專利名稱：膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及醫(yī)療器械，特別涉及一種膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
隨著微光機電技術(shù)、機器人技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療儀器開始向微型化、智能化、無創(chuàng)診查方向發(fā)展，電子膠囊逐漸成為研究熱點。膠囊內(nèi)窺鏡極大地拓展了醫(yī)生的消化道檢查視野，填補了胃鏡、腸鏡檢查的盲區(qū)，解決了多年來小腸疾病和胃腸道隱血診斷方面的難題。與傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡相比，膠囊內(nèi)窺鏡具有操作簡單、檢查方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染、不影響患者的正常工作等優(yōu)點，尤其對小腸可疑性病變具有很高的診斷價值，被醫(yī)學(xué)界譽為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向。然而，目前的膠囊內(nèi)窺鏡不具備驅(qū)動裝置，只能利用消化道自然蠕動來遍歷整個檢查區(qū)域，并最終隨排泄物排出。這必然導(dǎo)致在臨床實際應(yīng)用中存在如下缺點觀察過程不受控制，完成檢查的時間較長；在移動過程中無法進(jìn)行干預(yù)，只能將被測的圖像和生理參數(shù)進(jìn)行傳輸和保存，限制了在診查的同時做活體組織切片和藥物釋放治療等功能；由于其移動完全依靠消化道的蠕動，還可能存在膠囊內(nèi)窺鏡嵌頓、胃內(nèi)滯留等問題。因此，研究和開發(fā)帶驅(qū)動機構(gòu)的膠囊內(nèi)窺鏡更加符合臨床應(yīng)用需要。對膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動，已有的驅(qū)動方案大多在膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部集成了驅(qū)動系統(tǒng)，存在如下局限一是驅(qū)動機構(gòu)要消耗膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部的能量，由此導(dǎo)致體載電池及外部射頻供能無法滿足其總體能量需求；二是驅(qū)動力由膠囊內(nèi)窺鏡的外壁與消化道內(nèi)壁之間摩擦力提供，限制了驅(qū)動速度，并可能對消化道造成損害。目前，采用外磁場驅(qū)動膠囊內(nèi)窺鏡的方法已有研究人員提出，但該方法采用計算機輔助人工調(diào)整的方式進(jìn)行，僅依據(jù)膠囊內(nèi)窺鏡采集的腸道內(nèi)壁圖像找出膠囊內(nèi)窺鏡正確的前進(jìn)方向，以此調(diào)整膠囊內(nèi)窺鏡運動方向。依據(jù)腸道內(nèi)壁圖像調(diào)整膠囊運動方向的方法不便于操作、無法實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的自動調(diào)節(jié)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的，就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)
動裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下設(shè)計方案一種膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，包括用于設(shè)置在體外的信號發(fā)生模塊、磁力驅(qū)動模塊和上位機，以及用于設(shè)置在膠囊內(nèi)的信號接收處理模塊和永磁驅(qū)動體；信號發(fā)生模塊和信號接收處理模塊組成方位實時跟蹤機構(gòu)，用于實時跟蹤膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的空間方位；磁力驅(qū)動模塊借助方位實時跟蹤機構(gòu)實時獲取膠囊內(nèi)窺鏡的空間方位，產(chǎn)生所需的外磁場梯度和方向，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。所述的信號發(fā)生模塊包括交變勵磁時序控制電路和勵磁線圈陣列，交變勵磁時序控制電路的輸出連接勵磁線圈陣列的輸入，勵磁線圈陣列產(chǎn)生交變磁場信號；所述的信號接收處理模塊包括順序電信相連的微型三軸磁場傳感器、自適應(yīng)信號調(diào)理電路和無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路，微型三軸磁場傳感器檢測勵磁線圈陣列的交變磁場信號，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；自適應(yīng)信號調(diào)理電路將此電信號進(jìn)行處理，提取有用信號；有用信號通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路無線傳送至體外的磁力驅(qū)動模塊。所述的磁力驅(qū)動模塊包括順序電信相連的無線數(shù)據(jù)接收電路、高速信號處理電路、磁場源驅(qū)動控制電路和三維正交磁場源，高速信號處理電路還與上位機電信相連；無線數(shù)據(jù)接收電路接收信號接收處理模塊的信號，三維正交磁場源向永磁驅(qū)動體提供驅(qū)動磁力。所述的三維正交磁場源包括六個多層圓柱線圈，且形成三組正交布置的線圈對，每組線圈對由兩個同軸的圓柱線圈組成，兩圓柱線圈的電流方向相反，可以得到線 圈軸線方向的梯度磁場；所述磁場源驅(qū)動控制電路控制三組正交線圈對產(chǎn)生所需的驅(qū)動磁場梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁場，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。所述的自適應(yīng)信號調(diào)理電路包括自適應(yīng)增益控制及濾波模塊、有效值檢測模塊、采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊和信號控制模塊；自適應(yīng)增益控制及濾波模塊的數(shù)據(jù)輸出連接有效值檢測模塊，有效值檢測模塊的數(shù)據(jù)輸出連接采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊，采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)輸出連接信號控制模塊；信號控制模塊的多個信號輸出端分別連接自適應(yīng)增益控制及濾波模塊、有效值檢測模塊和采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊，控制各模塊按流程協(xié)調(diào)工作。本實用新型方位跟蹤引導(dǎo)的膠囊內(nèi)窺鏡磁場驅(qū)動控制系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點和特
占-
^ \\\ I、結(jié)合膠囊內(nèi)窺鏡定位跟蹤引導(dǎo)的外磁場驅(qū)動方式，使驅(qū)動系統(tǒng)不需消耗膠囊本體能量，且膠囊內(nèi)置執(zhí)行機構(gòu)簡單可靠、易于微型化。2、采用交流勵磁方位實時跟蹤技術(shù)，實現(xiàn)了膠囊內(nèi)窺鏡空間位置和姿態(tài)的非接觸式連續(xù)測量，以此引導(dǎo)外磁場驅(qū)動裝置調(diào)整磁場源的梯度大小和磁場方向，實現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動控制。3、交流勵磁方位實時跟蹤技術(shù)抗干擾能力強，不受圓柱形永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場的影響。并且，采用了與外磁場驅(qū)動裝置分時工作的方式，確保方位跟蹤裝置與外磁場驅(qū)動控制裝置互不影響。4、三維正交磁場源采用六個多層圓柱線圈，形成三組正交布置的線圈對。其中，每組線圈對由兩個同軸的圓柱線圈組成，兩線圈的電流方向相反，由此得到線圈軸線方向的梯度磁場。由磁場源驅(qū)動控制電路控制三組正交線圈對產(chǎn)生所需的驅(qū)動磁場梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁場。

圖I是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型中的自適應(yīng)信號調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，包括用于設(shè)置在體外的信號發(fā)生模塊I、磁力驅(qū)動模塊2和上位機3，以及用于設(shè)置在膠囊內(nèi)的信號接收處理模塊4和永磁驅(qū)動體5。信號發(fā)生模塊I和信號接收處理模塊4組成方位實時跟蹤機構(gòu)，用于實時跟蹤膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的空間方位；磁力驅(qū)動模塊2借助方位實時跟蹤機構(gòu)實時獲取膠囊內(nèi)窺鏡的空間方位，產(chǎn)生所需的外磁場梯度和方向，驅(qū)動永磁驅(qū)動體5運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。信號發(fā)生模塊I包括交變勵磁時序控制電路11和勵磁線圈陣列12，交變勵磁時序控制電路11的輸出連接勵磁線圈陣列12的輸入，交變勵磁時序控制電路11產(chǎn)生正弦波信號，并通過其中的時序控制電路，保證每個勵磁線圈分時激磁，分時產(chǎn)生交變磁場信號。信號接收處理模塊4包括 順序電信相連的微型三軸磁場傳感器41、自適應(yīng)信號調(diào)理電路42和無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路43，微型三軸磁場傳感器41檢測勵磁線圈陣列12的交變磁場信號，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；自適應(yīng)信號調(diào)理電路42將此電信號進(jìn)行處理，提取有用信號；有用信號通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路43無線傳送至體外的磁力驅(qū)動模塊2。磁力驅(qū)動模塊2包括順序電信相連的無線數(shù)據(jù)接收電路21、高速信號處理電路22、磁場源驅(qū)動控制電路23和三維正交磁場源24，高速信號處理電路22還與上位機3電信相連；無線數(shù)據(jù)接收電路21接收信號接收處理模塊4的信號，三維正交磁場源24向永磁驅(qū)動體5提供驅(qū)動磁力。三維正交磁場源24包括六個多層圓柱線圈，且形成三組正交布置的線圈對，每組線圈對由兩個同軸的圓柱線圈組成，兩圓柱線圈的電流方向相反，可以得到線圈軸線方向的梯度磁場；所述磁場源驅(qū)動控制電路控制三組正交線圈對產(chǎn)生所需的驅(qū)動磁場梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁場，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。參見圖2，自適應(yīng)信號調(diào)理電路42包括自適應(yīng)增益控制及濾波模塊421、有效值檢測模塊422、采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊423和信號控制模塊424。自適應(yīng)增益控制及濾波模塊421的數(shù)據(jù)輸出連接有效值檢測模塊422，有效值檢測模塊422的數(shù)據(jù)輸出連接采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊423，采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊423的數(shù)據(jù)輸出連接信號控制模塊424 ;信號控制模塊424的多個信號輸出端分別連接自適應(yīng)增益控制及濾波模塊421、有效值檢測模塊422和采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊423，控制各模塊按流程協(xié)調(diào)工作。本實用新型的工作原理是，由微型三軸磁場傳感器、自適應(yīng)信號調(diào)理電路和無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路組成的信號接收處理模塊4封裝于膠囊內(nèi)，隨著膠囊內(nèi)窺鏡一起處于消化道內(nèi)，由交變勵磁時序控制電路和勵磁線圈陣列組成的信號發(fā)生模塊I布置在體表的相應(yīng)位置。初始工作時，交變勵磁時序控制電路首先與無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路進(jìn)行握手通信。握手通信成功后，由交變勵磁時序控制電路按照激勵時序?qū)Ω鱾€勵磁線圈進(jìn)行分時激磁，使勵磁線圈依次工作，產(chǎn)生特定頻率的交變磁場。微型三軸磁場傳感器檢測到空間交變磁場的變化，并將空間交變的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)非電信號的電測量。自適應(yīng)信號調(diào)理電路對微型三軸磁場傳感器的輸出進(jìn)行自適應(yīng)放大、濾波、提取交變信號的特征量、最終得到包含交變電信號特征量的有用電信號，將有用的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣及AD轉(zhuǎn)換后寫入無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路，無線發(fā)送到體外的磁力驅(qū)動模塊2。由于體外的勵磁線圈陣列有多個勵磁線圈分時工作，不同位置的勵磁線圈工作時，微型三軸磁場傳感器接收的信號大小不同，因此，膠囊內(nèi)的微型三軸磁場傳感器按照工作時序依次接收不同位置的勵磁線圈在膠囊方位處產(chǎn)生的磁場數(shù)據(jù)，并保證接收數(shù)據(jù)與勵磁線圈的對應(yīng)關(guān)系。每一輪次的勵磁線圈激勵都按相同的激勵時序進(jìn)行，在每一輪激勵開始前，使交變勵磁時序控制電路與無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路進(jìn)行握手通信，則此后按照勵磁時序依次接收數(shù)據(jù)，即可將微型三軸磁場傳感器檢測的磁場數(shù)據(jù)與相應(yīng)的勵磁線圈對應(yīng)起來。無線數(shù)據(jù)接收電路無線接收無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路傳送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送至高速信號處理電路進(jìn)行分析、處理和運算。由交流勵磁線圈的空間磁場分布可知，膠囊內(nèi)窺鏡所處的交變磁場強度與膠囊內(nèi)窺鏡的方位具有確定的函數(shù)關(guān)系式。因此微型三軸磁場傳感器輸出的電信號與膠囊內(nèi)窺鏡空間坐標(biāo)具有函數(shù)關(guān)系，根據(jù)不同位置勵磁線圈在微型三軸磁場傳感器上輸出的電信號值，結(jié)合磁場強度與空間方位的函數(shù)關(guān)系，可聯(lián)立得到一個非線性方程組，由優(yōu)化算法可求出目標(biāo)物的空間方位。 同時，高速信號處理電路還接收上位機的驅(qū)動控制指令。高速信號處理電路一方面獲取膠囊的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面根據(jù)上位機的驅(qū)動控制指令，計算出所需的磁場梯度和磁場方向。由磁場源驅(qū)動控制電路為三維正交磁場源進(jìn)行激勵，依次給三組正交布置的線圈對輸入所需的激勵電流，從而產(chǎn)生所需的磁場梯度和方向，使膠囊內(nèi)窺鏡在消化道內(nèi)完成平動和轉(zhuǎn)動。方位實時跟蹤機構(gòu)采用交變磁場跟蹤方法，抗干擾能力強，不受圓柱形永磁驅(qū)動體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場的影響。并且，采用了與外磁場驅(qū)動裝置分時工作的方式，確保方位跟蹤裝置與外磁場驅(qū)動控制裝置互不影響。
權(quán)利要求1.一種膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，其特征在于包括用于設(shè)置在體外的信號發(fā)生模塊、磁力驅(qū)動模塊和上位機，以及用于設(shè)置在膠囊內(nèi)的信號接收處理模塊和永磁驅(qū)動體；信號發(fā)生模塊和信號接收處理模塊組成方位實時跟蹤機構(gòu)，用于實時跟蹤膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的空間方位；磁力驅(qū)動模塊借助方位實時跟蹤機構(gòu)實時獲取膠囊內(nèi)窺鏡的空間方位，產(chǎn)生所需的外磁場梯度和方向，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。
2.如權(quán)利要求I所述的膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的信號發(fā)生模塊包括交變勵磁時序控制電路和勵磁線圈陣列，交變勵磁時序控制電路的輸出連接勵磁線圈陣列的輸入，勵磁線圈陣列產(chǎn)生交變磁場信號；所述的信號接收處理模塊包括順序電信相連的微型三軸磁場傳感器、自適應(yīng)信號調(diào)理電路和無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路，微型三軸磁場傳感器檢測勵磁線圈陣列的交變磁場信號，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；自適應(yīng)信號調(diào)理電路將此電信號進(jìn)行處理，提取有用信號；有用信號通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路無線傳送至體外的磁力驅(qū)動模塊。
3.如權(quán)利要求I所述的膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的磁力驅(qū)動模塊包 括順序電信相連的無線數(shù)據(jù)接收電路、高速信號處理電路、磁場源驅(qū)動控制電路和三維正交磁場源，高速信號處理電路還與上位機電信相連；無線數(shù)據(jù)接收電路接收信號接收處理模塊的信號，三維正交磁場源向永磁驅(qū)動體提供驅(qū)動磁力。
4.如權(quán)利要求3所述的膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的三維正交磁場源包括六個多層圓柱線圈，且形成三組正交布置的線圈對，每組線圈對由兩個同軸的圓柱線圈組成，兩圓柱線圈的電流方向相反，可以得到線圈軸線方向的梯度磁場；所述磁場源驅(qū)動控制電路控制三組正交線圈對產(chǎn)生所需的驅(qū)動磁場梯度，可以合成任意方向、所需大小的梯度磁場，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。
5.如權(quán)利要求2所述的膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，其特征在于所述的自適應(yīng)信號調(diào)理電路包括自適應(yīng)增益控制及濾波模塊、有效值檢測模塊、采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊和信號控制模塊；自適應(yīng)增益控制及濾波模塊的數(shù)據(jù)輸出連接有效值檢測模塊，有效值檢測模塊的數(shù)據(jù)輸出連接采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊，采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)輸出連接信號控制模塊；信號控制模塊的多個信號輸出端分別連接自適應(yīng)增益控制及濾波模塊、有效值檢測模塊和采樣及AD轉(zhuǎn)換模塊，控制各模塊按流程協(xié)調(diào)工作。
專利摘要一種膠囊內(nèi)窺鏡的驅(qū)動裝置，包括用于設(shè)置在體外的信號發(fā)生模塊、磁力驅(qū)動模塊和上位機，以及用于設(shè)置在膠囊內(nèi)的信號接收處理模塊和永磁驅(qū)動體；信號發(fā)生模塊和信號接收處理模塊組成方位實時跟蹤機構(gòu)，用于實時跟蹤膠囊內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的空間方位；磁力驅(qū)動模塊借助方位實時跟蹤機構(gòu)實時獲取膠囊內(nèi)窺鏡的空間方位，產(chǎn)生所需的外磁場梯度和方向，驅(qū)動永磁驅(qū)動體運動，從而帶動膠囊內(nèi)窺鏡運動并控制其運動方向。本實用新型采用交流勵磁方位實時跟蹤技術(shù)，實現(xiàn)了膠囊內(nèi)窺鏡空間位置和姿態(tài)的非接觸式連續(xù)測量，以此引導(dǎo)磁力驅(qū)動模塊調(diào)整磁場源的梯度大小和磁場方向，實現(xiàn)了膠囊內(nèi)窺鏡準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動控制。
文檔編號A61B1/00GK202489952SQ201220126199
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者嚴(yán)榮國, 宋成利, 郭旭東 申請人:上海理工大學(xué)