人体全消化道生理参数遥测胶囊体外连续跟踪定位方法

　　在临床消化道功能性疾病诊查中,内窥镜及腔内测压术是其中的重要方法,但目前采用的均为有创介入式方法.当检查上消化道疾病时,多将胃镜或柔性测压管从口腔插入食管或胃内;检查直肠或结肠疾病时,肠镜及测压管则由肛门导入.而小肠段由于位置较深且具有弯曲皱褶形态,导管一般无法进入观察或测压.检查前需清肠禁食,检查中病人痛苦,且很容易因操作不当引起组织出血或损伤.消化道内无线遥测胶囊是利用微传感技术、微电子技术、无线通讯技术开发的新型体内无创诊疗系统,不仅从根本上克服了传统方法的不足,还提高了检查的科学性和全面性.这是一种不可消化的胶囊状测量装置,用以在体内连续监测消化道的一些生理参数,如组织外观图像、压力、温度、pH值等.胶囊吞入后,无须外加驱动力就可随胃肠道的蠕动在体内运转,检测到的信号经无线通讯装置实时发射,由体外便携式接收器接收保存.2001年以色列的GivenImaging公司生产出一种名为“M2A”的胶囊状内窥镜,可以以每秒两帧的速度将胃肠道内的图像发送出来[1].上海交通大学也于2003年自主开发出胃肠道温度、压力、pH值监测胶囊[2],目前已通过多次人体实验,即将进入临床.

　　人体消化道主要由食管、胃、十二指肠、小肠、结肠、直肠几个部分组成.当胶囊排出后,必须对体外记录的数据进行分析处理才能得出正确检查结果.当在数据序列中发现异常值时,如在胶囊内窥镜某时刻传出的图象中发现出血点或在测压丸中发现压力异常段,则该时间点或时间段所对应的消化道位置就是病源所在.所以跟踪胶囊不同时刻在体内的位置是此类诊疗系统开发的一项关键技术.本文提出了一种基于体外静磁场检测的胶囊在体内位置连续跟踪的方法,利用胶囊内密封的永久磁铁作磁标记物,在体表布置6个磁场传感器,检测每一采样时刻体表处的磁感应强度,建立磁源和空间磁场分布的对应关系,利用遗传算法求解出胶囊每一时刻的空间位置坐标.仿真实验结果表明,该方法的定位精度能达毫米级.

　　1　常用定位方法

　　目标跟踪定位作为吞服式诊疗系统的关键技术之一,目前各研究单位都处于逐步探索和完善阶段,主要有以下两种:

　　(1)放射性同位素闪烁照相定位.InnovativeDevices公司生产的InteliSite和Phaeton Research公司生产的Enterion体内药物释放胶囊都使用这种方式显示胶囊在消化道内的位置[3,4].将gamma放射性同位素密封在胶囊内,每隔一段时间利用对放射性敏感的gamma相机照相以确定胶囊的位置.这种方法虽然简单,但要借助昂贵的设备,且不是一种连续跟踪定位方法,对人体有一定的辐射危害.(2)根据信号强度定位.目前大多数无线遥测胶囊采用的是这种方法.如以色列生产的胶囊内窥镜“M2A”,定位系统包含一个穿在病人身上的天线阵列,用来接收胶囊发射的图像信号,根据不同位置处天线接收的不同信号强度来计算胶囊在体内的位置.日本RFSystem Lab公司生产的Norika v3胶囊内窥镜同样利用天线背心接收到的信号能量计算胶囊在体内的位置和方向,定位误差在几厘米.为确定射频源的方位,这里涉及了高频电磁场的检测和电磁逆问题求解.人体是一种高度复杂非均匀、非线性的散射体,如何准确分析电磁场在体内的传播特性及建立体表电磁场分布和体内辐射源之间的函数联系是这种方法的关键所在.同时,由于问题的复杂性也决定了这种定位方法的精度不可能很高.