Запечатлевая движение,
Создавая истории

PIRNet для локализации капсульной эндоскопии в реальном времени с пятью степенями свободы: как система захвата движений NOKOV предоставила оптические эталонные данные

Исследовательская группа под руководством профессора Шусян Го из Университета науки и технологий Южного Китая предложила PIRNet, физико-обучаемую остаточную нейронную сеть для магнитной локализации капсульной эндоскопии в реальном времени с пятью степенями свободы. При проведении экспериментов in vitro, ex vivo и на устойчивость к помехам исследователи использовали систему захвата движений NOKOV для получения оптических эталонных данных о положении или траектории кольцевых магнитов или мишеней капсулы. Эти данные используются для оценки точности, робастности и динамики отслеживания алгоритма PIRNet. В статье сообщается об средней погрешности положения 0.69 +/- 0.29 мм, средней погрешности ориентации 0.70° +/- 0.37°, а также о необходимости менее 20 процентов конфигураций калибровки в реальных условиях по сравнению с требованиями методов на основе чистых данных.

Обзор исследования

Предыстория исследования: почему активная капсульная эндоскопия требует надежной локализации с пятью степенями свободы

Беспроводная капсульная эндоскопия переходит от пассивной визуализации к активным функциям робототехники. Для таких задач, как целевая доставка лекарств, биопсия тканей и малоинвазивные процедуры, исследовательской группе необходимо знать положение и ориентацию капсулы в реальном времени. Отслеживание на основе постоянных магнитов привлекательно тем, что не требует встроенного источника питания в капсуле, может проникать через биологические среды и не зависит от прямой видимости.

Проблема локализации остается сложной, поскольку идеальные модели магнитных диполей могут не соответствовать реальным измерениям датчиков, тогда как полностью основанные на данных подходы могут требовать больших наборов данных для калибровки. PIRNet решает эту задачу, обучаясь корректирующим остаткам в рамках физических ограничений, что позволяет снизить нагрузку на калибровку при сохранении согласованности локализации.

Методология исследования и основной вклад: остаточное обучение для модели магнитного диполя

PIRNet расшифровывается как физико-обучаемая остаточная нейронная сеть. Архитектура использует двухветвевую структуру для разделения локальных искажений датчика и системных отклонений, зависящих от положения, после чего вычисляет физически обоснованную корректировку для идеализированной модели магнитного диполя.

В работе сравниваются два режима работы. PIRNet-LUT поддерживает высокопроизводительные вычисления на периферийных устройствах благодаря поиску по таблице интерполяции, тогда как PIRNet-in-the-Loop использует сквозную оптимизацию для достижения более высокой точности локализации. Два режима отражают разные компромиссы между вычислительными затратами и точностью.

Архитектура предлагаемой сети PIRNet.

Роль системы NOKOV в данном исследовании

В данном исследовании исследовательская группа использовала систему захвата движений NOKOV для получения оптических эталонных данных о положении или траектории кольцевых магнитов, мишеней мини-капсулы или магнитных объектов. Эти данные применялись для оценки точности локализации PIRNet, робастности и динамики отслеживания.

Зачем магнитной локализации нужен оптический эталон?

Магнитная локализация определяет положение и ориентацию капсулы на основе показаний магнитных датчиков. Для количественной оценки погрешности локализации экспериментальная установка требует независимого пространственного эталона. В условиях in vitro и ex vivo система захвата движений NOKOV способна предоставить оптические эталонные данные о положении или траектории для сравнения с выходными данными магнитной локализации.

Дизайн эксперимента и результаты: от базовой производительности до проверки динамического отслеживания

Базовая производительность и контролируемые эксперименты позволяют оценить, может ли PIRNet выучить физически обоснованную корректирующую остаточную величину и как каждый компонент архитектуры влияет на точность локализации. В этих экспериментах система захвата движений NOKOV предоставляет шестистепенные оптические эталонные данные для сравнения с оценками PIRNet.

Экспериментальные платформы включают массив датчиков магнитометра, магнитную мишень, интерфейс магнитного отслеживания, setup in vitro и обзор зоологического исследования in vivo.

Эксперименты операционных режимов сравнивают PIRNet-LUT и PIRNet-in-the-Loop на различных аппаратных платформах. В статье указывается, что PIRNet-in-the-Loop обеспечивает более высокую точность локализации на платформах с поддержкой GPU, тогда как PIRNet-LUT сохраняет производительность реального времени на устройствах с ограниченными процессорными ресурсами.

Эксперименты по эффективности данных сравнили PIRNet с чисто основанной на данных сетью ResNet при различном объеме данных калибровки в реальных условиях. Сообщается, что PIRNet достиг точности полностью обученной базовой линии на основе данных, используя менее одной пятой части конфигураций калибровки в реальных условиях.

Проверка динамического отслеживания включает базовый тест in vitro, отслеживание ткани ex vivo и предварительные тесты жизнеспособности in vivo. Тест in vitro использует стандартный кольцевой магнит диаметром 10 миллиметров. Тест ex vivo размещает два свежих блока свиной ткани толщиной 30-40 миллиметров над массивом датчиков, при этом магнитная мишень заключена в ткань печени свиньи и управляется роботизированным манипулятором вдоль заданных трехмерных траекторий. В исследовании на кроликах породы нью-зипланд уайт оптическое отслеживание структурно ограничено, поэтому оценка выполняется с использованием видеоэндоскопии и калиброванных маркеров глубины введения.

Количественная динамика ex vivo через свиные ткани.

Результаты зоологического исследования in vivo.

Устойчивость к помехам

Этот эксперимент оценивает способность PIRNet функционировать как модульный двигатель наблюдения при интеграции в последующую фильтрующую цепь. В объем отслеживания был введен хирургический инструмент из мягкого магнитного материала, а архитектура последующей фильтрации включала модуль линейного слепого разделения источников и адаптивный фильтр Калмана. Система захвата движений NOKOV предоставила независимый оптический эталон в условиях помехи для оценки производительности.

Результаты показывают, что интегрированная система с использованием PIRNet-in-the-Loop поддерживает ограниченные остатки в течение интервала помехи, позволяя последующему фильтру изолировать индуцированные искажения и обеспечивая совместимость с промышленными архитектур фильтрации.

Для тестов in vitro и ex vivo система захвата движений NOKOV обеспечила базовые шестистепенные данные о положении с сертифицированной точностью плюс-минус 0.15 миллиметра при частоте 380 кадров в секунду, выступая в качестве оптического эталона для оценки точности и робастности локализации PIRNet. В зоологическом исследовании in vivo оптическое отслеживание структурно ограничено, поэтому оценка вместо этого опирается на видеоэндоскопию и калиброванные маркеры глубины введения.

Демонстрируемые задачи и статус применения

PIRNet позиционируется как метод локализации для исследований активной капсульной эндоскопии. Зоологическое исследование in vivo описано как предварительная проверка функциональности, а не как клиническое внедрение.

В проведенных экспериментах система захвата движений NOKOV предоставила независимый оптический эталон при видимых экспериментальных условиях, позволив исследовательской группе сравнить выходные данные магнитной локализации с эталонными данными о положении или траектории.

Значимость исследования

Данная работа демонстрирует, как стратегия остаточного обучения с учетом физических ограничений помогает снизить требования к калибровке в реальных условиях при магнитной локализации. Для капсульной эндоскопии и других микро-роботизированных систем внутри организма это может снизить нагрузку на экспериментальную калибровку при сохранении точности локализации.

Для системы захвата движений NOKOV подтверждающая роль заключается не в создании метода PIRNet или самостоятельном улучшении алгоритма. Поддерживающая связь заключается в том, что исследовательская группа использовала систему захвата движений NOKOV для получения оптических эталонных данных о положении или траектории для оценки выходных данных PIRNet.

Информация о публикации

Название: Физико-обучаемый метод остаточного обучения для реальной магнитной локализации с пятью степенями свободы при капсульной эндоскопии

Цитирование: M. Shen et al., "A Physics-Informed Residual Learning Method for Real-Time 5-DoF Magnetic Localization in Capsule Endoscopy," in IEEE Transactions on Industrial Informatics, doi: 10.1109/TII.2026.3688686.

ЧИТАТЬ СТАТЬЮ: https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:001767458000001

Биографии авторов

Миачжан Шэнь является студентом магистратуры по направлению электронная информация в Университете науки и технологий Южного Китая и состоит в Департаменте электронной и электрической инженерии и Продвинутом институте океанических исследований. Интересы в области исследований включают магнитные медицинские робототехнические системы.

Шусян Го (Автор переписки) является заслуженным профессором департамента электронной и электрической инженерии Университета науки и технологий Южного Китая, а также действительным членом Академии инженерии Японии. Интересы в области исследований включают медицинские робототехнические системы, системы микрокатетеров и бионические подводные роботы.

Цзысю Вань (Автор переписки)  является научным сотрудником постдокторантуры в Университете науки и технологий Южного Китая. Интересы в области исследований включают медицинские робототехнические системы для малоинвазивной хирургии и магнитно-управляемые гибкие роботы.

Ююэ Ян получает степень магистра в области инженерии интегральных схел в Южно-Китайском нормальном университете. Интересы в области исследований включают вычислительную визуализацию и оптический дизайн.

Чунъин Ли является старшим преподавателем-ассистентом в Продвинутом институте океанических исследований Университета науки и технологий Южного Китая. Интересы в области исследований включают бионические подводные роботы, системы управления, мультисенсорную информационную конвергенцию и многопартийную робототехническую координацию.

Минчао Дин является профессором, главным врачом и заместителем директора Госпитального центра космической авиации в Пекине. Интересы в области исследований включают эндоваскулярное и экстренное интервенционное лечение ишемических, геморрагических и тромботических сосудистых заболеваний.

Бин Ван является директором отделения интервенционной сосудистой медицины, главным врачом и научным руководителем магистрантов Госпитального центра космической авиации в Пекине. Его экспертиза охватывает интервенционное лечение периферических сосудистых заболеваний, тромбоза глубоких вен, тромбоэмболии легочной артерии, ишемических сосудистых заболеваний и малоинвазивное лечение варикозного расширения вен.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Что измеряла система захвата движений NOKOV в данном исследовании?

Ответ 1: Она измеряла оптические эталонные данные о положении или траектории кольцевого магнита или мишеней капсулы в условиях видимых экспериментов in vitro и ex vivo.

Вопрос 2: Как использовались данные системы захвата движений NOKOV?

Ответ 2: Они применялись в качестве эталонных данных для оценки точности локализации PIRNet, робастности и динамики отслеживания.

Дополнительные материалы

Физико-обучаемая остаточная нейронная сеть для коррекции модели магнитного диполя и высокоточной локализации

Как концентрические трубчатые роботы сохраняют всю конструкцию на заданной траектории丨TASE 2025丨 Кейс захвата движений NOKOV