基于多传感器数据融合的胃肠道多源信息采集系统设计

摘要

胃肠道动力障碍性疾病广义上是指所有胃肠动力紊乱引起的以各种消化道症状为临床表现的疾病，而狭义上主要指由胃肠运动节律、频率和腔内压力等改变所致的无器质性病因存在的一类疾病。该疾病在临床上比较常见，但目前没有较好的诊断和治疗方法。相关研究表明，该疾病患者的生理病理情况可通过胃肠道的一些生理信息间接反映，因此实现对胃肠道生理信息的可靠检测对研究胃肠道动力功能及其相关疾病具有重要意义。目前，临床上对胃肠道生理信息的检测方法存在许多不足之处。很多方法通常需要禁食和清肠等处理，且属于侵入式检测，导致患者痛苦大不易被接受。所以长期以来，临床上缺乏一种稳定可靠且广泛适用的方法用于胃肠道生理信息的检测，也就无发法对胃肠道动力障碍性疾病做出准确的诊断和治疗。　　针对这一研究现状，为克服当前胃肠道生理信息采集手段的缺陷，以期能够在人体正常生理状态下进行信息采集，更加有效地辅助胃肠道动力疾病的诊断，本文设计了一种基于多传感器数据融合的胃肠道多源信息检测系统。其中系统的数据采集胶囊使用STM32F031作为主控芯片，实现对所需胃肠道信息的采集、处理及相应模块的控制；使用MS5837传感器实现对胃肠道压力和温度的有效采集，用于胃肠道动力障碍性疾病的相关诊断研究；使用九轴运动传感器MPU9250实现对胶囊三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场值的采集，通过姿态融合算法得到胶囊的姿态信息以分析胶囊在胃肠道内的运动状态和研究胃肠道的动力特性，本文对姿态融合算法进行了研究以得到精确稳定的姿态信息；使用CC1310将胶囊采集的数据通过无线通信传输到体外数据接收模块；胶囊由于体积限制采用微型纽扣电池供电，本文对胶囊系统进行了低功耗设计以延长其工作时间。系统的数据接收模块通过串口实现接收数据与上位机界面的通信。本文设计了系统的上位机界面，实现对采集数据的实时显示与相关处理。本文对检测胶囊的外形和尺寸做了优化设计，使得胶囊的体积小且形状合理，能够容易吞服且在胃肠道内顺利通行。同时，在胶囊外部加入一定的可膨胀物，使得胶囊能够在胃部停留一定时间，满足对不同时长的胃部数据采集的需要。　　本文设计了系统的体外实验，对该检测系统的功能实现以及系统精度进行了测试和评估。系统测试结果表明，该系统可以准确实现各项预期功能，稳定可靠。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.3 论文的主要内容与结构安排

1.4 本章小结

2 系统总体方案设计

2.1 胃肠道多源信息检测系统总体结构

2.2.1 胃功能胶囊

2. 2. 2数据接收与处理模块

2.3 系统需求分析

2.4 本章小结

3 系统软硬件实现

3.1.1 微控制器

3.1.2 微传感器

3.1.3 无线通信模块

3.1.4 系统结构设计

3.2.1 系统主程序

3.2.2 微传感器

3.2.3 无线通信模块

3.3 数据接收与处理设计

3.3.1 数据接收

3.3.2 界面设计

3.4 本章小结

4 姿态融合算法研究

4.1.1 坐标系简介

4.1.2 姿态矩阵

4.1.3 姿态融合算法比较

4. 2. 1四元数计算

4.2.2 基于 PI控制的互补滤波算法

4.2.3 姿态融合算法软件实现

4.3 本章小结

5 系统测试与验证

5.1 传感器校正

5.1.1 三轴磁力计传感器

5.1.2 三轴加速度计传感器

5.1.3 三轴陀螺仪传感器

5.2 系统测试

5.2.1 数据采集功能测试

5.2.2 系统整体性能测试

5.2.3 无线通信及功耗测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及奖项

C. 学位论文数据集

致谢