一种胃肠动力检测系统和方法与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种消化道检测胶囊和系统。


背景技术：

2.消化道动力和人体生理病理有着密切的关系。现有技术消化道动力的检测手段主要基于放射性标记物的追踪，如美国专利申请号15881671所披露。由于放射性检查对生物体是有损的，消化道动力的基础研究和临床应用亟需活体的无损检测方案。光、声、磁是常用的无损检测手段。3d摄像头以及带有磁定位的消化道视频胶囊机器人已经得到商业性应用，为本发明的方案提供了良好的技术可行性。胶囊机器人可以包括传感器、控制器和智能处理器。传感器以及至少部分控制器通常位于胶囊内，智能处理器通常位于体外的控制终端里，所述传感器、控制器和智能处理器通常由有线或无线通信链路连接。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种用于消化道检测的3d超声胶囊，所述胶囊采用多个构成球面状的超声测距探头阵列的反向超声测距探头对获取消化道内壁的深度图，所述胶囊含有磁体用于定位胶囊的位姿，通过磁控设备驱动在消化道定点采集消化道内壁的深度数据。
4.本发明提供了一种消化道动力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取消化道内壁的深度数据，和/或获取消化道内壁表面的曲面数据；提取消化道的形态特征，所述形态特征包括消化道的曲率、内径和容积的一项或多项。
5.本发明还提供了另一种消化道动力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取带有磁体的胶囊在消化道动力作用下的第一位置和运动数据；通过磁控设备产生的磁场强度，对所述胶囊的运动产生干预磁力，并且获取所述胶囊在胃肠动力和所述干预磁力的作用下的第二位置和运动数据；根据所述第一和第二位置和运动数据和所述干预磁力估计胃肠动力。
6.本发明提供了一种基于消化道胶囊的消化道动力检测系统，包括数据采集模块、数据处理模块、胶囊。所述数据采集模块和所述数据处理模块由有线或无线通信链路连接；所述数据采集模块被设置于所述胶囊内，包括超声测距装置或3d摄像头，用于获取消化道内壁的深度数据；所述数据处理模块用于对所述深度数据进行处理，得到消化道内壁表面的曲面数据；进一步提取形态特征，包括消化道的曲率、内径和容积，作为消化道动力评估的一个参照。
7.本发明提供了另一种消化道动力检测系统，包括：控制模块、磁驱动模块、磁定位模块、胶囊；所述控制模块、磁驱动模块、磁定位模块由通讯链路连接；所述胶囊带有磁体，所述磁体包括定位磁体和驱动磁体，所述定位磁体产生磁场信号，由所述磁定位模块检测，并获取所述胶囊在消化道中相对于一个体外的坐标系的位置和运动数据；所述磁驱动模块产生驱动磁场，所述驱动磁场作用于所述胶囊的驱动磁体产生驱动磁力驱动胶囊在消化道
中运动；所述控制模块通过磁定位模块获取所述胶囊在胃肠动力作用下的第一位置和运动数据；获取所述胶囊在胃肠动力和驱动磁力共同作用下产生的第二位置和运动数据；根据所述第一、第二位置和运动数据和所述驱动磁力估计胃肠动力。
8.消化道动力一般指在消化道肌肉的作用下，消化道收缩、舒张、蠕动的力量和频率，其作用是使食物产生运动和被传输，以便于被消化吸收和排空。消化道形态特征和消化道动力的关系，从直观看来，在消化道肌肉的作用下，消化道蠕动首先产生形变，包括消化道曲率的变化，和消化道的内径的变化；所述形变再将消化道肌肉的作用力传递给消化道内容物如食糜，使消化道内容物产生运动。其次，消化道和人体大多数其它组织一样，可以具有弹性的特性。熟知弹性物体的受力和该物体在受力作用下产生的形变成正比。因此，消化道内壁的形态的变化大小和消化道动力的大小有密切的相关性。另一方面，消化道蠕动的生理和病理在形态上也有显著的差别。比如当发生狭窄、扩张或梗阻时，正常的收缩和舒张的节律就会改变。对不同部位的消化道关注点的形态特征的数据和所述形态特征的变化的数据以及所述变化的频率的数据进行统计分析，就可以得到不同部位的消化道关注点的形态及动力的模型，作为评估消化道动力的一个参照。和曲率、内径一样，消化道形态特征还包括不同部位的消化道内腔容积在蠕动时的变化的数据，容积的变化反映了消化道蠕动力产生的排空量，和消化道肌肉所做的功，产生的能相关。
9.本发明提出的上述消化道动力参数，可以优选的通过先获取消化道内壁的深度图或点云，得到消化道内壁表面的曲面的数据；再提取形态特征。具体的，可以优选的将超声测距装置设置在胶囊中，胶囊在进入体内后，启动超声测距装置，获取胶囊到消化道内壁表面的距离，所述检测装置超声也可以采集从胶囊到消化道内壁多层组织结构的距离。超声测距主要使用的是时间差测距法。超声发射器发射定向超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波接收器在接收到反射波后停止计时。设超声波在介质中的传播速度v，计时器记录的发射和返回波的时间差 t，发射点到反射点的距离s，其表达公式为：s = v
ꢀ×
t / 2设胶囊为一个球体，其球心位于消化道内任意一点，过所述任意一点沿任意一个方向到消化道的内壁上的一点的距离，与过该点沿反方向到消化道另一侧的内壁上的一点的距离之和，在本发明中定义为消化道的一个方向腔径。所述一个方向腔径是超声测距装置对消化道内壁的几何尺寸的一次度量，也包含了消化道内壁的深度图的一对采样点。且胶囊过任意一点的方向腔径可以有多个。采样的方向间隔决定了深度图或点云，以及最终得到的消化道内壁的曲面的空间分辨率，符合奈奎斯特定律的关系。可以优选的将多个超声测距探头设置在胶囊内，构成包括机械、电路和控制软件的球面状定向分布的超声测距探头阵列平台，用于获取多方位的深度图或点云的数据，显然，探头阵列越密集，采样点就越多，相应的成本和电路的功耗也越高。或者可以在稀疏探头阵列的平台上设置平台机械旋转装置，控制软件在一次采样以后，操控平台旋转一个角度，再进行下一次采样。所述平台在实现一次度量的时，可以具有如下特征，第一，所有的探头位于一个球面上。第二，任意一个探头对的两个探头的测距方向相反，且所述两个探头的测距方向的连线过球心；第三，任意一个探头对两个探头的测距是同时的，或有间间隔的，其中，由时间间隔产生的附加测量误差小于单个探头的测量误差。
10.由于胶囊一直随着消化道蠕动而运动。可以对多次采样得到的深度图或点云数据
进行匹配、注册和融合。除了超声测距装置外，还可以采用基于红外或可见光传感器的3d摄像头获取全景深度图或点云。
11.胶囊随着消化道的蠕动在消化道中的运动是被动的，随机的，最终被排出体外。本发明的一个优选的实施，可以采用磁控设备产生磁场驱动带有磁体的胶囊在消化道中运动到，或滞留在一个或多个关注部位，实现定点检测。本发明的另一个优选的实施，是胶囊的工作可以是间隙的，用于减小胶囊电池的功耗。
12.附图说明：图1是胃部蠕动的示意图。
13.图2是超声胶囊的一个实施例。
14.具体实现方案：以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，用于解释本发明，并不限定本发明。
15.图1是胃部蠕动的示意图。展示了胃壁形态在蠕动中的显著变化。图2是超声胶囊的一个实施例。当胶囊球体进入受检者体内后可以先到达pa的位置。位于胶囊外侧的一个传感器沿以pa为坐标原点的球面坐标系的任意一个方向(θ，φ)获取到胃壁上一点的距离由|a210，a21|表示；同时，位于胶囊对侧的另一个传感器沿所述任意一个方向的反方向(
‑
θ，
‑
φ)获取到胃壁上一点另一点的距离由|a200，a20|表示。距离|a210，a21| |a200，a20| |a200，a210|就是过点pa的一个腔径 d。其中a200 和a210 分别是两个反向超声探头对的坐标。坐标（θ，φ，|a210，a21| 1/2*|a200，a210|）和（
‑
θ，
‑
φ，|a200，a20| 1/2*|a200，a210|）就是以胶囊位于 pa点得到的超声深度图的一对数据。胶囊在pa点采集到的胃壁的所有点的深度数据的集合，就是在点pa的深度图。可以将不同点包括比如pb, pc
ꢀ……
得到的深度图进行匹配融合成一个深度图，再将深度图转变成点云，也可以将每一个深度图转换成点云，再对点云进行匹配和融合。深度图和点云的融合，可以优选的参照胶囊的位姿包括位置和朝向的定位数据。胶囊可以设有局部坐标系，来管理胶囊内各个部件的结构关系。对胶囊的定位，可以优选的采用一个胶囊外部的定位装置，所述装置检测胶囊的定位信号，将胶囊的位置和朝向定位在一个外部的坐标系中。所述一个外部的坐标系，可以是任意的，但通常在胶囊的工作环境下是不变的。本发明优选的采用磁定位系统。磁定位的实现，可以在胶囊内设置有磁体或磁传感器；所述磁体由设置于消化道外的磁传感器接收所述磁体产生的磁场信号，获取所述胶囊的位姿数据；或者所述磁传感器接受设置于消化道外的磁体的磁场信号，获取所述胶囊的位姿数据。胶囊的位姿定位，不仅用于数据的融合，得到消化道的全景，还可以用于获取体内消化道部位相对于体表的位置，比如检测胶囊处于幽门处的位置，作为对胃下垂的一个检测手段。
16.点云可以看成是消化道内壁曲面的一个采样。稀疏的点云可以通过曲面拟合来进行平滑和去噪来获取曲面数据。胶囊随着消化道的蠕动可以累积得到整个消化道的内壁表面的曲面数据。由于人体各个不同消化道部位有着独特的形态特征以及对应关系，数据处理模块可以通过比如机器学习的方法对消化道部位的形态特征进行识别。当需要对某一个特定关注部位进行检测时，比如图2中的pc点，如果当前胶囊的位置在pa点，可以启动磁控装置，驱动胶囊从pa到pc点。当磁定位装置确认胶囊已经到达pc点后，数据处理模块的系统控制软件启动胶囊的超声测距装置开始采集数据。胶囊在进行测试时，可以优选的尽量减
少测试对周围生理环境的影响，比如采用小体积、和食糜等密度的设计。在无干预的测试时，磁控设备的驱动力通常可以处于清零状态。在有干预的测试时，可以施加特别的干预力，以维持胶囊滞留在关注点周围，或对胶囊的运动进行干拮抗涉，以测量消化道的动力。作为一个实施例，可以在比如靠近幽门处的pc点对胶囊进行观察。磁控设备可对带有磁体的胶囊的运动施加干涉磁场，当磁场力达到第一个阈值时，胶囊的排空时间可见增加；当磁场力达到第二个阈值时，胶囊不能被排空，可以根据磁场作用力的大小和方向、胶囊的排空时间、胶囊的物理特性、胃内容物的物理特性估计胶囊所受到的蠕动力。数据处理模块在获取了胶囊采集的时间序列的消化道内壁的深度图后，可以先将深度图转换成点云，再进行曲面拟合。形态特征的提取，可以直接基于深度图或点云，或拟合后曲面的数据。由于消化道的主要功能是围绕着食物的运动，可以把食物的运动方向作为消化道的主轴方向或主通道方向。过消化道内任意一点与所述主轴垂直的多个方向腔径的一个统计平均值可以设定为消化道在该点的一个内径。根据曲面的数据和消化道的解剖学形态特征，可以估计出连接消化道内各点的主通道方向的路径。曲面曲率的计算，是微分几何的一个经典课题，有大量的算法可选，本发明对此不做限制。容积的计算，可以沿主通道方向选取一个长度可调的线段（l1，l2）作为高度，其中，l1、l2 为端点的坐标。过l1，l2 分别做主通道方向的垂面s1 和 s2。平面s1、s2 和消化道内壁的曲面数据包围的一个闭合体可以看作pc点处的一个容积，其计算可采用积分的数值解法。胶囊的运动数据包括位移、速度、频率可以通过磁定位装置得到。上述消化道形态特征的变化率以及变化幅度可以从时间序列的所述特征数据中提取，其中频率特性可以和胶囊运动的频率特性作相关匹配。不同的食物或药物可以影响消化道动力，上述的检测可以在如清水、淀粉、酒水的食物环境下进行。