基于信噪比加权、层条件处理的磁力计阵列，结合椭球体校准和神经网络初始化技术，用于胶囊内镜在传感器可见性不对称条件下的定位

《Sensors》：SNR-Weighted Layer-Conditioned Magnetometer Array with Ellipsoid Calibration and Neural Network Initialization for Capsule Endoscopy Localization Under Asymmetric Sensor Visibility

　　

摘要

用于无线胶囊内镜的被动磁定位技术在非自愿的胃肠运动下性能时会下降：胶囊向某一传感器层移动时，会同时使该层的磁力计饱和，而另一侧的传感器信号则低于噪声阈值，我们将其称为“不对称层可见性”故障模式。现有的单层和多层系统并未明确考虑这一现象，而且即使采用基于层条件的分解方法，全阵列雅可比条件也会随着胶囊的移动而逐渐恶化。我们提出了一种双层磁力计阵列，并结合了三种算法改进：在优化前对每个传感器进行信噪比（SNR）过滤，排除已饱和或信噪比较低的传感器；在五维流形上使用球形参数化进行基于层条件的Levenberg–Marquardt估计；以及结合测地线插值的信噪比加权融合。 S squared' data-semantic-attached="true" data-semantic-braille="????" data-braille-attached="true" has-speech="true"> S squared' data-semantic-summary=" power' data-semantic-braille="????"> S ' data-semantic-prefix=" Base' data-semantic-summary=" identifier' data-semantic-braille="??"> ?? 2' data-semantic-prefix=" number' data-semantic-braille="?"> 2 结合逐层椭球体校准和神经网络初始化，这种双层磁力计阵列在150次蒙特卡洛试验中得到了验证。使用4自由度（4-DOF）机械臂进行测试，平均位置误差为毫米，方向误差为毫米，在12.4赫兹的频率下，当胶囊移动导致的不对称可见性事件范围为1.00–4.00厘米时，收敛成功率达到93.85%——相比单层和忽略层依赖性的基准方法，性能提高了70%以上。该技术在不同类型的磁力计上也表现出良好的硬件泛化能力。信噪比权重比率还能区分胶囊的位移和整个阵列的运动，交叉验证的AUC表明无需额外硬件即可实现这一区分。所报告的准确性特定于本研究中使用的LIS3MDL磁力计。