本發明涉及醫療器械自動控制領域，尤其涉及一種胃部輪廓檢測及模型生成方法。

背景技術：

市場上的膠囊內窺鏡應用中，還沒有將實際的胃部模型測量引入到檢測過程中的，這樣醫生在控制主動式膠囊的時候沒有位置參考，導致檢測的效率低下。

而現有的斷層掃描技術雖然精度很高，但是對人體會有一定程度的傷害，而且費用上也居高不下。

如果有一種檢測成本低、精度合適胃體輪廓檢測技術，對膠囊內窺鏡的實際應用效果將起到很大的提升作用。這就亟需本領域技術人員解決相應的技術問題。

技術實現要素：

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種胃部輪廓檢測及模型生成方法。

為了實現本發明的上述目的，本發明公開一種胃部輪廓檢測及模型生成方法，包括如下步驟：

s1，使用外部磁場源拖動膠囊在胃的上表面朝一個方向移動，并實時發送膠囊內部傳感器所測量的數據；

s2，拖動過程中，通過所述傳感器檢測到的膠囊姿態和膠囊位置處的磁場變化判斷是否到達胃的邊界；

s3，根據膠囊實時發送的所述傳感器測量的數據對到達胃邊界的膠囊空間位置點進行運算并記錄；

s4，反復執行s1-s3，測得若干組滿足胃邊界條件的膠囊空間位置點；

s5，將有效的膠囊空間位置點進行軌跡連接，得到完整的胃部輪廓數據。

所述的胃部輪廓檢測及模型生成方法，優選的，所述s2包括以下步驟：

s2-1，膠囊內部傳感器測量膠囊位置處的磁場向量和膠囊自身的重力向量；

s2-2，計算所述磁場向量與重力向量的夾角；

s2-3，將所述夾角與預設閥值進行比較，判斷膠囊是否達到胃的邊界。

所述的胃部輪廓檢測及模型生成方法，優選的，所述s4包括以下步驟：

s4-1，膠囊內窺鏡開始檢查的位置位于胃一端的穹頂位置，所述穹頂位置是膠囊通過磁體吸引到達胃的上表面時，膠囊的姿態向量6-1與磁場向量6-2重合的位置，根據膠囊運動軌跡設置胃一端的穹頂位置為坐標原點，并且胃另一端定義為x軸最大值，磁體拖動膠囊沿胃橫向運動方向定義為y軸；

s4-2，磁體拖動膠囊沿原點向y軸正極運動，直到膠囊到達胃水平邊界一側的條件成立，記錄下該點位置，所述條件成立是指膠囊在接近胃水平邊界位置時的姿態向量6-3與磁場向量6-4的夾角超過閥值；

s4-3，磁體拖動膠囊朝x軸正極移動一定距離；磁體沿y軸負極方向拖動膠囊直至膠囊到達胃水平邊界另一側的條件成立，記錄下該點位置，磁體拖動膠囊朝x軸正極移動一定距離；

s4-4，重復s4-2和s4-3直到膠囊運動到胃另一端x軸最大值。

所述的胃部輪廓檢測及模型生成方法，優選的，所述軌跡連接是通過將所述膠囊空間位置點進行相應的插值和特征算法，勾畫出胃的輪廓。

所述的胃部輪廓檢測及模型生成方法，優選的，在軌跡連接之前，將所述膠囊空間位置點進行降噪處理。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

本申請提出的胃部輪廓檢測及模型生成方法，描述了一種安全、無副作用、成本低廉的胃部輪廓檢測軟硬件系統結構及方法，可以有效地填補膠囊內窺鏡領域相關的技術空白，而且具有很強的可實施性，對膠囊內窺鏡的查出率有很大的貢獻。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發明膠囊系統環境示意圖；

圖2是本發明膠囊示意圖；

圖3是本發明膠囊在穹頂位置和靠近胃水平邊界位置姿態對比示意圖；

圖4是本發明膠囊在穹頂位置和靠近邊界位置的加速度傳感器測量值對比示意圖；

圖5a是本發明磁源拖動膠囊位于穹頂位置時，膠囊處的磁場傳感器測量值示意圖；

圖5b是本發明磁源拖動膠囊位于靠近胃水平邊界時，膠囊處的磁場傳感器測量值示意圖；

圖6是本發明膠囊處于穹頂位置和處于靠近胃水平邊界位置時加速度向量和磁場向量夾角對比示意圖；

圖7a-7b是本發明運動軌跡示意圖；

圖8是本發明膠囊運動軌跡示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

如圖1所示，膠囊內窺鏡在使用環境中1-1表示牽引磁場源，1-2表示人體組織，1-3表示膠囊內窺鏡。

在膠囊內窺鏡的應用當中，如果能夠測得患者胃的輪廓，而且直接顯現出膠囊與胃體的相對位置，對醫生的信心是有極大幫助的。更重要的，得知患者胃的輪廓可以幫助位于體外的膠囊姿態控制器進行路徑規劃，對膠囊內窺鏡查出率的提高也是相當有幫助的。

因此，膠囊內窺鏡的實際應用中，迫切的需要一種無害、造價低廉的檢測技術來得出胃的模型。

如圖2所示，膠囊內窺鏡由2-1鏡頭、2-2照明系統、2-3加速度傳感器和陀螺儀、2-4磁場傳感器、2-5mcu、2-6電池、2-7射頻通訊模塊、2-8外殼組成。在本申請的內容之中2-3加速度傳感器和陀螺儀、2-4磁場傳感器是重點探討的對象。

人體胃的橫截面可以近似的看成一個橢圓，本測量方法膠囊內窺鏡的活動范圍主要在胃的上表面，且膠囊需要在胃的上表面保持接觸。

本發明公開一種胃部輪廓檢測及模型生成方法，包括如下步驟：

s1，使用外部磁場源拖動膠囊在胃的上表面朝一個方向移動，并實時發送膠囊內部傳感器所測量的數據；

s2，拖動過程中，通過所述傳感器檢測到的膠囊姿態和膠囊位置處的磁場變化判斷是否到達胃的邊界；

s2-1，膠囊內部傳感器測量膠囊位置處的磁場向量和膠囊自身的重力向量；

s2-2，計算所述磁場向量與重力向量的夾角；

s2-3，將所述夾角與預設閥值進行比較，判斷膠囊是否達到胃的邊界。

s3，根據膠囊實時發送的所述傳感器測量的數據對到達胃邊界的膠囊空間位置點進行運算并記錄；

s4，反復執行s1-s3，測得若干組滿足胃邊界條件的膠囊空間位置點；

s4-1，膠囊內窺鏡開始檢查的位置位于胃一端的穹頂位置，所述穹頂位置是膠囊通過磁體吸引到達胃的上表面時，膠囊的姿態向量6-1與磁場向量6-2重合的位置，根據膠囊運動軌跡設置胃一端的穹頂位置為坐標原點，并且胃另一端定義為x軸最大值，磁體拖動膠囊沿胃橫向運動方向定義為y軸；

s4-2，磁體拖動膠囊沿原點向y軸正極運動，直到膠囊到達胃水平邊界一側的條件成立，記錄下該點位置，所述條件成立是指膠囊在接近胃水平邊界位置時的姿態向量6-3與磁場向量6-4的夾角超過閥值；

s4-3，磁體拖動膠囊朝x軸正極移動一定距離；磁體沿y軸負極方向拖動膠囊直至膠囊到達胃水平邊界另一側的條件成立，記錄下該點位置，磁體拖動膠囊朝x軸正極移動一定距離；

s4-4，重復s4-2和s4-3直到膠囊運動到胃另一端x軸最大值。

s5，將有效的膠囊空間位置點進行軌跡連接，得到完整的胃部輪廓數據。

如圖3和4所示，由于胃上壁的穹頂結構，所以在胃上壁越靠近水平邊界處胃壁與水平方向的夾角越大，斜率的絕對值越大，膠囊在朝著胃上壁水平邊界運動時，自身的傾斜也會更加嚴重。所以膠囊內部加速度傳感器和陀螺儀測得的姿態向量與膠囊z軸之間夾角越大。

如圖8所示，根據膠囊針對磁源的磁力作用，無論人體屬于仰臥、俯臥或者側臥狀態，其穹頂位置總是膠囊通過磁體吸合后，膠囊設定的中心位置的姿態向量6-1與膠囊設定的中心位置的磁場向量6-2重合的位置。

與此同時，由于膠囊越靠近胃水平邊界的時候，所遇到的阻力會越大，所以外部磁場源與膠囊內窺鏡的水平距離會越來越大。由于膠囊內窺鏡會更加接近于外部磁場的邊緣，所以此時膠囊內窺鏡內部磁場傳感器測得的磁場向量變化如圖5。

所以膠囊位于胃的水平中央位置和水平邊界位置的測量數據綜合表述如圖6，其中，6-1表示膠囊在中心位置的姿態向量，6-2表示膠囊在中心位置的磁場向量，6-3表示膠囊在更加接近胃水平邊界位置時的姿態向量，6-4表示膠囊在更加接近水平邊界位置時的磁場向量。

可知，磁場向量與姿態向量的夾角是可以用來判定膠囊是否接近胃水平邊界的。而且在工程中，可以通過一些手段得出每個時刻膠囊所在的空間位置。

設置表示膠囊到達胃邊界的姿態向量與磁場向量之間角度的閥值，當傳感器測得的兩向量角度超過閥值時，將此時所求得的膠囊空間位置數據記錄下來，以供后面分析。

在膠囊內窺鏡的實際應用中，經常會使用外部牽引磁源對內部膠囊內窺鏡進行拖動操作，一般情況下，胃壁的光滑系數足夠，可以使膠囊貼著胃壁進行自由移動。

但是由于胃壁會有些許摩擦力，會導致膠囊內窺鏡并不在牽引磁場源正下方，膠囊所受到的阻力越大，膠囊內窺鏡和牽引磁場源的水平位移差越大。

同時，胃壁與水平面的夾角越大會導致膠囊的力平衡點改變，導致膠囊傾斜更為嚴重。

測量物理量來自于三個因素：

膠囊內窺鏡與牽引磁場源水平位移差越大，膠囊內窺鏡更加接近于牽引磁場源邊界。

膠囊內窺鏡越靠近牽引磁場源邊界，磁場向量更加趨于水平。

膠囊內窺鏡所處的位置的胃壁與水平面夾角越大，其傾斜更加嚴重。

當牽引磁場源牽引膠囊朝同一方向連續運動時，當膠囊更加靠近胃壁的水平邊界時，三個因素同時顯現，并且互相助長。最終導致的結果是磁場向量與重力加速度向量的夾角越來越大。

所以，實際工程中可以設定一個磁場向量和重力加速度向量的夾角閥值。當膠囊測得的這個夾角大于閥值，即可判定膠囊已經移動到胃壁的相應邊界。

而后通過一系列的算法，得到膠囊與牽引磁場源之間的相對位置關系和牽引磁場源位于空間當中的位置、姿態，即可求出膠囊在空間中的位置。

如圖7a-b所示，通過上面的方法可以得到一系列膠囊位于空間中的點。由于這些點都是胃的邊界點，通過相應的插值和特征算法，可以勾畫出胃體的大致輪廓，

對已經測得的關鍵點進行篩選，那些不符合胃部生理構造的特異點，然后在這些關鍵點之間進行nurbs插值，使得相鄰的各點之間相互連接，而且開始點和結束點相互連接，形成一個閉合的范圍，使得這個面閉合的曲線，即是胃的大致輪廓。

如圖8所示，設置表示膠囊到達胃邊界的姿態向量與磁場向量之間角度的閥值，當傳感器測得的兩向量角度超過閥值時，將此時所求得的膠囊空間位置數據記錄下來，以供后面分析。

設姿態向量磁場向量兩向量之間夾角當θ大于一定預設角度時，判定此點已經是胃水平邊界。

根據此原理，對外部磁體的牽引路徑進行規劃，路徑實例為：

膠囊內窺鏡開始檢查處位于胃上端的中間穹頂位置。

磁體朝胃水平邊界1的方向拖動膠囊內窺鏡，直到膠囊到達胃水平邊界1的條件成立，記錄下該點位置。

磁體拖動膠囊朝胃下端方向移動一定距離。

磁體朝胃水平邊界2的方向拖動膠囊回到穹頂位置。

磁體往上步運動的方向繼續拖動膠囊，直到膠囊到達胃水平邊界2。

磁體拖動膠囊朝胃下端方向移動一定距離。

重復步驟2以下的過程直到膠囊將整個胃檢查完畢。

7-2表示胃水平邊界1的方向，7-1表示胃水平邊界2的方向。

上述運行軌跡的工作方法實現了更加高效的測量效率，而且根據膠囊在胃中的位置狀態來實現胃的輪廓刻畫，無需膠囊走回頭路，沿著胃壁一步順滑完成。

通過上面的方法可以得到一系列膠囊位于空間中的點。

本發明有益效果為：本申請提出的胃部輪廓檢測及模型生成方法，描述了一種安全、無副作用、成本低廉的胃部輪廓檢測軟硬件系統結構及方法，可以有效地填補膠囊內窺鏡領域相關的技術空白，而且具有很強的可實施性，對可控膠囊內窺鏡的查出率有很大的貢獻。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。