CN101283901A - 肠道诊疗机器人系统及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

肠道诊疗机器人系统及其运动控制方法，用于在动物或人体的肠道进行诊疗操作，属于生物医学工程领域。该系统包括肠道诊疗机器人、控制器，肠道诊疗机器人包括运动驱动体、若干个刺激电极、诊疗仓、柔性固定环，所述刺激电极和运动驱动体固定连接，所述诊疗仓包括运动控制电路、微型诊疗单元，运动控制电路和刺激电极通过柔性电路线连接，诊疗仓和运动驱动体柔性固定连接，所述的运动驱动体可以为肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫，如似蚓蛔线虫或者转基因似蚓蛔线虫，肠道诊疗机器人系统运动控制方法主要利用刺激电极刺激运动驱动体，本发明与现有技术相比具有以下技术效果：以主动驱动的方式进入肠道深部、较高的能量效率和良好的生物相容性。

Description

肠道诊疗机器人系统及其运动控制方法

技术领域：

本发明涉及一种肠道诊疗机器人系统及其运动控制方法，用于在动物或人体的肠道进行诊疗操作，属于生物医学工程技术领域。

背景技术：

无创、微创一直是消化道疾病诊疗的重要发展方向。传统的插入式肠道内窥镜，在插入操作检查过程中，使得患者产生严重的不舒适感甚至创伤，而且很难进入肠道的深部。肠道诊疗机器人(Intestinal Medical Robot，IMR)，在医生的操控下可以主动地进入肠道，不仅可以进入肠道深部，而且可以大幅度的减少创伤，近年来成为国际研究热点。但是，近年来研究表明，肠道诊疗机器人的主动驱动仍然是该方向的瓶颈问题。研究人员已经从多种思路进行肠道诊疗机器人驱动体研究，如形状记忆合金(SMA)、压电驱动、气体驱动、电磁驱动等，其中，意大利CRIM试验室的Paolo Dario是该领域最著名的学者，他领导的欧盟合作项目BIOLOCH开展了基于仿生学(Bionics)的肠道机器人驱动技术前沿研究，意大利、德国、英国、法国的多家高校及研究机构的研究人员联合，研究多毛环节动物、蠕虫、蚯蚓等动物的运动机理，利用形状记忆聚合物、SMA、生物胶、人造肌肉等多种手段研制肠道机器人驱动机构。研究表明，基于“仿生原理+机电系统”的肠道机器人驱动技术，距离实际应用仍有诸多问题，其中能量供给问题较为突出，各种驱动机构，如SMA驱动、电磁驱动、压电驱动等均存在能量消耗较大的问题，都需要一根用于供给能量的线缆，尽管克服了传统插入式操作的创伤，但由于供能线缆的束缚，在总体结构上仍然和当前的插入式消化内镜类似，在进入肠道深部方面仍存在着一定的局限性。更重要的是，主动驱动的肠道诊疗机器人的驱动机构的散热问题难于解决，如形状记忆合金的驱动过程中伴随着反复的发热、散热过程，产生大量的热量导致了生物安全性的隐患。如何克服主动驱动中的能量瓶颈问题，获得一种现对独立的、具有较高能量效率、可以进入肠道深部的肠道机器人，当前仍然没有很好的解决思路。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可主动驱动进入肠道深部、具有较高能量效率、良好生物相容性的肠道诊疗机器人系统及其控制方法。

本发明的技术方案如下所述：

肠道诊疗机器人系统，系统包括可通过肛门进入动物或者人体肠道的肠道诊疗机器人、位于动物或者人体肠道外的控制器，其中肠道诊疗机器人包括运动驱动体、若干个刺激电极、诊疗仓、柔性固定环，所述刺激电极和运动驱动体固定连接，所述诊疗仓包括运动控制电路、微型诊疗单元，运动控制电路和刺激电极通过柔性电路线连接，诊疗仓和运动驱动体柔性固定连接。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的运动驱动体可以为长度大于15mm，直径大于5mm的肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫。所述的运动驱动体可以为似蚓蛔线虫、或者为转基因似蚓蛔线虫。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的微型诊疗单元包括图像传感单元、或者药物控释单元、或者消化道参数检测单元、或者所述三种微型诊疗单元中的任意组合。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的控制器和肠道诊疗机器人中的诊疗仓也可以通过一个柔性线缆连接。

肠道诊疗机器人系统运动控制方法，技术方案为：位于体外的控制器发出运动控制信号，位于肠道诊疗机器人中的运动控制电路接收该运动控制信号，再由运动控制电路发出相应的刺激信号，并将刺激信号传输至和运动驱动体固定连接的若干个刺激电极中的一对或者其中几对，运动驱动体在刺激电极的刺激信号作用下完成设定运动动作，从而实现肠道诊疗机器人在肠道中的运动。

本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，所述的刺激电极可以为针状金属电极，并且刺激电极的一部分植入运动驱动体体内。所述的针状刺激电极的尖端植入部位是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，所述的刺激电极也可以为光波刺激电极，该光波刺激电极包括微型发光单元，所述光波刺激电极和运动驱动体表面紧密接触。所述的光波刺激电极的光波刺激部位可以是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

本发明的工作过程及原理为：

以患者进行肠道诊疗检测为例说明本发明的工作过程及工作原理。在检测之前，患者要进行必要的肠道清理等准备工作。在医生的操作下，肠道诊疗机器人由肛门导入人体肠道，医生或者专业操作人员操作位于人体肠道外的控制器，位于体外的控制器发出运动控制信号，位于肠道诊疗机器人中的运动控制电路接收该运动控制信号，再由运动控制电路发出相应的刺激信号，并将刺激信号传输至和运动驱动体固定连接的若干个刺激电极中的一对或者其中几对，运动驱动体，如转基因似似蚓蛔线虫在刺激电极的刺激信号作用下完成设定运动动作，如前进、后退等动作，从而实现肠道诊疗机器人在肠道中的主动运动。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)可以以主动驱动的方式进入肠道深部。本发明利用刺激电极刺激运动驱动体的方式驱使肠道诊疗机器人运动，可以以主动驱动的方式进入肠道深部。

(2)具有较高的能量效率。本发明利用肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫等生物体作为运动驱动体，直接利用生物体的极高能量效率，克服了当前技术的肠道机器人的能量供给瓶颈问题。

(3)具有良好的生物相容性。本发明利用良好控制的肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫等生物体作为运动驱动体，这些生物体在长期的进化中，形成了最佳了肠道生物相容性及最佳的运动机制，同时，通过电极控制及基因改良进一步提高了生物相容性，相对于当前技术，具有最佳的生物相容性。

附图说明：

图1是本发明的肠道诊疗机器人系统的组成示意图。

图2是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括图像传感单元)的一种组成示意图。

图3是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括药物控释单元)的一种组成示意图。

图4是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括消化道参数检测单元)的一种组成示意图。

图5是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括图像传感单元、药物控释单元、消化道参数检测单元)的一种组成示意图。

图6是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括图像传感单元、药物控释单元)的一种组成示意图。

图7是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括图像传感单元、消化道参数检测单元)的一种组成示意图。

图8是本发明的肠道诊疗机器人系统的诊疗仓(包括药物控释单元、消化道参数检测单元)的一种组成示意图。

图9是本发明的肠道诊疗机器人系统的一种组成示意图。

图10是本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法的控制流程示意图。

图11是本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法的刺激电极(针状金属电极)结构示意图。

图12是本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法的刺激电极(光波刺激电极)的一种结构示意图。

图13是本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法的刺激电极(光波刺激电极)的一种结构示意图。

在图1至图13中：

1-肠道诊疗机器人，2-控制器，3-运动驱动体，4-刺激电极，5-诊疗仓，

6-柔性固定环，7-运动控制电路，8-微型诊疗单元，9-柔性电路线，

10-肠道，11-电池，12-图像传感单元，13-药物控释单元，14-消化道参数检测单元，

15-柔性线缆，16-针状金属电极，17-微型发光单元，18-微型透镜，19-神经元

具体实施方式：

实施例1：

本实施例的肠道诊疗机器人系统整体组成如图1所示，系统包括：可通过肛门进入动物或者人体肠道的肠道诊疗机器人1、位于动物或者人体肠道外的控制器2，本实施例中的肠道诊疗机器人1和控制器2没有物理上的固定连接，通过无线电信号进行信息交互。其中肠道诊疗机器人1包括运动驱动体3、若干个刺激电极4、诊疗仓5、柔性固定环6，所述刺激电极4和运动驱动体3固定连接，所述诊疗仓5包括运动控制电路7、微型诊疗单元8和电池11，电池11用于向肠道诊疗机器人1提供电能，一般选用高能量密度的纽扣电池，运动控制电路7和刺激电极4通过柔性电路线9连接，诊疗仓5和运动驱动体3柔性固定连接在一起，其连接方式一般采用硅橡胶制作的柔性连接铰链、或者采用万向节，可以借鉴当前的成熟技术。

实施例中的肠道诊疗机器人系统中，运动驱动体3可以为长度大于15mm，直径大于5mm的肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫。所述的运动驱动体可以为似蚓蛔线虫、或者为转基因似蚓蛔线虫。在具体实施中，转基因似蚓蛔线虫可以作为运动驱动体3的优选对象，利用当前的转基因技术，如化学诱变方法等获得安全性高、体型偏大、驱动力强的转基因似蚓蛔线虫，利用动物体作为运动驱动机构，可以利用动物体在长期进化过程中形成的肠道生理环境的适应性、肠道中的最佳运动机制以及极高的能量利用效率，相对于当前单纯的基于机械电子技术的驱动方式而言，具有生物相容性高、运动机制合理、能量利用率高的优点。

实施例中的微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12、或者药物控释单元13、或者消化道参数检测单元14、或者所述三种微型诊疗单元中的任意组合。图像传感单元12用于在肠道拍摄图像，并将图像发送给体外的控制器，本实施例中，获取的图像通过无线电信号发射的方式传输至体外的控制器。药物控释单元13用于在体内释放药物，其药物释放过程可以通过体外控制器控制完成，也可以是预设的定时程序进行控制。消化道参数检测单元14用于检测消化道中的常见物理化学参数，如温度、压力、酸碱度等等，本实施例中，获取的消化道物理化学参数通过无线电信号发射的方式传输至体外的控制器。在具体实施中，可以按照以下具体组合方式设计：(1)微型诊疗单元8中仅包括图像传感单元12，如图2所示；(2)微型诊疗单元8中仅包括药物控释单元13，如图3所示。(3)微型诊疗单元8中仅包括消化道参数检测单元14，如图4所示。(4)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12、药物控释单元13和消化道参数检测单元14，如图5所示。(5)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12和药物控释单元13，如图6所示。(6)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12和消化道参数检测单元14，如图7所示。(7)微型诊疗单元8可以包括药物控释单元13和消化道参数检测单元14，如图8所示。

本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其方法流程示意图如图10所示。其技术方案为：(1)第1步骤，位于体外的控制器2发出运动控制信号，本实施例中，运动控制信号以无线电信号的方式发出。(2)第2步骤，位于肠道诊疗机器人1中的运动控制电路7接收该运动控制信号。(3)第3步骤，运动控制电路7发出和运动控制信号相相应的刺激信号，该刺激信号一般为一系列经过编码的电压脉冲信号或者电流脉冲信号。(4)第4步骤，刺激信号传输至和运动驱动体3固定连接的若干个刺激电极4中的一对或者其中几对。(5)第5步骤，刺激电极刺激运动驱动体3。(6)第6步骤，运动驱动体3在刺激电极4的刺激信号作用下完成设定运动动作，实现肠道诊疗机器人在肠道中的运动，实施例中，作为运动驱动体的转基因似蚓蛔线虫可以在刺激电极的刺激下，完成前进、后退等动作。如果未完成预定的运动动作，则重复第一至第六步骤，直到最终完成预定的运动动作。

本实施例的肠道诊疗机器人系统运动控制方法中，所述的刺激电极4可以为针状金属电极16，如图11所示，并且刺激电极的一部分植入运动驱动体体内。所述的针状刺激电极16的尖端植入部位是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

本实施例的肠道诊疗机器人系统运动控制方法中，所述的刺激电极4也可以为光波刺激电极，该光波刺激电极包括微型发光单元17，所述光波刺激电极17和运动驱动体3表面紧密接触，如图12所示。所述的光波刺激电极的光波刺激部位可以是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。在本实施例中，光波刺激电极的微型发光单元17可以是微型发光二极管，还可以包括若干个和微型发光单元相对应的微型透镜18，通过选用不同焦距的微型透镜，从而将光准确地聚焦于神经元19部位，提高刺激的定位准确性。

实施例2：

本实施例的肠道诊疗机器人系统整体组成如图9所示，系统包括：可通过肛门进入动物或者人体肠道的肠道诊疗机器人1、位于动物或者人体肠道外的控制器2，本实施例中的控制器2和肠道诊疗机器人1中的诊疗仓可以通过一个柔性线缆15连接，控制器2通过柔性线缆15和肠道诊疗机器人1进行能量供给及信息交互，和实施例1相比，本实施例在数据传输方面具有更高的可靠性，而且能量供给更加可靠。其中肠道诊疗机器人1包括运动驱动体3、若干个刺激电极4、诊疗仓5、柔性固定环6，所述刺激电极4和运动驱动体3固定连接，所述诊疗仓5包括运动控制电路7、微型诊疗单元8，运动控制电路7和刺激电极4通过柔性电路线9连接，诊疗仓5和运动驱动体3柔性固定连接在一起，其连接方式一般采用硅橡胶制作的柔性连接铰链、或者采用万向节，可以借鉴当前的成熟技术。

实施例中的肠道诊疗机器人系统中，运动驱动体3可以为长度大于15mm，直径大于5mm的肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫。所述的运动驱动体可以为似蚓蛔线虫、或者为转基因似蚓蛔线虫。在具体实施中，转基因似蚓蛔线虫可以作为运动驱动体3的优选对象，利用当前的转基因技术，如化学诱变方法等获得安全性高、体型偏大、驱动力强的转基因似蚓蛔线虫，利用动物体作为运动驱动机构，可以利用动物体在长期进化过程中形成的肠道生理环境的适应性、肠道中的最佳运动机制以及极高的能量利用效率，相对于当前单纯的基于机械电子技术的驱动方式而言，具有生物相容性高、运动机制合理、能量利用率高的优点。

实施例中的微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12、或者药物控释单元13、或者消化道参数检测单元14、或者所述三种微型诊疗单元中的任意组合。图像传感单元12用于在肠道拍摄图像，并将图像发送给体外的控制器，本实施例中，获取的图像通过无线电信号发射的方式传输至体外的控制器。药物控释单元13用于在体内释放药物，其药物释放过程可以通过体外控制器控制完成，也可以是预设的定时程序进行控制。消化道参数检测单元14用于检测消化道中的常见物理化学参数，如温度、压力、酸碱度等等，本实施例中，获取的消化道物理化学参数通过无线电信号发射的方式传输至体外的控制器。在具体实施中，可以按照以下具体组合方式设计：(1)微型诊疗单元8中仅包括图像传感单元12，如图2所示；(2)微型诊疗单元8中仅包括药物控释单元13，如图3所示。(3)微型诊疗单元8中仅包括消化道参数检测单元14，如图4所示。(4)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12、药物控释单元13和消化道参数检测单元14，如图5所示。(5)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12和药物控释单元13，如图6所示。(6)微型诊疗单元8可以包括图像传感单元12和消化道参数检测单元14，如图7所示。(7)微型诊疗单元8可以包括药物控释单元13和消化道参数检测单元14，如图8所示。

本发明的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其方法流程示意图如图10所示。其技术方案为：(1)第1步骤，位于体外的控制器2发出运动控制信号，本实施例中，运动控制信号通过柔性线缆15传递给肠道诊疗机器人1。(2)第2步骤，位于肠道诊疗机器人1中的运动控制电路7接收该运动控制信号。(3)第3步骤，运动控制电路7发出和运动控制信号相相应的刺激信号，该刺激信号一般为一系列经过编码的电压脉冲信号或者电流脉冲信号。(4)第4步骤，刺激信号传输至和运动驱动体3固定连接的若干个刺激电极4中的一对或者其中几对。(5)第5步骤，刺激电极刺激运动驱动体3。(6)第6步骤，运动驱动体3在刺激电极4的刺激信号作用下完成设定运动动作，实现肠道诊疗机器人在肠道中的运动，实施例中，作为运动驱动体的转基因似蚓蛔线虫可以在刺激电极的刺激下，完成前进、后退等动作。如果未完成预定的运动动作，则重复第一至第六步骤，直到最终完成预定的运动动作。

本实施例的肠道诊疗机器人系统运动控制方法中，所述的刺激电极4可以为针状金属电极16，如图11所示，并且刺激电极的一部分植入运动驱动体体内。所述的针状刺激电极16的尖端植入部位是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

本实施例的肠道诊疗机器人系统运动控制方法中，所述的刺激电极4也可以为光波刺激电极，该光波刺激电极包括微型发光单元17，所述光波刺激电极17和运动驱动体3表面紧密接触，如图12所示。所述的光波刺激电极的光波刺激部位可以是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。在本实施例中，光波刺激电极的微型发光单元17可以是微型发光二极管，还可以包括若干个和微型发光单元相对应的微型透镜18，通过选用不同焦距的微型透镜，从而将光准确地聚焦于神经元19部位，提高刺激的定位准确性。

Claims (10)

1.肠道诊疗机器人系统，其特征在于：系统包括通过肛门进入动物或者人体肠道的肠道诊疗机器人、位于动物或者人体肠道外的控制器，其中肠道诊疗机器人包括运动驱动体、若干个刺激电极、诊疗仓、柔性固定环，所述刺激电极和运动驱动体固定连接，所述诊疗仓包括运动控制电路、微型诊疗单元，运动控制电路和刺激电极通过柔性电路线连接，诊疗仓和运动驱动体柔性固定连接。

2.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的运动驱动体为长度大于15mm，直径大于5mm的肠道寄生虫或者转基因肠道寄生虫。

3.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的运动驱动体为似蚓蛔线虫、或者为转基因似蚓蛔线虫。

4.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的微型诊疗单元包括图像传感单元、或者药物控释单元、或者消化道参数检测单元、或者所述三种微型诊疗单元中的任意组合。

5.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：控制器和肠道诊疗机器人中的诊疗仓通过一个柔性线缆连接。

6.一种适用于权利要求1，2，3，4，5所述的肠道诊疗机器人系统的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其特征在于：位于体外的控制器发出运动控制信号，位于肠道诊疗机器人中的运动控制电路接收该运动控制信号，再由运动控制电路发出相应的刺激信号，并将刺激信号传输至和运动驱动体固定连接的若干个刺激电极中的一对或者其中几对，运动驱动体在刺激电极的刺激信号作用下完成设定运动动作，从而实现肠道诊疗机器人在肠道中的运动。

7.根据权利要求6所述的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其特征在于：所述的刺激电极为针状金属电极，并且刺激电极的一部分植入运动驱动体体内。

8.根据权利要求6所述的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其特征在于：所述的刺激电极为光波刺激电极，该光波刺激电极包括微型发光单元，所述光波刺激电极和运动驱动体表面紧密接触。

9.根据权利要求7所述的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其特征在于：所述的针状刺激电极的尖端植入部位是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

10.根据权利要求8所述的肠道诊疗机器人系统运动控制方法，其特征在于：所述的光波刺激电极的光波刺激部位是作为运动驱动体的似蚓蛔线虫、或者转基因似蚓蛔线虫的运动神经元部位或者觅食神经元部位。

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