為A (j^、A小2、... A c^-i，均為已知量。 被測膠囊M到中心0的距離為禮，到天線Ai、A2、. . . Am_!的距離分別為Ri、R2、. . . Rn，均為未 知量。0M直線和0A1、0A2、...0AM_1直線的夾角分別是e^i，均為未知量。且由 空間幾何關系，0P0P... 之間存在約束關系。根據(jù)包含已知量和未知量在內的M個 以上獨立的關系方程，根據(jù)一定的優(yōu)化原則，可以得到關于未知量的唯一解，從而確定膠囊 的位置。也可以通過天線陣列選擇單元，從M根天線中選出4根或者5根天線，從而用4天 線或者5天線法求定位信息計算方法進行定位計算。圖8是體外天線坐標定義示意圖。如圖所示，以使用5天線的定位方法為例，在5 天線所在平板312B中，沿人體水平方向規(guī)定為X軸，沿人體垂直方向規(guī)定為Y軸，作為相位 參考的接收天線所在坐標為坐標系的原點，進而可以確定其他天線在坐標系中的坐標。有 各天線坐標之后，可以計算體內膠囊相對于該坐標系的位置信息。由以上實施例可以看出，本發(fā)明通過電磁波相位差實現(xiàn)定位，提高了人體內視鏡 膠囊定位的精度，并簡化了定位的操作；不需要昂貴的設備，降低了成本，且對人體無害。以上所述僅是本發(fā)明的實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
么/
A 兀
以 2 二
C 2
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A 蓯 ^ 2
病/ A ^ C 2
2
2
2 a 2
8
權利要求
一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法，其特征在于，包括以下步驟S1，利用位于人體內的內視鏡膠囊向外發(fā)射電磁波，所述電磁波是包含相位信息的信號；S2，在人體胸前或后背利用分布于平板內的N根天線接收該電磁波；S3，以平板內的一根天線為參考天線，該參考天線接收到的電磁波信號的相位為參考相位，根據(jù)其余N-1根天線中的i根天線到參考天線之間的直線距離，以及該i根天線各自接收到的電磁波信號的相位與所述參考相位之差，計算所述內視鏡膠囊分別到參考天線和該i根天線的直線距離，從而確定出內視鏡膠囊的位置，其中i為3至N-1之間的整數(shù)，N是大于3的整數(shù)。
2.如權利要求1所述的利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法，其特征在于， 在步驟S3中根據(jù)最優(yōu)化原則計算所述內視鏡膠囊M分別到參考天線和該i根天線的直線距離。
3.如權利要求1所述的利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法，其特征在于， 所述平板P采用不變形材料制成。
4.如權利要求1所述的利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法，其特征在于， 在所述內視鏡膠囊M還發(fā)射包含其拍攝得到的影像數(shù)據(jù)的電磁波。
5.一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位系統(tǒng)，其特征在于，包括 內視鏡膠囊，用于發(fā)射電磁波，所述電磁波是包含相位信息的信號；信號接收裝置，包括平板以及固定于所述平板上的N根天線，所述N根天線用于接收所 述電磁波；以及定位數(shù)據(jù)處理裝置，用于根據(jù)N根天線中參考天線到其余N-I根天線Ap A2、. . . An^1中 的i根天線之間的直線距離，以及該i根天線各自接收到的電磁波信號的相位與參考天線 接收到的電磁波信號的相位之差，計算所述內視鏡膠囊分別到參考天線和該i根天線的直 線距離，從而確定出內視鏡膠囊的位置，其中i為3至N-I之間的整數(shù)。
6.如權利要求5所述的利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位系統(tǒng)，其特征在于， 所述平板P采用不變形材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用電磁波相位差的人體內視鏡膠囊定位方法，包括步驟S1，利用位于人體內的內視鏡膠囊向外發(fā)射電磁波，所述電磁波是包含相位信息的信號；S2，在人體胸前或后背利用分布于平板內的N根天線接收該電磁波；S3，以平板內的一根天線為參考天線，該參考天線接收到的電磁波信號的相位為參考相位，根據(jù)其余N-1根天線中的i根天線到參考天線之間的直線距離，以及該i根天線各自接收到的電磁波信號的相位與所述參考相位之差，計算所述內視鏡膠囊分別到參考天線和該i根天線的直線距離，從而確定出內視鏡膠囊的位置，其中i為3至N-1之間的整數(shù)，N是大于3的整數(shù)。本發(fā)明的技術方案可提高定位精度、成本低、操作簡單。
文檔編號A61B5/06GK101803923SQ201010126279
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者孫天佳, 張春, 王志華, 王自強, 謝翔, 谷熒柯 申請人:清華大學