胃肠道内微系统的跟踪定位方法 【技术领域】
本发明涉及的是一种电子通信技术领域的方法，具体是一种胃肠道内微系统的跟踪定位方法。
背景技术
随着微电子技术、MFMS(微电子机械系统)技术、机器人技术、无线通信等技术的发展，胃肠道内微系统由于进入人体各种腔道具有无创伤、操作简便等优点，已成为现代医疗器械的研究热点与发展方向。然而在医疗应用中，医生们在使用胃肠道内微系统时，往往需要知道这些诊疗仪器在病人体内的确切位置，然而这往往不能通过直接的方法得到，因此胃肠道内微系统的无创跟踪定位是这些微型介入式医疗器械应用中需解决的关键技术之一。
由于胃肠道内微系统都是基于无线方式向体外发送采集到PH值，压力，温度等生理参数以及图像信息，因此可以根据射频信号强度的变化去跟踪胃肠道内微系统的在体内运动的轨迹，即基于RSSI(接收的射频信号强度指示)的跟踪定位，这种方法不用增加胃肠道内微系统硬件上的结构，对人体伤害较小，因此有较强的实用性与操作性。
目前对这种方法进行的研究多采用在无线传感器网络中的目标定位上有着广泛应用的三边定位法，这种方法的前提基于测距，即通过固定节点，接收来自移动且携带有射频信号的节点发射出来能代表距离或方位的具体物理量的信息来确定移动节点的位置，因此对胃肠道内微系统采用基于射频信号强度的三边定位法，确定其三维位置，很关键的一步，就是要将接收到的反应接收射频功率的射频信号强度转化为距离信息，这就要精确建立射频信号在人体传播的衰减模型，对距离与接收射频的功率建立明确的关系。
现在技术上存在的问题是：人体是一个复杂的环境，人体的胃肠道系统，由胃、小肠和大肠等多个组织器官构成，而人体各个组织器官对于射频信号的介电常数以及传导性都各不相同，导致射频信号在人体组织的各个部位传播，会存在差异性，就算同一个组织器官，也可能存在多路径的干扰，而且胃肠道内微系统在人体消化道内随着时间的推移不断的滑动，因此，很难精确的对人体的整个胃肠道建立相应的射频衰减模型，这就导致应用三边定位法进行跟踪定位的误差比较大。
经对现有文献检索发现，Arshak.K和Adepo ju.F于2007年发表的“AModel for Estimating the Real-Time Positions of a moving Object inWireless Telemetry Applications using RF Sensors.Sensors ApplicationsSymposium(一种利用射频传感器阵列对无线遥测系统进行实时定位的方法模型)”一文中，对人体的整个胃肠道采用了一个简单的静态射频衰减模型，设置了四个射频接收节点，但是没有考虑人体胃肠道各个区域的差异性，使得定位系统的可靠性和定位与跟踪的精度比较低。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足和缺陷，提出一种胃肠道内微系统的跟踪定位方法。本发明通过将三边定位法和区域分析法相结合，建立了一种动态的胃肠道射频衰减模型，提高了定位系统的可靠性和定位与跟踪的精度。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：
第一步，按照人体胃肠道的组成，将腹部划分为若干个区域，并在每个区域设置四个射频接收模块，在人体上建立基准参考坐标系，分别记录下每个区域中四个射频接收模块的坐标、四个射频接收模块间的距离和同一时间段内四个射频接收模块接收到的射频信号强度值。
所述的基准参考坐标系是以人体肚脐为坐标原点、垂直于体表且指向体内的方向为z轴正方向、平行于脊柱且指向头部的方向为x轴正方向、垂直于脊柱且平行于体表且指向左手的方向为y轴正方向。
第二步，对每个区域中四个射频接收模块在同一时间段内得到的接收射频信号强度值通过粗大误差处理、均值滤波和功率转化得到以dBm为单位地有效接收功率。
第三步，对每个区域建立射频衰减模型，具体为：
P′＝A-10nLog10(d)+S (公式一)
其中：P′表示射频接收模块接收到的以dBm为单位的有效接收功率，A是在该区域内射频接收模块距胃肠道内微系统1米时接收到的以dBm为单位的有效接收功率，n是衰减系数，d是射频接收模块和胃肠道内微系统间的距离，S是以dBm为单位的误差功率。
所述的A、n和S都是通过体外实验来模拟人体环境，由获取的大量数据拟合得到。
第四步，利用每个区域的射频衰减模型与该区域内四个射频接收模块的有效接收功率，分别计算得到每个区域内的每个射频接收模块到胃肠道内微系统之间的距离。
第五步，在每个区域中，采用三边定位法，利用已知的四个射频接收模块的坐标及其相互间的距离和各射频接收模块与胃肠道内微系统之间的距离计算出由每个区域内四个射频接收模块为参考节点的胃肠道内微系统的位置坐标。
第六步，根据每个区域内四个射频接收模块的有效接收功率计算出每个区域的权重系数。
所述的区域权重系数是该区域内的有效接收功率与每个区域内的有效接收功率之和的比值。
第七步，将每个区域计算出的胃肠道内微系统的位置坐标与对应区域的权重系数加权求和，得到该时间段内胃肠道内微系统的准确位置坐标。
第八步，在不同时间段，依次重复上述七个步骤，得到不同时间段内的胃肠道内微系统的准确位置坐标，进而绘制胃肠道内微系统在人体胃肠道内的运动轨迹图。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：在人体腹部分区域的放置射频接收模块阵列，避免了由于某个射频接收模块或者某个区域的射频接收模块接收较差的射频信号而带来的影响，提高了系统的定位可靠性；通过考虑人体胃肠道各个区域的有效接收功率的强弱不同，赋予各个区域不同的权重系数，反应了胃肠道内微系统在人体胃肠道内滑动的信息，提高了定位与跟踪的精度。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的方法进一步描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例中实验对象人体吞食的胃肠道内微系统是胶囊内窥镜，将胃肠道分为四个区域，分别是胃区域、小肠区域、结肠区域和大肠区域，在实验对象人体的腹部相应的四个位置分别放置四个射频接收模块，射频接收模块将得到的信息传给佩戴在实验对象人体腰部位置的便携式数据采集与存储装置。实验结束后，将便携式数据采集与存储装置中的信息传给计算机，计算机通过分析计算得出胶囊内窥镜在实验对象人体内的运动轨迹图。
所述的射频接收模块包括CC1100通信芯片，可以直接从该芯片的寄存器中获取射频接收模块接收到的射频信号强度。
下面具体说明本实施例的跟踪定位过程：
第一步，以人体肚脐为坐标原点、垂直于体表且指向体内的方向为z轴正方向、平行于脊柱且指向头部的方向为x轴正方向、垂直于脊柱且平行于体表且指向左手的方向为y轴正方向建立基准参考坐标系，分别记录下每个区域中四个射频接收模块的坐标、四个射频接收模块间的距离和同一时间段内四个射频接收模块接收到的射频信号强度。
以胃区域为例，设放置在胃区域的四个射频接收模块分别是R1模块、R2模块、R3模块和R4模块，R1模块的坐标是(x1，y1，z1)，R2模块的坐标是(x2，y2，z2)，R3模块的坐标是(x3，y3，z3)，R4模块的坐标是(x4，y4，z4)，R1模块到R2模块的距离是r12，R1模块到R3模块的距离是r13，R1模块到R4模块的距离是r14，R2模块到R3模块的距离是r23，R2模块到R4模块的距离是r24，R3模块到R4模块的距离是r34，R1模块的接收射频信号强度是P1，R2模块的接收射频信号强度是P2，R3模块的接收射频信号强度是P3，R4模块的接收射频信号强度是P4。
第二步，对每个区域中四个射频接收模块在同一时间段内接收到的射频信号强度值通过粗大误差处理、均值滤波和功率转化得到以dBm为单位的有效接收功率。
射频信号在介质中传播的过程中，会存在多路效应，而且容易受外界干扰，影响到接收到的射频强度值的稳定性，尤其是胶囊内窥镜在人体消化道的滑动有一段停滞效应，在较小的时间段内，位置基本没有变化，但是接收到的射频信号强度值，可能存在较大的扰动，因此有必要通过粗大误差处理和均值滤波，得到稳定有效的射频信号强度，同时由于射频模块采用CC1100射频芯片获取的RSSI值，只是一个二进制数值，所以有必要通过相应的功率转化公式，转化为以dBm为单位的有效功率值，更利于后面的处理分析。
以胃区域为例，在较小时间段内获取的接收信号强度P1、P2、P3和P4分别经过粗大误差处理、均值滤波和功率转化得到的有效接收功率是P1′、P2′、P3′和P4′。
第三步，对每个区域建立射频衰减模型，具体模型公式为：
P′＝A-10nLog10(d)+S (公式一)
其中：P′表示射频接收模块接收到的以dBm为单位的有效接收功率，A是射频接收模块在距胶囊内窥镜1米时接收到的以dBm为单位的有效接收功率，n是射频接收模块所在区域的衰减系数，d是射频接收模块和胶囊内窥镜间的距离，S是以dBm为单位的有效误差功率。
所述的n、A和S均由不同的区域环境决定，不同区域的n、A和S不同，同样区域的n、A和S相同，故可以通过选用介电常数和传导性与该区域环境一致的溶液环境或者采用离体的器官作为试验对象，获取大量试验数据，拟合以上参数。
以胃区域为例，以离体的动物胃为试验对象，将胶囊内窥镜放入其中，控制胶囊内窥镜与外部的射频接收模块的距离，得到不同距离下射频接收模块的有效接收功率，采用线性拟合的方法得到胃区域的射频衰减模型。
第四步，利用每个区域的射频衰减模型，计算得到每个区域内的每个射频接收模块到胶囊内窥镜之间的距离。
以胃区域为例，将第三步得到的该区域内四个射频接收模块接收到的有效功率值代入公式一中，计算得到：R1模块到胶囊内窥镜的距离是r1，R2模块到胶囊内窥镜的距离是r2，R3模块到胶囊内窥镜的距离是r3，R4模块到胶囊内窥镜的距离是r4。
第五步，在每个区域中，采用三边定位法，利用已知的四个射频接收模块的坐标及其相互间的距离和各射频接收模块与胶囊内窥镜之间的距离计算出由该个区域内四个射频接收模块为参考节点得到的胶囊内窥镜的位置坐标。
以胃区域为例，设胶囊内窥镜由胃区域内四个射频接收模块为参考节点计算得到是位置坐标是(x，y，z)，则：
(x-x1)(x2-x1)+(y-y1)(y2-y1)+(z-z1)(z2-z1)=1/2(r12-r22+r122)(x-x1)(x3-x1)+(y-y1)(y3-y1)+(z-z1)(z3-z1)=1/2(r12-r32+r132)(x-x1)(x4-x1)+(y-y1)(y4-y1)+(z-z1)(z4-y1)=1/2(r12-r42+r142)]]>(公式二)
其中：r12＝(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2，r22＝(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2，r32＝(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2，r42＝(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2。
由公式二可以求解出x、y、z的数值，即得到了胶囊内窥镜由胃区域内四个射频接收模块为参考节点计算得到是位置坐标是(x，y，z)。
同理可得：到胶囊内窥镜由小肠区域内四个射频接收模块为参考节点计算得到的位置坐标(x′，y′，z′)，胶囊内窥镜由结肠区域内四个射频接收模块为参考节点计算得到的位置坐标(x″，y″，z″)和胶囊内窥镜由大肠区域内四个射频接收模块为参考节点计算得到的位置坐标(x″′，y″′，z″′)。
第六步，根据每个区域内四个射频接收模块的有效接收功率计算出每个区域的权重系数。
所述的权重系数是该区域内的有效接收功率与每个区域内的有效接收功率之和的比值。
设胃区域的有效接收功率是P胃，小肠区域的有效接收功率是P小肠，结肠区域的有效接收功率是P结肠，大肠区域到的有效接收功率是P大肠，则：
胃区域的权重系数W胃＝P胃/(P胃+P小肠+P结肠+P大肠)，
小肠区域的权重系数W小肠＝P小肠/(P胃+P小肠+P结肠+P大肠)，
结肠区域的权重系数W结肠＝P结肠/(P胃+P小肠+P结肠+P大肠)，
大肠区域的权重系数W大肠＝P大肠/(P胃+P小肠+P结肠+P大肠)。
第七步，将胶囊内窥镜由每个区域内四个射频接收模块为参考节点计算出来的位置坐标与对应区域的权重系数加权求和，得到此时间内胶囊内窥镜的准确位置坐标(X，Y，Z)，即X＝x*W胃+x′*W 小肠+x″*W结肠+x″′*W大肠，Y＝y*W胃+y′*W小肠+y″*W结肠+y″′*W大肠，Z＝z*W 胃+z′*W小肠+z″*W结肠+z″′*W大肠。
第八步，在不同时间段，依次重复上述七个步骤，得到不同时间段内的胶囊内窥镜的准确位置坐标，由得到的胶囊内窥镜的准确位置坐标绘制胶囊内窥镜在实验对象人体内的运动轨迹图。
本实施例通过将实验对象人体的胃肠道分为四个区域，对每个区域都放置四个射频接收模块，避免了由于某个射频接收模块或者某个区域的射频接收模块接收较差的射频信号而带来的影响，提高了系统的定位可靠性；通过考虑四个区域的有效接收功率强弱，赋予各个区域不同的权重系数，反映了胶囊内窥镜在人体胃肠道内滑动的信息，提高了定位与跟踪的精度。