CN103637761A - 用于胃肠道的体内机器人 - Google Patents

Abstract

一种内窥镜领域的用于胃肠道的体内机器人，包括：轴向机构、径向机构、电路子系统、荧光检测子系统和用于能量供给的无线能量接收子系统，其中：电路子系统接收体外系统的控制命令进而控制荧光检测子系统进行图像检测，启动轴向机构和径向机构分别进行轴向移动和径向伸缩动作，获取轴向移动、径向伸缩动作信息以及荧光检测子系统的图像信息并反馈至体外系统进行调整；本发明便于人体吞咽，每个运动周期仅包含4个步态，运动效率较现有机构有较大幅度提升。

Description

用于胃肠道的体内机器人

技术领域

本发明涉及的是一种内窥镜领域的系统，具体是一种用于胃肠道的体内机器人。

背景技术

在所有的恶性肿瘤疾病中，胃癌的发病率位居首位，肠癌也排到第三。我国胃肠癌的年发病率正逐年递增，但发病年龄却不断趋于年轻化，另外，胃肠癌一旦确诊，患者5年的生存率仅为30%。数据显示，我国早期胃肠癌确诊率仅占4.1%，绝大部分患者一旦确诊即为中晚期。因此如何提高早期胃肠癌诊断，及早发现、及早治疗是需要关注的课题。

胃肠癌变的实质是正常细胞发生基因突变转化为恶性细胞（即癌细胞），在单色光的激发下，癌细胞和正常细胞会发出不同性质的荧光，通过荧光的颜色、亮度及光谱特性可以有效进行癌前病变组织的检测，准确率高达90%。然而，荧光检测技术进入临床应用迫切需要解决以下问题：如何将荧光检测装置送入人体胃肠道并实现全胃肠道诊查。参照目前胃肠疾病的临床诊断方式，可以采用胃肠镜或电子胶囊作为荧光检测装置的载体。但是胃肠镜通常会给病人带来较大的不适感，且无法深入到小肠实现全胃肠道诊查；电子胶囊作为一种无创检测手段，可实现人体全胃肠道检测，然而，由于其本身依靠肠道蠕动波运动，检测具有很大的被动性，而且，对于肠道中的褶皱区域易造成漏检。可见，采用胃肠镜和电子胶囊作为荧光检测装置的载体均具有一定的局限性。以胃肠机器人作为荧光检测装置的载体，可克服上述局限性，实现胃肠道癌前病变的主动诊查。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103211564，公开日2013-07-24，记载了一种用于胃肠道的微型机器人，包括：轴向伸缩机构、头部径向钳位机构和尾部径向钳位机构，其中：头部径向钳位机构由径向动力装置与轴向伸缩机构相连，径向钳位机构包括：相互啮合的机构输出齿轮和调速输出齿轮、至少3条均匀分布于机构输出齿轮外圆周的螺旋线腿和钳位调速装置。然而，该机器人机构尺寸为φ13×32.65mm，不便于吞咽；另外，该机器人每个运动周期包含6个步态，运动效率较低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于胃肠道的体内机器人，便于人体吞咽，每个运动周期仅包含4个步态，运动效率较现有机构有较大幅度提升。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：轴向机构、径向机构、电路子系统、荧光检测子系统和用于能量供给的无线能量接收子系统，其中：电路子系统接收体外系统的控制命令进而控制荧光检测子系统进行图像检测，启动轴向机构和径向机构分别进行轴向移动和径向伸缩动作，获取轴向移动、径向伸缩动作信息以及荧光检测子系统的图像信息并反馈至体外系统进行调整；

所述的轴向移动、径向伸缩动作信息包括：轴向移动距离和径向机构伸展直径。

所述的图像信息包括：肠道内表面的荧光图像信息。

电路子系统包括：无线通信模块、控制模块、驱动模块、稳压模块和荧光检测模块；，其中：无线通信模块与体外系统完成相互通信，并将接收到的控制命令发送到控制模块进行处理，控制模块对控制命令进行解码，通过驱动模块驱动轴向机构、径向机构完成相应动作，或控制荧光检测模块与荧光检测子系统的通讯以完成对肠道图像的采集或传输，稳压模块用于稳定无线能量接收子系统输出的直流电压。

无线能量接收子系统包括：无线能量接收线圈和全桥整流电路，其中：体外系统在无线能量接收线圈中激励出交变电压，该交变电压经过全桥整流电路，输出直流电压，为电路子系统供能。

荧光检测子系统包括：紫外单色光源和成像器件，其中：在接收到电路子系统的采集命令后，成像器件采集在紫外单色光源照射下的肠道图像，该图像经过电路子系统的荧光检测模块预处理，并由无线通信模块发送回体外系统。

所述的径向机构包括：与电路子系统通讯并接收其控制命令的径向电机、与径向电机相连的径向减速箱、两个旋转体、三组圆周方向等角度布置于两个旋转体之间的腿结构，其中：

旋转体包括：内齿环、用于轴向固定内齿环的固定件、支撑件、若干滚珠、第一齿轮、第二齿轮和轴，其中：轴向固定件与支撑件之间、支撑件与内齿环之间分别设有滚珠以减小相对旋转时的摩擦阻力，支撑件与轴向机构相连使得与轴向机构保持静止；

第一齿轮与其中一个内齿环啮合，第二齿轮与另一个的内齿环啮合，第一齿轮与径向减速箱的输出轴相连，第二齿轮套于轴上，轴的两端分别固定于两个支撑件上，第一齿轮和第二齿轮相对转动，使得两个内齿环相对转动，从而实现旋转体的相对旋转；

两个旋转体的支撑件相固定；

各组腿结构包括：两个顶部固定连接的圆弧结构，其中一个圆弧结构的根部分别与两个旋转体的内齿环相固定；

所述的轴向机构包括：与电路子系统通讯并接收其控制命令的轴向电机、与轴向电机相连的轴向减速箱、丝杠和螺母，其中：丝杠与轴向减速箱相连，螺母套接于丝杠上且与径向机构的两个旋转体相连，丝杠转动时，螺母推动径向机构实现轴向移动。

所述的螺母分别与两个旋转体的支撑件相连。

所述的螺母连接于两个旋转体之间的位置。

所述的径向减速箱的输出轴和丝杠平行设置且位于径向减速箱和轴向减速箱的中间位置。

整体上，径向减速箱和荧光检测子系统位于一端，轴向减速箱和无线能量接收子系统位于另一端，从而精简机构。

所述的固定件由若干螺丝与内齿环固定连接。

所述的滚珠的直径为0.35mm。

所述的体外系统包括：上位计算机、经由交变磁场向无线能量接收子系统提供能量的能量发射装置和体外系统控制器，其中：上位计算机通过体外系统控制器向体内机器人发送命令，调整能量发射装置的发射功率。

本发明所提供的体内机器人具备径向扩张肠道、双向运动、稳定驻留以及适应胃肠道多变环境，如肠道直径变化、肠道塌缩的能力，作为荧光检测装置的载体，可有效避免漏检并能实现全胃肠道荧光图像检测，消除了现有胃肠道体内机器人的缺点和不足。该胃肠癌前病变诊查系统可大幅度提高胃肠癌前病变检测的准确率，一旦应用于临床，将大大降低胃肠癌的发病率，造福于患者。

附图说明

图1为本发明与体外系统形成的胃肠癌前病变诊查系统示意图；

图2为径向机构的结构示意图；

图3为旋转体的结构示意图；

图4为腿的结构示意图；

图5为轴向机构的结构示意图；

图6为机器人运动原理示意图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例为位于病员体内的胶囊形状的体内机器人，该机器人尺寸为φ14×19mm，包括：轴向机构15、径向机构16、电路子系统17、荧光检测子系统18和用于能量供给的无线能量接收子系统19，其中：电路子系统17接收体外系统的控制命令进而控制荧光检测子系统18进行图像检测，启动轴向机构15和径向机构16分别进行轴向移动和径向伸缩动作，获取轴向移动、径向伸缩动作信息以及荧光检测子系统18的图像信息并反馈至体外系统进行调整；

体外系统包括：上位计算机、经由交变磁场向无线能量接收子系统19提供能量的能量发射装置和体外系统控制器，其中：上位计算机通过体外系统控制器向体内机器人发送命令，体内机器人电路子系统17接收命令后，控制轴向机构15和径向机构16及荧光检测子系统18进行相应的动作，同时，机器人运行参数和荧光检测图像可实时反馈回上位计算机，操作人员根据反馈信息再发出相应控制命令，并调整能量发射装置的发射功率。

所述的轴向移动、径向伸缩动作信息包括：轴向移动距离、径向机构伸展直径。

本实施例中，轴向移动距离的最大值为10mm，径向机构最大伸展直径为33mm。

所述的图像信息包括：肠道内表面的荧光图像信息。

如图2和图3所示，所述的径向机构16包括：与电路子系统17通讯并接收其控制命令的径向电机4、与径向电机4相连的径向减速箱1、两个旋转体2、6、三组圆周方向等角度布置于两个旋转体2、6之间的腿结构3，其中：

旋转体2、6包括：内齿环9、用于轴向固定内齿环9的固定件7、支撑件8、若干滚珠10、第一齿轮20、第二齿轮21和轴22，其中：轴向固定件7与支撑件8之间、支撑件8与内齿环9之间分别设有滚珠10以减小相对旋转时的摩擦阻力，支撑件8与轴向机构15相连使得与轴向机构15保持静止；

第一齿轮20与旋转体2的内齿环9啮合，第二齿轮21与旋转体6的内齿环9啮合，第一齿轮20与径向减速箱1的输出轴5相连，第二齿轮21套于轴22上，轴22的两端分别固定于两个支撑件8上，第一齿轮20和第二齿轮21相对转动，使得两个内齿环9相对转动，从而实现旋转体2、6的相对旋转；

本实施例中，固定件7由若干螺丝与内齿环9固定连接；

滚珠10的直径为0.35mm。

两个旋转体2、6的支撑件8相固定；

如图4所示，各组腿结构3包括：两个顶部固定连接的圆弧结构，其中一个圆弧结构的根部分别与两个旋转体2、6的内齿环9相固定；

径向电机4的输出动力经径向减速箱1减速增力后由径向输出轴5输出至内齿环9，使得两个旋转体2、6相对旋转，三个腿结构3实现打开或闭合；

三个腿结构3闭合时沿旋转体2、6圆周分布，打开时呈三叶草形，开闭直径比大于2，能够适应大范围的肠道直径变化。

如图5所示，所述的轴向机构15包括：与电路子系统17通讯并接收其控制命令的轴向电机12、与轴向电机12相连的轴向减速箱11、丝杠13和螺母14，其中：丝杠13与轴向减速箱11相连，螺母14套接于丝杠13上且与径向机构16的两个旋转体2、6相连，丝杠13转动时，螺母14推动径向机构16实现轴向移动。

当腿结构3打开锚定肠道时，螺母14和径向机构16一起保持轴向静止，丝杠13转动将带动机身产生轴向位移。

螺母14分别与两个旋转体2、6的支撑件8相连。

本实施例中，螺母14连接于两个旋转体2、6之间的位置。

径向减速箱1的输出轴5和丝杠13平行设置且位于径向减速箱1和轴向减速箱11的中间位置。

整体上，径向减速箱1和荧光检测子系统18位于一端，轴向减速箱11和无线能量接收子系统19位于另一端，从而精简机构。

电路子系统17包括：无线通信模块、控制模块、驱动模块、稳压模块、荧光检测模块；无线通信模块与体外上位机完成相互通信，并将接收到的控制命令发送到控制模块进行处理，控制模块对控制命令进行解码，通过驱动模块驱动轴向或径向机构完成相应动作，或控制荧光检测模块完成对肠道图像的采集或传输。稳压模块的输入为无线能量接收子系统输出的直流电压，该电压幅值不稳定，需要稳压以保证整个电路子系统的稳定工作。

无线能量接收子系统19包括：无线能量接收线圈、全桥整流电路。外部交变磁场在接收线圈中激励出交变电压，该交变电压经过全桥整流电路，输出直流电压，为电流子系统供能。

荧光检测子系统18包括：紫外单色光源、成像器件。在接收到荧光图像采集命令后，成像器件采集在紫外单色光源照射下的肠道图像，该图像经过电路子系统的荧光检测模块预处理，并由无线通信模块发送回上位计算机。

如图6所示，体内机器人在胃肠道中的运动原理，其运动过程为：A、体内机器人处于初始复位状态；B、轴向电机12通电，在丝杠13和螺母14作用下，轴向机构15产生轴向位移；C、径向电机4通电，体内机器人的腿结构3扩张并锚定肠道；D、轴向电机12通电，体内机器人机身产生位移S。体内机器人可实现双向运动，进步态组合为A、B、C、D且循环该步态组合，体内机器人可实现连续前进；步态组合为D、C、B、A且循环该步态组合，体内机器人可实现连续后退。从该体内机器人运动原理可以看出，体内机器人运动时，径向机构16先扩张前方肠道，然后轴向机构15推动机身前进，径向机构16对肠道的扩张作用将帮助机器人通过肠道塌缩区域。

Claims (10)

1.一种用于胃肠道的体内机器人，其特征在于，包括：轴向机构、径向机构、电路子系统、荧光检测子系统和用于能量供给的无线能量接收子系统，其中：电路子系统接收体外系统的控制命令进而控制荧光检测子系统进行图像检测，启动轴向机构和径向机构分别进行轴向移动和径向伸缩动作，获取轴向移动、径向伸缩动作信息以及荧光检测子系统的图像信息并反馈至体外系统进行调整；

径向机构包括：与电路子系统通讯并接收其控制命令的径向电机、与径向电机相连的径向减速箱、两个旋转体、三组圆周方向等角度布置于两个旋转体之间的腿结构，其中：

旋转体包括：内齿环、用于轴向固定内齿环的固定件、支撑件、若干滚珠、第一齿轮、第二齿轮和轴，其中：轴向固定件与支撑件之间、支撑件与内齿环之间分别设有滚珠以减小相对旋转时的摩擦阻力，支撑件与轴向机构相连使得与轴向机构保持静止；

第一齿轮与其中一个内齿环啮合，第二齿轮与另一个的内齿环啮合，第一齿轮与径向减速箱的输出轴相连，第二齿轮套于轴上，轴的两端分别固定于两个支撑件上，第一齿轮和第二齿轮相对转动，使得两个内齿环相对转动，从而实现旋转体的相对旋转；

两个旋转体的支撑件相固定；

各组腿结构包括：两个顶部固定连接的圆弧结构，其中一个圆弧结构的根部分别与两个旋转体的内齿环相固定；

轴向机构包括：与电路子系统通讯并接收其控制命令的轴向电机、与轴向电机相连的轴向减速箱、丝杠和螺母，其中：丝杠与轴向减速箱相连，螺母套接于丝杠上且与径向机构的两个旋转体相连，丝杠转动时，螺母推动径向机构实现轴向移动。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征是，所述的轴向移动、径向伸缩动作信息包括：轴向移动距离和径向机构伸展直径。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征是，所述的图像信息包括：肠道内表面的荧光图像信息。

4.根据权利要求1、2或3所述的机器人，其特征是，所述的螺母分别与两个旋转体的支撑件相连。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征是，所述的螺母连接于两个旋转体之间的位置。

6.根据权利要求4所述的机器人，其特征是，所述的径向减速箱的输出轴和丝杠平行设置且位于径向减速箱和轴向减速箱的中间位置。

7.根据权利要求4所述的机器人，其特征是，所述的固定件由若干螺丝与内齿环固定连接。

8.根据权利要求1、2或3所述的机器人，其特征是，所述的电路子系统包括：无线通信模块、控制模块、驱动模块、稳压模块和荧光检测模块；，其中：无线通信模块与体外系统完成相互通信，并将接收到的控制命令发送到控制模块进行处理，控制模块对控制命令进行解码，通过驱动模块驱动轴向机构、径向机构完成相应动作，或控制荧光检测模块与荧光检测子系统的通讯以完成对肠道图像的采集或传输，稳压模块用于稳定无线能量接收子系统输出的直流电压。

9.根据权利要求8所述的机器人，其特征是，所述的无线能量接收子系统包括：无线能量接收线圈和全桥整流电路，其中：体外系统在无线能量接收线圈中激励出交变电压，该交变电压经过全桥整流电路，输出直流电压，为电路子系统供能。

10.根据权利要求8所述的机器人，其特征是，所述的荧光检测子系统包括：紫外单色光源和成像器件，其中：在接收到电路子系统的采集命令后，成像器件采集在紫外单色光源照射下的肠道图像，该图像经过电路子系统的荧光检测模块预处理，并由无线通信模块发送回体外系统。

Images