CN103932654B - 基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统及控制方法，所述控制系统包括体内胶囊内窥镜等元件；所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间形成磁路，所述三轴力传感器用于测量所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体产生的相互作用力以形成三轴力传感器数据信息，所述数据处理电路对三轴力传感器数据信息进行处理并将处理后的三轴力传感器数据信息发送至所述工作站，所述工作站通过解析运算得出所述胶囊内窥镜的位置信息，并由操作人员通过所述控制器控制所述机械手的运动。基于电磁驱动的胶囊主动运动控制则大大减小了胶囊电能的消耗，胶囊的运动方向由外磁场的方向来控制，提高安全性并简化胶囊本身结构。

Description

基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及胶囊内窥镜的控制方法及医学检测领域，特别是涉及一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统及控制方法。

背景技术

传统的胶囊内镜主要依靠人体器官的蠕动和收缩沿消化道运动，行走极其缓慢而且容易出现漏检现象。它不能停留在某个固定的位置，也不能对病变部位进行进一步检查或执行某种操作。因此被动式胶囊内窥镜在一定程度上限制了胶囊内镜的取样、释放药物等新功能的发展。

为了实现胶囊内窥镜在人体内的主动运动与控制，国内外研究人员提出了多种新的胶囊内镜驱动方法，但大都处于探索阶段，还不能在医疗上成熟使用。常见的驱动机制大致包括蠕动式、电机式、压电式、磁致伸缩式、记忆合金式、仿生式、静电驱动式和电磁驱动式。

日本东京大学研制的一种模拟生物蠕动爬行的卫星胶囊由三个电磁驱动单元构成，此机器人可在直径10mm的管内前后移动，移动速度约为2.2mm/s。韩国的研究人员利用记忆合金的特性提出了一种基于记忆合金的胶囊内窥镜主动控制方法，可以较好的实现主动控制。另外韩国研究人员还相继提出了多足式胶囊内窥镜和蠕虫状肠道机器人。

以上驱动方式的一个共同特点是驱动本身需要消耗胶囊内部大量的能量。由于胶囊大小有限，因此其自身携带的电能有限。而且胶囊本身还要完成照明、图像获取和传输等功能。基于此种原因，上述方案的可行性受到了很大的限制。另外上述方法大大增加了胶囊本身结构的复杂性，如果胶囊在体内被损害将会对人体造成极大的危害，存在许多潜在的危险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统及控制方法，其基于电磁驱动的胶囊主动运动控制则大大减小了胶囊电能的消耗，胶囊的运动方向由外磁场的方向来控制，运动速度决定于外磁场的强度和运行介质的特性等，提高安全性并简化胶囊本身结构。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，其包括体内胶囊内窥镜、体外永磁体、三轴力传感器、机械手、数据处理电路、工作站、控制器；所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间形成磁路，所述三轴力传感器用于测量所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体产生的相互作用力以形成三轴力传感器数据信息，所述机械手用于控制所述体外永磁体的运动，所述数据处理电路对三轴力传感器数据信息进行处理并将处理后的三轴力传感器数据信息发送至所述工作站，所述工作站通过解析运算得出所述胶囊内窥镜的位置信息，并由操作人员通过所述控制器控制所述机械手的运动。

优选地，所述体内胶囊内窥镜包括透明玻璃罩、体内永磁体、CMOS成像器件、LED照明电路，电源；所述LED照明电路产生的光源透过透明玻璃罩照在体内消化系统内壁上，以使所述COMS成像器件实时获取消化系统内部信息；所述体内永磁体主要用于与体外永磁体形成磁路以控制胶囊内窥镜的运动。

优选地，所述三轴力传感器主要用于测量体内永磁体与体外永磁体在三维方向产生的相互作用力的大小。

优选地，所述数据处理电路将传感器获得的信息进行放大和模数转换从而得到工作站所需的控制信息。

优选地，所述工作站将得到的空间三维方向上的力通过相应的计算转化为三维方向上的距离信息，从而得出所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间的相对位置。

优选地，所述控制器用于实时控制所述机械手的空间方向上的运动。

本发明还提供一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统的控制方法，所述控制方法采用上述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤一，口服体内胶囊内窥镜，体内胶囊内窥镜在体外永磁体的作用下运动；步骤二，三轴力传感器测得空间三维方向上体内永磁体与体外永磁体之间作用力的大小，经过放大及模数转换后得到所需的数字信号；步骤三，工作站接收上述数字信号，将磁体间作用力转化为磁体间的相对位置信息；步骤四，操作人员根据所得到的信息，通过控制器控制机械手的运动从而实现对胶囊的位置控制。

本发明的积极进步效果在于：本发明基于电磁驱动的胶囊主动运动控制则大大减小了胶囊电能的消耗，胶囊的运动方向由外磁场的方向来控制，运动速度决定于外磁场的强度和运行介质的特性等，提高安全性并简化胶囊本身结构；另外，本发明原理简单，易于实现，同时由于可以利用电磁感应原理对胶囊供电，使得胶囊在体内电能供应问题得到解决。本发明成本低廉，对人体无创伤，可以检测并定位出人体病变部位，解决了传统胶囊内镜无法定位的弊端。

附图说明

图1为整个系统的结构原理图；

图2为体内胶囊内窥镜内部组成模块示意图；

图3为本发明建立的坐标系的示意图。

图1中：1为体内胶囊内窥镜，2为体外永磁体，3为三轴力传感器，4为机械手，5为数据处理电路，6为工作站，7为控制器。

图2中：8为透明玻璃罩，9为永磁体，10为CMOS成像器件，11为LED照明电路，12为电源。

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。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内窥镜控制系统包括：体内胶囊内窥镜1、体外永磁体2、三轴力传感器3、机械手4、数据处理电路5、工作站6、控制器7；所述体内胶囊内窥镜1与所述体外永磁体2之间形成磁路，所述三轴力传感器3用于测量所述体内胶囊内窥镜1与所述体外永磁体2产生的相互作用力以形成三轴力传感器数据信息，所述机械手4用于控制所述体外永磁体2的运动，所述数据处理电路5对三轴力传感器数据信息进行处理并将处理后的三轴力传感器数据信息发送至所述工作站6，最后所述工作站6通过解析运算得出所述胶囊内窥镜的位置信息，并由操作人员通过所述控制器7控制所述机械手4的运动。

如图2所示，体内胶囊内窥镜包括透明玻璃罩8、体内永磁体9、CMOS成像器件10、LED照明电路11、电源12；所述LED照明电路11产生的光源透过透明玻璃罩8照在体内消化系统内壁上，以使所述COMS成像器件10实时获取消化系统内部信息；所述体内永磁体9主要用于与体外永磁体形成磁路以控制胶囊内窥镜的运动。所述电源12为所述LED照明电路11以及所述CMOS成像器件10提供能量。

在本实施例中，所述的三轴力传感器主要用于测量体内胶囊内窥镜（主要是体内永磁体）与所述体外永磁体在三维方向产生的相互作用力的大小。所述的数据处理电路将三轴力传感器获得的信息进行放大和模数转换从而得到工作站所需的控制信息。所述的工作站将得到的空间三维方向上的力通过相应的计算转化为三维方向上的距离信息，从而得出所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间的相对位置。所述的控制器用于实时控制所述机械手的空间方向上的运动。

本发明基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统的控制方法，所述控制方法采用上述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，所述控制方法包括以下步骤：

步骤一，口服体内胶囊内窥镜，胶囊内窥镜在体外永磁体的作用下运动；

步骤二，三轴力传感器测得空间三维方向上体内永磁体与体外永磁体之间作用力的大小，经过放大及模数转换后得到所需的数字信号；

步骤三，工作站接收上述步骤二的数字信号，通过下述公式（1）至（7）将磁体间作用力转化为磁体间的相对位置信息；

步骤四，操作人员根据所得到的信息，通过控制器控制机械手的运动从而实现对胶囊的位置控制。

本发明基于电磁驱动的胶囊主动运动控制则大大减小了胶囊电能的消耗，胶囊的运动方向由外磁场的方向来控制，运动速度决定于外磁场的强度和运行介质的特性等，提高安全性并简化胶囊本身结构；另外，本发明原理简单，易于实现，同时由于可以利用电磁感应原理对胶囊供电，使得胶囊在体内电能供应问题得到解决。

本发明所采用的永磁体为圆柱永磁体，磁体间力与力矩的计算可等效为磁体与一系列通电线圈之间的力与力矩计算问题。可以先求出永磁体与一个通电线圈之间的作用力，然后积分得到两个磁体间作用力，由上述方法可建立如图3的坐标系。

设通过线圈电流为I，永磁圆柱体产生的磁感应强度为则可得线圈受力与力矩的表达式如下式(1)、式(2)：

$\stackrel{\→}{F}=I\underset{r}{\∫}d\stackrel{\→}{r}\×\stackrel{\→}{B}...\left(1\right)$

在柱坐标系下，设圆环上指向点的坐标为（a,θ,z），则可得式（3）、式（4）：

$\stackrel{\→}{r}=a\cos \stackrel{\→}{e_x}+a\sin \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_y}+z\stackrel{\→}{e_z}...\left(3\right)$

$d\stackrel{\→}{r}=(-a\sin \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_x}+a\cos \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_y})\mathrm{d\θ}...\left(4\right)$

永磁体在处产生的磁感应强度为式（5）：

$\stackrel{\→}{B}=B_{\mathrm{\θ}}\cos \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_x}+B_{\mathrm{\θ}}\sin \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_y}+B_z\stackrel{\→}{e_z}...\left(5\right)$

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）便可得式（6）、式（7）：

$\stackrel{\→}{F}=I{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}(\left(a{B}_z\cos \mathrm{\θd\θ}\right)\stackrel{\→}{e_x}+\left(a{B}_z\sin \mathrm{\θd\θ}\right)\stackrel{\→}{e_y}-\left(a{B}_{\mathrm{\θ}}\right)\stackrel{\→}{e_z})\mathrm{d\θ}...\left(6\right)$

$\stackrel{\→}{T}=I{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{+\mathrm{\π}}({\mathrm{aB}}_{\mathrm{\θ}}+z{B}_z)(a\cos \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_y}-a\sin \mathrm{\θ}\stackrel{\→}{e_x})\mathrm{d\θ}...\left(7\right)$

由式（6）、式（7）便可得到体内永磁体与体外永磁体间的力、力矩与两磁铁位置之间的关系。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，其包括体内胶囊内窥镜、体外永磁体、三轴力传感器、机械手、数据处理电路、工作站、控制器；所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间形成磁路，所述三轴力传感器用于测量所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体产生的相互作用力以形成三轴力传感器数据信息，所述机械手用于控制所述体外永磁体的运动，所述数据处理电路对三轴力传感器数据信息进行处理并将处理后的三轴力传感器数据信息发送至所述工作站，所述工作站通过解析运算得出所述胶囊内窥镜的位置信息，并由操作人员通过所述控制器控制所述机械手的运动。

2.如权利要求1所述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述体内胶囊内窥镜包括透明玻璃罩、体内永磁体、CMOS成像器件、LED照明电路、电源；所述LED照明电路产生的光源透过透明玻璃罩照在体内消化系统内壁上，以使所述CMOS成像器件实时获取消化系统内部信息；所述体内永磁体主要用于与体外永磁体形成磁路以控制胶囊内窥镜的运动。

3.如权利要求2所述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述三轴力传感器主要用于测量体内永磁体与体外永磁体在三维方向产生的相互作用力的大小。

4.如权利要求2所述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述数据处理电路将传感器获得的信息进行放大和模数转换从而得到工作站所需的控制信息。

5.如权利要求2所述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述工作站将得到的空间三维方向上的力通过相应的计算转化为三维方向上的距离信息，从而得出所述体内胶囊内窥镜与所述体外永磁体之间的相对位置。

6.如权利要求2所述的基于永磁和三轴力传感器的胶囊内镜控制系统，其特征在于，所述控制器用于实时控制所述机械手的空间方向上的运动。