具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，屬于醫(yī)療器械輔助設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。它解決了現(xiàn)有的技術(shù)增加了定位系統(tǒng)的復(fù)雜程度的問(wèn)題。本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包括膠囊內(nèi)窺鏡和體外控制單元，膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置有MCU控制電路以及與MCU控制電路連接的微型超聲波發(fā)射模塊和射頻無(wú)線發(fā)射模塊，體外控制單元包括微控制器以及與微控制器連接的射頻無(wú)線接收模塊和超聲波接收處理模塊，微控制器與射頻無(wú)線接收模塊之間連接有音視頻信號(hào)處理模塊,微控制器利用聲速溫度補(bǔ)償公式和空間定位算法即可實(shí)時(shí)得到膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的精確位置。本膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)能實(shí)時(shí)得到膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的精確位置，定位精確度高。
【專利說(shuō)明】具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療器械輔助設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi) 窺鏡系統(tǒng)，特別是一種適用于消化道疾病檢查、診斷和定位功能的醫(yī)用膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 膠囊內(nèi)窺鏡又稱醫(yī)用無(wú)線內(nèi)鏡。工作機(jī)理為：當(dāng)膠囊內(nèi)窺鏡被患者吞下，借助人體 消化道的蠕動(dòng)，沿著消化道以每秒數(shù)幀的速率記錄圖像，并通過(guò)無(wú)線方式將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送 到體外數(shù)據(jù)記錄儀或者可穿戴設(shè)備，整個(gè)過(guò)程持續(xù)8-15個(gè)小時(shí)，記錄大約5-9萬(wàn)張圖片，具 有臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生借助PC電腦或圖像顯示設(shè)備檢查所有圖片和分析消化道疾病，給出診 斷結(jié)果。該檢查方式具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、無(wú)交叉感染，不影響患者的正常工作學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)， 可做為消化道疾病診斷的優(yōu)選方法，被醫(yī)學(xué)界稱為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命和方向。
[0003] 目前醫(yī)療領(lǐng)域使用的膠囊內(nèi)窺鏡不可避免的存在患者體內(nèi)滯留和所得圖片無(wú)位 置信息等問(wèn)題，對(duì)疾病的診斷主要依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，因此具有定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡 被提上日程。目前國(guó)際上主要有以下幾種定位方式：RF射頻信號(hào)定位、內(nèi)置永磁元件的磁 場(chǎng)定位、聲音定位、RF射頻信號(hào)+CT定位或者M(jìn)RI定位，更甚者采用輻射源定位。上述的幾 種定位方式，要么需要采用昂貴、笨重的輔助設(shè)備，如RF射頻信號(hào)定位和內(nèi)置永磁元件的 磁場(chǎng)定位需要穿戴式醫(yī)療輔助設(shè)備完成定位；要么對(duì)人體產(chǎn)生或多或少的危害，如內(nèi)置永 磁元件的磁場(chǎng)定位和福射源定位。
[0004] 針對(duì)上述存在的問(wèn)題，2014年6月25日公告的CN103876702A的中國(guó)發(fā)明專利說(shuō) 明書公開(kāi)了一種具有超聲定位功能的膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)及其膠囊內(nèi)鏡，用于在拍照的同時(shí)獲取 照片的位置信息，以解決過(guò)多依賴醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題。但是，該膠囊內(nèi)鏡采用體外超聲 波陣列發(fā)射超聲波，體內(nèi)超聲波接收模塊用于接收超聲波信號(hào)后再輸出時(shí)標(biāo)信號(hào)，再通過(guò) 射頻模塊將時(shí)標(biāo)信號(hào)輸出到體外記錄儀。該種信號(hào)處理方式，過(guò)多的依賴射頻發(fā)射模塊，增 加了定位系統(tǒng)的復(fù)雜程度；而且該系統(tǒng)需要專門的定位床，需要患者在醫(yī)院才可進(jìn)行檢查， 限制了患者的檢測(cè)舒適度；此外，該系統(tǒng)并沒(méi)有給出具體的理論計(jì)算模型、算法和具體實(shí)現(xiàn) 過(guò)程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問(wèn)題，提出了一種具有超聲波定位功能 的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，該膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)能實(shí)時(shí)得到膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的精確位置，定 位精確度高。
[0006] 本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系 統(tǒng)，其特征在于，所述膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)包括膠囊內(nèi)窺鏡和體外控制單元，所述膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi) 設(shè)置有MCU控制電路以及與所述MCU控制電路連接的微型超聲波發(fā)射模塊和射頻無(wú)線發(fā)射 模塊，所述體外控制單元包括微控制器以及與所述微控制器連接的射頻無(wú)線接收模塊和超 聲波接收處理模塊，所述微控制器與射頻無(wú)線接收模塊之間連接有音視頻信號(hào)處理模塊， 所述MCU控制電路控制微型超聲波發(fā)射模塊向體外發(fā)射超聲波信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)射頻無(wú)線 發(fā)射模塊向體外控制單元發(fā)射超聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)，所述超聲波接收處理模塊用于 接收膠囊內(nèi)窺鏡發(fā)射的超聲波信號(hào)并進(jìn)行處理后輸出脈沖信號(hào)給微控制器，所述音視頻信 號(hào)處理模塊對(duì)射頻無(wú)線接收模塊接收的由患者體內(nèi)發(fā)出的超聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)進(jìn) 行處理，進(jìn)而發(fā)送處理后的標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)給微控制器，所述微控制器根據(jù)接收脈沖信號(hào)和 標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)的時(shí)間差以及超聲波實(shí)時(shí)傳播速度計(jì)算出微型超聲波發(fā)射模塊與超聲波接 收處理模塊之間的距離，進(jìn)而通過(guò)空間定位算法得到膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的位置信息。
[0007] 本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在使用時(shí)，將體外控制單元中的超聲波 接收處理模塊按照一定的規(guī)則放置于患者家庭、工作學(xué)習(xí)場(chǎng)所或者醫(yī)院內(nèi)，當(dāng)膠囊內(nèi)窺鏡 進(jìn)入患者體內(nèi)時(shí)，膠囊內(nèi)窺鏡中的微型超聲波發(fā)射模塊按照一定時(shí)間間隔向空間發(fā)射超聲 波信號(hào)，在此同時(shí)，MCU控制電路將微型超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波信號(hào)的時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)通 過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送給體外控制單元，體外控制單元中的射頻無(wú)線接收模塊接收該時(shí) 間標(biāo)識(shí)信號(hào)并輸送給音視頻信號(hào)處理模塊，該音視頻信號(hào)處理模塊接收該時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)并 進(jìn)行處理，處理后輸出時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)給體外控制單元中的微控制器；體外控制單元中 的超聲波接收處理模塊接收膠囊內(nèi)窺鏡發(fā)射的超聲波信號(hào)并進(jìn)行處理，進(jìn)而輸出脈沖信號(hào) 給微控制器，微控制器根據(jù)接收到時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)和脈沖信號(hào)得出發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào) 之間的時(shí)間差，根據(jù)該時(shí)間差即可計(jì)算出膠囊內(nèi)窺鏡中微型超聲波發(fā)射模塊到超聲波接收 處理模塊之間的距離，進(jìn)而再通過(guò)空間定位算法即可實(shí)時(shí)得到膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的位 置信息。本系統(tǒng)采用體內(nèi)發(fā)射超聲波信號(hào)，體外接收，體外設(shè)置多個(gè)超聲波接收處理模塊， 處理速度快，定位精確度高，另外，本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)無(wú)需定位床， 患者可自主完成檢查、輸出診斷結(jié)果、運(yùn)行軌跡繪制和存儲(chǔ)，真正實(shí)現(xiàn)了方便快捷的舒適治 療。
[0008] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述微型超聲波發(fā)射模塊所 發(fā)超聲波為全向性球面波，波前為球面，由球面超聲波換能器產(chǎn)生。
[0009] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述微型超聲波發(fā)射模塊包 括一個(gè)超聲波發(fā)射傳感器。該超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射全向性球面波，可以使設(shè)置在不同位 置上的超聲波接收處理模塊接收到超聲波信號(hào)，提高定位精確度。
[0010] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述超聲波發(fā)射傳感器為利 用壓電晶體的諧振方式工作的壓電式超聲波換能器。
[0011] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述超聲波發(fā)射傳感器為利 用磁致伸縮方式工作的磁致伸縮式超聲波換能器。
[0012] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述超聲波接收處理模塊包 括超聲波接收陣列和信號(hào)處理電路，所述超聲波接收陣列包括若干個(gè)超聲波接收傳感器。
[0013] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述超聲波接收陣列包括至 少三個(gè)超聲波接收傳感器。
[0014] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述微控制器計(jì)算膠囊內(nèi)窺 鏡中微型超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波到超聲波接收處理模塊接收到超聲波之間的時(shí)間差， 將該時(shí)間差設(shè)定為Ati,實(shí)時(shí)超聲波傳播速度設(shè)定為V，膠囊內(nèi)窺鏡中的微型超聲波發(fā)射模 塊與超聲波接收處理模塊中的各個(gè)超聲波接收傳感器之間的距離設(shè)定為Si,Si=V?Ati,i =1，2,. . .N，其中N為超聲波接收傳感器的個(gè)數(shù)，所述微控制器進(jìn)而通過(guò)空間定位算法實(shí) 時(shí)得出膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)的精確位置信息，經(jīng)過(guò)音視頻信號(hào)處理模塊加載到圖像數(shù)據(jù) 上并進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0015] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述體外控制單元還包括與 微控制器連接的溫度傳感器，所述溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者服用膠囊內(nèi)窺鏡后所處環(huán) 境溫度T，超聲波傳播速度V= 331. 45+nT，n為常數(shù)。n值可通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。 超聲波是一種聲波，其聲速與溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素有關(guān)，其中，聲速受溫度影響較大，經(jīng) 實(shí)際測(cè)試，溫度每升高rc，聲速增加約nm/s，因此，在體外控制單元上設(shè)置溫度傳感器， 可有效提高測(cè)定膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)位置信息的精確度。
[0016] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)還包括 PC工作站，所述PC工作站通過(guò)有線或者無(wú)線方式將體外控制單元存儲(chǔ)的包含位置信息的 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理。
[0017] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述體外控制單元還包括用 于對(duì)所述體外控制單元提供電源的電源部件以及與音視頻信號(hào)處理模塊連接的顯示部件。
[0018] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述膠囊內(nèi)窺鏡包括膠囊殼 體和透明光學(xué)前蓋，所述膠囊殼體和透明光學(xué)前蓋通過(guò)卡扣或者膠接方式進(jìn)行連接。
[0019] 在上述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，所述膠囊內(nèi)窺鏡殼體內(nèi)，沿 著膠囊內(nèi)窺鏡軸線從透明光學(xué)前蓋處開(kāi)始還依次設(shè)置有光學(xué)鏡頭、LED燈板、光學(xué)圖像傳感 器、圖像處理模塊和供電電池，所述圖像處理模塊分別與光學(xué)圖像傳感器和射頻無(wú)線發(fā)射 模塊相連接，所述LED燈板上設(shè)置有冷光源LED燈、光敏傳感器和光學(xué)鏡頭，所述MCU控制 電路分別與所述光敏傳感器和冷光源LED燈連接，所述供電電池分別與所述LED燈板、光學(xué) 圖像傳感器、圖像處理模塊、MCU控制電路和射頻無(wú)線發(fā)射模塊連接。膠囊內(nèi)窺鏡在進(jìn)入患 者體內(nèi)后，光敏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體內(nèi)組織發(fā)射的光線亮度并反饋給MCU控制電路，MCU 控制電路根據(jù)得到的光線亮度值，通過(guò)脈寬調(diào)制方式實(shí)時(shí)控制冷光源LED燈的亮度，以便 于光學(xué)鏡頭可得到患者組織內(nèi)壁清晰的圖像。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 1、本發(fā)明可消除超聲波多徑效應(yīng)干擾和抑制環(huán)境噪聲干擾，得到患者組織內(nèi)壁清 晰圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)控膠囊內(nèi)鏡在患者體內(nèi)精確位置，利于疾病診斷。
[0022] 2、本發(fā)明無(wú)需定位床，檢測(cè)場(chǎng)所無(wú)局限性，不影響生活工作，實(shí)現(xiàn)了方便快捷的舒 適治療。
[0023] 3、本發(fā)明在體內(nèi)設(shè)置一個(gè)向空間全向性發(fā)射超聲波信號(hào)的微型超聲波發(fā)射模塊， 體外設(shè)置多個(gè)超聲波接收傳感器，用于全方位定位膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的位置，而且在超聲 波信號(hào)接收方面實(shí)時(shí)性高，接收處理速度快，進(jìn)而提高了定位膠囊內(nèi)窺鏡在患者體內(nèi)位置 的精確度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明中膠囊內(nèi)窺鏡的示意圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明膠囊內(nèi)窺鏡工作流程圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明的工作流程圖。
[0028] 圖5是本發(fā)明超聲波接收傳感器第一種放置位置示意圖。
[0029] 圖6是本發(fā)明超聲波接收傳感器第二種放置位置示意圖。
[0030] 圖7是本發(fā)明超聲波接收傳感器第三種放置位置示意圖。
[0031] 圖8是本發(fā)明超聲波接收傳感器第四種放置位置示意圖。
[0032] 圖9是本發(fā)明信號(hào)處理過(guò)程的示意圖。
[0033] 圖中，1、膠囊內(nèi)窺鏡；la、膠囊殼體；lb、透明光學(xué)前蓋；2、冷光源LED燈；3、光學(xué) 鏡頭；4、光學(xué)圖像傳感器；5、圖像處理模塊；6、供電電池；6a、第一電池；6b、第二電池；7、 微型超聲波發(fā)射模塊；8、射頻無(wú)線發(fā)射模塊；8a、RF射頻無(wú)線發(fā)射模塊；8b、發(fā)射天線；9、 MCU控制電路；10、體外控制單元；11、LED燈板；12、光敏傳感器；13、PC工作站；14、超聲波 接收處理模塊；14a、超聲波接收陣列；14b、信號(hào)處理電路；15、音視頻信號(hào)處理模塊；16、體 外射頻無(wú)線發(fā)射模塊；17、微控制器；18、顯示部件；19、電源部件；20、射頻無(wú)線接收模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述， 但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0035] 如圖1、2所示，本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包括膠囊內(nèi)窺鏡1、體 外控制單元10和PC工作站13,其膠囊內(nèi)窺鏡1包括膠囊殼體Ia和透明光學(xué)前蓋Ib，兩者 通過(guò)卡扣或者膠接方式連接，膠囊內(nèi)窺鏡1殼體內(nèi)，沿著膠囊內(nèi)窺鏡1軸線從透明光學(xué)前 蓋Ib開(kāi)始依次設(shè)置有光學(xué)鏡頭3、LED燈板11、光學(xué)圖像傳感器4、圖像處理模塊5、供電電 池6、MCU控制電路9及射頻無(wú)線發(fā)射模塊8,圖像處理模塊5分別與光學(xué)圖像傳感器4、射 頻無(wú)線發(fā)射模塊8相連接，供電電池6分別與LED燈板11、光學(xué)圖像傳感器4及圖像處理 模塊5、MCU控制電路9、射頻無(wú)線發(fā)射模塊8相連接；膠囊內(nèi)窺鏡1還包括分別與供電電 池6、MCU控制電路9相連接的微型超聲波發(fā)射模塊7,微型超聲波發(fā)射模塊7設(shè)置在膠囊 內(nèi)窺鏡1的幾何中心和膠囊內(nèi)窺鏡1的重心；LED燈板11上設(shè)置有冷光源LED燈2、光敏 傳感器12和光學(xué)鏡頭3,冷光源LED燈2發(fā)光顏色為高亮白光，冷光源LED燈2發(fā)光方向 沿著膠囊內(nèi)窺鏡1軸線朝著透明光學(xué)前蓋lb，光敏傳感器12光學(xué)接收面沿著膠囊內(nèi)窺鏡1 軸線朝著透明光學(xué)前蓋lb，光學(xué)鏡頭3固定在LED燈板11的正中心。其體外控制單元10 包括超聲波接收處理模塊14、射頻無(wú)線接收模塊20、音視頻信號(hào)處理模塊15、微控制器17、 電源部件19和顯示部件18,其中電源部件19用于對(duì)體外控制單元10提供電源，電源部件 19分別與超聲波接收處理模塊14、射頻無(wú)線接收模塊20、音視頻信號(hào)處理模塊15、微控制 器17和顯示部件18電性連接，超聲波接收處理模塊14和射頻無(wú)線接收模塊20分別與微 控制器17連接，射頻無(wú)線接收模塊20與微控制器17之間連接音視頻信號(hào)處理電路14b， 顯示部件18與音視頻信號(hào)處理電路14b連接，體外控制單元10中的超聲波接收處理模塊 14用于接收膠囊內(nèi)窺鏡1中微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)出的超聲波信號(hào)，體外控制單元10通 過(guò)射頻無(wú)線接收模塊20接收膠囊內(nèi)窺鏡1通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊8發(fā)出的模擬視頻信號(hào) 和超聲波發(fā)射時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)，PC工作站13通過(guò)有線或者無(wú)線的方式與體外控制單元10連 接，在體外控制單元10內(nèi)還設(shè)置有與微控制器17連接的體外射頻無(wú)線發(fā)射模塊16,體外 控制單元10通過(guò)體外射頻無(wú)線發(fā)射模塊16與PC工作站13進(jìn)行無(wú)線通訊。MCU控制電路 9用于控制微型超聲波發(fā)射模塊7向體外發(fā)射超聲波信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊8 向體外控制單元10發(fā)射超聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)，超聲波接收處理模塊14用于接收膠 囊內(nèi)窺鏡1發(fā)射的超聲波信號(hào)并進(jìn)行處理后輸出脈沖信號(hào)給微控制器17,音視頻信號(hào)處理 模塊15對(duì)射頻無(wú)線接收模塊20接收的由患者體內(nèi)發(fā)出的超聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)進(jìn)行 處理，進(jìn)而發(fā)送處理后的標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)給微控制器17,微控制器17根據(jù)接收脈沖信號(hào)和超 聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)的時(shí)間差以及超聲波實(shí)時(shí)傳播速度計(jì)算出微型超聲波發(fā)射模塊7 與超聲波接收處理模塊14之間的距離，進(jìn)而通過(guò)空間定位算法得到膠囊內(nèi)窺鏡1在患者體 內(nèi)的位置信息。
[0036] 具體來(lái)說(shuō)，
[0037] 微控制器17計(jì)算膠囊內(nèi)窺鏡1中微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)射超聲波到超聲波接 收處理模塊14接收到超聲波之間的時(shí)間差，將該時(shí)間差設(shè)定為△h，實(shí)時(shí)超聲波傳播速度 設(shè)定為V，膠囊內(nèi)窺鏡1中的微型超聲波發(fā)射模塊7與超聲波接收處理模塊14中的各個(gè)超 聲波接收傳感器之間的距離設(shè)定為SpSi=V?Ati,i= 1，2, ...N，其中N為超聲波接收傳 感器的個(gè)數(shù)，微控制器17進(jìn)而再通過(guò)空間定位算法實(shí)時(shí)得出膠囊內(nèi)窺鏡1在患者體內(nèi)的精 確位置信息，經(jīng)過(guò)音視頻信號(hào)處理模塊15加載到圖像數(shù)據(jù)上并進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0038] 作為優(yōu)選，體外控制單元10還包括與微控制器17連接的溫度傳感器，溫度傳感器 用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者服用膠囊內(nèi)窺鏡1后所處環(huán)境溫度T，超聲波傳播速度V= 331. 45+nT， n為常數(shù)。n通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。超聲波是一種聲波，其聲速與溫度、濕度、壓強(qiáng)等 因素有關(guān)，其中，聲速受溫度影響較大，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，溫度每升高rc，聲速增加約nm/s，因 此，在體外控制單元10上設(shè)置溫度傳感器，可有效提高測(cè)定膠囊內(nèi)窺鏡1在患者體內(nèi)位置 信息的精確度。
[0039] 作為優(yōu)選，體外射頻無(wú)線發(fā)射模塊16包括體外RF射頻無(wú)線發(fā)射模塊和體外發(fā)射 天線，其中體外RF射頻無(wú)線發(fā)射模塊具有模擬視頻信號(hào)無(wú)線發(fā)射功能和模擬音頻信號(hào)無(wú) 線發(fā)射功能，并與體外發(fā)射天線相連接。
[0040] 膠囊內(nèi)窺鏡1中的微型超聲波發(fā)射模塊7所發(fā)超聲波為全向性球面波，波前為球 面，由球面超聲波換能器產(chǎn)生；
[0041] 微型超聲波發(fā)射模塊7包括一個(gè)超聲波發(fā)射傳感器；
[0042] 微型超聲波發(fā)射模塊7的超聲波發(fā)射傳感器為利用壓電晶體的諧振方式工作的 壓電式超聲波換能器或者利用磁致伸縮方式工作的磁致伸縮式超聲波換能器。
[0043] 作為優(yōu)選，微型超聲波發(fā)射模塊7的超聲波發(fā)射時(shí)間間隔由MCU控制電路9控制， 通過(guò)MCU控制電路9控制超聲波定時(shí)發(fā)射，該時(shí)間間隔可設(shè)定為500ms，即間隔500ms向空 間發(fā)射一列超聲波。
[0044] 作為優(yōu)選，射頻無(wú)線發(fā)射模塊8包括RF射頻無(wú)線發(fā)射模塊8a和發(fā)射天線8b，其中RF射頻無(wú)線發(fā)射模塊8a具有模擬視頻信號(hào)無(wú)線發(fā)射功能和模擬音頻信號(hào)無(wú)線發(fā)射功能， 并與發(fā)射天線8b相連接。
[0045] 膠囊內(nèi)窺鏡1中的光學(xué)圖像傳感器4為CMOS圖像傳感器或者CXD圖像傳感器；
[0046] 體外控制單元10中的超聲波接收處理模塊14包括超聲波接收陣列14a和信號(hào)處 理電路14b，超聲波接收陣列14a通過(guò)信號(hào)處理電路14b與微控制器17連接，信號(hào)處理電 路14b-般由集成放大處理電路或者相關(guān)檢測(cè)電路構(gòu)成，當(dāng)超聲波接收陣列14a某個(gè)接收 模塊檢測(cè)到超聲波時(shí)，該信號(hào)處理電路14b進(jìn)行處理后輸出脈沖信號(hào)。
[0047] 作為優(yōu)選，信號(hào)處理電路14b還包括相關(guān)器，用于消除超聲波多徑效應(yīng)干擾和抑 制環(huán)境噪聲干擾。如圖9所示，具體處理過(guò)程為：微型超聲波發(fā)射模塊7產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的隨 機(jī)信號(hào)X(t)，超聲波接收陣列14a除了接收到直達(dá)波外，還有經(jīng)過(guò)不同路徑反射過(guò)來(lái)的反 射波，超聲波接收陣列14a及信號(hào)處理電路14b某一路超聲波接收傳感器接收的反射波和 直達(dá)波信號(hào)用Y(t)表示，Y(t) =axa-Atj+exa-Ati-o+wa)，其中a為直達(dá)波衰 減因子，Ah，i= 1，2, ...N是微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)射超聲波到超聲波接收陣列14a接 收到直達(dá)波的時(shí)間差，反映了微型超聲波發(fā)射模塊7與超聲波接收陣列14a之間的距離，0 為發(fā)射波衰減因子，t'為反射波相對(duì)于直達(dá)波的時(shí)延，W(t)為超聲波接收陣列14a接收到 的總的噪聲，通常為白噪聲，與微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)射的超聲波信號(hào)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。參考信 號(hào)X(t)為與微型超聲波發(fā)射模塊7同頻同幅、時(shí)間同步的振蕩信號(hào)，將參考信號(hào)X(t)與接 收信號(hào)Y(t)同時(shí)加到一個(gè)相關(guān)器，相關(guān)器的輸出為
[0048] Ryx(T ) =E[Y(t+T)X(t) ] =E{[aX(t_Atj+t) +X(t_Atj-t' +t)+W(t+t)] X(t)}
[0049] =aRx (T-Atj) + 0Rx[t-(Atj+t')]
[0050] 根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，相關(guān)器的輸出在T=Ati時(shí)達(dá)到最大。由于超聲波的傳 播速度V是實(shí)驗(yàn)可測(cè)定，因此，如果檢測(cè)到相關(guān)器的輸出峰值的位置，就可以估算出目標(biāo)的 距離。通常a是小于1，a，因此后一項(xiàng)0Rx[T-(Ah+t'）]將比較小，減小了反射波 對(duì)直達(dá)波的影響，同時(shí)抑制噪聲對(duì)輸出結(jié)果的影響。
[0051] 作為優(yōu)選，超聲波接收陣列14a包括多個(gè)超聲波接收傳感器；
[0052] 優(yōu)選的，超聲波接收陣列14a包括至少3個(gè)超聲波接收傳感器；
[0053] 優(yōu)選的，超聲波接收傳感器為利用壓電晶體的諧振方式工作的壓電式超聲波換能 器或者利用磁致伸縮方式工作的磁致伸縮式超聲波換能器；
[0054] 體外控制單元10中的射頻無(wú)線接收模塊20包括接收天線和RF射頻無(wú)線接收模 塊；
[0055] 作為優(yōu)選，RF射頻無(wú)線接收模塊上集成模擬視頻信號(hào)和模擬音頻信號(hào)前置放大和 處理電路，RF射頻無(wú)線接收模塊輸出為標(biāo)準(zhǔn)的CVBS視頻信號(hào)和放大后的音頻信號(hào)；
[0056] 作為優(yōu)選，供電電池6包括第一電池6a和第二電池6b，微型超聲波發(fā)射模塊7位 于第一電池6a和第二電池6b之間。
[0057] 作為優(yōu)選，音視頻信號(hào)處理模塊15上集成高速ADC轉(zhuǎn)換、視頻解碼、視頻拍照、攝 像和自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示驅(qū)動(dòng)、視頻輸出、時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能；
[0058] 優(yōu)選的，音視頻信號(hào)處理模塊15的視頻信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出信號(hào)，可直接通過(guò)電 纜線驅(qū)動(dòng)TV監(jiān)視器或者具有類似功能設(shè)備；
[0059] 優(yōu)選的，音視頻信號(hào)處理模塊15的視頻拍照、攝像和自動(dòng)存儲(chǔ)、無(wú)線或者有線發(fā) 送功能的觸發(fā)信號(hào)可控，由微控制器17提供；
[0060] 優(yōu)選的，音視頻信號(hào)處理模塊15的顯示驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)顯示器為TFT、OLED或者 類似顯示裝置；
[0061] 體外控制單元10中的電源部件19可以為直流穩(wěn)壓電源或者開(kāi)關(guān)電源；
[0062]體外控制單元10中的顯示部件18為TFT顯示、OLED顯示器或者類似顯示裝置， 特別是2. 5寸或者3. 5寸顯示裝置；
[0063] 優(yōu)選的，PC工作站13用于對(duì)體外控制單元10得到的圖像數(shù)據(jù)和位置信息進(jìn)行分 類存儲(chǔ)、顯示、處理得到包含位置信息的圖像數(shù)據(jù)。
[0064] 優(yōu)選的，PC工作站13用于對(duì)體外控制單元10得到的圖像數(shù)據(jù)利用上位機(jī)軟件進(jìn) 行分類、對(duì)比、篩選和輸出診斷結(jié)果。
[0065] 優(yōu)選的，PC工作站13用于對(duì)體外控制單元10得到的位置信息利用上位機(jī)軟件進(jìn) 行膠囊內(nèi)窺鏡1在患者體內(nèi)運(yùn)行軌跡繪制和存儲(chǔ)。
[0066] 本具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡1系統(tǒng)的工作原理為：
[0067] 如圖3、4所示，將體外控制單元10中的超聲波接收陣列14a合理的放置于消化內(nèi) 科內(nèi)窺鏡患者待檢室、患者家庭或者工作學(xué)習(xí)場(chǎng)所內(nèi)，其中超聲波接收陣列14a包括多個(gè) 超聲波接收傳感器，將多個(gè)超聲波接收傳感器合理的放置在患者所處的環(huán)境中，當(dāng)膠囊內(nèi) 窺鏡1進(jìn)入患者體內(nèi)時(shí)，圖像處理模塊5對(duì)光學(xué)圖像傳感器4采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理 得到模擬視頻信號(hào)，并通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊8將模擬視頻數(shù)據(jù)發(fā)射出去；光敏傳感器12， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體內(nèi)組織反射光線的亮度，并反饋給MCU控制電路9,MCU控制電路9根據(jù)得 到的光線亮度值，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM)方式實(shí)時(shí)控制冷光源LED燈2的亮度，確保光學(xué)圖像 傳感器4可以得到患者組織內(nèi)壁清晰的圖像；與此同時(shí)，膠囊內(nèi)窺鏡1內(nèi)設(shè)置的微型超聲 波發(fā)射模塊7在MCU控制電路9的控制下，按照固定時(shí)間間隔向患者體外以球面波方式發(fā) 射超聲波信號(hào)，同時(shí)MCU控制電路9通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊8的模擬音頻通道將超聲波發(fā) 射時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)發(fā)射到患者體外控制單元10,體外控制單元10中的射頻無(wú)線接收模塊20 利用無(wú)線方式接收患者體內(nèi)的膠囊內(nèi)窺鏡1通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊8發(fā)射的模擬視頻信號(hào) 和超聲波發(fā)射時(shí)間標(biāo)識(shí)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)音視頻信號(hào)處理模塊15將射頻無(wú)線接收模塊20輸出 的放大后的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖，將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，以便PC 工作站13獲取患者體內(nèi)的圖像信息；音視頻信號(hào)處理模塊15將處理后的時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖輸 出給微控制器17,微控制器17在接收到音視頻信號(hào)處理模塊15輸出的時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào) 上升沿時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)部各個(gè)計(jì)數(shù)器陣列開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波接收處理模塊14中的超聲波接收陣 列14a用于接收膠囊內(nèi)窺鏡1中微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)出的超聲波信號(hào)，信號(hào)處理電路 14b用于對(duì)超聲波接收陣列14a各路接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行前置放大和處理后輸出脈沖信 號(hào)給微控制器17,當(dāng)微控制器17接收到超聲波接收處理模塊14某一路輸出脈沖信號(hào)時(shí)控 制相應(yīng)的計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，得到膠囊內(nèi)窺鏡1微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)射超聲波到該路超 聲波接收處理模塊14接收到超聲波之間的時(shí)間差，該時(shí)間差設(shè)定為Ah，i= 1，2,...N，其 中N為超聲波接收陣列14a中超聲波接收傳感器的個(gè)數(shù)，實(shí)時(shí)超聲波傳播速度V，則可計(jì)算 出超聲波發(fā)射模塊與超聲接收陣列中各個(gè)超聲波接收傳感器之間的距離Si=V?Ati,i= 1，2, ...N，其中N為超聲波接收陣列14a中超聲波接收傳感器的個(gè)數(shù)，其中超聲波傳播速 度受溫度影響較大，體外控制單元10上設(shè)置的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者家庭、工作學(xué)習(xí)場(chǎng) 所或者醫(yī)院內(nèi)環(huán)境溫度T，利用V= 331. 45+nT可得到比較精確的實(shí)時(shí)超聲波傳播速度V， 此處n可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定；體外控制單元10再通過(guò)空間定位算法實(shí)時(shí)得到膠囊內(nèi)窺鏡 1在患者體內(nèi)的精確位置信息，其中空間定位算法根據(jù)超聲波接收陣列14a中超聲波接收 傳感器的個(gè)數(shù)不同或者設(shè)置位置的不同，其空間定位算法也不同，具體過(guò)程包括：
[0068] 第一種放置位置：如圖5所示，將超聲波接收陣列14a固定于患者家庭、工作學(xué)習(xí) 場(chǎng)所或者醫(yī)院內(nèi)墻壁左上角位置，避免遮擋，超聲波接收陣列14a由排成等腰直角三角形 的3個(gè)超聲波接收傳感器組成，3個(gè)超聲波接收傳感器分別命名為RUR2和R3,R2設(shè)置于 等腰直角三角形的直角上，Rl到R2的間距和R3到R2的間距為d。在膠囊內(nèi)窺鏡1進(jìn)入患 者體內(nèi)后，患者處在上述超聲波接收陣列14a設(shè)置的空間內(nèi)，設(shè)微型超聲波發(fā)射模塊7位于 Tx#，坐標(biāo)為（x，y，z)，到超聲波接收傳感器R2的斜距為L(zhǎng)。，到超聲波接收傳感器Rl的斜 距為L(zhǎng)a，到超聲波接收傳感器R3的斜距為L(zhǎng)B，S為T5^xOy平面上的投影，它與X軸的夾角 a為目標(biāo)水平方位角，0為OTr^X軸的夾角，y為OTr^y軸的夾角。
[0069]當(dāng)微型超聲波發(fā)射模塊7位置滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，微型超聲波發(fā)射模塊7發(fā)射全向性 球面波，根據(jù)空間幾何關(guān)系有

【權(quán)利要求】
1. 具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)包括膠 囊內(nèi)窺鏡⑴和體外控制單元（10)，所述膠囊內(nèi)窺鏡⑴內(nèi)設(shè)置有MCU控制電路（9)以及 與所述MCU控制電路（9)連接的微型超聲波發(fā)射模塊（7)和射頻無(wú)線發(fā)射模塊（8)，所述 體外控制單元（10)包括微控制器（17)以及與所述微控制器（17)連接的射頻無(wú)線接收模 塊（20)和超聲波接收處理模塊（14)，所述微控制器（17)與射頻無(wú)線接收模塊（20)之間 連接有音視頻信號(hào)處理模塊（15)，所述MCU控制電路（9)控制微型超聲波發(fā)射模塊（7)向 體外發(fā)射超聲波信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)射頻無(wú)線發(fā)射模塊（8)向體外控制單元（10)發(fā)射超聲波 發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)，所述超聲波接收處理模塊（14)用于接收膠囊內(nèi)窺鏡（1)發(fā)射的超聲 波信號(hào)并進(jìn)行處理后輸出脈沖信號(hào)給微控制器（17)，所述音視頻信號(hào)處理模塊（15)對(duì)射 頻無(wú)線接收模塊（20)接收的由患者體內(nèi)發(fā)出的超聲波發(fā)射時(shí)間的標(biāo)識(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn) 而發(fā)送處理后的時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)給微控制器（17)，所述微控制器（17)根據(jù)接收脈沖信 號(hào)和時(shí)間標(biāo)識(shí)脈沖信號(hào)的時(shí)間差以及超聲波實(shí)時(shí)傳播速度計(jì)算出微型超聲波發(fā)射模塊（7) 與超聲波接收處理模塊（14)之間的距離，進(jìn)而通過(guò)空間定位算法得到膠囊內(nèi)窺鏡（1)在患 者體內(nèi)的位置信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 微型超聲波發(fā)射模塊（7)所發(fā)超聲波為全向性球面波，波前為球面，由球面超聲波換能器 產(chǎn)生。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 超聲波接收處理模塊（14)包括超聲波接收陣列（14a)和信號(hào)處理電路（14b)，所述超聲波 接收陣列（14a)包括若干個(gè)超聲波接收傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 超聲波接收陣列（14a)包括至少三個(gè)超聲波接收傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 微控制器（17)計(jì)算膠囊內(nèi)窺鏡（1)中微型超聲波發(fā)射模塊（7)發(fā)射超聲波到超聲波接收 處理模塊（14)接收到超聲波之間的時(shí)間差，將該時(shí)間差設(shè)定為△、，實(shí)時(shí)超聲波傳播速度 設(shè)定為v，膠囊內(nèi)窺鏡（1)中的微型超聲波發(fā)射模塊（7)與超聲波接收處理模塊（14)中的 各個(gè)超聲波接收傳感器之間的距離設(shè)定為Si, Si= v ? A t i, i = 1，2,…N，其中N為超聲波 接收傳感器的個(gè)數(shù)，所述微控制器（17)進(jìn)而通過(guò)空間定位算法實(shí)時(shí)得出膠囊內(nèi)窺鏡（1)在 患者體內(nèi)的精確位置信息，經(jīng)過(guò)音視頻信號(hào)處理模塊（15)加載到圖像數(shù)據(jù)上并進(jìn)行存儲(chǔ)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 體外控制單元（10)還包括與微控制器（17)連接的溫度傳感器，所述溫度傳感器用于實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)患者服用膠囊內(nèi)窺鏡（1)后所處環(huán)境溫度T，超聲波傳播速度v = 331. 45+nT，n為 常數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或5或6所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在 于，所述膠囊內(nèi)窺鏡（1)系統(tǒng)還包括PC工作站（13)，所述PC工作站（13)通過(guò)有線或者無(wú) 線方式將體外控制單元（10)存儲(chǔ)的包含位置信息的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 體外控制單元（10)還包括用于對(duì)所述體外控制單元（10)提供電源的電源部件（19)以及 與音視頻信號(hào)處理模塊（15)連接的顯示部件（18)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 膠囊內(nèi)窺鏡（1)包括膠囊殼體（la)和透明光學(xué)前蓋（lb)，所述膠囊殼體（la)和透明光學(xué) 前蓋（lb)通過(guò)卡扣或者膠接方式進(jìn)行連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有超聲波定位功能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述 膠囊內(nèi)窺鏡（1)殼體內(nèi)，沿著膠囊內(nèi)窺鏡（1)軸線從透明光學(xué)前蓋（lb)起還依次設(shè)置有光 學(xué)鏡頭（3)、LED燈板（11)、光學(xué)圖像傳感器（4)、圖像處理模塊（5)和供電電池（6)，所述圖 像處理模塊（5)分別與光學(xué)圖像傳感器（4)和射頻無(wú)線發(fā)射模塊（8)相連接，所述LED燈 板（11)上設(shè)置有冷光源LED燈（2)、光敏傳感器（12)和光學(xué)鏡頭（3)，所述MCU控制電路 (9)分別與所述光敏傳感器（12)和冷光源LED燈（2)連接，所述供電電池（6)分別與所述 LED燈板（11)、光學(xué)圖像傳感器（4)、圖像處理模塊（5)、MCU控制電路（9)和射頻無(wú)線發(fā)射 模塊⑶連接。
【文檔編號(hào)】A61B1/00GK104473611SQ201510025465
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2015年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月19日
【發(fā)明者】楊本全, 林君, 朱凱光 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)