CN103637762B - 消化道癌前病变无创检查系统 - Google Patents

Abstract

一种内窥镜领域的消化道癌前病变无创检查系统，包括：人机界面、控制器、无线供能子系统和位于体内的机器人，其中：机器人包含白光/荧光图像采集模块，可采集被检查者的消化道图像信息；人机界面分别通过接口与控制器和无线供能子系统相连，无线供能子系统通过能量发射线圈产生交变磁场向机器人提供能量，该能量由机器人的能量接收线圈接收，控制器通过无线通讯向机器人输出控制命令并接收机器人的数据；本发明通过机器人运行机构实现在肠道内的自主爬行，机器人的径向运动机构可实现对肠道的扩张，降低检查过程的漏检率，封闭式的径向运动机构不会夹住肠道组织，提高了机器人的安全性。

Description

消化道癌前病变无创检查系统

技术领域

本发明涉及的是一种内窥镜领域的系统，具体是一种消化道癌前病变无创检查系统。

背景技术

消化道肿瘤是恶性肿瘤中常见的一种肿瘤，包括食管癌、胃癌、结直肠癌等。食管癌是指起源于食管鳞状上皮的鳞癌和起源于Barrett食管的食管腺癌，而胃癌则包括贲门癌和胃腺癌等，结直肠癌则指起源于结直肠上皮组织的腺癌等。2008年Globcan资料显示，结直肠癌、胃癌及食管癌分列各肿瘤年龄标化发病率的第4、6、9位，而胃癌年龄标化死亡率则仅次于肺癌和乳腺癌，位居第三位，结直肠癌和食管癌的年龄标化死亡率也位居所有肿瘤前十位。由此可见，消化道肿瘤的防治在肿瘤防治中依旧具有举足轻重的地位。消化道癌变病情隐匿，很多患者就诊时即已至进展期，延误了最佳治疗时机。临床实践表明，早期消化道癌变良好及时治疗后的5年及以上的生存率达90%以上，有的甚至可以痊愈。因此提高早期消化道癌变的诊断水平对消化道癌变的早发现和早治疗尤为重要，但目前临床上仍缺乏经济、简便、有效的筛查和早期诊断手段。

消化道癌变的发生、发展是一个由量变到质变的过程，因此，诊查癌前病变及监测预后是防癌和治癌的关键。现代分子生物学研究表明，从正常细胞转化为恶性细胞要经历多个步骤，在这个过程中周边生化环境已经产生质的变化，如基因突变，继而导致基因表达异常，细胞中蛋白质和酶的变化引起代谢比如卟啉代谢的变化，这些变化形成后变成特殊的宿主体，癌细胞才能生存。研究表明，这些特殊宿主体在不同波长单色光的激发下发出荧光，该荧光无需通过外源性物质产生，因此又称固有荧光。固有荧光主要是由粘膜下层胶原受到激发产生，对于癌前病变组织，由于上皮细胞增生导致组织致密，阻挡了部分激发光，亮度减弱呈暗色。因此，通过荧光的颜色、亮度及荧光光谱特性，即可揭示特殊宿主体的生物化学特征，从而进行癌前病变组织的检测。

肠胃道在一般情况下是塌陷的，并且会因为塌陷形成许多皱褶，癌变组织通常会隐藏在这些皱褶里面。如果没有把消化道撑开后再对其进行检查的话往往会出现许多漏检，所以消化道癌前病变无创诊查微型机器人系统需要设计一个可以撑开消化道的运动机构来降低诊查的漏检率。机器人需要拥有在肠道自主运动的能力来提高诊查的自主性。由于消化道的长度较长，无拖缆化对于实现机器人对全消化道的诊查有很大帮助。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 103211564，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。但该现有技术与本发明相比的实质性缺陷在于：该文献中机构的钳位腿打开后呈开放状，没有形成封闭面，存在夹住肠道并对肠道造成损伤的可能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种消化道癌前病变无创检查系统，能够通过白光/荧光摄像头对消化道区域进行检查，并且通过机器人运动机构实现其在肠道内的自主爬行，机器人的径向运动机构可实现对肠道的扩张，降低检查过程的漏检率，封闭式的径向运动机构不会夹住肠道组织，提高了机器人的安全性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：人机界面、控制器、无线供能子系统和位于体内的机器人，其中：人机界面分别通过接口与控制器和无线供能子系统相连，无线供能子系统通过能量发射线圈产生交变磁场向机器人提供能量，该能量由机器人的能量接收线圈接收，控制器通过无线通讯向机器人输出控制命令并接收机器人的数据；

机器人的整体为胶囊形状，包括：用于采集消化道内图像的图像采集模块、前端径向运动机构、用于供能的无线供能模块、后端径向运动机构、位于两个径向运动机构中间的轴向伸缩机构以及机器人控制模块，其中：机器人控制模块接收控制器的控制命令、向控制器传输数据并控制图像采集模块、两个径向运动机构和轴向伸缩机构；

前端径向运动机构和后端径向运动机构结构相同，包括：两个内齿圈、两个固定挡板、径向齿轮减速箱、径向电机和三组钳位腿，其中：两个内齿圈的内端面相向设置，外端面分别与一个固定挡板相连，分别由两个相反转动且与径向齿轮减速箱相连的齿轮驱动，各组钳位腿分别与两个内齿圈相连且沿圆周等间距布置，两个内齿圈相对转动时三组钳位腿旋转从而径向伸出或缩回，径向电机由机器人控制模块控制运行且由径向齿轮减速箱减速增力；

轴向伸缩机构包括：由机器人控制模块控制运行的轴向电机、与轴向电机相连的轴向齿轮减速箱、丝杠、螺母和导杆，其中：丝杠与轴向齿轮减速箱的输出端相连，导杆与丝杠平行设置，螺母分别与丝杠和导杆相套接，螺母与其中一个径向运动机构的径向电机相连。

所述的丝杠和轴向电机平行设置，两者端部分别与轴向齿轮减速箱相连。

所述的两个径向电机与轴向电机平行设置且外侧套设圆柱形固定件，该圆柱形固定件的外侧套设能量接收线圈。

所述的两个内齿圈的内端面分别与一个圆环相连以实现轴向限位。

所述的各个内齿圈与固定挡板之间分别设有滚珠以实现滚动摩擦。

所述的两个固定挡板由三个圆柱套筒进行轴向限位，由螺丝与挡板进行固定。

所述的各个钳位腿包括：两个圆弧结构零件和一个瓦片状零件，其中：两个圆弧结构零件的一端相互铰接，铰接处转动连接瓦片状零件，该瓦片状零件与肠道壁呈面接触以减小对肠道的损伤，并可以自由转动适应肠道壁易变形的特点，两个圆弧结构零件的另一端分别与两个内齿圈固定，钳位腿随着内齿圈的转动打开与关闭。

所述的数据包括：径向电机和轴向电机的电流采样值，以及机器人的运行状态。

所述的机器人控制模块包括：机器人机构驱动及控制、无线通信、电机电流检测及反馈。

所述的图像采集模块包括：紫外单色光源、白光光源、短焦镜头、图像传感器、图像处理电路、图像传输通信。

所述的无线供能子系统包括：磁芯、接收线圈、谐振电路、整流电路、稳压电路。

技术效果

本发明通过消化道腔内白光/荧光图像采集及体内的机器人实现了检测装置在受试者消化道内可控、有效的驱动运动，实现了对消化道组织白光/荧光图像的可控和长时间检测、检测结果向体外的无线发送，实现了对全消化道的无创、无痛苦检查。通过机器人前端径向运动机构可以扩张塌陷的肠道，降低检查的漏检率。通过无线供能子系统实现了对消化道腔内白光/荧光图像采集及体内的机器人的无线供能，突破了当前消化道检测装置采用电池功能时工作时间的限制、采用拖缆供能时不能实现对全消化道实施检测的限制。采用人机界面及控制子系统实现了对检测过程的自动控制、检测结果的无线传输及处理。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为机器人的结构示意图；

图3为机器人的径向运动机构原理图；

图4为机器人的径向运动机构打开示意图；

图5至图8为图4中各步骤的结构放大图；

图9为机器人的轴向伸缩机构和无线供能模块示意图；

图10为机器人在肠道内运动的原理图。

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，本实施例包括：人机界面、控制器、无线供能子系统和位于体内的机器人，其中：人机界面分别通过接口与控制器和无线供能子系统相连，无线供能子系统通过能量发射线圈产生交变磁场向机器人提供能量，该能量由机器人的无线供能模块3的能量接收线圈26接收，控制器通过无线通讯向机器人输出控制命令并接收机器人的数据；

如图2所示，机器人的整体为胶囊形状，包括：用于采集消化道内图像的图像采集模块1、前端径向运动机构2、用于供能的无线供能模块3、后端径向运动机构5、位于两个径向运动机构2、5中间的轴向伸缩机构4以及机器人控制模块6，其中：机器人控制模块6接收控制器的控制命令、向控制器传输数据并控制图像采集模块1、两个径向运动机构和轴向伸缩机构4；

如图3至图8所示，前端径向运动机构2和后端径向运动机构5结构相同，包括：两个内齿圈10、14、两个固定挡板8、16、径向齿轮减速箱17、径向电机18、25和三组钳位腿13，其中：两个内齿圈10、14的内端面相向设置，外端面分别与一个固定挡板8、16相连，分别由两个相反转动且与径向齿轮减速箱17相连的齿轮驱动，各组钳位腿13分别与两个内齿圈10、14相连且沿圆周等间距布置，两个内齿圈10、14相对转动时三组钳位腿13旋转从而径向伸出或缩回，径向电机18、25由机器人控制模块6控制运行且由径向齿轮减速箱17减速增力；

两个内齿圈10、14的内端面分别与一个圆环11相连以实现轴向限位；

各个内齿圈10、14与固定挡板8、16之间分别设有滚珠9以实现滚动摩擦；

两个固定挡板8、16由三个圆柱套筒12进行轴向限位，由螺丝7与挡板16进行固定；

各个钳位腿13包括：两个圆弧结构零件和一个瓦片状零件，其中：两个圆弧结构零件的一端相互铰接，铰接处转动连接瓦片状零件，该瓦片状零件与肠道壁呈面接触以减小对肠道的损伤，并可以自由转动适应肠道壁易变形的特点，两个圆弧结构零件的另一端分别与两个内齿圈固定，钳位腿随着内齿圈的转动打开与关闭。

如图9所示，轴向伸缩机构4包括：由机器人控制模块6控制运行的轴向电机19、与轴向电机19相连的轴向齿轮减速箱20、丝杠22、螺母23和导杆24，其中：丝杠22与轴向齿轮减速箱20的输出端相连，导杆24与丝杠22平行设置，螺母23分别与丝杠22和导杆24相套接，螺母23与径向电机25相连；

丝杠22和轴向电机19平行设置，两者端部分别与轴向齿轮减速箱20相连；

两个径向电机18、25与轴向电机19平行设置且外侧套设圆柱形固定件21，该圆柱形固定件21的外侧套设无线供能模块3的能量接收线圈26；

所述的数据包括：轴向电机和径向电机的电流采样值，以及机器人的运行状态。

所述的机器人控制模块6包括：机器人机构驱动及控制、无线通信、电机电流检测及反馈；

所述的图像采集模块1包括：紫外单色光源、白光光源、短焦镜头、图像传感器、图像处理电路、图像传输通信；

前端径向运动机构2除了参与机器人运动外，在系统采集图像信息时还可以扩张塌陷的肠道，提高信息采集率。

如图10所示，机器人运动一共分为四个步骤进行，A第一步是后端径向运动机构5打开，前端径向运动机构2关闭，且轴向伸缩机构4处于缩回状态，这样机器人后端由于后端径向运动机构5打开所产生的钳位力被钳位在某一点。B第二步，轴向伸缩机构4伸长，由于机器人后端被钳位住，机器人前端向前移动一个步距。C第三步，前端径向运动机构2打开，后端径向运动机构5关闭，这样机器人前端由于前端径向运动机构2打开所产生的钳位力被钳位在某一点。D第四步，轴向伸缩机构4缩回，机器人后端向前移动一个步距。这样，在经过四个运动步骤后，机器人整体向前运动一个步距。将四个运动步骤逆序运动可实现机器人的后退运动。

Claims (1)

1.一种消化道检查系统，其特征在于，包括：人机界面、控制器、无线供能子系统和位于体内的机器人，其中：人机界面分别通过接口与控制器和无线供能子系统相连，无线供能子系统通过能量发射线圈产生交变磁场向机器人提供能量，该能量由机器人的能量接收线圈接收，控制器通过无线通讯向机器人输出控制命令并接收机器人的数据；

机器人的整体为胶囊形状，包括：用于采集消化道内图像的白光/荧光图像采集模块、前端径向运动机构、用于供能的无线供能模块、后端径向运动机构、位于两个径向运动机构中间的轴向伸缩机构以及机器人控制模块，其中：机器人控制模块接收控制器的控制命令、向控制器传输数据并控制图像采集模块、两个径向运动机构和轴向伸缩机构；

前端径向运动机构和后端径向运动机构结构相同，包括：两个内齿圈、两个固定挡板、径向齿轮减速箱、径向电机和三组钳位腿，其中：两个内齿圈的内端面相向设置，外端面分别与一个固定挡板相连，分别由两个相反转动且与径向齿轮减速箱相连的齿轮驱动，各组钳位腿分别与两个内齿圈相连且沿圆周等间距布置，两个内齿圈相对转动时三组钳位腿旋转从而径向伸出或缩回，径向电机由机器人控制模块控制运行且由径向齿轮减速箱减速增力；

轴向伸缩机构包括：由机器人控制模块控制运行的轴向电机、与轴向电机相连的轴向齿轮减速箱、丝杠、螺母和导杆，其中：丝杠与轴向齿轮减速箱的输出端相连，导杆与丝杠平行设置，螺母分别与丝杠和导杆相套接，螺母与其中一个径向运动机构的径向电机相连；

所述的丝杠和轴向电机平行设置，两者端部分别与轴向齿轮减速箱相连；

两个径向电机与轴向电机平行设置且外侧套设圆柱形固定件，该圆柱形固定件的外侧套设能量接收线圈；

所述的两个内齿圈的内端面分别与一个圆环相连以实现轴向限位，各个内齿圈与固定挡板之间分别设有滚珠以实现滚动摩擦；

所述的两个固定挡板由三个圆柱套筒进行轴向限位，由螺丝与挡板进行固定；

所述的各组钳位腿包括：两个圆弧结构零件和一个瓦片状零件，其中：两个圆弧结构零件的一端相互铰接，铰接处转动连接瓦片状零件，该瓦片状零件与肠道壁呈面接触以减小对肠道的损伤，两个圆弧结构零件的另一端分别与两个内齿圈固定；

所述的数据包括：径向电机和轴向电机的电流采样值，以及机器人的运行状态。