CN105615817B - 一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置，用于在使用胶囊内镜的过程中主动控制胶囊的运动，以便实现对胃壁的全面有效的检查。本发明主要包含混合式磁场发生器、多自由度运动机构和控制器，其中多自由度运动机构用于运载混合式磁场发生器在检查区域内运动以调整磁场的空间分布；混合式磁场发生器包含永磁体和电磁线圈，可以产生用于引导胶囊运动的强磁场，并可根据控制信号在一定程度上调节磁场的强度；控制器通过接收操作者的控制指令和传感器反馈信号控制多自由度机构运动，以及混合式磁场发生器的线圈电流。该装置可以引导胶囊内镜在人体胃部中实现漂浮、定点悬浮、姿态调整等固定模式的运动，实现胶囊内镜对整个胃壁的自动化全覆盖检查。

Description

一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种使用胶囊内镜进行胃部检查的辅助自动化机械装置，具体是一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置，可用于控制、引导胶囊内镜在人体内的运动和检查。

背景技术

胶囊内镜是一种大小形状类似于胶囊药丸，却集成了一套完整的光学摄影系统、无线通讯系统和电源供电系统的人体消化道检查工具。胶囊被受检者吞服后将在胃肠消化道中运动，沿途对胃肠消化道内壁进行拍摄检查，并向外部终端发送图像。医生可以通过接收的图像，对病灶进行定位和诊断。

目前实际使用中的胶囊内镜产品都采用被动运动方式，即胶囊本身没有移动的能力，需借助肠道的自然蠕动进行运动。被动式胶囊内镜的最主要缺点是：胶囊内镜在人体内只能随机运动、拍摄，难以按照医生的指示到达指定位置，也不能在特定部位停留，因而存在检查盲区，有漏检可能。因此目前主要用于小肠疾病的检测，无法应用于胃部检测。因此胶囊内镜的主动控制技术成为该领域研究热点。

目前研究中的胶囊内镜的主动控制分为内部和外部驱动两种方式。内部驱动就是利用胶囊自身的能源和机械结构进行运动的一种驱动方式，主要包括：形状记忆合金驱动、微型电机驱动、磁致伸缩驱动、气动驱动、蠕动驱动、多足驱动、静电驱动和仿生驱动等，大部分处理原理研究阶段。内部驱动有以下几个缺点：1、驱动本身需要消耗大量的能量，可能造成电池电量不够；2、微型胶囊的结构复杂，生产困难，成本偏高；3、运动结构可能对消化道产生损伤；4、胶囊运动难以控制且速度缓慢。

外部驱动是通过体外设备为体内胶囊运动提供动力的驱动方式。常规的非接触力只有通过重力场(万有引力)、电场和磁场实现。重力场不可控制；人体体液是导电的，对电场影响大，且电场对人体生物电活动也有影响；只有静磁场(或者低频磁场)能基本无阻碍地穿过人体，而且对人无不良影响，相对安全。人体的磁导率接近真空，不会对磁场分布造成畸变。根据产生磁场的方式又可分为电磁驱动和永磁驱动。

中国安翰光电技术(武汉)有限公司发明了一种使用球形永磁体控制胶囊悬浮和运动的装置，并申请了专利(专利号201310136094.0)。该装置利用控制永磁体运动，使得磁力与重力、浮力平衡，可以建立稳定的漂浮系统，可以驱动胶囊内镜在人体内移动、旋转。但是该装置机构较为庞大、繁琐，操作不灵活。而且仅通过永磁体的机械运动改变磁场分布，反应迟缓。实际使用中完全依赖人工操纵，操纵困难，对操作员技巧要求高，操作员学习时间长。

哈工大深圳研究生院提出一种基于灵巧机器人的磁控主动式胶囊内镜运动控制系统(专利号201320151833.9)，包括灵巧机器人、第一磁场发生器、二自由度转台、第二磁场发生器和控制单元等。通过灵巧机器人和二自由度转台改变两个磁场发生器的位置和姿态，从而改变空间磁场分布，引导胶囊在体内运动。但是该系统较为繁琐，包含了两套磁场发生装置及运动平台；而且所谓灵巧机器人没有给出具体实现方式。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置，在避开内部驱动的结构性缺陷的同时，解决现有的外部驱动胶囊内镜普遍存在的装置机构较大，操作繁复，反应迟缓等问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何利用混合磁场从人体外部有效地控制胶囊内镜。

为实现上述目的，本发明提供了一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置，用于胶囊内镜在检查过程中的主动运动控制，所述胶囊内镜磁控导航装置包括永磁体胶囊内镜、混合式磁场发生器、五自由度运动机构和控制器，所述永磁体胶囊内镜位于患者体内，所述混合式磁场发生器安装于所述五自由度运动机构上，所述控制器被配置为控制所述五自由度运动机构的运动和所述混合式磁场发生器产生磁场的强弱，从而控制所述永磁体胶囊内镜在患者体内的位置和姿态。

进一步地，所述混合式磁场发生器包括永磁体和电磁线圈，所述永磁体设置在所述电磁线圈的上方，所述永磁体被配置为形成较强的基础磁场，所述电磁线圈被配置为通过施加可变电流形成强度可调的辅助磁场，所述基础磁场和所述辅助磁场组合形成强度可调的混合磁场。

进一步地，所述五自由度运动机构包含可移动基座、大臂、小臂、竖直移动机构、竖直轴旋转机构和水平轴旋转机构。

进一步地，所述可移动基座包括轮子和支撑脚；所述控制器安装于所述可移动基座。

进一步地，所述大臂与所述可移动基座之间由水平旋转关节连接为第一关节；所述小臂与所述大臂之间由水平旋转关节连接为第二关节，所述第一关节和所述第二关节的运动被配置为实现所述混合式磁场发生器在水平方向的运动；所述竖直移动机构为第三关节，安装在所述小臂末端，所述第三关节被配置为实现所述混合式磁场发生器在竖直方向的运动；所述竖直轴旋转机构为第四关节，所述第四关节被配置为实现所述混合式磁场发生器绕竖直轴线的旋转运动；所述水平轴旋转机构为第五关节，所述第五关节被配置为实现所述混合式磁场发生器绕水平轴线的旋转运动，所述水平旋转轴线与所述竖直旋转轴线垂直相交；所述混合式磁场发生器安装于所述水平轴旋转机构上。

进一步地，所述控制器的体系结构为工业控制计算机、多轴运动控制卡和伺服驱动器三级结构。

进一步地，所述控制器包括一台工控机、人机交互设备、一块多轴运动控制卡、五台交流伺服驱动器。

进一步地，所述控制器还包括D/A转换器和电流放大器，所述电流放大器被配置为提供所述混合式磁场发生器中的电流。

进一步地，所述工控机被配置为通过人机交互设备获得操作员输入的信息，并将设备运行状态信息输出到人机交互设备；所述工控机被配置为根据操作员的指令完成机器人运动规划，将规划指令发送到所述多轴运动控制卡，由所述多轴运动控制卡具体实现机器人的运动控制；所述工控机被配置为通过IO端口与传感器相连接，并通过D/A转换器输出信号控制所述电流放大器所产生的电流，从而控制所述混合式磁场发生器的磁感应强度。

进一步地，所述工控机的核心控制包括运动控制和电流控制，所述运动控制是指多轴运动控制，包括点位控制和直线、圆弧、样条曲线轨迹控制；所述电流控制是指根据反馈控制算法控制线圈电流，从而控制磁场强度。

本发明在已有技术成果的基础上，提出一种新的五自由度医疗用胶囊内镜磁控导航装置，目的是为了解决胶囊内镜在人体内检查时的主动控制问题。

本发明包括：永磁体胶囊内镜，混合式磁场发生器，五自由度运动机构，以及控制器。具体通过下述技术方案实现：

所述的永磁体胶囊内镜，即内置永磁材料的胶囊内镜，功能与一般胶囊内镜相同，但本身是一个小的永磁体。永磁体胶囊内镜是受引导的被控对象。

所述的混合式磁场发生器，可以在一定空间范围内产生强度可变的磁场，包含一个强力永磁体，一个电磁线圈，永磁体在上方，电磁线圈在下方，线圈与永磁体之间的距离可调；永磁体形成较强的基础磁场，线圈通过施加可变电流形成强度可调的辅助磁场，两者组合形成强度可调的磁场。

所述的五自由度运动机构，用来带动混合式磁场发生器在空间运动，调整其位置和姿态，从而改变磁场的空间分布，进而实现对胶囊的运动控制。所述的五自由度运动机构包含可移动基座、大臂、小臂、竖直移动机构、竖直轴旋转机构、水平轴旋转机构等主要部分。

所述的可移动基座是整个装置的基座。下面有轮子可以方便整个装置的移动运输。在工作时轮子脱离地面，由支承脚着地，使基座稳定地固定于地面，以获得较高的定位精度。基座内部空间可安置控制器，基座上方安装五自由度运动机构。

所述大臂与基座之间由水平旋转关节连接，称为第一关节；小臂与大臂之间也由水平旋转关节连接，称为第二关节。这两个关节的运动可以实现所述磁场发生器在水平方向的运动。

所述竖直移动机构为第三关节，是一个直线滑台，安装在小臂末端，用于实现所述磁场发生器在竖直方向的运动。

所述的竖直轴旋转机构为第四关节，用于实现所述磁场发生器绕竖直轴线的旋转运动。

所述的水平轴旋转机构为第五关节，用于实现所述磁场发生器绕水平轴线的旋转运动，水平旋转轴线与竖直旋转轴线垂直相交。

所述的磁场发生器安装于水平轴旋转机构上，安装上保证其球形永磁体的球心处于水平旋转轴线与竖直旋转轴线交点，磁极磁化方向与水平轴线垂直正交。

第一到第三关节联动可以完全决定磁场发生器的位置(球形永磁体中心)，第四关节和第五关节联动可以决定磁场发生器姿态(磁极轴线的指向)，从而实现对磁场空间分布的控制。完全确定一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但是由于所述磁场发生器是旋转对称的，绕其对称轴(磁极轴线)旋转，磁场分布不变，所以实际至少需要5自由度运动。从效果上看，胶囊绕自身纵轴线旋转是不受控的，其他可受控的自由度正好5个。

所述的控制器，基于工业控制计算机/多轴运动控制卡/伺服驱动器的三级结构，包括一台工控机，人机交互设备，一块多轴运动控制卡，五台交流伺服驱动器，以及其他传感器；还包括一个D/A转换器和一个电流放大器用于提供混合式磁场发生器中电磁线圈的电流。

所述工控机是控制系统的核心，它通过人机交互设备获得操作员输入的信息，并将设备运行状态信息输出到人机交互设备。工控机根据操作员的指令完成机器人运动规划，将规划指令发送到多轴运动控制卡，由多轴运动控制卡具体实现机器人运动控制。工控机通过IO端口与各传感器信号相连接，并通过D/A转换器输出信号控制电流放大器所产生的电流，从而控制磁场发生器的磁感应强度。工控机的核心控制算法包括运动控制和电流控制，前者实现常规的多轴运动控制，包括点位控制和直线、圆弧、样条曲线等精确轨迹控制；后者根据特定的反馈控制算法控制线圈电流，从而控制磁场强度。工控机还通过系统软件实现胶囊内镜检查功能。

所述人机交互设备包括键盘、鼠标、操纵杆和显示器，用于获取操作者的输入信息，并显示机器人的状态参数。

所述多轴运动控制卡上与工控机连接，下与交流伺服驱动器连接，接受来自工控机的运动规划信息，按照一定的控制算法完成插补运算，生成具体的驱动信号发送到各交流伺服驱动器，控制各个关节的电机运动以完成规划动作。

所述交流伺服驱动器是交流伺服电机配套产品，用于交流伺服电机的驱动。它上与多轴运动控制卡相连接，下与交流伺服电机相连接。接受来自多轴运动控制卡的控制信号，依据控制信号驱动电机运动。

所述D/A转换器和电流放大器用以控制线圈电流大小，从而对磁场发生器所产生的磁场的磁感应强度进行调节。

本发明所提出的混合式磁场发生器，采用强力永磁铁与电磁线圈叠加的方式。永磁铁表面磁感应强度1.2T以上，对胶囊的吸引距离可达20cm，能实现在体外控制人体内的永磁体胶囊运动。电磁线圈则可以通过控制电流大小方向的变化实现对磁感应强度的细微调节，由于电信号比机械运动快得多，因此比单纯通过磁体运动造成磁场变化快得多，也更精确。

本发明所提出的五自由度运动机构，结构紧凑，轻便灵活，操作起来更为简便。水平关节的构形使得机器在完全失控的情况下也不会撞击人体，安全性高。

通过对磁场发生器空间位置、姿态的调节，以及对线圈电流的调节，可以调节胶囊所受磁力的大小方向，使之与重力、浮力相平衡，可以控制胶囊在胃中稳定地实现各种姿态的漂浮和沉底，可以在保持位置稳定的情况下旋转调整姿态以控制胶囊镜头的朝向，也可以根据预设程序控制胶囊在胃中按规划好的轨迹巡游，实现对整个胃壁无遗漏的检查。可以控制胶囊在水中任意位置悬停以满足特定的检查需要。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的整体示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的使用状态示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的旋转滑动组合套筒示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的竖直移动机构示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的末端机构和磁场发生器示意图；

图中，1.可移动基座 2.大臂 3.小臂 4.三层套管 5.竖直移动机构 6.齿轮副旋转机构 7.末端机构 8.磁场发生器 9.外罩 10.磁场发生器外罩 11.外层套管 12.中层套管 13.内层套管 14.竖直移动滑块 15.同步带轮 16.张紧轮 17.水平套筒 18.电机 19.永磁体 20.线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐释，但本发明不局限于以下实施例。

本发明的一种实施例，包含永磁体胶囊内镜、混合式磁场发生器、五自由度运动机械和控制器。

永磁体胶囊：是一种胶囊内镜产品，其外壳包有一层强力永磁材料并经过磁化，相当于一个小的圆柱磁铁。

混和式磁场发生器：如图5所示，由钕铁硼材料的球形永磁体和电磁线圈组成。设计要求直径150mm，表面磁感应强度1.2T，实际使用中由于大的球形永磁体难以加工，采用多块饼状永磁体叠加的方式。经过有限元计算，在距离磁体表面5cm以外，与球状磁铁的磁场分布高度近似，可以替代使用。

如图1所示，五自由度运动机构本体：包含台架、基座、大臂、小臂、旋转滑动组合套筒、导轨滑块驱动模块、齿轮驱动模块、末端同步带驱动模块、外罩。可移动基座1底部安装四个带撑脚的万向轮，移动时撑脚收起，轮子滚动；工作时由支承脚着地，使基座稳定固定于地面。基座内部空间用于放置电控柜。上方安装机器人底座，包含手动高度调节装置，用于手动调节基准高度，可以适应特殊体型的受检者。基座内部安装有第一关节的伺服电机和减速器。大臂2末端通过轴承连接小臂前端。小臂3前端安装第二关节的伺服电机，减速器。靠近小臂末端有圆形孔，旋转滑动组合套筒从中穿过。小臂末端安装竖直侧板，侧板上固定有第三关节的导轨滑块驱动模块。

如图3所示，旋转滑动组合套筒由内层套管13，外层套管11和中层套管12组成，内层套管13为带有四条花键槽的杆，由顶部齿轮驱动，实现第四轴的绕竖直方向转动；外层套管11与直线运动模块的滑块固定，实现第三轴的整体竖直方向平移运动；中层套管12与外层套管11之间以轴承相连，可相对转动不可相对滑动，与外层套管11一同竖直运动；中层套管12与内层套管13之间以花键相连，可相对滑动不可相对转动，与内层套管13一同旋转运动；中层套管12下方与末端机构7固定。

如图1所示，导轨滑块驱动模块5包含丝杆滑块直线运动模块，电机驱动丝杆，带动滑块做直线运动，安装在小臂2末端；导轨模块的滑块14与外层套筒11固定，驱动外层套筒11在竖直方向移动；靠近顶部安装横板，用于固定第四关节的齿轮驱动模块6。

如图1所示，齿轮驱动模块6包含一对齿轮副，通过轴承水平安装在导轨滑块模块顶部横板上方；内侧为主动轮，由竖直安装在横板内侧下方的伺服电机、谐波减速器驱动；外侧为从动轮，通过花键与下方内层套筒13杆连接，驱动其旋转。

如图5所示，末端机构7包含一个水平套筒17，内部安装电机、减速器；两端两个侧板，安装有轴承，用以固定磁场发生器8；侧板外设有同步带传动装置，电机通过同步带驱动磁场发生器旋转。

外罩9：将第三、四、五轴包装在其中，实现机构安全防护；三、四、五轴的电源线、控制线统一从外罩上部引出，接入底座的控制柜。

如图1所示，混合式磁场发生器8，主体由三块轴向充磁圆柱体永磁体组成，用铝合金制作外壳，并在两边加装固定装置，使其能固定在末端机构侧板的轴承上。

所述的控制器：基于工业控制计算机/多轴运动控制卡/伺服驱动器的三级结构，包括一台工控机，人机交互设备，一块多轴运动控制卡，五台交流伺服驱动器，以及其他传感器；还包括一个D/A转换器和一个电流放大器用于提供混合式磁场发生器中电磁线圈的电流。工控机和人机交互设备放置于操作员所在工作台上，工控机通过信号电缆连接到电控柜。

所述工控机是控制系统的核心，它的功能是依靠运行其中的系统控制软件来实现的。通过人机交互设备获得操作员输入的信息，并将设备运行状态信息输出到人机交互设备。根据操作员的指令完成机器人运动规划，将规划指令发送到多轴运动控制卡，由多轴运动控制卡具体实现机器人运动控制。工控机通过IO端口与各传感器信号相连接，并通过D/A转换器输出信号控制电流放大器所产生的电流，从而控制磁场发生器的磁感应强度。核心控制算法包括运动控制和电流控制，前者实现常规的多轴运动控制，包括点位控制和直线、圆弧、样条曲线等精确轨迹控制；后者根据特定的反馈控制算法控制线圈电流，从而控制磁场强度。工控机还通过系统软件实现胶囊内镜检查功能。

所述人机交互设备是普通的计算机键盘、鼠标、操纵杆和显示器，用于获取操作者的输入信息，并显示机器人的状态参数。

所述多轴运动控制卡安装于工控机上的插槽，下与交流伺服驱动器连接，接受来自工控机系统软件的运动规划信息，按照一定的控制算法完成运动控制信号的运算，生成具体的驱动信号发送到各交流伺服驱动器，控制各个关节的电机运动以完成规划动作。

所述交流伺服驱动器是交流伺服电机配套产品，用于交流伺服电机的驱动，安装于电控柜内。它上与多轴运动控制卡相连接，下与交流伺服电机相连接。接受来自多轴运动控制卡的控制信号，依据控制信号驱动电机运动。

所述D/A转换器和电流放大器用以控制线圈电流大小，从而对磁场发生器所产生的磁场的磁感应强度进行调节。安装于电控柜内。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种医疗用胶囊内镜磁控导航装置，用于胶囊内镜在检查过程中的主动运动控制，其特征在于，所述胶囊内镜磁控导航装置包括永磁体胶囊内镜、混合式磁场发生器、五自由度运动机构和控制器，所述永磁体胶囊内镜位于患者体内，所述混合式磁场发生器安装于所述五自由度运动机构上，所述控制器被配置为控制所述五自由度运动机构的运动和所述混合式磁场发生器产生磁场的强弱，从而控制所述永磁体胶囊内镜在患者体内的位置和姿态；

所述混合式磁场发生器包括永磁体和电磁线圈，所述永磁体设置在所述电磁线圈的上方，所述永磁体被配置为形成较强的基础磁场，所述电磁线圈被配置为通过施加可变电流形成强度可调的辅助磁场，所述基础磁场和所述辅助磁场组合形成强度可调的混合磁场；

所述五自由度运动机构包含可移动基座、大臂、小臂、竖直移动机构、竖直轴旋转机构和水平轴旋转机构；

所述大臂与所述可移动基座之间由水平旋转关节连接为第一关节；所述小臂与所述大臂之间由水平旋转关节连接为第二关节，所述第一关节和所述第二关节的运动被配置为实现所述混合式磁场发生器在水平方向的运动；所述竖直移动机构为第三关节，安装在所述小臂末端，所述第三关节被配置为实现所述混合式磁场发生器在竖直方向的运动；所述竖直轴旋转机构为第四关节，所述第四关节被配置为实现所述混合式磁场发生器绕竖直轴线的旋转运动；所述水平轴旋转机构为第五关节，所述第五关节被配置为实现所述混合式磁场发生器绕水平轴线的旋转运动，所述水平旋转轴线与所述竖直旋转轴线垂直相交；所述混合式磁场发生器安装于所述水平轴旋转机构上；

所述五自由度运动机构还包括旋转滑动组合套筒，所述旋转滑动组合套筒由内层套管、外层套管和中层套管组成，其中，所述内层套管为带有四条花键槽的杆，由顶部齿轮驱动，实现所述第四关节的绕竖直方向转动；所述外层套管与直线运动模块的滑块固定，实现所述第三关节的整体竖直方向平移运动；所述中层套管与所述外层套管之间以轴承相连，可相对转动不可相对滑动，所述中层套管与所述外层套管一同竖直运动；所述中层套管与所述内层套管之间以花键相连，可相对滑动不可相对转动，所述中层套管与所述内层套管一同旋转运动；所述中层套管的下方与末端机构固定。

2.如权利要求1所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述可移动基座包括轮子和支撑脚；所述控制器安装于所述可移动基座。

3.如权利要求1所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述控制器的体系结构为工业控制计算机、多轴运动控制卡和伺服驱动器三级结构。

4.如权利要求1所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述控制器包括一台工控机、人机交互设备、一块多轴运动控制卡、五台交流伺服驱动器。

5.如权利要求4所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述控制器还包括D/A转换器和电流放大器，所述电流放大器被配置为提供所述混合式磁场发生器中的电流。

6.如权利要求5所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述工控机被配置为通过人机交互设备获得操作员输入的信息，并将设备运行状态信息输出到人机交互设备；所述工控机被配置为根据操作员的指令完成机器人运动规划，将规划指令发送到所述多轴运动控制卡，由所述多轴运动控制卡具体实现机器人的运动控制；所述工控机被配置为通过IO端口与传感器相连接，并通过D/A转换器输出信号控制所述电流放大器所产生的电流，从而控制所述混合式磁场发生器的磁感应强度。

7.如权利要求4所述的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，其特征在于，所述工控机的核心控制包括运动控制和电流控制，所述运动控制是指多轴运动控制，包括点位控制和直线、圆弧、样条曲线轨迹控制；所述电流控制是指根据反馈控制算法控制线圈电流，从而控制磁场强度。