胶囊内窥镜无线遥测定位的校正

　　1　引　言

　　胶囊内窥镜[1-3]经口服进入消化道,将消化道内的图像无线传输到体外,可消除传统医疗诊查的盲区。然而,胶囊内窥镜在体内处于不可见的移动状态,医生无法获知其确切位置,从而导致胶囊获取的诊查信息与诊查位置无法对应。因此,胶囊内窥镜的运动跟踪是实现无创诊查的关键技术之一。

　　目前,针对体内目标物的定位,国内外已研究过多种方法。常用的医学影像定位法[4-5],如:X射线图像法、放射性核素标记法、实时超声法都需要大型昂贵的设备每间隔一定时间摄取定位目标的图像,具有辐射伤害且不便于连续监测。2002年,射频信号强度定位法[6]取得了巨大的进展,报道的最大定位误差为11.4 cm。英国的Lab-in-a-Pill胶囊[7]采用磁标记物定位,其可定位距离在18 cm以内。近年来,国内也开展了永磁标记定位法[8-10]的研究。本课题组考虑到地磁干扰、电子元器件的低频噪声等在静磁信号中难以滤除,提出了交流励磁定位新方案,并在前期研究中[11-12]初步完成了定位系统的样机开发。为了进一步提高定位精度,本文提出用基于Leven-berg-Marquart(L-M)贝叶斯正则化的改进BP网络法对定位数据进行校正,从而减小了实际定位中产生的系统误差。

　　2　无线定位方案及原理

　　交流励磁定位方法的工作原理为:在人的体表布置励磁线圈阵列,同时在胶囊内封装感应线圈式磁传感器。当体外的励磁线圈被激励,在空间产生交变磁场时,根据Faraday定律,胶囊内的磁传感器会输出电信号,其大小与胶囊所处的空间方位有确定的函数关系式。若测得磁传感器输出的电信号大小,根据定位模型,就可反求出胶囊的方位。

　　为了获得胶囊相对人体的空间方位关系,需在人体上选择一个基准点,并建立一个参考坐标系。交流励磁三维定位系统的定位基准系如图1所示。

　　在人体上建立基准参考坐标系o-xyz时,选取人体肚脐为坐标原点o。垂直于体表、指向体内为z轴正方向,平行于脊柱、指向头部为x轴正方向。同时,扁平圆柱状励磁线圈呈阵列布置在受测者的腹部,即处于坐标系xoy平面上,每个线圈轴向均与z轴平行。磁传感器的中心o′在基准坐标系中的坐标为(x, y, z),此即为胶囊在基准系中的位置坐标。

　　另外,在磁传感器上建立动坐标系o′-x′y′z′。由于磁传感器的敏感元件采用感应线圈,而感应线圈绕旋转中心轴o′z′旋转不影响磁传感器的接收信号,因此实际上只有两个姿态角与磁传感器输出的电信号相关。将基准坐标系o-xyz平移到磁传感器上,使点o与点o′重合。此时,磁传感器的中心轴o′z′与坐标z轴的夹角定义为α角,中心轴o′z′在xoy平面上的投影与x轴的夹角定义为β角。α角和β角即为定位系统定义的空间角度。