CN101785673A - 肠道诊疗机器人系统 - Google Patents

Abstract

肠道诊疗机器人系统，用于在动物或人体的肠道进行诊疗操作。该系统包括体外控制中心部分和进入肠道内的诊疗部分，体外控制中心部分包括计算机、无线收发装置；诊疗部分包括摄像装置、生物体、若干个刺激电极、控释装置、外壳。该系统采用黄鳝或者通过生物技术改良后的黄鳝作为生物体，通过摄像装置采集肠道内的图像，体外控制中心接收数据并遥控诊疗部分，控释装置接收刺激信号和释药信号，经指定刺激电极对生物体进行刺激以控制其前进、后退和停止，并且在肠道患处定点释药，实现进入肠道深部定点释药和完成释药后主动退回到体外的目的。该系统具有以主动驱动的方式进入肠道定点释药、较高的能量效率、以无创的体表刺激控制生物体运动的特点。

Description

肠道诊疗机器人系统

技术领域：

本发明涉及一种肠道诊疗机器人系统，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：

由于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。近年来，无创、微创成为消化道疾病诊疗的发展方向，其中诊疗胶囊和肠道机器人为国际研究的热点。

在诊疗胶囊领域，以色列的Iddan等人研制出的采集肠道图像的诊疗胶囊较著名，以色列的Given Imaging公司将其命名为就“M2A”胶囊状内窥镜，已经投入生产和销售。但是各种诊疗胶囊均是被动式的，在肠道内主要借助于肠道的蠕动前行，存在无法控制运动及姿态的缺点。

所以，有不少学者研制主动式的肠道机器人既有主动驱动又能在肠道中泊位，克服了肠道诊疗胶囊的上述缺点。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，其中能量供给问题尤为突出。研究学者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、微电机驱动等。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，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。在国内，上海交通大学的颜国正等人也对肠道机器人领域有深入研究，研制出直流电机驱动的消化道诊疗机器人、无线能量传输的肠道机器人等。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，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，提供一种以主动驱动的方式进入肠道，对肠道进行诊断和定点释药，具有较高的能量效率，并且以无创体表刺激控制生物体运动的肠道诊疗机器人系统。

本发明的技术方案为：

肠道诊疗机器人系统，系统包括位于动物或者人体体外的控制中心部分和通过肛门进入动物或者人体肠道的诊疗部分，其中体外的控制中心部分包括计算机和无线收发装置，进入肠道内的诊疗部分包括摄像装置、生物体、若干个刺激电极、控释装置、外壳，所述刺激电极在生物体体表固定，所述外壳将生物体包裹，前端与摄像装置衔接，末端与控释装置衔接，控释装置和刺激电极通过柔性电路线连接。通过前端摄像装置采集肠道内的图像，经无线收发装置传递数据到计算机，然后计算机发射出刺激信号或者释药信号，通过无线收发装置将信号传输到控释装置，控释装置接收到刺激信号时，将刺激信号传递到指定刺激电极，对生物体进行刺激以控制其前进、后退和停止；控释装置接收到释药信号时，在肠道患处定点释药。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的生物体为长度在20mm到35mm之间，直径在5mm到10mm之间的黄鳝或者通过生物技术改良后的黄鳝。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的刺激电极包括表面贴片微神经电极和固定环。所述的表面贴片微神经电极为直径在1mm到2mm之间的一对微电极嵌于厚度为0.5mm、宽为15mm、直径在5mm到10mm的医用硅胶圈内直径两端的位置，所述的固定环为直径不大于5mm、厚度0.5mm、宽度0.5mm的医用硅胶圈。所述的若干个表面贴片微神经电极与生物体的体表紧密接触，并且利用固定环分别固定于生物体躯干前部、躯干中部、躯干后部，每个表面贴片微神经电极的微电极接触部位为生物体躯干两侧的表面侧线区域，直接将刺激信号传递到生物体的后侧线神经。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的外壳为弹性良好、无毒、防水、外表面摩擦系数小的薄膜，并且在外壳包裹生物体的部分按照生物体、水、氧气的质量比为1∶1∶3充入氧气和水。

本发明的肠道诊疗机器人系统中，所述的控释装置包括体内控制单元和释药单元，释药单元位于进入肠道内的诊疗部分的末端，用于存放和释放药物，体内控制单元包括运动控制电路和电池，用于接收刺激信号和释药信号，控制刺激电极和释药单元，体内控制单元和刺激电极通过柔性电路线连接。

本发明的工作过程及原理为：

以患者进行肠道诊疗为例说明本发明的工作过程及工作原理。在进行诊疗之前，患者要进行必要的肠道清理等准备工作。在医生的操作下，肠道诊疗机器人系统的诊疗部分由肛门导入人体肠道，医生或者专业操作人员通过位于人体体外的控制中心部分接收肠道内的图像并对诊疗部分进行遥控。诊疗部分最前端的摄像装置对肠道内的图像进行采集，经无线收发装置传递数据到计算机，然后计算机发射出信号，通过无线收发装置将信号传输到控释装置，控释装置接收到刺激信号时，将刺激信号传递到指定刺激电极，对生物体躯干两侧的表面侧线神经区域进行刺激，经迷走神经将冲动传达到中枢神经，通过中枢神经分析、综合活动，产生兴奋，中枢的兴奋传递给运动神经元，再传递给肌肉细胞，导致肌肉发生相应的收缩和伸展运动，调节其运动，实现控制生物体前进；到达患处时，控释装置接收到释药信号，对生物体进行刺激以控制其停止，然后对肠道患处释药；完成释药后，控释装置接收到刺激信号时，将刺激信号传递到指定刺激电极，对生物体进行刺激以控制其后退，从肠道内退出到体外，从而完成对肠道的诊疗。

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生物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。本发明利用黄鳝或者通过生物技术改良后的黄鳝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)通过刺激体表侧线神经区域控制生物体运动，刺激电极采用穿戴式安装在体表，无创、装卸方便、可重复使用、成本低，避免将刺激电极植入生物体体内对生物体身体的损伤。

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刺激电极结构示意图。

图3是本发明的肠道诊疗机器人系统的控释装置结构示意图。

图4是本发明的肠道诊疗机器人系统的工作流程示意图。

在图1至图4中：

1-诊疗部分，2-体外的控制中心部分，3-肠道，4-摄像装置，5-生物体，6-外壳，7-刺激电极，8-控释装置，9-无线收发装置，10-计算机，11-表面贴片微神经电极，12-医用硅胶圈，13-微电极，14-固定环，15-柔性电路线，16-表面侧线神经区域，17-体内控制单元，18-释药单元，19-运动控制电路，20-电池

具体实施方式：

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3的诊疗部分1、位于动物或者人体肠道3外的体外的控制中心部分2，本实施例中的诊疗部分1和控制中心部分2没有物理上的固定连接，通过无线电信号进行信息交互。其中诊疗部分1包括摄像装置4、生物体5、外壳6、若干个刺激电极7、控释装置8，所述体外的控制中心部分包括无线收发装置9和计算机10。所述刺激电极7和生物体5固定连接，所述摄像装置4通过外壳6固定在生物体5前端，控释装置8通过外壳6固定在生物体5的尾端，其固定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，生物体5可以为长度在20mm到35mm之间，直径在5mm到10mm之间的黄鳝或者通过生物技术改良后的黄鳝。在具体实施中，通过生物技术改良后的黄鳝可以作为生物体5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、驱动力强的转基因黄鳝，利用动物体作为运动驱动机构，可以利用黄鳝的体表光滑、身体细长、能在密封的环境中存活、适应能力强、对刺激较敏感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，具有运动机制合理、控制效果好、能量利用率高的优点。

实施例中的肠道诊疗机器人系统所述的刺激电极7在生物体体表固定，如图2所示。刺激电极7包括表面贴片微神经电极11和固定环14，所述的表面贴片微神经电极11为直径在1mm到2mm之间的一对微电极13连接柔性电路线15嵌于厚度为0.5mm、宽为15mm、直径在5mm到10mm的医用硅胶圈12内直径两端的位置，所述的固定环14为直径不大于5mm、厚度0.5mm、宽度0.5mm的医用硅胶圈。所述的若干个表面贴片微神经电极与生物体5的体表紧密接触，并且利用固定环分别固定于生物体躯干前部、躯干中部、躯干后部，每个表面贴片微神经电极的微电极接触部位为生物体躯干两侧的表面侧线区域16，直接将刺激信号传递到生物体的后侧线神经。

实施例中的肠道诊疗机器人系统所述的控释装置8包括体内控制单元17、释药单元18，如图3所示。所述体内控制单元17包括运动控制电路19和电池20，电池20用于向控释装置8提供电能，一般选用高能量密度的纽扣电池，运动控制电路19和刺激电极7通过柔性电路线15连接。

本发明的肠道诊疗机器人系统运动的工作流程示意图如图4所示。其技术方案为：(1)第1步骤，开启体外控制中心部分2，将肠道诊疗部分1导入肠道内，然后摄像装置4开始采集肠道图像，通过无线收发装置9传递图像，计算机10开始接收图像数据。(2)第2步骤，计算机10发出刺激信号，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。通过无线收发装置9传递刺激信号，控释装置8接收刺激信号，将刺激信号传递到指定的一对或者几对刺激电极7，刺激生物体5，生物体5前进。通过计算机10接收图像数据，观察生物体5是否运动到患处，如果没有，则重复步骤2，直到到达患处。(3)第3步骤，计算机10发出刺激信号，通过无线收发装置9传递刺激信号，控释装置8接收刺激信号，将刺激信号传递到指定刺激电极7，刺激生物体5，生物体5停止。(4)第4步骤，计算机10发出释药信号，通过无线收发装置9传递释药信号，控释装置8接收释药信号，然后释放药物，直到药物释放完毕。(5)第5步骤，计算机10发出刺激信号，通过无线收发装置9传递刺激信号，控释装置8接收刺激信号，将刺激信号传递到指定刺激电极7，刺激生物体5，生物体5后退，如果未退出到体外，则重复第5步骤，直到退出到体外。

Claims (8)

1.肠道诊疗机器人系统，其特征在于：系统包括位于动物或者人体体外的控制中心部分和通过肛门进入动物或者人体肠道的诊疗部分，其中体外的控制中心部分包括计算机和无线收发装置，进入肠道内的诊疗部分包括摄像装置、生物体、若干个刺激电极、控释装置、外壳，所述刺激电极在生物体体表固定，所述外壳将生物体包裹，前端与摄像装置衔接，末端与控释装置衔接，控释装置和刺激电极通过柔性电路线连接，所述摄像装置对肠道内的图像进行采集，经无线收发装置传递数据到计算机，然后计算机发射出刺激信号或者释药信号，通过无线收发装置将信号传输到控释装置，控释装置接收到刺激信号时，将刺激信号传递到指定刺激电极，对生物体进行刺激以控制其前进、后退和停止；控释装置接收到释药信号时，在肠道患处定点释药。

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：所述的生物体为长度在20mm到35mm之间，直径在5mm到10mm之间的黄鳝或者通过生物技术改良后的黄鳝。

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：所述的刺激电极包括表面贴片微神经电极和固定环。

4.根据权利要求3所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的表面贴片微神经电极为直径在1mm到2mm之间的一对微电极嵌于厚度为0.5mm、宽为15mm、直径在5mm到10mm的医用硅胶圈内直径两端的位置，所述的固定环为直径不大于5mm、厚度0.5mm、宽度0.5mm的医用硅胶圈，表面贴片微神经电极通过固定环在生物体的体表固定。

5.根据权利要求4所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的若干个表面贴片微神经电极与生物体的体表紧密接触，并且分别固定于生物体躯干前部、躯干中部、躯干后部。

6.根据权利要求5所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的表面贴片微神经电极的微电极接触部位为生物体躯干两侧的表面侧线神经区域。

7.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的外壳为弹性良好、无毒、防水、外表面摩擦系数小的薄膜，并且在外壳包裹生物体的部分按照生物体、水、氧气的质量比为1∶1∶3充入氧气和水。

8.根据权利要求1所述的肠道诊疗机器人系统，其特征在于：所述的控释装置包括体内控制单元和释药单元，释药单元位于进入肠道内的诊疗部分的末端，用于存放和释放药物，体内控制单元包括运动控制电路和电池，用于接收刺激信号和释药信号，控制刺激电极和释药单元，体内控制单元和刺激电极通过柔性电路线连接。

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