專利名稱：體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置及方法
所屬領(lǐng)域 本發(fā)明涉及醫(yī)療器械自動化領(lǐng)域，特別涉及一種體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們希望利用微機器人進入人體進行無創(chuàng)或微創(chuàng)診療。有線系統(tǒng)由于導(dǎo)線牽擾，更適于軀體近表或短行程場合。為便于體內(nèi)腔管特別是消化道的遍歷檢查及手術(shù)，人們對無線方式進行了研究。無線膠囊內(nèi)鏡是近年發(fā)展起來的消化道檢查設(shè)備，其基本特征是無線傳輸用膠囊內(nèi)部微攝像頭拍攝的消化道圖像，其代表產(chǎn)品是以色列Given Imaging公司的M2A和日本RF System實驗室的Norika系列。
以無線膠囊內(nèi)鏡為平臺建立體內(nèi)微機器人系統(tǒng)，可以實現(xiàn)消化道環(huán)境如溫度、PH值檢測，可施藥、取樣，加入微操作器后可自行或輔助完成特定手術(shù)，有極為廣闊的發(fā)展前景。
目前這些膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品均利用消化道自然蠕動來遍歷整個檢查區(qū)域，并期望最終隨排泄物排出。但消化道的生理蠕動對膠囊內(nèi)鏡的推進作用十分有限，而且整個檢查過程緩慢且不可控，例如M2A的檢查時間長達8小時，漏檢率也相當(dāng)高，還有可發(fā)生嵌頓而滯留人體。這些不足制約了膠囊內(nèi)鏡的適用范圍、診療效果以及功能擴展，因此有必要結(jié)合機器人驅(qū)動環(huán)境，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入安全有效的驅(qū)動控制。
移動驅(qū)動實現(xiàn)體內(nèi)微機器人的主動遍歷，它運動量大、能耗高，因而不同于實現(xiàn)手術(shù)等功能的微操作驅(qū)動。微操作可由本體集成激勵裝置來驅(qū)動功能材料，或者利用本體集成的電磁驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)。由于消化道盤曲復(fù)雜，表面粘滑，多凹槽和皺襞，因此以上方式對于實現(xiàn)體內(nèi)遍歷的多種宏觀、復(fù)雜而且繁重的運動不太理想。移動驅(qū)動的巨大消耗使得體載能源或無線供能無法滿足微機器人完成其他功能，如拍照或攝像、驅(qū)動、圖像傳輸乃至施藥、取活檢、手術(shù)等的總體能量需求。因此有必要尋求外部驅(qū)動方式以降低本體能耗。
直接利用外場激勵可以有效降低微機器人本體能耗。日本名古屋大學(xué)的Toshio Fukuda等人制作的微機器人利用外磁場驅(qū)動下的磁致伸縮合金機構(gòu)實現(xiàn)微管道內(nèi)爬行。但外場激勵形式單一，單純依靠外場所致的材料形變難以完成多種動作要求。
外磁場對磁性物體有力和轉(zhuǎn)矩兩種作用，利用這種直接磁力或轉(zhuǎn)矩作用進行驅(qū)動實際上更為簡便有效，而且顯著降低了微機器人本體能耗。另外，機器人的微操作如采樣、噴藥、鏡頭焦距調(diào)節(jié)等可以與移動驅(qū)動分離而不受外屆驅(qū)動磁場的影響。
日本東北大學(xué)M.Sendoh等人提出利用類似三軸亥姆霍茲線圈提供空間旋轉(zhuǎn)磁場，控制加載電流以調(diào)整磁場強度大小及方向，作用于膠囊內(nèi)嵌磁體，在膠囊表面螺旋紋推動下旋進。Norika3膠囊可以軸向旋轉(zhuǎn)，它內(nèi)置電磁線圈，由受檢者所穿外套提供旋轉(zhuǎn)磁場。但其旋轉(zhuǎn)設(shè)計是為了增加視野以減少漏檢，由于外場旋轉(zhuǎn)方向單一而且不均勻，轉(zhuǎn)換為旋進時驅(qū)動效果不佳。
實際上旋進方式有一定缺陷螺旋紋使得吞咽、排出不便并可能在消化道蠕動時造成損傷；消化道多為長筒狀薄壁，多凹槽、皺襞，旋進可能使消化道部分扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致疼痛或損傷；消化道各段直徑不一，和膠囊接觸狀況也不同，同時消化道內(nèi)容殘渣可能填塞螺紋間隙，因此難以保證旋進的效率。
因此我們提出直接利用外場磁力驅(qū)動。大多利用本體機構(gòu)進行的移動驅(qū)動，如蠕動式、輪式、履帶式、沖擊式、旋進式等，必然依賴與被檢體之間的摩擦來行進。利用直接磁力時希望減小這種摩擦，這與驅(qū)動的安全性考慮相一致。無需本體集成致動機構(gòu)也使得機器人結(jié)構(gòu)得到簡化。消化道檢查及手術(shù)時采用藥物抑制部分消化道蠕動，并保證微機器人接觸表面良好潤滑將會有利于驅(qū)動。驅(qū)動應(yīng)盡可能避免造成粘膜等組織損傷；另外由于存在各種擾動如消化道蠕動、噴嚏、咳嗽、打嗝等，受檢者也會自然動作如輕微挪動，這要求外場驅(qū)動時微機器人抵抗擾動性能較好。
一般外加磁場的梯度隨作用距離急劇變化，機器人的微小位移也可能造成受力的突變，使得定位、控制和安全性能惡化，甚至“一個噴嚏損環(huán)腸壁”。另外磁場的轉(zhuǎn)矩作用不可忽視，驅(qū)動過程中受到的較大扭轉(zhuǎn)力是潛在危險。
機器人所受磁力與外加磁場的梯度張量以及內(nèi)嵌磁性體的磁化強度有關(guān)，所受磁轉(zhuǎn)矩與場強以及內(nèi)嵌磁體的磁化強度有關(guān)(公式1)。若內(nèi)嵌磁性體微機器人內(nèi)嵌磁體，則磁化強度可視為常量，這時可以完全依靠構(gòu)造合適的外磁場環(huán)境來進行驅(qū)動。
機器人的驅(qū)動即要構(gòu)造合適的空間磁場分布，而利用組合線圈可以得到均勻的磁場強度或均勻的場強梯度。最簡單的勻場線圈是亥姆霍茲線圈，它是一對半徑為R，相距L＝R并通同向電流的電流環(huán)，能夠形成極為均勻的軸向磁場，其徑向分量可以忽略。最簡單的梯度線圈是麥克斯韋對，其半徑為R，相距L=3R,]]>通反向電流，能夠形成中心場強為零的均勻梯度，且軸向梯度約為徑向的兩倍。非軸對稱的線圈，例如方形線圈的合理組合也能夠達到同樣效果。
實際應(yīng)用的勻場線圈和梯度線圈都有多種不同的形式及設(shè)計方法。例如梯度線圈，類似于核磁共振成像(MRI)梯度線圈，其種類按與主磁場的相對方向可劃分為縱向和橫向兩種。設(shè)MRI主磁場為z向場，則只需考慮對成像有作用的gzb(b＝x，y，z)分量(公式2)。線圈分布一般通過模擬理想表面電流形成，其中g(shù)zz由縱向梯度線圈產(chǎn)生，其梯度的形成原理類似于麥克斯韋對；gzx、gzy由橫向梯度線圈產(chǎn)生，導(dǎo)線多為流線型分布或由非連續(xù)不同電流段構(gòu)成。驅(qū)動線圈由各種形式的線圈組合而成，比較實用的是柱面線圈與平面線圈。一般采用柱面形式的組合線圈，各組線圈層層疊加，可以形成較為緊湊的結(jié)構(gòu)。
實際上，橫向梯度線圈并不單純產(chǎn)生橫向梯度，縱向梯度線圈也不單純產(chǎn)生縱向梯度；與MRI不同，當(dāng)計算梯度線圈的磁力作用時需要全方向考慮梯度張量各分量的貢獻。
由于驅(qū)動時沒有所謂的主磁場，為區(qū)別MRI所用線圈，我們將驅(qū)動線圈按相對于人體(或說病床)縱軸的方向進行劃分主要提供人體(病床)縱軸方向的磁場強度或場強梯度的線圈稱為軸向線圈，主要提供垂直于人體(病床)縱軸方向的磁場強度或場強梯度的線圈稱為徑向線圈。
梯度線圈在一定空間范圍內(nèi)構(gòu)造出比較均勻的梯度場，在這個范圍內(nèi)，同一加載電流下，磁性微機器人所受到的磁力基本上與其所在位置無關(guān)，這樣就可以抵抗較大的擾動；通過改變梯度線圈的加載電流，我們可以得到不同大小和方向的梯度，作用到機器人上就得到不同大小和方向的磁力。但由于梯度線圈在不同位置的場強方向有變化，機器人運動時所受轉(zhuǎn)矩會發(fā)生改變，在足夠大的情況下會導(dǎo)致機器人非愿望扭轉(zhuǎn)，進而使機器人受力改變。保證機器人位置改變時不發(fā)生扭轉(zhuǎn)有兩種方案一是提供線圈系統(tǒng)與被檢者之間的空間相對平移自由度，使機器人始終位于低場區(qū)；二是利用勻場線圈使低場區(qū)偏移并主動跟隨機器人，甚至直接調(diào)整場強使之與機器人內(nèi)嵌磁體的磁化強度同向。
我們將兩種方案結(jié)合起來，即利用線圈的機構(gòu)運動和梯度線圈磁場獲得行進驅(qū)動力，利用病床的機構(gòu)運動和勻場線圈共同調(diào)整機器人所在位置的場強大小，從而調(diào)整機器人所受的磁轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動線圈作用區(qū)域視為無源區(qū)，不同的梯度線圈會產(chǎn)生不同的磁場分布，但合成各個梯度線圈的磁場貢獻后，磁場梯度張量各分量之間仍存在較大相關(guān)性。由于計算磁力作用需要全方向考慮梯度張量各分量的貢獻，很多情況下這些分量對磁力的貢獻會彼此消減，因此完全采用不同線圈組合及其加載電流調(diào)整以期獲得任意方向磁力的方法效果不佳。為此我們利用線圈以及病床的一定運動，協(xié)同對線圈加載電流的調(diào)整可獲得合適的驅(qū)動磁場。這樣，在確定的磁力和磁轉(zhuǎn)矩作用下，機器人的運動可以得到較好的控制。
發(fā)明內(nèi)容
目前膠囊內(nèi)窺鏡完全依靠生理蠕動在消化道中行進，沒有安全實用的主動無線驅(qū)動方法，不可控性制約了膠囊內(nèi)窺鏡的適用范圍和使用效果，使得以類似的無線內(nèi)窺鏡為平臺，向多功能體內(nèi)診療微機器人的技術(shù)擴展無法實現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種可用于體內(nèi)腔管遍歷檢查的探測器外磁場驅(qū)動裝置和方法，利用組合線圈構(gòu)造梯度均勻、空間點場強可調(diào)的磁場環(huán)境，并通過改變線圈加載電流以及線圈與病床的相應(yīng)運動來調(diào)整磁場，作用于微機器人內(nèi)嵌磁體以達到在外部控制體內(nèi)微機器人的目的。該系統(tǒng)可以為最終實現(xiàn)體內(nèi)微機器人無線可控診療奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，包括柔性外殼內(nèi)置有電連接的微攝像模塊和無限發(fā)射模塊的磁性微機器人，以及相互電連接的接收和處理中心組成的體外驅(qū)動器，其特征在于1.1、所說磁性微機器人內(nèi)置有微機器人內(nèi)嵌磁體；1.2、所說體外驅(qū)動器還包括移動病床和套裝于其外的驅(qū)動線圈，以及診療操作器，其中，驅(qū)動線圈由行進線圈、俯仰線圈和偏轉(zhuǎn)線圈相互層疊構(gòu)成，所說線圈、移動病床和診療操作器與處理中心電連接。
所述的磁性微機器人內(nèi)置有與無限發(fā)射模塊電連接的內(nèi)部微處理器。
所述的移動病床位于床座上，且與其動配合連接，并經(jīng)線圈驅(qū)動件與床座相固定連接。
所述的驅(qū)動線圈位于線圈支架上，且與其動配合連接，并經(jīng)線圈驅(qū)動件與線圈支架相固定連接。
所述的行進線圈為半圓弧狀的圓柱體，其圓柱體的軸向與移動病床的移動方向平行。
所述的俯仰線圈為對稱的半圓壁狀，分別位于移動病床移動方向的兩側(cè)。
所述的偏轉(zhuǎn)線圈為圓柱形鳥籠狀，其圓柱形的軸向與移動病床的移動方向平行。
所述的診療操作器為三維操作桿，其中，三維操作桿的行進維、俯仰維和偏轉(zhuǎn)維分別經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與處理中心電連接，處理中心的輸出端經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與行進線圈、俯仰線圈和偏轉(zhuǎn)線圈電連接。
所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器與行進線圈、俯仰線圈和偏轉(zhuǎn)線圈間電連接有線圈驅(qū)動電源。
所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置的驅(qū)動方法，包括接收磁性微機器人的信號和由此信號來控制體外驅(qū)動器的輸出，其特征在于分別設(shè)定行進線圈、俯仰線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和移動病床的初始參數(shù)，以及相應(yīng)的工作時間片，產(chǎn)生一個分時工作的時間基準(zhǔn)；于上述工作時間片完結(jié)后，根據(jù)微攝像模塊和內(nèi)部微處理器的信號，以及診療操作器的輸出，決定移動病床的位移量、行進線圈和俯仰線圈、偏轉(zhuǎn)線圈的工作電流和旋轉(zhuǎn)角度。
所述的磁性微機器人的外殼制作成膠囊狀，兩端圓滑，中間無突起和溝槽，不形成緣角，表面采用光滑的、具有一定韌性和柔性的醫(yī)用材料包覆，對人體組織的摩擦較小，在主動運動以及消化道蠕動時不造成人體損傷，磁性微機器人內(nèi)部整合內(nèi)嵌磁性體、圖像獲取模塊、內(nèi)部微處理器、無線通訊模塊等部分(其他與本系統(tǒng)無關(guān)的部分不在列)；所述的磁性微機器人內(nèi)嵌磁性體具有確定的磁化強度M，如公式(1)所示，它在外部磁場的作用下對磁性微機器人進行驅(qū)動，其中，在外部磁場梯度所致磁力作用帶動磁性微機器人本體行進，在外部磁場強度所致磁轉(zhuǎn)矩作用下帶動磁性微機器人傾斜偏轉(zhuǎn)以調(diào)整姿態(tài)，同時加強磁性微機器人行進的穩(wěn)定性，所述的圖像獲取模塊、內(nèi)部微處理器、無線通訊模塊通過柔性電路板電連接，圖像獲取模塊中的攝像頭拍攝到的消化道環(huán)境圖像，由內(nèi)部微處理器用于讀取、緩存，并控制無線通訊模塊傳送圖像信息到外部的處理中心，同時協(xié)同處理中心實現(xiàn)必要的分時控制，以降低外部驅(qū)動線圈對磁性微機器人內(nèi)部電磁、電路模塊的干擾。
另外，所述的磁性微機器人中，外部磁場的作用對象為內(nèi)嵌磁性體，驅(qū)動不依賴磁性微機器人本身的任何結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)嵌磁性體采用磁性微機器人內(nèi)嵌磁體或電磁微線圈，其中當(dāng)采用一個或多個方向配置的電磁微線圈時，改變微線圈的加載電流在一定程度上等效于外磁場的加載電流變化或外部機構(gòu)運動，但用電磁微線圈需要耗用體載能源或無線供能。
所述的處理中心負責(zé)整個系統(tǒng)的開關(guān)、初始化及總體驅(qū)動控制，它包括中央處理器及外圍硬件設(shè)備、軟件程序，外圍硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備(接收天線及傳感器)、存儲設(shè)備、顯示設(shè)備、輸入終端、各種數(shù)據(jù)與信號線路及接口，它連接磁性微機器人位置檢測裝置、運動執(zhí)行裝置、線圈電源和診療操作器，接收圖像信號、磁性微機器人位置檢測信號、線圈運動和電流反饋、病床運動反饋以及診療操作器控制信號，生成線圈電流加載、線圈旋轉(zhuǎn)運動以及病床運動的控制信號。
所述的診療操作器包括底座、舵桿、開關(guān)按鈕及滑鈕，舵桿可作球副轉(zhuǎn)動，滑鈕可線性調(diào)整驅(qū)動力倍值，診療操作器用于指示磁性微機器人偏轉(zhuǎn)、俯仰、停止及行進等的動作信號，同時提供對驅(qū)動力大小的調(diào)整，其控制信號通過處理中心實現(xiàn)于線圈運動執(zhí)行裝置和線圈電源。另外，所述的診療操作器裝配磁轉(zhuǎn)矩作用開關(guān)，對是否采用磁轉(zhuǎn)矩輔助調(diào)整磁性微機器人姿態(tài)進行設(shè)定，開關(guān)開啟時所述的病床運動執(zhí)行器停止由處理中心的自動控制，而由診療操作器經(jīng)處理中心提供病床運動的控制信號輸入，另裝配緊急開關(guān)，緊急情況下立即切斷線圈電源，關(guān)閉驅(qū)動磁場以預(yù)防意外事件造成安全危害。
所述的磁性微機器人位置檢測裝置由磁傳感器制作而成，檢測驅(qū)動時微機器人的矢量位置信息及姿態(tài)信息，提供給處理中心，位置測量裝置由磁阻傳感器，或霍爾傳感器制作而成，由處理中心處理計算得到內(nèi)嵌磁體的空間位置信息及其磁化強度M的矢量方向，以實現(xiàn)位置及姿態(tài)控制，其檢測方案包括兩種
①位置檢測裝置采用三維磁傳感器，整合到磁性微機器人內(nèi)部，傳感器與內(nèi)嵌磁體之間的位置相對固定，內(nèi)嵌磁體對傳感器測量處的磁場貢獻為常量，傳感器檢測外部線圈磁場，采集動態(tài)場強信號并由無線通訊模塊無線發(fā)射出來，已知的外部磁場的均勻梯度特征建立了磁場強度與空間位置之間的強線性關(guān)系，由檢測得到的磁場強度信息容易獲得磁性微機器人空間位置信息；②位置檢測裝置采用磁傳感器陣列，分布于病床或被檢者身體表面，在外部驅(qū)動磁場減弱間隙檢測磁性微機器人內(nèi)嵌磁體矢量場強值的變化，最終獲得磁性微機器人位置信息。
所述的病床為非磁性病床，比人體肩部略寬，病床不受驅(qū)動磁場影響也不對驅(qū)動磁場產(chǎn)生干擾，被檢者躺臥在該病床上，病床可沿其縱軸平移，將被檢者推送到驅(qū)動線圈作用區(qū)。
所述的驅(qū)動線圈圍覆被檢者受檢部位，提供外部驅(qū)動磁場，線圈表面貼附霍爾傳感器以獲得加載電流信號反饋。驅(qū)動線圈由線圈電源提供電流加載，如同公式的描述，其構(gòu)造的磁場環(huán)境與其加載電流廣義上呈線性關(guān)系。驅(qū)動線圈由行進線圈、俯仰線圈和偏轉(zhuǎn)線圈組三種線圈層疊構(gòu)成，其制作方法類似MRI線圈(包括梯度線圈和射頻線圈)，充填絕緣層以使彼此之間不導(dǎo)通及進行加固，層疊順序無要求，三種線圈做成一體，在線圈運動執(zhí)行器驅(qū)動下繞病床縱軸整體旋轉(zhuǎn)，或三種線圈做成分離結(jié)構(gòu)，僅徑向梯度線圈或加上部分其它線圈，繞病床縱軸旋轉(zhuǎn)。其中所述的俯仰線圈、分別用于提供病床軸向和徑向梯度；所述的偏轉(zhuǎn)線圈組，提供軸截面上的場強分量，用于調(diào)整磁性機器人所在位置的徑向場強。另外，所述的驅(qū)動線圈中可以不使用偏轉(zhuǎn)線圈，此時公式(7)中的λ＝0，磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)整完全依靠病床與驅(qū)動線圈之間在三維方向的相對平移，也就是p的變化完成，此時驅(qū)動的穩(wěn)定性和可控性降低，對于磁性微機器人姿態(tài)的輔助調(diào)整能力降低，而且由于三維平移要求更多的自由空間，使得線圈的體積增加。
所述的運動執(zhí)行裝置包括線圈運動執(zhí)行器和病床運動執(zhí)行器，驅(qū)動線圈由支架支撐，并由線圈運動執(zhí)行器驅(qū)動而繞病床精確旋轉(zhuǎn)，其值用公式(4)中的γ度量；病床由支架支撐，利用絲杠等傳動方式，由病床運動執(zhí)行器驅(qū)動沿自身軸線精確平移，其值即公式(5)中p在病床軸線上的分量，其中病床運動執(zhí)行器的平移運動可直接由處理中心自動控制。以上機構(gòu)運動協(xié)同驅(qū)動線圈的加載電流調(diào)整共同控制驅(qū)動磁場環(huán)境。
所述的線圈電源，在處理中心的控制下，能夠進行多路電流加載及實時電流值調(diào)整，并從附于線圈上的霍爾傳感器或的電流信號反饋。其加載電流值用公式(5)中的向量IG與IB表示。
所述的線圈支架以及床座固定于地面，分別支撐線圈與病床，運動執(zhí)行裝置安裝在線圈支架之上。
驅(qū)動磁場作用于含有內(nèi)嵌磁體的磁性微機器人，使磁性微機器人在可控梯度磁場的直接力及力矩作用下運動，在磁場控制下能夠有效地完成行進、停止、俯仰、偏轉(zhuǎn)等動作要求，從而能夠定位重點區(qū)段和懷疑區(qū)段對被檢者進行仔細檢查和治療。
相關(guān)公式F＝∫V(M·)Bdv T＝∫VM×BdvF＝VG·M T＝VM×B (1)
G=gxxgxygxzgyxgyygyzgzxgzygzz(gab=∂Ba∂b;a,b=x,y,z)----(2)]]>·B＝0 ×B＝0gxx+gyy+gzz＝0gab＝gba(a≠b) (3)C=1000cosγsinγ0-sinγcosγ----(4)]]>G＝κIG；B＝Gp+λIB(5)VκI(CTM)＝CTF (6)VM×[C(κIGp+λIB)]＝T (7)其中公式(1)磁場作用力與轉(zhuǎn)矩公式，其中F為磁力；T為磁轉(zhuǎn)矩；V為內(nèi)嵌磁體體積；M為內(nèi)嵌磁體的磁化強度；B為外部磁場磁感應(yīng)強度；此式中由于磁性微機器人內(nèi)嵌磁體較小，因而假設(shè)場強及其梯度在磁性微機器人內(nèi)部均勻分布；(2)G為磁場梯度張量，式中a，b取x，y，z中任意值，本驅(qū)動系統(tǒng)即通過組合線圈及其相對運動獲得合適的G，作用于磁性微機器人內(nèi)嵌磁體從而產(chǎn)生合適的驅(qū)動力；(3)僅考慮外部驅(qū)動線圈磁場，根據(jù)Maxwell靜磁場方程得到線圈磁場梯度張量各分量有較高相關(guān)性，由該式表示的這一相關(guān)性導(dǎo)致靜態(tài)線圈難以獲得任意方向的磁力，因此我們設(shè)計了線圈相對人體(病床)運動的驅(qū)動方案，考慮到人體結(jié)構(gòu)，將這一運動設(shè)計為繞人體(病床)旋轉(zhuǎn)；(4)線圈繞人體(病床)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，其中γ為旋轉(zhuǎn)角度，其轉(zhuǎn)軸沿病床軸線，設(shè)定以順時針為正；
(5)與加載電流相關(guān)系的磁場描述方程，其中p為簇新微機器人所在位置P離開驅(qū)動線圈中心的位置矢量；G為各線圈在P點的梯度張量之和；B為P點處的磁感應(yīng)強度；κ、λ分別為與梯度線圈和勻場線圈自身參數(shù)相關(guān)的常量，其中κ為三階常數(shù)矩陣，λ為常向量；IG與IB分別為梯度線圈與勻場線圈的各部分加載電流組成的向量；(6)與加載電流相關(guān)系的磁力描述方程，顯示可用旋轉(zhuǎn)矩陣C及梯度線圈加載電流IG控制磁力大小。
(7)與加載電流相關(guān)系的磁轉(zhuǎn)矩描述方程，該式為各線圈做成一體共同旋轉(zhuǎn)的情況，顯示可用旋轉(zhuǎn)矩陣C、病床平移(影響p)及梯度線圈加載電流IG控制磁轉(zhuǎn)矩大小。
本發(fā)明的有益效果是通過將磁場技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像技術(shù)、電動力技術(shù)等結(jié)合并應(yīng)用于無創(chuàng)診療領(lǐng)域，以實現(xiàn)體內(nèi)磁性微機器人的外部無線驅(qū)動控制；主動驅(qū)動縮減了檢查所需時間，并降低了漏檢率，使得診療方便而且高效。
梯度線圈產(chǎn)生的均勻梯度場使得驅(qū)動系統(tǒng)能夠抵抗較大擾動，偏轉(zhuǎn)線圈可調(diào)整磁性微機器人所在位置的場強，從而抑制其非愿望扭轉(zhuǎn)，提高了驅(qū)動安全性和可靠性。
利用直接磁力時可以主動減小磁性微機器人與被檢體之間的力作用，以降低檢查不適感；磁性微機器人在磁場控制下能夠有效地完成平移、俯仰、偏轉(zhuǎn)等動作要求，從而能夠定位重點區(qū)段和懷疑區(qū)段進行仔細檢查和治療，增強了其診療的有效性；
可進一步擴展磁性微機器人的施藥、取樣、手術(shù)等治療功能，提高其診療能力。不僅適用于生物體腔管環(huán)境，也適合各種管徑的多種非金屬管道內(nèi)驅(qū)動，有較廣的應(yīng)用范圍。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明專利做進一步的說明。
圖1是亥姆霍茲線圈以及麥克斯韋對磁場特性示意圖。
圖2是體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置及方法結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是驅(qū)動裝置實體示意圖；圖4是驅(qū)動線圈7構(gòu)成例圖；圖5是驅(qū)動線圈的其他構(gòu)成例圖；圖6是實際應(yīng)用的部分核磁共振俯仰線圈示意圖。
圖1是亥姆霍茲線圈以及麥克斯韋對磁場特性示意圖。亥姆霍茲線圈是一對半徑為R，相距L＝R并通同向電流的電流環(huán)，能夠形成極為均勻的軸向磁場，而其徑向分量可以忽略。麥克斯韋對半徑為R，相距L=3R,]]>通反向電流，能夠形成中心場強為零的均勻梯度，且軸向梯度約為徑向的兩倍，圖中麥克斯韋對僅示明軸向磁場Bz。
圖2是外部驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是驅(qū)動裝置實體示意圖。
結(jié)合所述的圖2和圖3，其中1磁性微機器人；2處理中心；3診療操作器；4外部驅(qū)動裝置；5機器人位置檢測裝置；6病床；7驅(qū)動線圈；8運動執(zhí)行裝置；9線圈電源；10線圈支架；11床座；12消化道。
所述的磁性微機器人1，包括內(nèi)嵌磁體1a、無線發(fā)射模塊1b、內(nèi)部微處理器1c、微攝像模塊1d等部分。
所述的運動執(zhí)行裝置8，包括8a線圈運動執(zhí)行器；8b病床運動執(zhí)行器。
圖4是驅(qū)動線圈7構(gòu)成例圖，所述的驅(qū)動線圈7，包括7a行進線圈；7b俯仰線圈；7c提供橫向場強的柱面偏轉(zhuǎn)線圈組(鳥籠型線圈)。這里的軸向和徑向是相對于病床軸向劃分的，區(qū)別于核磁共振線圈的表述。
圖5是驅(qū)動線圈的其他構(gòu)成例圖，圖中均為軸對稱線圈，其中里面2對是多匝多層的麥克斯韋對，外面2對是多匝多層的亥姆霍茲線圈。
圖6是實際應(yīng)用的部分核磁共振梯度線圈示意圖，依次為橫向柱面梯度線圈A，縱向柱面梯度線圈B，橫向平面梯度線圈C，縱向平面梯度線圈D，在驅(qū)動線圈設(shè)計時可作為參考。
具體實施例方式
在圖2中，磁性微機器人1、診療操作器3和外部驅(qū)動裝置4均與處理中心2相連。其中磁性微機器人1由被檢者吞咽，進入消化道后與外部處理中心2進行無線通訊，診療操作器3通過處理中心2對外部驅(qū)動裝置4中的運動執(zhí)行裝置8及線圈電源9實施控制，并由病床6、驅(qū)動線圈7執(zhí)行。
磁性微機器人1制作成膠囊狀，兩端圓滑，中間無突起和溝槽，不形成緣角，表面采用光滑的、具有一定韌性和柔性的醫(yī)用材料包覆，對人體組織的摩擦較小，在主動運動以及消化道蠕動時不造成人體損傷，適合吞咽、遍歷消化道及最終排泄。
磁性微機器人內(nèi)部整合內(nèi)嵌磁性體1a、圖像獲取模塊1b、內(nèi)部微處理器1c、無線通訊模塊1d等部分(其他與本系統(tǒng)無關(guān)的部分不在列)，其中后面三部分實際上是一體的，并通過柔性電路板電連接。
所述的內(nèi)嵌磁性體1a位于磁性微機器人中部，采用NdFeB磁體制作，呈圓柱形充塞于柔性電路板空隙處，或制作成針狀充塞于電路板與殼體之間的間隙。內(nèi)嵌磁性體1a具有確定的磁化強度M，它在外部磁場梯度所致磁力作用下帶動磁性微機器人本體行進，在外部磁場強度所致磁轉(zhuǎn)矩作用下帶動磁性微機器人傾斜偏轉(zhuǎn)以調(diào)整姿態(tài)，同時加強磁性微機器人行進的穩(wěn)定性。另外，所述的磁性微機器人1中，外部磁場的作用對象為內(nèi)嵌磁性體1a，驅(qū)動不依賴磁性微機器人本身的任何結(jié)構(gòu)特征。內(nèi)嵌磁性體1a也可以采用一個或多個方向配置的電磁微線圈，改變微線圈的加載電流在一定程度上等效于外磁場的加載電流變化或外部機構(gòu)運動，但用電磁微線圈需要耗用體載能源或無線供能。所述的圖像獲取模塊1b位于磁性微機器人的頭部，其攝像頭采用CMOS或CCD，拍攝的消化道環(huán)境圖像信息由內(nèi)部微處理器1c讀取、緩存，并通過微攝像模塊1d傳送到外部的處理中心2。無線發(fā)射模塊1c協(xié)同處理中心2實現(xiàn)必要的分時控制，以降低外部線圈7驅(qū)動時對磁性微機器人內(nèi)部電磁、電路模塊的干擾。所述的微攝像模塊1d中天線部件繞于柔性電路板外圍、接近磁性微機器人1外殼處。
所述的處理中心2由計算機工作站及相關(guān)軟硬件構(gòu)成，作為各數(shù)據(jù)及信號的集中地，提供醫(yī)護操作人員操作體內(nèi)磁性微機器人1的參照界面。
所述的圖像信息操作診療操作器3，提供偏轉(zhuǎn)、俯仰、停止及行進等動作信號，另外還有磁轉(zhuǎn)矩作用開關(guān)、磁場緊急關(guān)閉開關(guān)。診療操作器3的磁轉(zhuǎn)矩輔助姿態(tài)調(diào)整指令比處理中心2的自動低場區(qū)調(diào)整指令有更高的優(yōu)先級，當(dāng)有必要利用磁轉(zhuǎn)矩作用輔助調(diào)整磁性微機器人姿態(tài)時，可打開磁轉(zhuǎn)矩作用開關(guān)手動調(diào)整偏轉(zhuǎn)線圈組7c加載電流。
所述的磁性微機器人位置檢測裝置5由磁阻傳感器，或霍爾傳感器制作而成，并有兩種檢測方案，即檢測外部線圈或者檢測磁性微機器人內(nèi)嵌磁體矢量場強值。檢測得到的信息，和已知磁場空間分布作比較，處理計算得到磁性微機器人1的位置信息及其磁化強度M的矢量方向，提供給處理中心2。用測量內(nèi)嵌磁體磁場方式時，位置檢測裝置5采用磁傳感器陣列，分布于病床或被檢者身體表面，在外部驅(qū)動磁場減弱間隙檢測磁性微機器人內(nèi)嵌磁體矢量場強值的變化，最終獲得磁性微機器人位置信息，圖2中表示的就是這種方式；或用測量外部線圈磁場方式，位置檢測裝置5做成三維磁傳感器，整合到磁性微機器人1內(nèi)部，傳感器與內(nèi)嵌磁體之間的位置相對固定，內(nèi)嵌磁體對傳感器測量處的磁場貢獻為常量，傳感器檢測外部線圈磁場，采集動態(tài)場強信號并由微攝像模塊1d無線發(fā)射出來，已知的外部磁場的均勻梯度特征建立了磁場強度與空間位置之間的強線性關(guān)系，因此由檢測得到的磁場強度信息容易獲得磁性微機器人空間位置信息。
所述的病床6為非磁性病床，被驅(qū)動線圈7包覆，隨著驅(qū)動線圈形式的不同，病床6及驅(qū)動線圈7均有相應(yīng)的不同運動形式，在此我們依據(jù)人體結(jié)構(gòu)設(shè)計為病床平移。
所述的驅(qū)動線圈7提供外部磁場，由俯仰線圈和偏轉(zhuǎn)線圈組層疊構(gòu)成，通過霍爾傳感器獲得加載電流信號反饋。設(shè)計時要求減小各線圈對機器人力作用的相互消減，線圈電源按控制要求對各組線圈分別加載不同電流，得到不同的磁場大小及分布。電流控制可以從各線圈上裝霍爾傳感器以獲得反饋。假設(shè)線圈空間(可容納最大柱體直徑)為60cm，磁性微機器人總重5克，內(nèi)嵌內(nèi)嵌約1.8g(246mm3)NdFeB磁體，其磁化強度為106A/m，則吸起這5克的磁性微機器人至少需要0.2T/m的梯度，這將要求驅(qū)動磁性微機器人加載較大電流，因此對線圈的制作以及線圈電源有較高要求。
在圖4所示驅(qū)動線圈構(gòu)成例中，三組線圈均采用柱面形式，結(jié)構(gòu)較為緊湊。驅(qū)動線圈參照MRI中的線圈設(shè)計，其中7a行進線圈位于病床軸向方向上，它主要提供軸向梯度，同時它也有徑向梯度分量；7b仰俯線圈位于病床6橫向方向上，它主要提供徑向梯度，同時它也有軸向梯度分量；7c為鳥籠型偏轉(zhuǎn)線圈，提供軸截面上的場強，用于調(diào)整磁性微機器人所在位置的徑向(相對于病床軸線)場強分量。各組線圈之間充填絕緣層以使彼此之間不導(dǎo)通及進行加固，層疊順序無要求。線圈通過各種工藝技術(shù)進行優(yōu)化，得到低功耗、高線性度、緊湊而高效的驅(qū)動系統(tǒng)。
在圖5所示驅(qū)動線圈構(gòu)成例中，三組線圈均采用軸對稱結(jié)構(gòu)的多匝多層線圈，形式較為簡單。圖中所示的4組線圈中，最里面兩組為仰俯線圈，而外面兩組為偏轉(zhuǎn)線圈，它們的功能與圖4中所述的各線圈功能相同，其安置順序是考慮到要盡量增加線圈空間與線圈體積之比。這4組線圈中至少由內(nèi)向外的第二組俯仰線圈，即徑向俯仰線圈能夠繞病床軸線旋轉(zhuǎn)。
所述的運動執(zhí)行裝置8包括線圈運動執(zhí)行器8a和病床運動執(zhí)行器8b，一般以電機作為動力。驅(qū)動線圈由線圈支架10支撐，兩者由潤滑良好的轉(zhuǎn)動副連接，在線圈運動執(zhí)行器8a驅(qū)動下全部或部分線圈繞病床6精確旋轉(zhuǎn)；病床6由床座11支撐，床座11至少有床體的兩倍長，可利用絲杠等傳動方式，由病床運動執(zhí)行器8b驅(qū)動沿自身軸線精確平移。這些機構(gòu)運動協(xié)同線圈電源9對線圈加載電流的調(diào)整可獲得合適的驅(qū)動磁場。如圖4所述的俯仰線圈7b繞病床6縱向的旋轉(zhuǎn)運動，配合驅(qū)動線圈7的電流加載，可獲得有效的空間磁場梯度，即得到有效的空間力；偏轉(zhuǎn)線圈組7c，加上病床6的相對平移，可在磁性微機器人1位置處得到合適的空間場強值，從而獲得合適的磁轉(zhuǎn)矩，沒有輔助姿態(tài)調(diào)整要求時，動態(tài)調(diào)整磁性微機器人1所在位置為低場區(qū)，否則調(diào)整為姿態(tài)調(diào)整所需特定場強值。其中病床6平移用于調(diào)整磁性微機器人1所在位置的縱向場強分量。
具體檢查過程為首先，磁性微機器人1打開開關(guān)，圖像獲取裝置1b、微處理器1c及微攝像模塊1d開始工作。磁性微機器人1由被檢者吞入腹中，進入被檢者消化道12，無線傳送出消化道12的圖像信息，由外部處理中心2的天線接收，然后處理中心2處理后在屏幕顯示；被檢者躺臥到非磁性病床6上，病床6沿軸線平移，將被檢者推送到驅(qū)動線圈7作用區(qū)附近。接著系統(tǒng)開始初始化。
醫(yī)護操作人員通過處理中心2發(fā)出系統(tǒng)初始化命令，外部驅(qū)動裝置4準(zhǔn)備操作，位置檢測裝置5檢測磁性微機器人1的位置信息提供給處理中心2，如果磁性微機器人1不在低場區(qū)，則處理中心2向病床運動執(zhí)行器8b及線圈電源9發(fā)出指令，病床6縱向平移，使得磁性微機器人1處于低場區(qū)包含的平面內(nèi)，同時調(diào)整偏轉(zhuǎn)線圈組7c加載電流，低場區(qū)平移至磁性微機器人1所在位置，至此系統(tǒng)初始化完畢；然后，醫(yī)護操作人員根據(jù)消化道圖像信息操作診療操作器3，得到偏轉(zhuǎn)、俯仰、行進、停止等不同控制動作，由處理中心2轉(zhuǎn)換為電流及運動裝置控制信號，向線圈電源9發(fā)出行進、俯仰線圈7a、7b電流加載指令、向線圈運動執(zhí)行器8a發(fā)出旋轉(zhuǎn)運動指令，從而獲得必要的驅(qū)動力。一般情況下，在處理中心2自動控制下，偏轉(zhuǎn)線圈組7c及病床運動執(zhí)行器8b協(xié)同調(diào)整磁性微機器人1所在位置為低場區(qū)，若有輔助調(diào)整姿態(tài)要求，則由醫(yī)護操作人員打開診療操作器3上的磁轉(zhuǎn)矩開關(guān)，對偏轉(zhuǎn)線圈組7c加載電流進行控制；驅(qū)動磁場作用于含有內(nèi)嵌磁體的磁性微機器人1，使磁性微機器人1在可控梯度磁場的直接力及力矩作用下運動，在磁場控制下能夠有效地完成平移、俯仰、偏轉(zhuǎn)等動作要求，從而能夠定位重點區(qū)段和懷疑區(qū)段對被檢者進行仔細檢查和治療。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動線圈、病床及其相關(guān)機構(gòu)運動，磁性微機器人位置檢測手段進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，包括柔性外殼內(nèi)置有電連接的微攝像模塊(1d)和無限發(fā)射模塊(1b)的磁性微機器人(1)，以及相互電連接的接收和處理中心(2)組成的體外驅(qū)動器，其特征在于1.1、所說磁性微機器人(1)內(nèi)置有微機器人內(nèi)嵌磁體(1a)；1.2、所說體外驅(qū)動器還包括移動病床(6)和套裝于其外的驅(qū)動線圈(7)，以及診療操作器(3)，其中，驅(qū)動線圈(7)由行進線圈(7a)、俯仰線圈(7b)和偏轉(zhuǎn)線圈(7c)相互層疊構(gòu)成，所說線圈(7)、移動病床(6)和診療操作器(3)與處理中心(2)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是磁性微機器人(1)內(nèi)置有與無限發(fā)射模塊(1b)電連接的內(nèi)部微處理器(1c)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是移動病床(6)位于床座(11)上，且與其動配合連接，并經(jīng)線圈驅(qū)動件(8a)與床座(11)相固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是驅(qū)動線圈(7)位于線圈支架(10)上，且與其動配合連接，并經(jīng)線圈驅(qū)動件(8b)與線圈支架(10)相固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是行進線圈(7a)為半圓弧狀的圓柱體，其圓柱體的軸向與移動病床(6)的移動方向平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是俯仰線圈(7b)為對稱的半圓壁狀，分別位于移動病床(6)移動方向的兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是偏轉(zhuǎn)線圈(7c)為圓柱形鳥籠狀，其圓柱形的軸向與移動病床(6)的移動方向平行。
8根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是診療操作器(3)為三維操作桿，其中，三維操作桿的行進維、俯仰維和偏轉(zhuǎn)維分別經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與處理中心(2)電連接，處理中心(2)的輸出端經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與行進線圈(7a)、俯仰線圈(7b)和偏轉(zhuǎn)線圈(7c)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置，其特征是數(shù)模轉(zhuǎn)換器與行進線圈(7a)、俯仰線圈(7b)和偏轉(zhuǎn)線圈(7c)之間電連接有線圈驅(qū)動電源(9)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置的驅(qū)動方法，包括接收磁性微機器人(1)的信號和由此信號來控制體外驅(qū)動器的輸出，其特征在于分別設(shè)定行進線圈(7a)、俯仰線圈(7b)、偏轉(zhuǎn)線圈(7c)和移動病床的初始參數(shù)，以及相應(yīng)的工作時間片，產(chǎn)生一個分時工作的時間基準(zhǔn)；于上述工作時間片完結(jié)后，根據(jù)微攝像模塊(1d)和處理中心(2)的信號，以及診療操作器(3)的輸出，決定移動病床(6)的位移量、行進線圈(7a)和俯仰線圈(7b)、偏轉(zhuǎn)線圈(7c)的工作電流和旋轉(zhuǎn)角度；具體檢查過程為磁性微機器人(1)打開開關(guān)，圖像獲取裝置(1b)、微處理器(1c)及無線通訊裝置(1d)開始工作，磁性微機器人(1)由被檢者吞入腹中，進入被檢者消化道(12)，無線傳送出消化道(12)的圖像信息，由外部處理中心(2)的天線接收，然后處理中心(2)處理后在屏幕顯示；被檢者躺臥到非磁性病床(6)上，病床沿軸線平移，將被檢者推送到驅(qū)動線圈(7)作用區(qū)附近系統(tǒng)開始初始化；醫(yī)護操作人員通過處理中心(2)發(fā)出系統(tǒng)初始化命令，外部驅(qū)動裝置(4)準(zhǔn)備操作，機器人位置檢測裝置(5)檢測磁性微機器人(1)的位置信息提供給處理中心(2)，如果磁性微機器人不在低場區(qū)，則處理中心(2)向病床運動執(zhí)行器(8b)及線圈電源(9)發(fā)出指令，病床(6)縱向平移，使得磁性微機器人(1)處于低場區(qū)包含的平面內(nèi)，同時調(diào)整偏轉(zhuǎn)線圈組(7c)加載電流，低場區(qū)平移至磁性微機器人(1)所在位置；醫(yī)護操作人員根據(jù)消化道圖像信息操作診療操作器(3)，得到偏轉(zhuǎn)、俯仰、行進、停止不同控制動作，由處理中心(2)轉(zhuǎn)換為電流及運動裝置控制信號，向線圈電源(9)發(fā)出行進、俯仰線圈(7a、7b)電流加載指令、向運動執(zhí)行裝置(8)中的線圈運動執(zhí)行器(8a)發(fā)出旋轉(zhuǎn)運動指令，從而獲得必要的驅(qū)動力，在處理中心(2)自動控制下，偏轉(zhuǎn)線圈組(7c)及病床運動執(zhí)行器(8b)協(xié)同調(diào)整磁性微機器人(1)所在位置為低場區(qū)，若有輔助調(diào)整姿態(tài)要求，則由醫(yī)護操作人員打開診療操作器(3)上的磁轉(zhuǎn)矩開關(guān)，對偏轉(zhuǎn)線圈組(7c)加載電流進行控制；驅(qū)動磁場作用于含有內(nèi)嵌磁體的磁性微機器人(1)，使磁性微機器人(1)在可控梯度磁場的直接力及力矩作用下運動，在磁場控制下完成平移、俯仰、偏轉(zhuǎn)動作要求，根據(jù)定位重點區(qū)段和懷疑區(qū)段對被檢者進行檢查和治療。
全文摘要
本發(fā)明公開了體內(nèi)探測器外磁場驅(qū)動裝置及方法。包括磁性微機器人及其內(nèi)嵌磁性體、處理中心、診療操作器和外部驅(qū)動裝置。利用組合線圈系統(tǒng)構(gòu)造空間意義上較為均勻的梯度磁場，通過調(diào)整加載電流以及部分線圈對于人體的相對運動共同控制梯度大小與方向，作用于磁性微機器人的內(nèi)置磁性體以獲得期望的空間矢量力，進而實現(xiàn)期望的運動。外磁場驅(qū)動方法不依賴微磁性微機器人與人體組織之間的摩擦行進，而且均勻梯度避免了磁場作用下由于磁性微機器人位移造成的受力突變，因此提出的驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的安全性與可控性，為進一步研究梯度磁場驅(qū)動體內(nèi)腔管磁性微機器人奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號A61B1/045GK1718152SQ20051004088
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者簡小云, 梅濤, 汪小華, 王銳, 路巍 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院