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CN111035349B - 胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统 - Google Patents

胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统 Download PDF

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CN111035349B CN202010166284.7A CN202010166284A CN111035349B CN 111035349 B CN111035349 B CN 111035349B CN 202010166284 A CN202010166284 A CN 202010166284A CN 111035349 B CN111035349 B CN 111035349B
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Abstract

本申请公开了一种胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统。该姿态定位方法包括：在胶囊内窥镜外部提供外部磁场；在胶囊内窥镜内部提供内部磁场；根据外部磁场和内部磁场获得磁场数据；获得胶囊内窥镜的加速度数据；以及当外部磁场的极化方向处于水平状态时，根据加速度数据获得姿态信息，当外部磁场的极化方向处于非水平状态时，根据加速度数据和磁场数据获得胶囊内窥镜的姿态信息。该姿态定位方法在外部磁场为任意状态时均可准确获得胶囊内窥镜的姿态信息，在实现了对胶囊内窥镜的准确姿态定位的同时，降低了对外部磁场的要求，并且胶囊内窥镜结构简单，易于实现。

Description

胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，更具体地，涉及一种胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统。
背景技术
胶囊内窥镜是一种胶囊形状的内窥镜，其内部集成有电池、摄像装置、通信装置等，可以经由受检者口服进入体内，从而对体内的组织、器官等进行拍摄并将照片传输至外部的显示装置。与传统内窥镜相比，胶囊内窥镜具有不给受检者带来疼痛、创伤和交叉感染，不影响受检者的正常活动，诊断率高等诸多优势，因此胶囊内窥镜在医疗领域得到了广泛的应用。
在胶囊内窥镜的实际使用过程中，需要获得胶囊内窥镜的位置信息和姿态信息，以辅助操作者控制胶囊内窥镜调整其姿态和路径。在现有技术中，为了获取胶囊内窥镜的姿态信息，通常至少需要采用磁场传感器对胶囊内窥镜进行姿态定位，以获得胶囊内窥镜的姿态信息。具体的，在胶囊内窥镜内部集成磁场传感器，在受检者体外与胶囊内窥镜相应的位置提供外部磁场，在胶囊内窥镜的姿态定位过程中，需要保持外部磁场方向水平。然而，由于在进行胶囊内窥镜检查时，需要改变胶囊内窥镜方向，因此外部磁场难以保持水平，进而导致获取的姿态信息与胶囊内窥镜的实际姿态误差较大。
因此，期待对胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统进行进一步改进，以实现对胶囊内窥镜的准确姿态定位。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统，从而实现对胶囊内窥镜的准确姿态定位。
根据本发明的一方面，提供一种胶囊内窥镜的姿态定位方法，包括：在胶囊内窥镜外部提供外部磁场；在所述胶囊内窥镜内部提供内部磁场；根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据；获得所述胶囊内窥镜的加速度数据；以及当所述外部磁场的极化方向处于水平状态时，根据所述加速度数据获得所述姿态信息，当所述外部磁场的极化方向处于非水平状态时，根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
优选地，采用外部磁体提供所述外部磁场，所述姿态定位方法还包括：根据所述外部磁体的位置坐标和倾斜角获得所述外部磁体的极化方向。
优选地，当所述外部磁场的极化方向为水平状态时，获得所述姿态信息的方法包括：根据所述外部磁体的极化水平分量的朝向获得所述胶囊内窥镜的水平朝向；根据所述加速度数据获得所述胶囊内窥镜相对于参考地的倾角。
优选地，当所述外部磁场的极化方向为非水平状态时，获得所述姿态信息的方法包括：根据所述加速度数据获得所述胶囊内窥镜相对于参考地的倾角；根据所述磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角；根据所述距离获得所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向；根据所述倾角、所述方向向量夹角、所述磁场方向获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
优选地，当所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线重合时，采用第一公式计算所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，当所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线不重合时，采用第二公式计算所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向。
优选地，获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角的方法包括：获得表征所述内部磁场的第一子磁场数据；获得表征所述内部磁场和所述外部磁场的第二子磁场数据；根据所述第一子磁场数据和所述第二子磁场数据获得表征所述外部磁场的第三子磁场数据；根据所述第三子磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离；以及根据所述第二子磁场数据和所述第三子磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的方向向量夹角。
优选地，根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据的方法包括：根据所述内部磁场和所述外部磁场获得磁场感应值；根据所述磁场感应值获得所述磁场数据，获得胶囊内窥镜的加速度数据的方法包括：获得所述胶囊内窥镜的加速度感应值；据所述加速度感应值获得所述加速度数据。
优选地，还包括：检测所述胶囊内窥镜的位置坐标，以获得所述胶囊内窥镜的位置信息，其中，当所述外部磁场的极化方向为水平状态时，所述胶囊内窥镜的水平位置坐标与所述外部磁体的水平位置坐标相同，当所述外部磁场的极化方向为非水平状态，且所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线重合时，根据所述外部磁体的水平位置和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的水平位置坐标，当所述外部磁场的极化方向为非水平状态，且所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线不重合时，采用三维通电线圈获得所述胶囊内窥镜的位置坐标。
根据本发明的另一方面，提供一种胶囊内窥镜系统，包括：外部磁体，适于提供外部磁场；胶囊内窥镜，其具有内部磁场，所述胶囊内窥镜适于提供加速度数据，并根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据；以及数据处理装置，适于根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息，其中，当所述外部磁场的极化方向处于水平状态时，所述数据处理装置根据所述加速度数据获得所述姿态信息，当所述外部磁场的极化方向处于非水平状态时，所述数据处理装置根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
优选地，所述胶囊内窥镜包括：内部磁体，适于提供所述内部磁场；加速度传感器，适于获得所述胶囊内窥镜的加速度感应值；磁场传感器，适于根据所述内部磁场和所述外部磁场获得磁场感应值；以及微处理器，适于根据所述加速度感应值获得所述加速度数据，根据所述磁场感应值获得所述磁场数据。
优选地，内部磁体的极化方向指示胶囊长轴方向。
优选地，所述加速度传感器的数据测量轴、所述磁场传感器的数据测量轴、所述内部磁体的中轴线与所述胶囊内窥镜的中轴线重合。
优选地，所述胶囊内窥镜还包括：天线模组，用于辐射表征所述加速度数据和所述磁场数据的射频信号。
优选地，还包括：三维通电线圈，适于检测所述胶囊内窥镜的位置坐标。
本发明提供的胶囊内窥镜的姿态定位方法及胶囊内窥镜系统，在外部磁场为任意状态时均可准确获得胶囊内窥镜的姿态信息，在实现了对胶囊内窥镜的准确姿态定位的同时，降低了对外部磁场的要求，便于操作者进行操作。
进一步地，该胶囊内窥镜的姿态定位方法计算过程简单，有利于姿态信息的实时检测。进一步地，在胶囊内窥镜系统中，胶囊内窥镜结构简单，易于实现。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统的示意图；
图2示出了根据本发明第一实施例的胶囊内窥镜系统的磁化方向示意图；
图3示出了根据本发明第二实施例的胶囊内窥镜系统的磁化方向示意图；
图4示出了根据本发明第三实施例的胶囊内窥镜系统的磁化方向示意图；
图5示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜的示意图；
图6示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜的姿态定位方法的流程图。
附图标记列表
10 胶囊内窥镜系统
100 胶囊内窥镜
101 外壳
110 电源
120 摄像模组
130 微处理器
140 内部磁体
150 加速度传感器
160 磁场传感器
170 天线模组
200 外部磁体
300 数据处理装置
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在本申请中，术语“胶囊内窥镜”是指一种可以不经由管道而进入人体的内窥镜，不应被解释为对其形状、尺寸或大小的限制，其采用无线通信的方式与外部装置通信，因此避免了传统的内窥镜需要经由管道提供光传递或信息传递的路径，从而避免了对人体造成痛苦和创伤。
术语“水平朝向”是指外部磁体极化方向水平时，胶囊水平时，胶囊长轴所指示的方向。
另外，除另有规定以外，本申请中的“内部”指胶囊内窥镜的内部，“外部”指胶囊内窥镜的外部。
应理解，本申请实施例中的A与B连接/耦接，表示A与B可以串联连接或并联连接，或者A与B通过其他的器件串联连接或并联连接，本申请实施例对此不作限定。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统的示意图。
如图1所示，胶囊内窥镜系统10包括胶囊内窥镜100、外部磁体200以及数据处理装置300。
胶囊内窥镜100位于受检者体内，例如，受检者采用吞服的方式使胶囊内窥镜100进入消化道内，胶囊内窥镜100随消化道蠕动而运动，并拍摄消化道各处的照片，照片可以实时发送给数据处理装置300，也可以存储在胶囊内窥镜100中。
在本发明实施例中，外部磁体200的方向可以是任意方向。优选的，外部磁体200为球形磁体，球形磁体的磁场简单，有利于减小计算量，加快姿态信息的计算速率。
胶囊内窥镜100中集成有加速度传感器、磁场传感器和微处理器，并且在胶囊内窥镜100的内部具有内部磁体，加速度传感器和磁场传感器分别可以获得加速度感应值和磁场感应值，微处理器适于将加速度感应值和磁场感应值转换为加速度数据和磁场数据。
数据处理装置300至少包括数据接收器，数据接收器接收加速度数据、磁场数据等参数并进行分析以获得胶囊内窥镜100的姿态信息。更具体的，数据接收器根据胶囊内窥镜100的位置坐标、加速度数据和磁场数据，以及外部磁体200的方向和磁场数据，获得胶囊内窥镜100的姿态信息。
在该实施例中，由于外部磁体200位于受检者体外，因此其坐标和倾斜角容易获得（例如采用磁球控制软件实时获得外部磁体200的状态），将其坐标和倾斜角作为已知参数，即可获得外部磁体200的方向，当外部磁体的磁场极化方向处于水平状态或非水平状态时，分别采用不同的方式计算胶囊内窥镜100的姿态信息。进一步的，胶囊内窥镜100的位置坐标可以采用多种方式获得，例如，当胶囊内窥镜100未位于外部磁体200的正下方时，采用三维通电线圈计算胶囊内窥镜100与线圈的三个距离，并利用三个距离确定胶囊内窥镜100位置坐标。应当理解，本申请不限制获得胶囊内窥镜100的位置坐标、外部磁体200的方向的方式。
在可选的实施例中，数据处理装置300基于该姿态信息调整胶囊内窥镜100的姿态，以获得多个方向上的消化道照片。在该实施例中，例如，胶囊内窥镜系统10还包括磁控装置，该磁控装置可以接收数据处理装置300提供的控制信号，通过对胶囊内窥镜100的内部磁体施加作用力，使得胶囊内窥镜100的姿态发生改变。
下面对本申请提供的胶囊内窥镜系统的原理进行详细说明。
图2示出了根据本发明第一实施例的胶囊内窥镜系统的磁化方向示意图。
如图2所示，当外部磁体200处于水平方向时，可以认为胶囊内窥镜100也处于水平方向。胶囊内窥镜系统的实际工作过程中，由于当胃部处于充盈状态时，胃内为空腔，因此前述逻辑也成立。
胶囊内窥镜100的内部磁体沿胶囊内窥镜100的长轴方向安装，成为近似轴对称磁体，且胶囊内窥镜100的NS方向与外部磁体200的NS方向相反（请参见图2中箭头指示的方向）。胶囊内窥镜100内部集成有加速度传感器和微处理器，加速度传感器的z轴（数据测量轴）与胶囊内窥镜100的长轴方向平行，以获得加速度感应值，微处理器根据该加速度感应值获取加速度数据，并通过天线模组传输到体外数据处理装置进行计算。
在该实施例中，胶囊内窥镜100的平面坐标位置(x,y)与外部磁体200的平面坐标位置(x, y)一致，胶囊内窥镜100水平朝向为外部磁体200极化水平分量的朝向，胶囊内窥镜100对地的倾角用加速度数据计算，计算倾角的公式（1）如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为胶囊内窥镜100对地的倾角，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为胶囊内窥镜100的加速度数据z轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为重力加速度。在本发明实施例中，重力加速度g为加速度传感器测量得到的总加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
数值与9.8相差不大。在替代的实施例中，可以认为胶囊内窥镜100所处环境中的重力加速度为已知参数，则可以采用重力传感器代替加速度传感器，以降低成本，并且降低计算量。
因此，在外部磁体200提供的外部磁场处于水平方向时，胶囊内窥镜100可以采用加速度传感器获得其姿态信息，具体的，姿态信息包括其水平朝向和对地倾角，其位置信息包括其平面坐标位置。
图3示出了根据本发明第二实施例的胶囊内窥镜系统的磁化方向示意图。在图3中，为清楚起见，仅示出胶囊内窥镜系统在yz平面的示意图，x轴指示垂直于yz平面的方向。
如图3所示，外部磁体200处于非水平方向，外部磁体200倾斜角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角为θ。胶囊内窥镜100的内部磁体沿胶囊内窥镜100的长轴方向安装，成为近似轴对称磁体，胶囊内窥镜100内部集成加速度传感器和磁场传感器，加速度传感器的z轴与胶囊长轴方向平行，以获得加速度感应值，磁场传感器的z轴与胶囊长轴方向平行，以获得磁场感应值，微处理器根据该加速度感应值及磁场感应值获取加速度数据和磁场数据，并通过天线模组传输到体外数据处理装置进行计算。
在该实施例中，外部磁体200吸引胶囊内窥镜100，使得胶囊内窥镜100在外部磁体200的正下方，胶囊内窥镜100对地的倾角用加速度数据计算，计算倾角的公式与图2中的公式（1）相同，公式（1）如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 724789DEST_PATH_IMAGE002
为胶囊内窥镜100对地的倾角，
Figure 579612DEST_PATH_IMAGE003
为胶囊内窥镜100的加速度数据z轴分量，
Figure 562612DEST_PATH_IMAGE004
为重力加速度。
当外部磁体200极化方向垂直时，磁场传感器读取磁场值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为磁场传感器测量值，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为外部磁体200在磁场传感器位置产生的磁场，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为胶囊内窥镜100的内部磁体产生的磁场。在该实施例中，开启胶囊内窥镜100后，将其放置在远离磁环境下，测得的磁场传感器读数为
Figure 583920DEST_PATH_IMAGE011
，因此
Figure 335975DEST_PATH_IMAGE011
在胶囊内窥镜100中可作为已知参数。
外部磁体200将胶囊内窥镜100吸引到外部磁体200正下方，通过检测磁场传感器读数，得到
Figure 361700DEST_PATH_IMAGE010
，计算外部磁体200中心与胶囊内窥镜100磁场传感器的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，计算距离
Figure 904765DEST_PATH_IMAGE012
的公式（2）如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为磁场在真空中的磁导率，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为磁矩。
假设外部磁体200球心坐标为(x,y,z)，则胶囊内窥镜100的位置坐标为(x,y,z-r)。
此时，外部磁体200极化方向与x轴夹角为β，则磁场值可采用公式（3a）、（3b）和（3c）表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE018
在该实施例中，定义外部磁体200的方向为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
此处的公式（3a）-（3d）在下文中简称为第一公式。
在大地坐标系下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，胶囊内窥镜100的方向
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量夹角为θ，计算夹角θ的公式（4）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为磁场传感器的z轴读数，进一步通过胶囊内窥镜100与重力的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，求解胶囊内窥镜100的姿态信息，计算公式及求解过程如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE026
同时，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
则根据公式（5a）至（5e）有：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE030
由上述推导过程可知，获取加速度数据
Figure 468380DEST_PATH_IMAGE003
、重力加速度g、磁场数据B和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角θ、外部磁体200极化方向与x轴的夹角β，即可获得胶囊内窥镜100的姿态信息，该姿态信息是指表征胶囊内窥镜100的磁场姿态的向量(x, y, z)，如公式（7a）至（7c）所示。其中，由于外部磁体200在人体外，可以采用多种现有的方式测量获得胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角θ以及外部磁体200极化方向与x轴的夹角β。
进一步的，胶囊内窥镜100的平面坐标位置与外部磁体200的平面坐标位置一致，因此胶囊内窥镜100的位置信息可以根据外部磁体200的平面位置坐标确定。
图4示出了根据本发明第三实施例的胶囊内窥镜100内窥镜系统的磁化方向示意图。在图4中，为清楚起见，仅示出胶囊内窥镜系统在yz平面的示意图，x轴指示垂直于yz平面的方向。
如图4所示，外部磁体200处于非水平方向，外部磁体200倾斜角度为
Figure 153571DEST_PATH_IMAGE006
，胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角为θ。胶囊内窥镜100的内部磁体沿胶囊内窥镜100的长轴方向安装，成为近似轴对称磁体，胶囊内窥镜100内部集成加速度传感器和磁场传感器，加速度传感器的z轴与胶囊长轴方向平行，获得加速度感应值，磁场传感器的z轴与胶囊长轴方向平行，以获得磁场感应值，微处理器根据该加速度感应值及磁场感应值获取加速度数据和磁场数据，并通过天线模组传输到体外数据处理装置进行计算。
图4所示的胶囊内窥镜系统的胶囊内窥镜姿态信息的推导过程与图3所示的推导过程大致相同，其不同之处在于在大地坐标系下的外部磁体200的磁场方向
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，为了清楚起见，不再赘述其相同之处。
在该实施例中，定义外部磁体200位置为(
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
)，外部磁体200极化方向（
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
）=
Figure DEST_PATH_IMAGE039
进一步表示外部磁体200方向如公式（8a）至（8h），该公式（8a）至（8h）下文简称第二公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
Figure DEST_PATH_IMAGE041
在大地坐标系下：
Figure 314644DEST_PATH_IMAGE020
，胶囊内窥镜100的方向
Figure DEST_PATH_IMAGE042
胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量夹角为θ，胶囊内窥镜100与重力的夹角为
Figure 678760DEST_PATH_IMAGE024
，再根据针对图3的描述，得到胶囊内窥镜100的姿态如公式（9a）至（9c）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE045
由上述推导过程可知，获取加速度数据
Figure 900925DEST_PATH_IMAGE003
、重力加速度g、磁场数据B和
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角θ、外部磁体200极化方向与x轴的夹角β，即可获得胶囊内窥镜100的姿态信息，该姿态信息是指表征胶囊内窥镜100的磁场姿态的向量(x, y, z)，如公式（9a）至（9c）所示。其中，由于外部磁体200在人体外，可以采用多种现有的方式测量获得胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体200方向向量的夹角θ以及外部磁体200极化方向与x轴的夹角β。
在该实施例中，胶囊内窥镜100位于外部磁体的任意位置。可选的，为了获得胶囊内窥镜100的空间位置，在胶囊内窥镜100外部空间放置三个三维的通电线圈（未示出），通过胶囊内窥镜100磁场传感器的磁场值得到胶囊内窥镜100与三个线圈的距离，进而确定胶囊内窥镜100在空间的位置(x, y, z)，以获得胶囊内窥镜100的位置信息。
图5示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜的示意图。
如图5所示，胶囊内窥镜100包括电源110、摄像模组120、微处理器130、内部磁体140、加速度传感器150、磁场传感器160以及天线模组170，各个电子元件密封于外壳101中，以避免被体液腐蚀。
应当理解的是，在图5中示出了胶囊内窥镜100内部各个元件的示意图，仅仅是为了说明各个元件之间的信号传递关系，而不应被解释为对其形状、尺寸或位置的限制。
电源110用于向胶囊内窥镜100中的其他元件提供工作所需的电压和/或电流，在本发明实施例中，电源110分别向摄像模组120、微处理器130、加速度传感器150、磁场传感器160以及天线模组170提供工作电压。在一些示例中，电源110具有多个输出端子，各个输出端子提供不同的电流或电压，以满足各个元件的供电需求。
摄像模组120用于拍摄照片，并生成与照片相应的图像数据。摄像模组120例如包括光源和成像元件，外壳101与摄像模组120相应的位置为透明外壳，以便于摄像模组120进行拍摄。
微处理器130接收摄像模组120提供的图像数据，并将图像数据转换为调制信号。天线模组170例如包括射频模块和发射天线，其接收调制信号，并将调制信号辐射至外部数据处理装置，例如，射频模块将调制信号转换为射频信号，发射天线用于辐射射频信号，从而完成了调制信号向外部数据处理装置的传输。在优选的实施例中，天线模组170包括天线收发模块和收发天线，从而具有信号收发功能。
在传统的胶囊内窥镜设计中，通常采用磁场传感器对胶囊内窥镜进行姿态定位，并将获得的数据发送至数据处理器，以获得胶囊内窥镜的姿态信息。具体的，在胶囊内窥镜内部集成磁场传感器，在受检者体外与胶囊内窥镜相应的位置提供外部磁场，在胶囊内窥镜的姿态定位过程中，需要保持外部磁场方向水平。然而，由于在进行胶囊内窥镜检查时，需要改变胶囊内窥镜方向，因此外部磁场难以保持水平，进而导致姿态信息误差较大。本申请需要提供一种胶囊内窥镜系统，当其外部磁场为非水平方向时，仍可以准确检测胶囊内窥镜的姿态信息。
为此，本发明实施例的胶囊内窥镜100设置了内部磁体140、加速度传感器150以及磁场传感器160，以对胶囊内窥镜100进行姿态定位。
在本发明实施例中，内部磁体140沿胶囊内窥镜100的长轴安装，并成为近似轴对称磁体，其极化方向也沿胶囊内窥镜100的长轴，所述长轴如图5中虚线所示。可选的，内部磁体140为柱形磁体或球形磁体。
加速度传感器150用于检测胶囊内窥镜100的加速度感应值，并将加速度感应值发送至微处理器130，微处理器130根据加速度感应值获得胶囊内窥镜100的加速度数据。
作为一种示例，加速度传感器150是根据压电效应的原理来工作的，所谓的压电效应是指“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。在该示例中，加速度传感器150就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形特性，由于晶体变形会产生电压，因此只要计算出电压和加速度之间的关系，就可以输出表征加速度的电压。
应当理解，本发明实施例提供的加速度传感器150还可以采用其他原理制成，这里所述的原理例如但不限于为电容效应、热气泡效应、光效应等可根据加速度变化产生形变的原理。
磁场传感器160用于获得磁场感应值，并将磁场感应值发送至微处理器130，该磁场感应值表征内部磁体140和外部磁体的磁场数据，微处理器130根据磁场感应值获得内部磁体140和外部磁体的磁场数据。
在本发明实施例中，位于受检者体外的数据处理装置接收微处理器130提供的加速度数据和磁场数据，并根据加速度数据获得加速度传感器150和磁场传感器160提供的胶囊内窥镜100对地的倾角，根据磁场数据获得胶囊内窥镜100方向向量与外部磁体方向向量的夹角，并至少根据该倾角和该夹角获得胶囊内窥镜100的姿态信息。数据处理装置的具体计算原理可参见上文中针对图2至图4的描述，例如可以通过软件编程或软硬件结合的方式实现该计算过程。
上文描述了本发明实施例的胶囊内窥镜100的一些示例，然而本发明实施例不限于此，还可能存在其他方式的扩展和变形。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的结构和方法，可以使用不同的配置方法或调节方法对每个结构或该结构的合理变形来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。并且，应理解，本申请实施例中前述的图的胶囊内窥镜各个部件之间的连接关系为示意性举例，并不对本申请实施例造成任何限制。
图6示出了根据本发明实施例的胶囊内窥镜的姿态定位方法的流程图。
在步骤S101中，在胶囊内窥镜外部提供外部磁场。采用外部磁体提供外部磁场，根据外部磁体的位置坐标和倾斜角获得外部磁体的极化方向。
在步骤S102中，在胶囊内窥镜内部提供内部磁场。在本发明实施例中，外部磁场的极化方向为水平状态或非水平状态。
在步骤S103中，根据外部磁场和内部磁场获得磁场数据。具体的，根据外部磁场和内部磁场获得磁场数据的方法包括：根据内部磁场和外部磁场获得磁场感应值；根据磁场感应值获得磁场数据。
在步骤S104中，获得胶囊内窥镜的加速度数据。具体的，获得胶囊内窥镜的加速度数据的方法包括：获得胶囊内窥镜的加速度感应值；据加速度感应值获得加速度数据。
在步骤S105中，根据加速度数据和/或磁场数据获得胶囊内窥镜的姿态信息。在本发明实施例中，当外部磁场的极化方向相对于内部磁场的极化方向为水平状态或非水平状态时，采用不同的方法计算胶囊内窥镜的姿态信息，其具体推导原理请参见上文中针对图2至图4的描述。
当外部磁场的极化方向为水平状态时，获得姿态信息的方法包括：根据外部磁体的极化水平分量的朝向获得胶囊内窥镜的水平朝向；根据加速度数据获得胶囊内窥镜相对于参考地的倾角。
当外部磁场的极化方向为非水平状态时，获得姿态信息的方法包括：根据加速度数据获得胶囊内窥镜相对于参考地的倾角；根据磁场数据获得外部磁体与胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角；根据距离获得外部磁体在大地坐标系下的磁场方向；根据倾角、方向向量夹角、磁场方向获得胶囊内窥镜的姿态信息。
当胶囊内窥镜的重力线与外部磁体的重力线重合时，采用第一公式计算外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，第一公式请参见上文中针对图3的描述；当胶囊内窥镜的重力线与外部磁体的重力线不重合时，采用第二公式计算外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，第二公式请参见上文中针对图4的描述。
获得外部磁体与胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角的方法包括：获得表征内部磁场的第一子磁场数据；获得表征内部磁场和外部磁场的第二子磁场数据；根据第一子磁场数据和第二子磁场数据获得表征外部磁场的第三子磁场数据；根据第三子磁场数据获得外部磁体与胶囊内窥镜之间的距离；以及根据第二子磁场数据和第三子磁场数据获得外部磁体与胶囊内窥镜之间的方向向量夹角。
优选地，在执行步骤S101之前或执行步骤S105之后，还包括：检测胶囊内窥镜的位置坐标，以获得胶囊内窥镜的位置信息，其中，当外部磁场的极化方向为水平状态时，胶囊内窥镜的水平位置坐标与外部磁体的水平位置坐标相同，当外部磁场的极化方向为非水平状态时，例如采用三维通电线圈获得胶囊内窥镜的位置坐标。当外部磁场的极化方向为非水平状态时，可选地，在所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线重合时，根据所述外部磁体的水平位置和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的水平位置坐标；在所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线不重合时，采用三维通电线圈获得所述胶囊内窥镜的位置坐标。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种胶囊内窥镜的姿态定位方法，其特征在于，包括：
在胶囊内窥镜外部提供外部磁场；
在所述胶囊内窥镜内部提供内部磁场；
根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据；
获得所述胶囊内窥镜的加速度数据；以及
当所述外部磁场的极化方向处于水平状态时，根据所述加速度数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息，
当所述外部磁场的极化方向处于非水平状态时，根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
2.根据权利要求1所述的姿态定位方法，其特征在于，采用外部磁体提供所述外部磁场，所述姿态定位方法还包括：
根据所述外部磁体的位置坐标和倾斜角获得所述外部磁体的极化方向。
3.根据权利要求2所述的姿态定位方法，其特征在于，当所述外部磁场的极化方向为水平状态时，获得所述胶囊内窥镜的姿态信息的方法包括：
根据所述外部磁体的极化水平分量的朝向获得所述胶囊内窥镜的水平朝向；
根据所述加速度数据获得所述胶囊内窥镜相对于参考地的倾角。
4.根据权利要求2所述的姿态定位方法，其特征在于，当所述外部磁场的极化方向为非水平状态时，获得所述姿态信息的方法包括：
根据所述加速度数据获得所述胶囊内窥镜相对于参考地的倾角；
根据所述磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角；
根据所述距离获得所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向；
根据所述倾角、所述方向向量夹角、所述磁场方向获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
5.根据权利要求4所述的姿态定位方法，其特征在于，当所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线重合时，采用第一公式计算所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，
当所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线不重合时，采用第二公式计算所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，
所述第一公式包括：
Figure 298779DEST_PATH_IMAGE001
所述第二公式包括：
Figure 796013DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 106908DEST_PATH_IMAGE003
表示所述外部磁体在大地坐标系下的磁场方向，
Figure 767697DEST_PATH_IMAGE004
表示所述外部磁体的倾斜角度，
Figure 660697DEST_PATH_IMAGE005
表示所述外部磁体的极化方向与x轴的夹角，
Figure 748739DEST_PATH_IMAGE006
分别表示所述外部磁体在磁场传感器位置产生的磁场在x轴、y轴和z轴的分量。
6.根据权利要求4所述的姿态定位方法，其特征在于，获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离和方向向量夹角的方法包括：
获得表征所述内部磁场的第一子磁场数据；
获得表征所述内部磁场和所述外部磁场的第二子磁场数据；
根据所述第一子磁场数据和所述第二子磁场数据获得表征所述外部磁场的第三子磁场数据；
根据所述第三子磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的距离；以及
根据所述第二子磁场数据和所述第三子磁场数据获得所述外部磁体与所述胶囊内窥镜之间的方向向量夹角。
7.根据权利要求1所述的姿态定位方法，其特征在于，
根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据的方法包括：
根据所述内部磁场和所述外部磁场获得磁场感应值；
根据所述磁场感应值获得所述磁场数据，
获得胶囊内窥镜的加速度数据的方法包括：
获得所述胶囊内窥镜的加速度感应值；
根据所述加速度感应值获得所述加速度数据。
8.根据权利要求2所述的姿态定位方法，其特征在于，还包括：
检测所述胶囊内窥镜的位置坐标，以获得所述胶囊内窥镜的位置信息，
其中，当所述外部磁场的极化方向为水平状态时，所述胶囊内窥镜的水平位置坐标与所述外部磁体的水平位置坐标相同，
当所述外部磁场的极化方向为非水平状态，且所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线重合时，根据所述外部磁体的水平位置和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的水平位置坐标，
当所述外部磁场的极化方向为非水平状态，且所述胶囊内窥镜的重力线与所述外部磁体的重力线不重合时，采用三维通电线圈获得所述胶囊内窥镜的位置坐标。
9.一种胶囊内窥镜系统，其特征在于，包括：
外部磁体，适于提供外部磁场；
胶囊内窥镜，其具有内部磁场，所述胶囊内窥镜适于提供加速度数据，并根据所述外部磁场和所述内部磁场获得磁场数据；以及
数据处理装置，适于根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息，
其中，当所述外部磁场的极化方向处于水平状态时，所述数据处理装置根据所述加速度数据获得所述姿态信息，
当所述外部磁场的极化方向处于非水平状态时，所述数据处理装置根据所述加速度数据和所述磁场数据获得所述胶囊内窥镜的姿态信息。
10.根据权利要求9所述的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述胶囊内窥镜包括：
内部磁体，适于提供所述内部磁场；
加速度传感器，适于获得所述胶囊内窥镜的加速度感应值；
磁场传感器，适于根据所述内部磁场和所述外部磁场获得磁场感应值；以及
微处理器，适于根据所述加速度感应值获得所述加速度数据，根据所述磁场感应值获得所述磁场数据。
11.根据权利要求10所述的胶囊内窥镜系统，其特征在于，内部磁体的极化方向指示胶囊长轴方向。
12.根据权利要求10所述的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述加速度传感器的数据测量轴、所述磁场传感器的数据测量轴、所述内部磁体的中轴线与所述胶囊内窥镜的中轴线重合。
13.根据权利要求10所述的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述胶囊内窥镜还包括：天线模组，用于辐射表征所述加速度数据和所述磁场数据的射频信号。
14.根据权利要求9所述的胶囊内窥镜系统，其特征在于，还包括：
三维通电线圈，适于检测所述胶囊内窥镜的位置坐标。
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