고급 로봇 캡슐 내시경(RCE)에 대한 최근의 연구 노력은 주로 능동 기관차 내시경 캡슐 개발에 초점을 맞추고 있다. 그러나, 소화기관 내부에서 RCE의 정확한 움직임은 임상적 실무에서 적용가능성과 함께 자율적인 RCE의 발전을 방해하는 과제로 남아 있다. 이 과제를 해결하기 위해 본 연구는 (1) RCE의 방향을 정밀하게 제어하는 3차원(3D) 위치 위치결정 방법과 (2) 제어 시스템과 독립적인 새로운 6차원(6D) 위치결정 및 방향인식 방법 두 가지 종류의 위치결정 알고리즘을 제안하고 개발했다.em. 이 두 가지 방법 모두 외부 자기 작동 시스템에 의해 조작되는 RCE와 호환된다. 개발된 3D 국소화 방법론의 경우, 1개의 임베디드 단일 축 수신 코일(Rx)은 RCE에 5개, 3개의 외부 전송 코일(Tx)은 임상 침대 아래에 배치된다. 6D 국소화 방법론의 경우, 세 개의 직교 Rx가 RCE에 내장되어 있습니다. Rx에서 기전력에서 얻은 자기속 밀도는 비선형 Biot-Savart 방정식의 해법에 적용되었고, Tx의 해당 자기장 자기장 소스에 대한 Rx의 위치와 방향을 결정할 수 있었다. 구현을 위해, 본 연구는 (1) 등전위 윤곽과 표면 매핑을 적용하여 자기 등전위적 자기장에 대한 정확한 수학적 모델 및 체적 분석 방법, (2) 최적의 Tx 배열을 결정하는 방법, (3) 프로토타입 장치 및 3D 국소화의 실현 가능성에 대한 시험관내 유효성 검사를 개발했다. 2장에서 3D 위치 재구성 실험은 2.03±1.14mm의 오차를 보이며, 위장 팬텀 실험을 통해 임상 환경의 타당성을 검증하였다. 3장에서 3D 위치 재구성 실험은 2.43 ± 1.23 mm의 오차를 보여주며, 3D 방향 재구성 실험은 롤, 피치 및 요에 대해 각각 2.49°, 4.02° 및 2.09°의 전체 평균 방향 오차를 보여준다. 제안된 방법은 능동 기관차 RCE의 폐쇄 루프 제어뿐만 아니라 내부 병리학의 재표적 및 정확한 국소화를 위해 임상적으로 추가로 평가될 것이다.
Recent research efforts regarding advanced Robotic Capsule Endoscopes (RCEs) have primarily focused on the development of actively locomotive endoscope capsules. However, accurate movement of an RCE inside the digestive organs remains a challenge that hinders the further development of an autonomous RCE that with applicability in clinical practice. To address this challenge, this study proposed and developed two kind of localization algorithm: (1) a three-dimensional (3D) location positioning method under the precise controlling of the orientation of RCEs and (2) a novel six-dimensional (6D) location positioning and orientation recognition method that is independent with the controlling system. Both of these two methods are compatible with an RCE manipulated by an external magnetic actuation system. For the developed 3D localization methodology, one embedded single-axis receiving coil (Rx) is 5 employed in the RCE and three external transmitting coils (Txs) placed under the clinical bed. For the 6D localization methodology, three orthogonal Rxs are embedded in the RCE. The magnetic flux density obtained from the electromotive force at the Rx was applied to the solution of the nonlinear Biot–Savart equations and enabled the determination of the position and orientation of the Rx in relation to the corresponding magnetoquasistatic field source in the Tx. For implementation, this study developed: (1) an accurate mathematical model and volumetric analysis method for the magnetoquasistatic field by applying equipotential contour and surface mapping, (2) a method to determine the optimal Tx arrangement, and (3) a prototyped device and in-vitro validation of the feasibility of the 3D localization. In chapter 2, the 3D position reconstruction experiment shows an error of 2.03 ± 1.14 mm, and the feasibility in the clinical environment was verified through gastrointestinal phantom experiments. In chapter 3, the 3D position reconstruction experiment shows an error of 2.43 ± 1.23 mm and the 3D orientation reconstruction experiment shows an overall average orientation error of 2.49°, 4.02°, and 2.09° with respect to roll, pitch, and yaw respectively. The proposed method will be further evaluated clinically for the retargeting and accurate localization of internal pathologies as well as the closed-loop control of an actively locomotive RCE.