无线胶囊内窥镜的自主导航系统、设备及介质的制作方法

1.本技术实施例属于医疗设备技术领域，特别是涉及一种无线胶囊内窥镜的自主导航系统、设备及介质。


背景技术：

2.无线胶囊内窥镜是一种用于完整的消化道检查的技术，具有无痛苦、非侵入性等特点。无线胶囊内窥镜不仅可以检查食道、胃部、十二指肠、大肠等腹腔器官，还可以完整地检查小肠，这是传统胃镜或传统肠镜都无法检查的区域。无线胶囊内窥镜其实是一颗形如胶囊的微型机器人，它搭载有照明模块、相机模块、图像处理模块和无线传输模块等。无线胶囊内窥镜通过病人吞咽进入人体消化道后，可以在体内拍摄图像并实时传输到体外。医生或计算机可以根据接收到的图像进行疾病诊断。
3.通常，无线胶囊内窥镜在体内主要依靠肠胃道的自然蠕动前进，完成一次完整的检查需要耗时10
‑
12个小时。近来，出现了使用体外磁场控制无线胶囊内窥镜在肠胃道进行检查的系统，极大地减少了检查时间。但是，使用体外磁场控制无线胶囊内窥镜在肠胃道进行检查，需要操作人员手动控制体外磁场，整个过程十分繁琐。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种无线胶囊内窥镜的自主导航系统、设备及介质，用以实现对无线胶囊内窥镜在人体体内运动的自主导航和驱动。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种无线胶囊内窥镜的自主导航系统，所述系统用于执行如下操作：
6.驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
7.自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
8.当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
9.驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
10.本技术实施例的第二方面提供了一种无线胶囊内窥镜的自主导航设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法：
11.驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
12.自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
13.当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
14.驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
15.本技术实施例的第三方面提供了一种无线胶囊内窥镜的自主导航装置，包括：
16.往复旋转运动驱动模块，用于驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
17.胶囊自动推进模块，用于自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
18.期望检查路径获取模块，用于在接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
19.期望检查路径追踪模块，用于驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
20.本技术实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
21.驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
22.自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
23.当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
24.驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
25.本技术实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下方法：
26.驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
27.自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
28.当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
29.驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
30.与现有技术相比，本技术实施例包括以下优点：
31.本技术实施例提供的自主导航系统可以用于无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道等复杂环境中的导航任务，包括在未检查腔道中的自动推进检查和已初步检查过的腔道中的受控反复检查。病人在服用无线胶囊内窥镜后，系统可以自动往复旋转驱动无线胶囊内窥镜并自动推进无线胶囊内窥镜在腹腔腔道中前进。当医生发现疑似病变区域后，系统可以根据医生指定的检查路径，驱动无线胶囊内窥镜对医生设定的期望检查路径进行追踪并到达指定的疑似病变区域。采用本技术实施例提供的自主导航系统，可以提高诊断效率，极大减少医生的手工操作负担和精神压力。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航系统的应用场景示意图；
34.图2是本技术实施例提供的一种驱动器的示意图；
35.图3是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的示意图；
36.图4是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航流程示意图；
37.图5是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的轨迹追踪示意图；
38.图6是本技术实施例提供的一种驱动器磁体与无线胶囊内窥镜交互作用的示意图；
39.图7是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜所受磁场的示意图；
40.图8是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜所受磁力的示意图；
41.图9是本技术实施例提供的一种在驱动器磁体往复旋转的一个周期内无线胶囊内窥镜所受磁力的变化示意图；
42.图10是本技术实施例提供的一种最佳传感器子阵列的示意图；
43.图11是本技术实施例提供的一种基于最佳传感器子阵列的无线胶囊内窥镜的定位示意图；
44.图12是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的轨迹追踪算法流程示意图；
45.图13是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内的轨迹追踪示意图；
46.图14是本技术实施例提供的另一种无线胶囊内窥镜的自主导航流程示意图；
47.图15是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航装置的示意图；
48.图16是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航设备的示意图。
具体实施方式
49.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
50.参照图1，示出了本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航系统的应用场景示意图。在检查开始前，病人101被要求吞咽一个无线胶囊内窥镜102并躺在检查床103上。检查床103上覆盖有一层大型的磁传感器阵列104，整个磁传感器阵列104包括有多个磁传感器，多个磁传感器可以按照矩形排布。示例性地，磁传感器阵列104可以包括有80个磁传感器，这80个磁传感器可以按照8
×
10的方式进行排布。如图1所示，检查床103旁边安装有一台机械臂105，该机械臂105的末端执行器上安装有一个驱动器106。该驱动器106的结构可以如图2所示，包含有一个驱动电机1061和一个驱动器磁体1062，该驱动器磁体1062可以是球形永磁铁。病人101吞咽的无线胶囊内窥镜102的结构可以如图3所示，该无线胶囊内窥镜包含有一个磁环1021，该磁环1021被胶囊外壳1022包裹。
51.图1中无线胶囊内窥镜102、检查床103、磁传感器阵列104和机械臂105、驱动器106等共同构成了本技术实施例的无线胶囊内窥镜的自主导航系统。此外，上述自主导航系统还可以包括与检查床103、传感器阵列104、机械臂105、驱动器106等连接的数据处理计算机(图1中未示出)。数据处理计算机中可以储存有自主导航框架程序，该自主导航框架程序包含有无线胶囊内窥镜定位算法、往复旋转驱动算法、自动推进算法、轨迹追踪算法，以及一些如显示、储存等必不可少的基础程序代码。在检查过程中，通过执行上述各类算法，可以实现对无线胶囊内窥镜的自主导航和驱动。
52.具体地，如图4所示，是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航流程示意图。按照图4所示的流程，在系统启动后，系统可以调用自动推进算法，通过驱动器磁体
驱动无线胶囊内窥镜在未知的腹腔腔道中利用视觉信息和定位信息自动推进并作初步检查。同时，系统可以调用无线胶囊内窥镜定位算法对无线胶囊内窥镜进行定位并在已初步检查的区域生成运动轨迹。在无线胶囊内窥镜自动推进的过程中，如果医生或者计算机自动诊断系统没有发现疑似病变区域，那么无线胶囊内窥镜将会被不停地推进下去并建立无线胶囊内窥镜运动轨迹图。当医生或者计算机自动诊断系统发现疑似病变区域后，医生或者计算机自动诊断系统可以针对该疑似病变区域下达检查指令，并设置无线胶囊内窥镜的期望检查路径或期望检查点。如图5所示，是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的轨迹追踪示意图。图5中所示的腹腔腔道501中包括一疑似病变区域503。此时，系统可以开始执行轨迹追踪算法，使无线胶囊内窥镜102遵循期望检查路径502运动。在轨迹追踪检查过程中，如果医生想要结束追踪检查，那么医生可以在系统中下达结束追踪指令，系统将会重新进入自动推进模式并驱动无线胶囊内窥镜自动推进。如果医生没有停止追踪检查，那么系统就会使无线胶囊内窥镜追踪期望检查路径并在到达期望检查点(疑似病变区域502)后保持无线胶囊内窥镜相对静止。此后，如果医生又更新了期望检查点或期望检查路径，系统将会继续驱动无线胶囊内窥镜去追踪医生更新后的期望检查路径。
53.需要说明的是，除上述自动推进算法和轨迹追踪算法之外在执行上存在先后顺序外，无线胶囊内窥镜定位算法和往复旋转驱动算法没有时间上的先后顺序关系。在系统启动后，无线胶囊内窥镜定位算法和往复旋转驱动算法均是一直处于运行中的。
54.下面首先对本技术实施例涉及的各类算法进行介绍。需要说明的是，在本技术所介绍的各个实施例中，如无特别说明，所有带符号的表达式均表示该表达式对应的物理量的方向。例如，表示驱动器磁体的旋转轴ω
a
的方向。
55.(1)往复旋转驱动算法
56.本技术实施例提供的自主导航系统可以采用往复旋转磁驱动(reciprocally rotating magnetic actuation，rrma)模式来驱动无线胶囊内窥镜的运动。采用往复旋转磁驱动模式，驱动器磁体可以在一个往复旋转区间内旋转，产生方向周期性变化的磁力。该磁力作用于无线胶囊内窥镜上，将会使得无线胶囊内窥镜在驱动器磁体往复旋转的一个周期内先后沿不同的方向旋转。例如，在驱动器磁体往复旋转的前半个周期内，驱动器磁体产生的磁力可以使得无线胶囊内窥镜沿顺时针方向旋转；在驱动器磁体往复旋转的后半个周期内，该驱动器磁体产生的磁力则会使得无线胶囊内窥镜沿逆时针方向旋转。通过驱动无线胶囊内窥镜往复旋转，可以有效降低无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内运动过程中可能导致的腔道扭转的风险。
57.如图6所示，是本技术实施例提供的一种驱动器磁体与无线胶囊内窥镜交互作用的示意图。按照图6所示，无线胶囊内窥镜可以被体外驱动器磁体驱动，该驱动器磁体为球形永磁铁。无线胶囊内窥镜的期望旋转轴和驱动器磁体的旋转轴可以分别使用和表示。令在起始状态时和均与x轴正方向对齐，由于单位向量只有两个自由度，因此可以使用两个角度来表示上述和
58.示例性地，可以采用θ
cz
和θ
cy
来表示采用θ
az
和θ
ay
来表示即
[0059][0060][0061]
其中，θ
cz
表示绕z轴旋转的角度，θ
cy
表示绕y轴旋转的角度，θ
az
表不绕z轴旋转的角度，θ
ay
表示绕y轴旋转的角度。
[0062]
令在起始状态下与z轴正方向对齐，θ
ax
表示驱动器磁体的磁矩绕驱动器磁体的旋转轴旋转的角度。结合上述角度θ
az
和θ
ay
，就可以计算出驱动器磁体的磁矩的方向。
[0063]
在给定无线胶囊内窥镜的期望旋转轴的情况下，为了能够在无线胶囊内窥镜所在的位置以其期望旋转轴为轴产生旋转磁场，驱动器磁体的旋转轴可以采用如下公式计算得到：
[0064][0065]
其中，r＝p
c
‑
p
a
表示无线胶囊内窥镜的中心p
c
与驱动器磁体的中心p
a
之间的相对位置关系。如图7所示，h为p
a
在上的投影；α表示r与p
a
h之间的角度，该角度也就是驱动器磁体的驱动角度；β表示由p
a
、p
c
和h构成的平面u与竖直线之间的夹角。假设无线胶囊内窥镜的中心p
c
与驱动器磁体的中心p
a
之间的距离为d，则可以计算出无线胶囊内窥镜的中心p
c
与驱动器磁体的中心p
a
之间的相对位置
[0066]
在此基础上，可以根据磁偶极子模型下的磁场计算公式，计算出无线胶囊内窥镜所受到的磁场为：
[0067][0068]
本技术实施例不假设无线胶囊内窥镜的真实磁矩一直与施加的磁场方向对齐，这一假设通常仅在充满液体的膨大容器中成立。在本技术实施例所应用的场景中，如图7所示，无线胶囊内窥镜的运动往往受到狭长管状腔道壁的限制和影响。因此，本技术实施例假定无线胶囊内窥镜的真实磁矩方向由磁场b
c
和无线胶囊内窥镜当前的旋转轴共同决定。即无线胶囊内窥镜的真实磁矩方向是磁场与磁场在当前旋转轴上的投影的差的单位向量。
[0069]
在本技术实施例中，无线胶囊内窥镜上所受的磁力f可以看作是多个分量的合力。例如，无线胶囊内窥镜上所受的磁力f可以看作是如图8所示的三个分量f
ρ
、f
l
和f
r
的合力。即，第一个分量f
ρ
是沿着无线胶囊内窥镜的期望旋转轴的推进力，第二个分量f
l
是垂直
于u平面的侧向力，第三个分量f
r
是剩余的剩余力即，f
r
＝f
‑
f
ρ
‑
f
l
。
[0070]
图9示出了驱动器磁体旋转一个周期，无线胶囊内窥镜上所受到的磁力的变化情况。从图9中可知，推进力f
ρ
的大小几乎不随着旋转角度的变化而变化，数值非常稳定。当旋转角度为180
°
左右时，侧向力f
l
几乎为0，而剩余力f
r
达到了最大值。当旋转角度为180
°
左右时，磁力f的变化也是最慢的。因此，可以选择以180
°
为中心设计往复旋转区间。令θ
ar
为驱动器磁体的往复旋转角度，则驱动器磁体的往复旋转区间可以表示为：θ
ax
∈[180
°‑
θ
ar
，180
°
+θ
ar
]。
[0071]
通常，θ
ar
较小且驱动器磁体往复旋转的频率比较快，并且推进力f
ρ
才是本技术实施例关注的重点，所以本技术实施例可以采用旋转角度为180
°
时的磁力来代表一个往复旋转周期内的磁力。
[0072]
通过仿真发现，不同往复旋转角度将会导致不同的腔道扭转风险和推进效率。随着往复旋转角度的增大，腔道扭转或形变的幅度也越大，但同时也会使得腔道向侧向张开的力度越大，这有利于无线胶囊内窥镜的向前推进。因此，本技术实施例可以在腔扭转风险和推进效率这二者之间选取一个平衡点，确定最佳往复旋转角度为90
°
。
[0073]
(2)无线胶囊内窥镜定位算法
[0074]
本技术实施例提供了一个大规模的传感器阵列，足以覆盖病人的整个腹部区域，该传感器阵列包含多个传感器。例如，传感器阵列可以由80个按照8
×
10矩阵排布的传感器。由于过多的传感器都参与定位计算的话，传感器读数会占用大量的时间，导致定位频率非常低而且将会极大地降低定位精度。为了解决该问题，如图10所示，本技术实施例提供了一种自适应的传感器子阵列定位算法。该算法每次只需激活离无线胶囊内窥镜比较近的若干个传感器，将它们以最佳排布方式组成传感器子阵列。接下来如图11所示，在对无线胶囊内窥镜进行定位时，可以根据上一次无线胶囊内窥镜的定位结果，确定激活的最佳传感器子阵列，利用这部分传感器测量叠加磁场，再使用融合了多磁目标追踪算法(mot)、法向量拟合、贝兹曲线拟合、球面线性插值算法的改进型多磁目标追踪算法(imot)从磁场数据中求解无线胶囊内窥镜的6维位姿，并估计无线胶囊内窥镜的运动速度。在得到最新的无线胶囊内窥镜位姿后，再确定下一次定位所需要激活的传感器子阵列。
[0075]
需要说明的是，无线胶囊内窥镜的6维位姿可以分为3维位置信息和3维旋转信息。在本技术实施例中，可以使用磁场数据求解无线胶囊内窥镜的3维位置信息，而3维旋转信息则可以通过无线胶囊内窥镜内置的惯性传感器读取得到。
[0076]
这样，在扩展工作空间的同时，保证了无线胶囊内窥镜有较高的定位精度和较高的定位频率。
[0077]
(3)自动推进算法
[0078]
通过大量的实验可以发现，不同形状(例如，笔直肠道和弯曲肠道)和不同环境阻力下的腔道(例如，肠道内分泌物和肠道表面结构的不同导致阻力不同)会极大地影响无线胶囊内窥镜的推进效率。因此，本技术实施例提出了根据环境条件自适应调整驱动推进力的方法，可以使得无线胶囊内窥镜能够更有效率地在不同环境中运动。
[0079]
显然，腔道的形状可以比较容易地从视觉信息中判断出来。在笔直腔道中，腔道深远处中心接近于图像中心。而在弯曲腔道中，腔道深远处中心会远离图像中心。于是，可以根据腔道深远处中心与图像中心之间的关系，改变无线胶囊内窥镜所受磁力的朝向，使得
无线胶囊内窥镜的头部始终朝向腔道深远处，从而提高自动推进效率。
[0080]
另一方面，腔道内环境阻力的变化是难以通过视觉信息得到的，更大的阻力会使无线胶囊内窥镜的运动速度大大地降低。因此，本技术实施例可以借助无线胶囊内窥镜的速度变化来判断其所受的阻力，进而根据无线胶囊内窥镜的运动速度自适应地调节其所受磁力，使无线胶囊内窥镜可以在不同环境阻力下高效地被驱动。
[0081]
在本技术实施例中，调整无线胶囊内窥镜所受磁力的方式可以通过减少驱动器磁体与无线胶囊内窥镜之间的距离来实现，也可以通过改变驱动器位姿配置信息中的驱动角度(即角度α)来实现。
[0082]
在驱动无线胶囊内窥镜运动的过程中，可以记录并保存无线胶囊内窥镜的定位数据。然后，采用高斯混合模型(gmm)结合期望
‑
最大化(em)算法将运动过程中的各个位置点聚类为若干个点，再利用三次样条插值算法(cubic spline interpolation)将这若干个点生成一条光滑曲线，用于表示已初步检查的腔道区域的轨迹，以供在轨迹追踪时使用。
[0083]
(4)轨迹追踪算法
[0084]
本技术实施例提供的自主导航系统可以实现对无线胶囊内窥镜的5d控制，包括3d的磁力控制和2d的无线胶囊内窥镜朝向控制。在管状环境中，无线胶囊内窥镜当前的旋转轴不可能始终与期望旋转轴对齐。如果无线胶囊内窥镜当前的旋转轴与期望旋转轴之间的夹角太大，无线胶囊内窥镜不会在旋转磁场的作用下正常旋转。为了解决这个问题，本技术实施例使用了球形线性插值算法(spherical linear interpolation)来确定无线胶囊内窥镜的下一个期望旋转方向
[0085]
通常，给定无线胶囊内窥镜上所受到的期望磁力f
d
和无线胶囊内窥镜的期望旋转方向驱动器磁体的配置信息(d，α，β)就可以通过求解以下方程得到：
[0086][0087]
假设施加到无线胶囊内窥镜上的摩擦力的大小是恒定且与无线胶囊内窥镜的速度方向始终相反，则无线胶囊内窥镜上的摩擦力可以表示为：
[0088][0089]
其中，f
fric
为无线胶囊内窥镜所受到的肠壁阻力，ρ
fric
表示阻力系数，表示无线胶囊内窥镜当前的速度，表示无线胶囊内窥镜当前的速度的大小。因此，表示无线胶囊内窥镜当前的速度的方向。
[0090]
另一方面，可以使用系数r来表示不同腔道位置和腔道蠕动带来的摩擦力的变化，使用f
dist
表示腔道内比较小且方向不确定的噪音，则腔道对无线胶囊内窥镜的总作用力f
env
可以表示为：
[0091]
f
env
＝r
·
f
fric
+f
dist
[0092]
根据上述信息，可以构建出无线胶囊内窥镜运动过程中的动力学模型：
[0093][0094]
其中，m
c
表示无线胶囊内窥镜的质量，f
g
为重力，表示无线胶囊内窥镜运动中的加速度。
[0095]
如图12所示，示出了本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的轨迹追踪算法流程示意图。在轨迹追踪前，轨迹生成器可以根据用户(医生)指定的关键点生成期望轨迹。如图13所示，是本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内的轨迹追踪示意图。图13中连接各个关键点生成的曲线即是期望轨迹。在轨迹追踪过程中，假设控制器的控制频率为f
c
，在给定无线胶囊内窥镜的当前位置p
c
的情况下，结合动力学模型，无线胶囊内窥镜在接下来的n个时刻的期望位置p
d，n+i
和期望速度可以通过求解以下方程获得：
[0096][0097]
将无线胶囊内窥镜的当前位置和当前速度设为状态：
[0098][0099]
并将整个预测窗口内的未来期望状态设为x
d，n
，...，x
d，n+n
，其中：
[0100][0101]
可以定义用于预测无线胶囊内窥镜在预测窗口内运动的函数φ为：
[0102][0103]
在模型预测控制器中，可以设定不确定性参数，也就是假定函数φ中的系数r是变化的。例如，系数r可以是一个分段函数，共有m种可能性。在长度为n的预测窗口内，在最关键的第一次预测时考虑r的不确定性，可以将r的m种可能性度放入优化函数进行计算，也就是将φ函数中的r设定为了可变参数，最后优化输出的磁力序列将适应于不同r值的情形。在预测窗口内的期望磁力序列f
d，n
，...，f
d，n+n
‑1可以通过求解以下方程获得：
[0104][0105]
其中，w
n
，w
x
和w
f
分别表示预测窗口终点状态误差，预测窗口内过程误差，以及预测窗口内输出磁力变化的权重。
[0106]
如图12所示，当控制器输出期望磁力序列后，可以选择第一个期望磁力f
d，n
，由磁力生成器求解驱动器磁体的配置信息(d，α，β)，然后开始新的一轮优化计算，如此循环进行，系统能够使无线胶囊内窥镜自动地追踪期望轨迹并到达目标位置。
[0107]
需要说明的是，在轨迹追踪算法中，可以使用任意类型的控制器，如鲁棒多阶段模型预测控制器(robust multi
‑
stage mpc)等等，本技术实施例对此不作限定。
[0108]
上述往复旋转驱动算法、无线胶囊内窥镜定位算法、自动推进算法和轨迹追踪算法共同构成了本技术实施例的自主导航系统的框架。在应用该自主导航系统过程中，上述往复旋转驱动算法和无线胶囊内窥镜定位算法始终处于运行状态。在此过程中，系统能够不断地更新无线胶囊内窥镜的最新位姿，驱动器磁体也能够准确地驱动无线胶囊内窥镜。自动推进算法用于无线胶囊内窥镜的自动推进模式、轨迹追踪算法用于无线胶囊内窥镜的轨迹追踪模式。用户(医生)可以通过指令控制系统在自动推进和轨迹追踪两种模式中进行切换。采用本技术实施例提供的自主导航系统，有助于提高疾病诊断的准确率，降低医生手工操作的负担和精神压力。
[0109]
本技术实施例仿照移动机器人领域中，同时定位与建图(simultaneous localization and mapping，slam)，路径规划(path planning)，导航(navigation)的概念，归纳出了对应于主动型无线胶囊内窥镜的相关概念。其中，无线胶囊内窥镜在未知腔道或器官中被系统自动往前推进并生成运动路径的轨迹的过程可以归纳为“自动推进”(automatic propulsion)，对应于移动机器人的slam阶段。在已经建立轨迹的腔道或器官中跟随期望轨迹/路径对疑似病变区域进行反复运动检查的过程可以归纳为“轨迹追踪”(trajectory following)，对应于移动机器人在已知地图中的路径规划阶段。将“自动推进”和“轨迹追踪”结合起来，在未知腔道或器官中自动推进并建立轨迹，然后在已知轨迹中按指令检查的整个框架流程被称为“自主导航”(autonomous navigation)，也对应于移动机器人中对未知环境的探索、建图，然后在已知环境中路径规划的整体导航框架。这是业界第一次提出针对腹腔腔道内磁控无线胶囊内窥镜的自主导航的概念。
[0110]
下面通过具体实施例来对本技术的技术方案进行介绍。
[0111]
参照图14，示出了本技术实施例提供的另一种无线胶囊内窥镜的自主导航流程示意图，具体可以包括如下步骤：
[0112]
s1401、驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动。
[0113]
需要说明的是，在应用自主导航系统执行s1401的步骤时，系统中往复旋转驱动算法、无线胶囊内窥镜定位算法和自动推进算法处于运行状态。其中，往复旋转驱动算法用于控制无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；无线胶囊内窥镜定位算法用于实时地对无线胶囊内窥镜进行定位，确定无线胶囊内窥镜的位姿；自动推进算法用于驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内自动推进。
[0114]
在控制无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动时，首先可以确定驱动器磁体的往复旋转区间，该往复旋转区间也就是驱动器磁体往复旋转的角度范围。然后，通过控制驱动器磁体在上述往复旋转区间内往复旋转，可以驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内以往复旋转的方式运动。无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内以往复旋转的方式运动可以是指无线胶囊内窥镜在驱动器磁体的一个往复旋转周期内，无线胶囊内窥镜在前半个周期和后半个周期的旋转方向相反。例如，无线胶囊内窥镜在前半个周期内绕旋转轴顺时针旋转，在后半个周期内绕旋转轴逆时针旋转。
[0115]
在本技术实施例中，为了确定驱动器磁体的往复旋转区间，可以首先确定驱动器磁体的往复旋转角度。结合前述实施例对往复旋转驱动算法进行介绍的部分可知，能够有
效平衡腔道扭转风险和推进效率的最佳往复旋转角度为90
°
。当然，根据实际需要，也可以选择其他角度值作为往复旋转角度，本技术实施例对此不作限定。
[0116]
然后，可以根据往复旋转角度确定驱动器磁体的往复旋转区间，该往复旋转区间也就是以目标旋转角度为中心，往复旋转上述确定的往复旋转角度所形成的角度区间。
[0117]
由于驱动器磁体旋转在180
°
左右时磁力的变化是最慢的，且处于该角度时，侧向力几乎为0，但剩余力达到了最大值。因此，上述目标旋转角度可以是180
°
。即，驱动器磁体的往复旋转区间可以表示为：θ
ax
∈[180
°‑
θ
ar
，180
°
+θ
ar
]，其中，θ
ar
为驱动器磁体的往复旋转角度。
[0118]
s1402、自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进。
[0119]
需要说明的是，自动推进无线胶囊内窥镜在腹腔腔道中前进可以是通过执行自动推进算法实现的。在执行自动推进算法的同时，往复旋转驱动算法和无线胶囊内窥镜定位算法仍然处于运行状态。
[0120]
在本技术实施例中，无线胶囊内窥镜所处的腔道形状及腔道环境的不同将会极大地影响其推进效率。因此，可以根据无线胶囊内窥镜所处的环境条件，对施加在无线胶囊内窥镜上的推进磁力进行调整。
[0121]
在具体实现中，可以首先确定无线胶囊内窥镜当前所处的腔道环境；根据腔道环境，调整驱动器磁体施加在无线胶囊内窥镜上的推进磁力。上述腔道环境可以包括笔直腔道或弯曲腔道等。示例性地，在无线胶囊内窥镜处于弯曲腔道时，可以增大施加在无线胶囊内窥镜上的推进磁力，以使其能够更好地推进。
[0122]
通常，无线胶囊内窥镜处于笔直腔道或弯曲腔道可以比较容易地从视觉信息中判断出来。因此，在确定无线胶囊内窥镜当前所处的腔道环境时，可以控制无线胶囊内窥镜采集腹腔腔道的图像，然后根据图像确定其当前所处的腔道环境。
[0123]
一般地，在笔直腔道中，腔道深远处中心接近于图像中心；而在弯曲腔道中，腔道深远处中心会远离图像中心。因此，可以根据腔道环境，调整推进磁力的方向，以使无线胶囊内窥镜的头部朝向腹腔腔道的深远处。也就是通过调整推进磁力的方向，尽量使得在采集得到的图像中无线胶囊内窥镜的头部接近于图像中心。
[0124]
另一方面，腔道内环境阻力的变化是难以通过视觉信息得到的，更大的阻力会使无线胶囊内窥镜的运动速度大大地降低。因此，可以借助无线胶囊内窥镜的运动速度变化来判断其所受的阻力。
[0125]
在具体实现中，可以确定无线胶囊内窥镜在腔道环境中的运动速度。若无线胶囊内窥镜在该腔道环境中的运动速度小于预设速度阈值，则可以增大推进磁力，以使无线胶囊内窥镜在增大后的推进磁力的作用下，运动速度能够达到上述预设速度阈值，保证推进效率。
[0126]
在本技术实施例中，增大推进磁力可以通过控制减小驱动器磁体与无线胶囊内窥镜之间的距离实现，还可以通过调整驱动器磁体的驱动角度实现。
[0127]
在本技术实施例中，系统在自动推进无线胶囊内窥镜的过程中，还可以确定无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内运动的过程中经过的多个位置点，并根据多个位置点，生成无线胶囊内窥镜的运动轨迹。
[0128]
在确定无线胶囊内窥镜运动过程中经过的多个位置点时，需要调用无线胶囊内窥
镜定位算法对其进行定位。
[0129]
在本技术实施例中，可以针对无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内运动的过程中经过的任一位置，从磁传感器阵列中激活若干个磁传感器，上述若干个磁传感器构成最佳磁传感器子阵列。其中，最佳磁传感器子阵列可以是按照预设排布方式排布的固定个数的磁传感器所组成的定位精度最优的磁传感器子阵列。然后，可以基于上述最佳磁传感器子阵列对无线胶囊内窥镜进行定位，得到无线胶囊内窥镜当前所处的位置对应的位置点。
[0130]
在具体实现中，可以采用最佳磁传感器子阵列测量驱动器磁体生成的磁场，得到磁场数据；然后基于测量得到的磁场数据确定无线胶囊内窥镜在当前所处的位置处的位姿；根据位姿确定无线胶囊内窥镜当前所处的位置对应的位置点。
[0131]
根据多个位置点，便可生成无线胶囊内窥镜的运动轨迹。
[0132]
在本技术实施例中，在根据多个位置点生成无线胶囊内窥镜的运动轨迹时，可以对多个位置点进行聚类处理，得到无线胶囊内窥镜的多个定位点；然后再根据多个定位点生成无线胶囊内窥镜的运动轨迹。例如，可以采用三次样条插值算法等，基于多个定位点绘制出一条光滑曲线，该光滑曲线也就是无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内的运动轨迹。
[0133]
s1403、当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径。
[0134]
在本技术实施例中，针对疑似病变区域的检查指令可以是由医生或计算机自动诊断系统下达的。例如，当医生发现疑似病变区域后，可以下达检查指令，指示无线胶囊内窥镜对该疑似病变区域进行重复检查。
[0135]
系统在接收到针对疑似病变区域的检查指令后，可以获取与该疑似病变区域相对应的期望检查路径。上述期望检查路径可以是在自动推进过程中通过执行无线胶囊内窥镜定位算法生成的运动轨迹的一部分。
[0136]
s1404、驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0137]
在本技术实施例中，当自主导航系统接收到针对疑似病变区域的检查指令时，自主导航系统可以由自动推进模式切换至轨迹追踪模式。在完成模式切换后，自动推进算法停止运行，而轨迹追踪算法则开始运行。
[0138]
需要说明的是，在自主导航系统的轨迹追踪模式下，系统不仅会运行轨迹追踪算法，还会继续运行往复旋转驱动算法和无线胶囊内窥镜定位算法。
[0139]
在本技术实施例中，在运行轨迹追踪算法，驱动无线胶囊内窥镜沿期望检查路径运动至疑似病变区域时，可以首先确定与期望检查路径对应的驱动器磁体产生的期望磁力。该期望磁力也就是作用于无线胶囊内窥镜上并驱动其沿期望检查路径所需的推进力。
[0140]
在具体实现中，为了确定期望磁力，可以首先构建无线胶囊内窥镜在运动过程中的动力学模型。然后，可以确定无线胶囊内窥镜当前所处的位置，并根据无线胶囊内窥镜当前所处的位置，确定无线胶囊内窥镜的多个期望位置以及在每个期望位置的期望速度。在此基础上，系统可以基于前述动力学模型，根据多个期望位置以及在每个期望位置的期望速度，计算出无线内窥镜在多个期望位置的磁力序列。系统可以将磁力序列中的第一个磁力作为期望磁力。
[0141]
如前述对轨迹追踪算法进行的介绍，在给定期望磁力和无线胶囊内窥镜在运动过程中的期望旋转方向时，可以通过求解方程确定出驱动器磁体的配置信息，上述配置信息
可以包括：无线胶囊内窥镜的中心与驱动器磁体的中心之间的距离、驱动器磁体的驱动角度、特定平面与竖直线之间的夹角。其中，特定平面为无线胶囊内窥镜的中心、驱动器磁体的中心以及驱动器磁体的中心在无线胶囊内窥镜的期望旋转轴上的投影点构成的平面。
[0142]
在确定出上述配置信息后，可以按照该配置信息对驱动器磁体进行配置并控制驱动器磁体产生相应的期望磁力，以驱动无线胶囊内窥镜沿期望检查路径运动。
[0143]
需要说明的是，当无线胶囊内窥镜运动至下一期望位置时，可以重复上述步骤，重新计算驱动器磁体的期望磁力。如此循环进行，系统能够自动使无线胶囊内窥镜追踪期望检查路径并到达疑似病变区域。
[0144]
当无线胶囊内窥镜运动至疑似病变区域时，系统可以控制无线胶囊内窥镜对疑似病变区域进行检查。
[0145]
由于s1401
‑
s1404各步骤中的执行过程均是在运行相应的算法基础上实现的，这些算法的运行过程与前述实施例中针对各算法进行介绍的内容类似，在此介绍得比较简单，相关之处可以相互参阅。
[0146]
需要说明的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0147]
参照图15，示出了本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航装置的示意图，具体可以包括往复旋转运动驱动模块1501、胶囊自动推进模块1502、期望检查路径获取模块1503和期望检查路径追踪模块1504，其中：
[0148]
往复旋转运动驱动模块1501，用于驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
[0149]
胶囊自动推进模块1502，用于自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
[0150]
期望检查路径获取模块1503，用于在接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
[0151]
期望检查路径追踪模块1504，用于驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0152]
在本技术实施例中，所述往复旋转运动驱动模块1501具体用于：确定驱动器磁体的往复旋转区间；控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以驱动所述无线胶囊内窥镜在所述腹腔腔道内以往复旋转的方式运动。
[0153]
在本技术实施例中，所述往复旋转运动驱动模块1501还用于：确定所述驱动器磁体的往复旋转角度；根据所述往复旋转角度确定所述驱动器磁体的往复旋转区间，所述往复旋转区间为以目标旋转角度为中心，往复旋转所述往复旋转角度所形成的角度区间。
[0154]
在本技术实施例中，所述目标旋转角度可以为180度。
[0155]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502具体用于：确定所述无线胶囊内窥镜当前所处的腔道环境；根据所述腔道环境，调整驱动器磁体施加在所述无线胶囊内窥镜上的推进磁力。
[0156]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502还用于：控制所述无线胶囊内窥镜采集所述腹腔腔道的图像；根据所述图像确定所述无线胶囊内窥镜当前所处的腔道环
境。
[0157]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502还用于：根据所述腔道环境，调整所述推进磁力的方向，以使所述无线胶囊内窥镜的头部朝向所述腹腔腔道的深远处。
[0158]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502还用于：确定所述无线胶囊内窥镜在所述腔道环境中的运动速度。
[0159]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502还用于：若所述无线胶囊内窥镜在所述腔道环境中的运动速度小于预设速度阈值，则增大所述推进磁力，以使所述无线胶囊内窥镜在所述推进磁力的作用下，所述运动速度达到所述预设速度阈值。
[0160]
在本技术实施例中，所述胶囊自动推进模块1502还用于：控制减小所述驱动器磁体与所述无线胶囊内窥镜之间的距离；或者，调整所述驱动器磁体的驱动角度。
[0161]
在本技术实施例中，所述装置还包括定位模块，所述定位模块用于：确定所述无线胶囊内窥镜在所述腹腔腔道内运动的过程中经过的多个位置点；根据所述多个位置点，生成所述无线胶囊内窥镜的运动轨迹。
[0162]
在本技术实施例中，所述定位模块具体用于：针对所述无线胶囊内窥镜在所述腹腔腔道内运动的过程中经过的任一位置，从磁传感器阵列中激活若干个磁传感器，所述若干个磁传感器构成最佳磁传感器子阵列，所述最佳磁传感器子阵列为按照预设排布方式排布的固定个数的磁传感器所组成的定位精度最优的磁传感器子阵列；基于所述最佳磁传感器子阵列对所述无线胶囊内窥镜进行定位，得到所述无线胶囊内窥镜当前所处的位置对应的位置点。
[0163]
在本技术实施例中，所述定位模块还用于：采用所述最佳磁传感器子阵列测量驱动器磁体生成的磁场，得到磁场数据；基于所述磁场数据确定所述无线胶囊内窥镜在当前所处的位置处的位姿；根据所述位姿确定所述无线胶囊内窥镜当前所处的位置对应的位置点。
[0164]
在本技术实施例中，所述定位模块还用于：对所述多个位置点进行聚类处理，得到所述无线胶囊内窥镜的多个定位点；根据所述多个定位点生成所述无线胶囊内窥镜的运动轨迹。
[0165]
在本技术实施例中，所述期望检查路径追踪模块1504具体用于：确定与所述期望检查路径对应的驱动器磁体产生的期望磁力；根据所述期望磁力以及所述无线胶囊内窥镜在运动过程中的期望旋转方向，确定所述驱动器磁体的配置信息，所述配置信息包括：所述无线胶囊内窥镜的中心与所述驱动器磁体的中心之间的距离、所述驱动器磁体的驱动角度、特定平面与竖直线之间的夹角；其中，所述特定平面为所述无线胶囊内窥镜的中心、所述驱动器磁体的中心以及所述驱动器磁体的中心在所述无线胶囊内窥镜的期望旋转轴上的投影点构成的平面；按照所述配置信息对所述驱动器磁体进行配置并控制所述驱动器磁体产生所述期望磁力，以驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0166]
在本技术实施例中，所述期望检查路径追踪模块1504还用于：构建所述无线胶囊内窥镜在运动过程中的动力学模型；确定所述无线胶囊内窥镜当前所处的位置；根据所述无线胶囊内窥镜当前所处的位置，确定所述无线胶囊内窥镜的多个期望位置以及在每个期望位置的期望速度；基于所述动力学模型，根据所述多个期望位置以及在每个期望位置的
期望速度，计算所述无线内窥镜在所述多个期望位置的磁力序列；将所述磁力序列中的第一个磁力作为所述期望磁力。
[0167]
在本技术实施例中，所述期望检查路径追踪模块1504还用于：当所述无线胶囊内窥镜运动至下一期望位置时，重新计算所述驱动器磁体的期望磁力。
[0168]
在本技术实施例中，所述装置还包括检查模块，所述检查模块用于控制所述无线胶囊内窥镜对所述疑似病变区域进行检查。
[0169]
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
[0170]
参照图16，示出了本技术实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的自主导航设备的示意图。如图16所示，本实施例的无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600包括：处理器1610、存储器1620以及存储在所述存储器1620中并可在所述处理器1610上运行的计算机程序1621。所述处理器1610执行所述计算机程序1621时实现前述无线胶囊内窥镜的自主导航流程各个实施例中的步骤，例如图14所示的步骤s1401至s1403。或者，所述处理器1610执行所述计算机程序1621时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图15所示模块1501至1503的功能。
[0171]
示例性的，所述计算机程序1621可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器1620中，并由所述处理器1610执行，以完成本技术。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序1621在所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600中的执行过程。例如，所述计算机程序1621可以被分割成往复旋转运动驱动模块、胶囊自动推进模块、期望检查路径获取模块和期望检查路径追踪模块，各模块具体功能如下：
[0172]
往复旋转运动驱动模块，用于驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
[0173]
胶囊自动推进模块，用于自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
[0174]
期望检查路径获取模块，用于在接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
[0175]
期望检查路径追踪模块，用于驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0176]
所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600可包括，但不仅限于，处理器1610、存储器1620。本领域技术人员可以理解，图16仅仅是无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的一种示例，并不构成对无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0177]
所述处理器1610可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0178]
所述存储器1620可以是所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的内部存储单
元，例如无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的硬盘或内存。所述存储器1620也可以是所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的外部存储设备，例如所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等等。进一步地，所述存储器1620还可以既包括所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器1620用于存储所述计算机程序1621以及所述无线胶囊内窥镜的自主导航设备1600所需的其他程序和数据。所述存储器1620还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0179]
本技术实施例还公开了一种无线胶囊内窥镜的自主导航设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法：
[0180]
驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
[0181]
自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
[0182]
当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
[0183]
驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0184]
本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：
[0185]
驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
[0186]
自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
[0187]
当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
[0188]
驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0189]
本技术实施例还公开了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下方法：
[0190]
驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转运动；
[0191]
自动推进所述无线胶囊内窥镜沿所述腹腔腔道前进；
[0192]
当接收到针对疑似病变区域的检查指令时，获取与所述疑似病变区域相对应的期望检查路径；
[0193]
驱动所述无线胶囊内窥镜沿所述期望检查路径运动至所述疑似病变区域。
[0194]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。