胶囊内窥镜倾角传感式磁跟踪系统的设计*

郭旭东,翟 刚,葛 斌,严荣国

(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093)



胶囊内窥镜倾角传感式磁跟踪系统的设计*

郭旭东*,翟 刚,葛 斌,严荣国

(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海 200093)

为了提高胶囊内窥镜的跟踪精度,增强实时性,提出了倾角传感与磁场传感相结合的无线跟踪方法。推导了倾角传感模块在跟踪系统中的角度测量原理,基于坐标旋转和空间磁场理论,建立了倾角传感式磁跟踪数学模型,获得了胶囊方位与磁场信号的数学关系式。根据倾角传感的磁跟踪方案,设计开发了系统样机,包括:磁场发生装置、倾角式无线磁传感模块、无线数据接收装置、数据处理平台。跟踪实验表明,角度跟踪平均误差为4.2°、4.5°,标准偏差为2.2°、2.4°;x分量、y分量、z分量的平均位置误差为0.011 3 m、0.012 1 m、0.010 4 m,标准偏差为0.008 2 m、0.007 5 m、0.006 8 m。倾角传感器的引入减少了励磁源的个数,减小了每轮跟踪的采样数据量和采样时间,简化了非线性方程组的求解,进一步提高了跟踪精度。

胶囊内窥镜;无线跟踪;磁场传感;倾角传感

胶囊内窥镜[1-4]由口服进入消化道,通过其携带的微型摄像系统,将消化道内的图像无线传输到体外。然而,医生无法获知胶囊内窥镜在体内的位置,使得诊查信息无法与具体部位对应。此外,在主动式胶囊内窥镜的磁场驱动方式中,也需要获知胶囊内窥镜的位置和姿态角信息。

目前,针对胶囊内镜的跟踪,众多科研人员进行了深入研究[5-6]。英国Lab-in-a-Pill胶囊内镜[7]采用磁标记物法,跟踪范围为18 cm以内。Kim等人[8]通过在胶囊内安装4个霍尔效应传感器,检测外部的磁场强度来跟踪胶囊方位。报导的跟踪范围为:胶囊与磁场源的相对距离在x方向从0至50 mm,在y方向从-50 mm至+50 mm,在z方向从200 mm至300 mm,最大位置误差15 mm。Aziz等人[9]在胶囊内放置圆柱形永磁体,通过体外的三轴磁阻传感器[10]检测磁场来跟踪胶囊,在10 cm×10 cm×10 cm的跟踪范围内,最大的跟踪误差达到3 cm。上述方法在跟踪范围和跟踪精度方面仍可改善。

考虑到低频噪声和地磁信号干扰,提出了交流励磁检测方案[11-12]。为了提高跟踪精度,缩小跟踪装置的体积,减小每轮的采样时间,本文研究了倾角传感[13]与磁传感结合的跟踪原理,开发了系统样机,实验验证了跟踪方法的可行性。

1 倾角传感式磁跟踪原理

借助人体介质磁导率与真空磁导率相等的特性,在人的体表布置多个励磁线圈分时激磁;并将圆柱形接收线圈封装在胶囊内。根据电磁感应定律,胶囊内镜的位置和姿态角转换为接收线圈的感应电势。

首先,建立参考坐标系o-xyz。将人体肚脐设为坐标原点o,平行于脊椎、指向颈部设为x轴正方向,垂直于体表、指向体内设为z轴正方向。设多个圆柱形励磁线圈的轴向均平行于z轴,匝数为n,中径为a,通入激励电流I=Ip·sin(ωt+φ),其中Ip为激励信号幅值,ω为角频率,φ是初始相位。根据毕奥-萨伐尔定律,在接收线圈中心o′(x,y,z)处的磁感应强度为:

(1)

将上式用泰勒级数展开,并截取级数的前4项,化简后可得:

(2)

其中,Bx,By,Bz分别为磁感应强度沿3个坐标轴的分量。

将接收线圈的中心轴设为o′z′,o′z′与z坐标轴的夹角记为α角,o′z′在xoy平面上的投影与x坐标轴的夹角记为β角,则可将接收线圈横截面积的法向矢量s分解为x轴、y轴、z轴方向的3个分量:s=[sxsysz]=[s·sinα·cosβs·sinα·sinβs·cosα]

(3)

α角和β角即为胶囊内窥镜在基准坐标系的姿态角。

因此,接收线圈输出的电动势e为:

(4)

将式(2)、式(3)代入式(4)可知:接收线圈输出电信号与胶囊内镜的位置和姿态角(x,y,z,α,β)相关,则需求解包含5个未知数的高次非线性方程组。由于未知量个数多,且位置坐标和角度坐标的定义域不同,导致求解时间增加和精度下降。为了快速准确求解,引入倾角传感的磁跟踪方案,采用加速度传感器获取接收线圈的倾角,通过数学变换将磁传感模块中心轴矢量的两个旋转角求出,从而通过以旋转角为参数的坐标变换,将中心轴矢量转换平行于基准坐标系z轴,简化非线性方程组的求解,提高求解精度。

2 磁跟踪系统的关键技术设计

2.1 磁跟踪系统的总体方案设计

磁跟踪系统包括磁场发生装置、倾角式无线磁传感模块、无线数据接收装置、数据处理平台。

图1 系统总体框图

如图1所示。磁场发生装置依次对4个励磁线圈激磁,在空间产生交变磁场。4个励磁线圈分时激磁,根据磁跟踪原理,可获得目标方位与目标处磁场信号的4个函数关系式,当某1个励磁线圈激磁对应的接收线圈输出信号失效时,不会导致磁跟踪失效。倾角式无线磁传感模块检测所处方位的磁场信号和传感器的倾角信号,并将其无线传输到体外的无线数据接收装置。倾角式无线磁传感模块主要包括倾角传感模块、磁传感模块、无线数据发送模块。无线数据接收装置的功能包含两方面,一方面将接收到的传感器数据传输至数据处理平台,进行方位求解;另一方面,无线数据接收装置与倾角式无线磁传感模块握手通讯后,给磁场发生装置发出信号,使其开始激磁。

2.2 磁传感模块的设计

磁传感模块包括:接收线圈、可编程放大及滤波电路、有效值拾取电路、采样及AD转换电路、信号控制电路。磁传感器的输出是交变电信号,且需要依次采集多个励磁线圈分时激磁时的数据,需要很高的采样率和庞大数据存储。为了简化数据采集和处理,在设计中采用了有效值特征量提取方法。

由于胶囊运动范围宽,导致接收线圈接收的上限值与下限值相差3个数量级。因此,为了增强磁传感模块对动态信号的自适应处理能力,提高数据检测和处理的精度,在模块中设计了可编程放大功能。可编程放大及滤波电路的组成框图如图2所示,主要包括:可编程放大器、带通滤波器、模拟开关、电平检测电路、比较器、微控制器。

图2 可编程放大及滤波电路框图

图2中,可编程放大器分为前级和后级可编程放大器。每级可编程放大的增益共设置为3档,初始增益均由微控制器设置为第2档。首先,微控制器将模拟开关选通至电平检测电路,将环路中经过前级放大后的输出信号,送入比较器中与预设值进行比较。若高于上限值,则微控制器减小可编程放大器的增益;若低于下限值,则提高增益。然后,微控制器将模拟开关选通至后级放大器,按照同样原理进行增益的自适应调节。

2.3 倾角传感模块的跟踪原理与设计

倾角传感模块由三轴加速度传感器、信号调理电路组成。设三轴加速度传感器的3个轴向输出分别为Ax′、Ay′、Az′,安装时,使加速度传感器的Az′方向与接收线圈中心轴o′z′平行,建立动坐标系o′-x′y′z′,则o′x′平行于加速度传感器的Ax′方向,o′y′平行于加速度传感器的Ay′方向。根据加速度传感器3个轴向的输出,可获得磁传感模块中接收线圈与基准坐标系的两个旋转角γ1和γ2,即o′z′轴经过以旋转角γ1和γ2为参数的坐标旋转后,平行于基准坐标系o-xyz的z轴。

根据欧拉角坐标旋转,如图3所示,动坐标系o′-x′y′z′绕z′轴旋转角度γ1,此时o′x′与N轴重合;再绕N轴旋转角度γ2,此时z′轴与z轴重合;最后绕z轴旋转角度γ3,三次旋转后o′-x′y′z′与o-xyz重合。

图3 坐标旋转示意图

当接收线圈的o′z′轴经过旋转角γ1和γ2的两次坐标旋转后,o′z′轴已经与z轴重合,这时接收线圈绕z轴的旋转角度γ3的大小不会影响接收线圈的输出,因此在磁跟踪系统中只需要获得旋转角γ1和γ2即可。

三轴加速度传感器利用重力矢量及其在传感器3个轴上的投影来计算倾角。根据加速度传感器的3个输出Ax′、Ay′、Az′,以及坐标旋转的旋转角正方向是右手螺旋方向,重力矢量沿z轴负方向,旋转角γ1和γ2可以通过以下式(5)和式(6)计算得到。

(5)

(6)

根据坐标旋转矩阵,接收线圈进行欧拉角旋转后,接收线圈的轴向平行于Z轴,旋转矩阵为:

(7)

则接收线圈横截面的法向矢量sz′在x轴、y轴、z轴方向的3个分量为:

(8)

因此,将倾角传感器测量的角度γ1和γ2代入式(8),可获得[sxsysz]的值,再将其代入式(4),则可得到接收线圈的输出电动势e,由此获得的跟踪模型只包含3个位置参数(x,y,z)。

3 跟踪系统的实验验证

为了测试磁跟踪原理的可行性和准确性,开发了跟踪系统的原理样机,进行了相应的实验验证。五自由度方位调节装置如图4所示。

图4 磁跟踪系统的实验装置

首先验证跟踪系统中倾角传感模块测量角度的可行性。将倾角式无线磁传感模块安装在五自由度方位调节装置的支撑杆上。通过五自由度方位调节装置,可使倾角式无线磁传感模块进行坐标旋转,其旋转的角度可以通过调节装置的读数直接获得。

在实验中,选取100组姿态角进行测试。每一次测试,先借助五自由度方位调节装置,将传感模块的方位调节至设定值,然后再通过跟踪系统原理样机中的信号调理电路对倾角模块的3个输出进行放大、去噪、A/D转换,由微控制器采样读取后传送至上位机。上位机软件将读取的数据代入式(5)和式(6),根据倾角公式计算角度值,即为磁跟踪系统的跟踪值。将设定值与跟踪值差值的绝对值作为角度测量误差,以此衡量磁跟踪系统的角度精度。

由角度测试实验可知:跟踪系统获取的γ1角度的平均误差为4.2°,标准偏差为2.2°;γ2角度的平均误差为4.5°,标准偏差为2.4°。当倾角传感模块处在某几个方位角时,出现了较明显的角度误差,角度误差最大为8.3°。经过分析可知:这是由于倾角传感模块处于某些特殊方位时,加速度传感器的输出信号较小,此时信噪比降低,因此引入了一定的误差。

为了测试磁跟踪系统对空间方位的组合跟踪精度,预设了100组方位值进行了实验测试,在实验中同时改变目标物空间位置和姿态角。对于每组方位值的测试,先由五自由度方位调节装置调节目标物的空间位置和姿态角,使其等于预设值,即为目标物空间方位的真值。然后,启动跟踪系统的原理样机,初始时,无线数据接收装置先与倾角式无线磁传感模块握手通讯后,给磁场发生装置发出信号,使其依次对4个励磁线圈轮流激磁;倾角式无线磁传感模块将目标物所处方位的磁场信号和加速度信号转换为电信号,并无线发送至数据接收装置。无线数据接收装置将接收到的数据传输至数据处理平台,采用数值寻优算法进行方位求解,此即为:目标物空间方位的跟踪值。将位置的真值与跟踪值之差的绝对值作为位置测量误差,以此衡量磁跟踪系统的位置精度。

对实验误差进行统计学分析,x方向、y方向、z方向最大误差依次为0.027 m、0.029 m、0.023 m。x方向位置误差Δx的平均值、y方向位置误差Δy的平均值、z方向位置误差Δz的平均值依次为:0.011 3 m、0.012 1 m、0.010 4 m。位置误差分布的柱状图如图5所示。

图5 位置误差分布柱状图

跟踪系统的平均位置误差和标准偏差如图6所示。其中,x分量位置误差的标准偏差为0.008 2 m;y分量位置误差的标准偏差为0.007 5 m;z分量位置误差的标准偏差为0.006 8 m。

通过实验可知:由于未知量个数的减少,减少了磁场发生装置中励磁源的个数,由此缩小磁场发生装置的体积,减小每轮跟踪的采样数据量和采样时间;并且,简化了非线性方程组的求解,缩短跟踪算法的求解时间,进一步提高了跟踪精度。

图6 位置误差线

4 结论

在胶囊内窥镜无线跟踪定位方法中,提出了倾角传感与磁场传感相结合的磁跟踪方法,探讨了跟踪原理,并开发了系统的原理样机,通过实验确定了跟踪方法的可行性和准确性,并测试了磁跟踪系统对目标物空间位置和姿态角的跟踪精度。

由跟踪实验可知:基于倾角传感与磁场传感相结合的磁跟踪方法成功实现了目标的无线跟踪。由于引入了倾角传感器获取目标的方位角,简化了非线性方程组的求解,缩短跟踪算法的求解时间,进一步提高了跟踪精度;并且,减少了磁场发生装置中励磁源的个数,由此缩小磁场发生装置的体积,减小每轮跟踪的采样数据量和采样时间。由此为胶囊内窥镜无线跟踪精度的改善提供了可行的方法。在目前的实验验证中,为了电路焊接的便利,采用了双列直插的芯片封装形式;下一步,需将装置进一步微型化、集成化。

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郭旭东(1980-),女,博士,副教授,硕士生导师。2004年于南京理工大学获得硕士学位,2008年于上海交通大学获得博士学位。主要从事医用传感器技术、医用测控技术、医用智能系统等方面的研究工作,guoxd@usst.edu.cn。

AMagneticSensingandInclinationSensingSystemforWirelesslyTrackingCapsuleEndoscopy*

GUOXudong*,ZHAIGang,GEBin,YANRongguo

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to further improve the tracking precision and real time performance,a novel tracking method using inclination sensing and magnetic sensing was investigated to non-invasively track a capsule endoscopy in the gastrointestinal tract.First,the principle of angle measurement employing an inclination sensor was analyzed and a rotation angle for tracking is deduced.The prototype of the tracking system was developed based on the tracking principle.The tracking experiment shows that the mean errors of the two rotation angles are 4.2° and 4.5°,respectively.The standard deviations of the two rotation angles are 2.2° and 2.4°,respectively.The mean errors of x,y and z components are 0.011 3 m,0.012 1 m,0.010 4 m,respectively.The standard deviations ofx,yandzcomponents are 0.008 2 m,0.007 5 m,0.006 8 m,respectively.Since the angle was acquired by the inclination sensor,the number of the excitation coils can be reduced.For each position and orientation of the capsule endoscopy,the amount of data and the sampling time decreases.As the unknowns decreases in the tracking nonlinear equations,the tracking precision is improved.

capsule endoscopy;wireless tracking;magnetic sensing;inclination sensing

项目来源:国家自然科学基金项目(61001164,30900320)

2014-03-03修改日期:2014-05-03

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.002

TH773;TP212.13

:A

:1004-1699(2014)06-0715-05