本发明涉及胶囊内窥镜技术领域，具体涉及一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法。
背景技术：
在胶囊内窥镜的人体体内定位技术中，通常采用磁定位或者是放射性同位素示踪的方法。其中磁定位方法是以永磁铁为激励源，用磁场传感器测量磁场，实现定位定向。即将一枚小圆柱型磁铁封装在胶囊内，将小磁铁近似看成磁偶极子，这枚圆柱型磁铁产生的磁场是其中心位置和南北极方向向量的函数，在偶极子周围布置磁场传感器，测量一些固定点的磁场，通过线性算法，非线性算法或线性与非线性算法结合的方法可求解胶囊的位置和镜头对准的方向。放射性同位素示踪的方法是指利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记。
随着医护工作者对胶囊定位效率要求的日益提高，上述两种方法的灵活性、安全性、准确性以及成本渐渐无法满足要求。同时随着毫米波和太赫兹技术的发展与普及，无线定位技术在胶囊内窥镜定位上的应用也变成了可能。然而对胶囊内窥镜定位是完全不同于传统的无线电定位的场合，人体不但有着复杂的体内电磁环境，而且可承受的电磁辐射强度也将受到严格的限制。因此我们有必要设计一种定位准确灵活而且安全性达标的胶囊内窥镜的体内定位方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其步骤如下：
(1)获取基带脉冲信号；
(2)使用体外收发阵列将基带脉冲信号形成窄波束，然后周期性向胶囊内窥镜方向发射电磁波信号，部分电磁波信号被反射回来而形成回波信号；
(3)接收回波信号并对其进行信号处理，通过多点回波信号的强弱及对消，对输出的信号进行检测，判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，则计算出胶囊内窥镜位置测量值，并且储存结果；
(4)获取胶囊内窥镜的位置信息，利用步骤(3)中储存的各个时刻胶囊内窥镜位置的测量值，形成胶囊内窥镜的运动点迹，进一步判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，输出胶囊内窥镜位置，并调整窄波束的方向，使窄波束中心对准步骤(3)计算的胶囊内窥镜位置所对应方位；若不存在，则进入步骤(2)。
进一步方案，所述基带脉冲信号满足：带宽为发射信号中心频率的十分之一。
进一步方案，所述体外收发阵列包括体外天线、馈电线，所述体外天线的一端通过介质层与人体皮肤连接、另一端与所述馈电线连接；位于体外天线和介质层的上端设有天线罩，所述馈电线的顶端贯穿天线罩位于天线罩的外部；所述介质层的电磁特性与人体皮肤的电磁特性相近。
人体是一个电磁场，有变化的电流、电压、电阻、阻抗、振动、频率、频谱、热量等电参数。本申请中的介质层的电磁特性与人体皮肤要一致或相近似，避免造成影响。
如果直接将天线与人体皮肤接触，不可避免地有空气缝隙，则电磁波从天线到人体的传导路径是：天线(金属)—空气(缝隙中)—人体皮肤，会导致电磁波从天线传出后，再经过空气后才到人体皮肤，在这期间产生了衰减。而本申请在天线与人体皮肤之间涂覆一介质层，则电磁波的传导路径为：天线—介质层—人体皮肤。由于该介质层的电磁特性与人体皮肤相似，电磁波在介质分界面上衰减越小，简单来说可以将电磁波传播等效成天线—人体皮肤，即消除了空气缝隙。
更进一步方案，具体所述介质层是由以下物质按质量百分比经搅拌混合制备而成：
其中弛豫剂加到试液中的，使被测核的弛豫时间缩短而又不产生明显的谱线位移和加宽的试剂。如：乙酰丙酮铬(cr(acac)3)、mn(acac)2、cu(acac)2、gd(acac)2。
表面活性剂为常规的硬脂酸，油酸、月桂酸、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。
介质层是并非本发明的保护点，本申请只要选用与人体皮肤的电磁特性相似的即可，本发明举例为：介质层是由弛豫剂、cacl2、黄原胶、棕榈酸异丙酯、表面活性剂和水混合而成的水包油乳液，使用时，将其涂覆在人体皮肤的表面形成一层薄液层，从而消除了空气缝隙，提高了电磁波传播效果。
进一步方案，所述窄波束是由两路电磁波正交信号叠加而成的，其中一路电磁波正交信号的载波频点位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线低回波损耗的频段；另一路电磁波正交信号的载波频点位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线高回波损耗的频段；
所述电磁波的波长为毫米波或太赫兹。
进一步方案，步骤(3)中信号处理是指，将回波信号根据发射的载波频率分别解调至基带，将连续若干个基带脉冲信号作为一个处理周期的输入信号；将一个处理周期内的基带数据的一部分作为人体内组织产生的背景干扰信号，另一部分作为背景干扰和胶囊内窥镜回波的叠加信号；然后将这两部分信号进行对消，再将多个处理周期的基带脉冲信号输出并进行相干积累，然后再处理后得到用于恒虚警检测的检测信号。
一个处理周期的脉冲数约为1000～2000个，具体数量受设备计算能力限制，在胶囊移动的毫米级距离内需计算处理完成。
更进一步方案，所述恒虚警检测是指在每个信号处理周期中，预先测量信号中背景干扰的功率，结合事先设定的虚警率以及信噪比，自适应地计算出检测胶囊内窥镜所需的门限并动态地做出对应调整；将此门限与用于恒虚警检测的检测信号相比；如检测信号超过了此门限，则判为窄波束范围内有胶囊内窥镜，否则，判为无。
优选方案，所述再处理包括匹配滤波、接收波束形成；
所述背景干扰信号包括以窄波束的载波频点fx输出的基带信号；所述叠加信号包括以窄波束的载波频点fy输出的基带信号。
进一步方案，步骤(3)中所述的计算出胶囊内窥镜位置的测量值，是指根据胶囊内窥镜所在检测单元的距离窗和方位窗，得出胶囊内窥镜位置的测量值；其中距离窗是根据回波时间来计算的距离，方位窗是根据波束形成权矢量逆推出的方位。
进一步方案，步骤(4)中所述的获取胶囊内窥镜的位置信息，是指由胶囊内窥镜中的天线发出的含有自主定位位置信息的定位信号，经过解调器解调后得到的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用“无线—惯导”混合定位技术，为了提高定位精度与能量使用效率，提出了在人体皮肤表面铺设天线阵列的方案，使其适应人体复杂的体内电磁环境和可承受的电磁辐射强度。
为了自适应地解决由于人体体内的复杂电磁环境而产生的背景干扰信号，本申请利用自适应对消法抑制回波信号中人体组织的回波信号和背景干扰信号；为了实时地获取人体组织回波的背景干扰信号，本申请把窄波束中一路发射信号载频的频点设计在胶囊内窥镜中天线通带的频段内,该频段内的回波损耗低，因此能够实时获取只含有人体组织回波的背景干扰信号；以及同时含有胶囊内窥镜回波和背景干扰的待处理信号；
为了使系统实物的体积符合吞服要求，胶囊内窥镜应用了微系统集成工艺集成，使其体积小。
本发明的胶囊体内定位方法灵活性高，可以很好地适应患者姿态体位的变化，准确性强，危害性小，电磁辐射能量低于正常标准。
本发明采用了无线电定位与惯性定位相结合的混合定位技术。提出利用对消法抑制回波信号中人体组织回波的背景干扰的方案。实现自适应的人体杂波对消处理。该定位方法不但能够应对人体内复杂的电磁环境，而且可以降低发射功率，减少电波对人体的损害，最终精确有效且灵活地测算人体内胶囊内窥镜的位置。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的胶囊内窥镜天线回波损耗|s11|—频率f关系图；
图3是本发明的体外天线结构示意图。
图中：1-天线罩，2-体外天线，3-馈电线，4-介质层，5-人体皮肤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，如图1所示，其步骤如下：
(1)获取基带脉冲信号；其中基带脉冲信号满足带宽为发射信号中心频率的十分之一；
(2)使用体外收发阵列将基带脉冲信号形成窄波束，然后周期性向胶囊内窥镜方向发射电磁波信号，部分电磁波信号被反射回来而形成回波信号；
其中所述窄波束是由两路电磁波正交信号x、y叠加而成的，其中一路电磁波正交信号的载波频点fx位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线低回波损耗的频段；另一路电磁波正交信号的载波频点fy位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线高回波损耗的频段；
所述电磁波的波长为毫米波或太赫兹。
(3)接收回波信号并对其进行信号处理，通过多点回波信号的强弱及对消后再输出，对该输出信号进行检测，判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，则根据胶囊内窥镜所在检测单元的距离窗和方位窗，得出胶囊内窥镜位置的测量值，并且储存结果；其中距离窗是根据回波时间来计算的距离，即先测量出该检测单元的输出信号相对于其发射基带脉冲信号时间的延迟时间δt，然后根据
方位窗是根据窄波束形成权矢量逆推出的方位，该窄波束形成权矢量是在初始化系统时，输入所需的方位即为其方位窗对应的测量方位。具体是：电磁波信号以入射角度
信号处理是指，将回波信号根据发射的载波频率分别解调至基带，将连续若干个基带脉冲信号作为一个处理周期的输入信号，将一个处理周期内的基带数据的一部分作为人体内组织产生的背景干扰信号，另一部分作为背景干扰和胶囊内窥镜回波的叠加信号；然后将这两部分信号进行对消，再将多个处理周期的基带脉冲信号输出并进行相干积累，然后经匹配滤波、接收波束形成等再处理后得到用于恒虚警检测的检测信号。
一个处理周期的脉冲数约为1000～2000个，具体数量受设备计算能力限制，在胶囊移动的毫米级距离内需计算处理完成。
其中所述恒虚警检测是指在每个信号处理周期中，预先测量信号中背景干扰的功率，结合事先设定的虚警率以及信噪比，自适应地计算出检测胶囊内窥镜所需的门限并动态地做出对应调整；将此门限与用于恒虚警检测的检测信号相比；如检测信号超过了此门限，则判为窄波束范围内有胶囊内窥镜，否则，判为无。
所述背景干扰信号包括以窄波束的载波频点fx输出的基带信号；所述叠加信号包括以窄波束的载波fy输出的基带信号。
(4)由胶囊内窥镜中的天线发出的含有自主定位位置信息的定位信号，经过解调器解调后，获取胶囊内窥镜的位置信息，利用步骤(3)中储存的各个时刻胶囊内窥镜位置的测量值，形成胶囊内窥镜的运动点迹，进一步判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，输出胶囊内窥镜位置，并调整窄波束的方向，使窄波束中心对准步骤(3)计算的胶囊内窥镜位置所对应方位；若不存在，则进入步骤(2)。
如图3所示，体外收发阵列包括体外天线2、馈电线3，所述体外天线2的一端通过介质层4与人体皮肤5连接、另一端与所述馈电线3连接；位于体外天线2和介质层4的上端设有天线罩1，所述馈电线3的顶端贯穿天线罩1位于天线罩1的外部；所述介质层的电磁特性与人体皮肤的电磁特性相似。
人体是一个电磁场，有变化的电流、电压、电阻、阻抗、振动、频率、频谱、热量等电参数。本申请中的介质层的电磁特性与人体皮肤要一致，避免造成影响。
如果直接将天线与人体皮肤接触，不可避免地有空气缝隙，则电磁波从天线到人体的传导路径是：天线(金属)—空气(缝隙中)—人体皮肤，会导致电磁波从天线传出后，再经过空气后才到人体皮肤，在这期间产生了衰减。而本申请在天线与人体皮肤之间涂覆一介质层，则电磁波的传导路径为：天线—介质层—人体皮肤。由于该介质层的电磁特性与人体皮肤相似，电磁波在介质分界面上衰减越小，简单来说可以将电磁波传播等效成天线—人体皮肤，即消除了空气缝隙。
本发明举例为：介质层是由弛豫剂、cacl2、黄原胶、棕榈酸异丙酯、表面活性剂和水混合而成的水包油乳液，使用时，将其涂覆在人体皮肤的表面形成一层薄液层，从而消除了空气缝隙，提高了电磁波传播效果。
具体为：介质层是由以下物质按质量百分比经搅拌混合制备而成：
将上述各组分按配比进行搅拌混合得介质层浆料，然后将其涂覆在人体皮肤的表面形成一层薄液层，即为介质层。从而消除了空气缝隙，提高了电磁波传播效果。
在本实例中，信号发生器产生脉宽为1-2ns、重复周期1us左右的窄脉冲作为基带脉冲信号，同时对体外收发阵列进行校准，将待使用的波束形成权矢量进行预先储存。体外收发阵列将基带脉冲信号形成窄波束，发射电磁波信号，并周期性扫描人体腹部的人体皮肤。
其中，窄波束通过数字波束形成得到，是由两路正交信号叠加而成，其中一路信号的载波频点fx位于胶囊内窥镜中内窥镜天线通带的频段，回波损耗低，记为信号x；另一路信号的载波频点fy位于胶囊内窥镜中天线阻带的频段，回波损耗高，记为信号y。则单路基带信号在信号收发模块中被调制到两路不同的射频频点fx与fy，之后从通过体外收发阵列发射出去。
如图2所示，由于反映反射(吸收)电磁波的能力的人体皮肤5的回波损耗参数|s11|随频率的变化相对缓慢，可以认为在其他条件相同时，信号x、y在人体组织回波的功率相近；而胶囊内窥镜中的内窥镜天线在该参数方面的频带特性比人体皮肤变化大得多，因此内窥镜天线在fy频率的回波损耗比fx大得多。意味着内窥镜天线作为反射面反射的回波信号中，信号x的回波功率不仅小于信号y，而且两者的差距比人体组织回波的情况要大得多，因此利用对消来提高信杂比并抑制源于人体组织回波的背景干扰信号是可行的。而当内窥镜天线与胶囊外壳共形时，其效果将更为明显。
体外天线接收反射的回波信号，将回波信号根据发射的载波频率分别解调至基带，将一部分通道的基带数据作为人体内组织产生的背景干扰信号，记为c，其中包括以解调频率fx解调输出的基带信号；将另一部分通道的基带数据作为背景干扰和胶囊内窥镜回波的叠加信号，记为d，其中包括以解调频率fy解调输出的基带信号；在本实例中，c只包括以解调频率fx解调输出的基带信号；d只包括以解调频率fy解调输出的基带信号。利用低通滤波器抑制高频干扰之后，可认为两路信号中的主要成分分别为源于人体组织回波的背景干扰信号c和含有全部回波成分的待检测信号。为了取得更好的处理效果，在对消处理前对两路信号进行预处理，包括接收波束形成、匹配滤波和相干积累。输入信号c与信号d作差得到输出信号e(c-d＝e)。然后利用输出信号e判断胶囊内窥镜是否存在，若存在，计算出胶囊内窥镜位置的测量值。在本实例中使用cfar(恒虚警检测)自适应计算判决门限，好处在于检测的虚警率随干扰的变化不会有较大波动，之后利用该判决门限初步判决胶囊内窥镜是否存在于窄波束内，即超过判决门限的则初步判断目标存在，即胶囊内窥镜在窄波束范围内。
最后将胶囊内窥镜的内窥镜天线发出的含有自主定位位置信息的定位信号，将上述检测并储存的各个时刻胶囊内窥镜位置的测量值形成胶囊内窥镜的运动点迹；再根据胶囊内窥镜的定位信号与该运动点迹进行比对，如有重合，则判断窄波束内存在胶囊内窥镜，输出胶囊内窥镜位置，之后调整体外收发阵列的窄波束，使窄波束中心对准计算结果对应方位；若不重合，则判断窄波束内不存在胶囊内窥镜不存在，需继续进行扫描。
本申请中的胶囊内窥镜是现有的，其采用微系统sip集成工艺，实现上述无线定位，且体积小，便于人吞服。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
1.一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于：步骤如下：
(1)获取基带脉冲信号；
(2)使用体外收发阵列将基带脉冲信号形成窄波束，然后周期性向胶囊内窥镜方向发射电磁波信号，部分电磁波信号被反射回来而形成回波信号；
(3)接收回波信号并对其进行信号处理，通过多点回波信号的强弱及对消，对输出的信号进行检测，判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，则计算出胶囊内窥镜位置的测量值，并且储存结果；
(4)获取胶囊内窥镜的位置信息，利用步骤(3)中储存的各个时刻胶囊内窥镜位置的测量值，形成胶囊内窥镜的运动点迹，进一步判断胶囊内窥镜是否在窄波束范围内；如在，输出胶囊内窥镜位置，并调整窄波束的方向，使窄波束中心对准步骤(3)计算的胶囊内窥镜位置所对应方位；若不存在，则进入步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，所述基带脉冲信号满足：带宽为发射信号中心频率的十分之一。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，所述体外收发阵列包括体外天线(2)、馈电线(3)，所述体外天线(2)的一端通过介质层(4)与人体皮肤连接、另一端与所述馈电线(3)连接；位于体外天线(2)和介质层(4)的上端设有天线罩(1)，所述馈电线(3)的顶端贯穿天线罩(1)位于天线罩(1)的外部；所述介质层的电磁特性与人体皮肤的电磁特性相近。
4.根据权利要求3所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，所述介质层是由以下物质按质量百分比经搅拌混合制备而成：
5.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，所述窄波束是由两路电磁波正交信号叠加而成的，其中一路电磁波正交信号的载波频点位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线低回波损耗的频段；另一路电磁波正交信号的载波频点位于胶囊内窥镜中的内窥镜天线高回波损耗的频段；
所述电磁波的波长为毫米波或太赫兹。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，步骤(3)中信号处理是指，将回波信号根据发射的载波频率分别解调至基带，将连续若干个基带脉冲信号作为一个处理周期的输入信号；将一个处理周期内的基带数据的一部分作为人体内组织产生的背景干扰信号，另一部分作为背景干扰和胶囊内窥镜回波的叠加信号；然后将这两部分信号进行对消，再将多个处理周期的基带脉冲信号输出并进行相干积累，然后再处理后得到用于恒虚警检测的检测信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，所述恒虚警检测是指在每个信号处理周期中，预先测量信号中背景干扰的功率，结合事先设定的虚警率以及信噪比，自适应地计算出检测胶囊内窥镜所需的门限并动态地做出对应调整；将此门限与用于恒虚警检测的检测信号相比；如检测信号超过了此门限，则判为窄波束范围内有胶囊内窥镜，否则，判为无。
8.根据权利要求6所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，
所述再处理包括匹配滤波、接收波束形成；
所述背景干扰信号包括以窄波束的载波频点fx输出的基带信号；所述叠加信号包括以窄波束的载波频点fy输出的基带信号。
9.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，步骤(3)中所述的计算出胶囊内窥镜位置的测量值，是指根据胶囊内窥镜所在检测单元的距离窗和方位窗，得出胶囊内窥镜位置的测量值；其中距离窗是根据回波时间来计算的距离，方位窗是根据波束形成权矢量逆推出的方位。
10.根据权利要求1所述的一种基于混合定位的胶囊内窥镜无线定位方法，其特征在于，步骤(4)中所述的获取胶囊内窥镜的位置信息，是指由胶囊内窥镜中的天线发出的含有自主定位位置信息的定位信号，经过解调器解调后得到的。
技术总结