CN103949008B - 基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统 - Google Patents

Abstract

一种内窥镜领域的基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统，干刺激电极布置于外壳的外表面且与电刺激发生器相连，主控制系统分别与图像传感器、压力传感器和电刺激发生器相连，体内无线通信模块分别与主控制系统、体外电刺激控制装置相连，接收体外电刺激控制装置的电刺激信号并将该信号传送至主控制系统，主控制系统根据电刺激信号向电刺激发生器发送电刺激控制命令，电刺激发生器产生刺激电流并传送至各个刺激电极，各个刺激电极释放出该刺激电流，实现对消化道壁肌肉进行电刺激。

Description

基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统

技术领域

本发明涉及一种医疗器械技术领域的系统，具体是一种基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统。

背景技术

消化道疾病是困扰现代人类的一大类疾病，据统计在美国有近20％的人患有不同程度的消化道疾病，中国人消化道疾病的总发病率高达30％。人体消化道自口腔至肛门，消化道主要器官小肠和大肠形状属于细长管道，分布于人体躯干器官之间，受限于消化道在人体的结构分布及消化道器官本身的结构特点，能够获取消化道内参数信息(包括图像及其它信息)的医疗器械和改变消化道运动规律的医疗器械都属于临床上有应用价值的医疗器械。

经对现有技术检索发现以下相关技术文献：中国专利文献号CN1061564公开(公告)日2001.02.07，公开了一种电子药丸，由绝缘隔离环和左、右不锈钢电极外壳构成壳体，内装电池和脉冲信号发生器，发出周期为3～4秒，脉宽部分包络占空比1:2.5～3.5，周期20～28毫秒，幅度为1.5～4.5伏调制脉冲信号，外形呈胶囊药物状，服用或置入人身(肛口、阴道)，电脉冲刺激胃、肠道、胰腺、前列腺和淋巴系统，但该技术的缺陷和不足在于：该电子药丸本身不能进行位置调整，只能被动跟随胃肠道的消化蠕动而运行，操作者无法控制电子药丸在消化道的位置，同时该电子药丸执行电刺激后，操作者无法获知电刺激的效果，存在着电刺激强度过大或不足的可能，无法实时调整电刺激信号的强度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统，操作者借助于智能电刺激胶囊上图像传感器获取的图像，发现智能电刺激胶囊停顿或需要改变肠道蠕动快慢时，可以利用体外磁控制装置改变智能电刺激胶囊的姿态和位置，使智能电刺激胶囊靠近肠道壁，同时控制电刺激胶囊产生电刺激脉冲，实现对肠道壁肌肉的电刺激。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电刺激胶囊、体外磁驱动装置、体外无线供能装置、体外电刺激控制装置和体外图像实时处理装置。

所述的电刺激胶囊包括：照明系统、光学系统、图像传感器、若干刺激电极、主控制系统、电刺激发生器、压力传感器、体内无线通信模块、无线能量接收模块、体内永磁体和外壳，其中：光学系统嵌设于外壳的端部，照明系统和图像传感器依次设置于光学系统的后侧，若干刺激电极布置于外壳的外表面且与电刺激发生器相连，主控制系统分别与图像传感器和电刺激发生器相连，体内无线通信模块分别与主控制系统、体外电刺激控制装置相连，接收体外电刺激控制装置的电刺激信号并将该信号传送至主控制系统，主控制系统根据电刺激信号向电刺激发生器发送电刺激控制命令，电刺激发生器产生刺激电流并传送至各个刺激电极，各个刺激电极释放出该刺激电流，实现对消化道壁肌肉的电刺激，同时刺激电流的信息由体内无线通信模块传输至体外电刺激控制装置进行显示和反馈调节；体内无线通信模块与主控制系统相连并将消化道壁的图像传送至体外图像实时处理装置，压力传感器与主控制系统相连，主控制系统检测压力传感器信号值，根据压力传感器信号值大小，对电刺激信号强弱进行智能控制，无线能量接收模块接收体外无线能量装置发送的能源并为照明系统、图像传感器、主控制系统、电刺激发生器、压力传感器和体内无线通信模块提供能源，体内永磁体受体外磁驱动装置的控制以实现电刺激胶囊整体姿态和位置的调节控制。

所述的刺激电极排列方式包括：刺激电极为圆形点状，均匀布置3个刺激电极电极在外壳的外表面，每个刺激电极具有独立的ID，通过控制每个刺激电极的ID单独控制刺激电极以释放刺激电流；或者刺激电极为绕线式电极，即以螺旋缠绕方式绕制在外壳外表面的中部，绕线宽度为5cm。

所述的刺激电流为电刺激信号，类型为方波、正弦波和脉冲信号，初始信号类型为方波，信号初始相位为0、周期为3.5秒、占空比1：3，电压初始值为3伏特、电流初始值为10mA，信号类型、相位、周期、占空比、电压和电流均可以编程设定。

所述的体外电刺激控制装置包括：体外无线通信模块、波形显示屏和电刺激调节装置，其中：电刺激调节装置发生电刺激信号并调节控制电刺激信号的信息，该电刺激信号经体外无线通信模块传送至电刺激胶囊内，电刺激胶囊主控制系统根据电刺激信号控制电刺激发生器产生刺激电流，并传送至刺激电极，由刺激电极将刺激电流释放出去。

所述的电刺激信号的信息包括：信号类型、相位、周期、占空比、电压和电流。

所述的体外磁驱动装置包括：相互连接的体外永磁体和永磁体操作控制装置，其中：永磁体操作控制装置控制体外永磁体使其向体内永磁体产生磁力作用。

所述的体外无线供能装置包括：体外无线能量发射线圈以及向其供能的电源控制器，其中：无线能量接收模块与体外无线能量发射线圈的交变电磁场耦合实现能量的传递。

所述的体外图像实时处理装置包括：相连接的体外图像实时接收模块和计算机工作站，其中：体外图像实时接收模块实时接收体内电刺激胶囊发送的图像并传送到计算机工作站，计算机工作站对图像进行显示和保存。

技术效果

本发明实现了对消化道内电刺激胶囊的姿态和位置的主动控制，能够完成消化道图像“定点”拍摄，实现电刺激操的“定点”操作控制，同时体外主动控制体内电刺激胶囊均在视频图像导航帮助下进行直观的操作，电刺激胶囊在实施电刺激过程中，压力传感器实时检测胃肠道压力，当电刺激强度过强，胃肠道压力过高，电刺激胶囊会自动减小电刺激信号强度，保证电刺激操作对胃肠道的安全；当电刺激强度过低，电刺激胶囊会自动增大电刺激信号强度，避免电刺激信号过弱达不到电刺激效果。压力传感器检测到的压力信息也可通过无线通信模块传送至体外，由医生判断电刺激后压力的变化情况，从而控制电刺激信号的强度。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图；

图2为电刺激胶囊结构示意图；

图3为体外磁驱动装置结构示意图；

图4为体外无线供能装置结构示意图；

图5体外电刺激控制装置结构示意图；

图6为体外图像实时处理装置示意图。

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和图2所示，本实施例包括：电刺激胶囊、体外磁驱动装置、体外无线供能装置、体外电刺激控制装置和体外图像实时处理装置。

电刺激胶囊包括：照明系统1、光学系统2、图像传感器3、刺激电极4、主控制系统5、电刺激发生器6、压力传感器7、体内无线通信模块8、无线能量接收模块9、体内永磁体10和外壳11。

本实施例所述电刺激胶囊外壳11为圆柱状，为便于吞服，外壳11两端部尽可能接近于半球状，表面光滑，并且外壳11要求具有良好的防水、绝缘性能，确保消化道内液体不会渗漏至外壳11内部。

光学系统2安装在电刺激胶囊端部，照明系统1安装在光学系统2后面，图像传感器3安装在照明系统1后面，刺激电极4安装在电刺激胶囊外壳表面，确保刺激电极4消化道直接接触，体内永磁体10安装在电刺激胶囊另一端。

光学系统2为图像传感器3提供合适的视野，照明系统1为图像传感器3提供照明。借助于体外永磁控制装置可主动改变电刺激胶囊的姿态和位置，电刺激胶囊姿态或位置改变后，可以获取理想视频图像信号，并在视频图像信号的导航引导下改变电刺激胶囊的位置和姿态，使电刺激胶囊贴紧消化道壁。

主控制系统5通过控制线连接到照明系统1、图像传感器3、电刺激发生器6、压力传感器7和体内无线通信模块8，主控制系统5控制照明系统1的照明，主控制系统5通过控制线实现对图像传感器3成像参数调节，图像传感器3的图像输出通过主控制系统5传送到体内无线通信模块8，体内无线通信模块8可以将图像输出的图像转变为一定频率的电磁波并传送到体外。

主控制系统5控制电刺激发生器6，使电刺激发生器6生成不同的电刺激波形，刺激电极4连接到电刺激发生器6的输出，实现对刺激电流的释放。

所述的刺激电流为电刺激信号，类型为方波、正弦波和脉冲信号，初始信号类型为方波，信号初始相位为0、周期为3.5秒、占空比1：3，电压初始值为3伏特、电流初始值为10mA，信号类型、相位、周期、占空比、电压和电流均可以编程设定。

主控制器5通过AD采样检测压力传感器7的输出，用以判断电刺激信号强度高低，实现电刺激操作的智能化控制。压力传感器检7测到的压力信息也可通过无线通信模块8传送至体外，由医生判断电刺激后压力的变化情况，从而控制电刺激信号的强度。

体内永磁体10与电刺激胶囊其它系统不产生电气连接。该体内永磁体10与体外磁驱动装置的永磁体13实现同性相吸，异性相斥，因此可以利用体外磁驱动装置的永磁体13控制电刺激胶囊的体内永磁体10，实现操作者对电刺激胶囊的姿态和位置的控制。

如图3所示，体外磁驱动装置包括：体外永磁体13和永磁体控制装置12，体外永磁体13围绕测试者形成磁场且安装永磁体控制装置12上，实现体外永磁体13的控制和操作。

如图4所示，体外无线供能装置包括：体外无线1能量发射线圈14和电源控制器15，电源控制器15将直流电源转变成一定频率的交流电流并传送到体外无线能量发射线圈14，体外无线能量发射线圈14将电能转变成为一定频率的交变电磁场。体内电刺激胶囊的无线能量接收模块9能够耦合体外的交变电磁场，并在无线能量接收线圈内产生交变电动势，该交变电动势经过整流、滤波和电压调节后，可以为消化道内的电刺激胶囊提供电能。

如图5所示，体外电刺激控制装置包括：无线通信模块17、波形显示屏16和电刺激调节装置18。波形显示屏16将不同的电刺激波形显示出来，电刺激调节装置18调节电刺激信号的波形、频率、强度、占空比参数后，通过无线通信模块17发送至消化道内的电刺激胶囊，由消化道内电刺激胶囊的体内无线通信模块8接收并传送至主控制系统5，主控制系统5根据接收到的电刺激的参数信息控制电刺激信号发生器6产生刺激电流，刺激电极4接收到刺激电流并释放出去，实现对消化道疾病壁肌肉的电刺激。

如图6所示，体外图像实时处理装置包括：体外图像实时接收模块19和计算机工作站20，体外图像实时接收模块19实时接收电刺激胶囊发送到体外的数字图像，并传送到计算机工作站20，计算机工作19将数字图像显示在计算机屏幕上并对图像进行保存。

下面结合附图将该系统的工作原理开展详细说明。测试者吞服电刺激胶囊，体外无线供能装置开始工作。图像传感器3通过光学系统2和照明系统1采集到消化道壁的数字图像，该数字图像通过主控制系统5传送到体内无线通信模块8，通过体内无线通信模块8传送到体外，由体外图像实时接收模块19接收并传送到计算机工作站20，计算机工作站20将图像显示在屏幕上，操作者根据图像，控制体外永磁体控制装置的永磁体控制装置12改变体外永磁体13姿态和位置，体内电刺激胶囊系统的体内永磁体10跟随体外永磁体13的姿态和位置发生改变，从而改变电刺激胶囊在消化道内的姿态和位置，图像传感器3可以检测不同姿态和位置情况下消化道壁的图像并传送到体外，从而确保操作者在图像导航下对消化道开展“定点”和“定向”的操作，操作者根据消化道壁图像，在数字图像导航帮助下，操作者控制电刺激胶囊停留，使电刺激胶囊的刺激电极4紧贴肠道壁，操作者利用体外电刺激控制装置的电刺激调节系统18发出电刺激治疗控制信号，该控制信号通过无线通信模块17传送到电刺激胶囊，由体内无线通信模块8接收并传送到主控制系统5，主控制系统5控制电刺激发生器6发出刺激电流，该刺激电流由刺激电极4释放再来，对肠道壁肌肉进行电刺激，改变消化道的蠕动快慢，在电刺激过程中，操作者可以结合图像传感器3检测到的实时图像对调整电刺激参数，操作者也可以操作体外磁驱动装置改变电刺激胶囊的姿态和位置，以实现对消化道壁准确的电刺激。在电刺激实施过程中，压力传感器7实时检测胃肠道压力，主控制系统5通过AD采样获得压力传感器7的输出，可以判断出电刺激后胃肠道压力改变情况，如果胃肠道压力过高，表明电刺激强度太强，对胃肠道不安全，主控制系统5控制电刺激发生器6降低电刺激信号的电压和电流，降低电刺激信号强度，如果胃肠道压力过低或没有改变，证明电刺激信号强度过低，达不到电刺激效果，主控制系统5控制电刺激发生器6增大电刺激信号的电压和电流，增大电刺激信号强度，使电刺激信号保持在一个合理范围。压力传感器检7测到的压力信息也可通过无线通信模块8传送至体外，由医生判断电刺激后压力的变化情况，从而控制电刺激信号的强度。

Claims (1)

1.一种基于视频图像导航的体外磁控制的智能电刺激胶囊系统，其特征在于，包括：刺激胶囊、体外磁驱动装置、体外无线供能装置、体外电刺激控制装置和体外图像实时处理装置，其中：

电刺激胶囊包括：照明系统、光学系统、图像传感器、若干刺激电极、主控制系统、电刺激发生器、压力传感器、体内无线通信模块、无线能量接收模块、体内永磁体和外壳，其中：光学系统嵌设于外壳的端部，照明系统和图像传感器依次设置于光学系统的后侧，若干刺激电极布置于外壳的外表面且与电刺激发生器相连，主控制系统分别与图像传感器、压力传感器和电刺激发生器相连，体内无线通信模块分别与主控制系统、体外电刺激控制装置相连，接收体外电刺激控制装置的电刺激信号并将该信号传送至主控制系统，主控制系统根据电刺激信号向电刺激发生器发送电刺激控制命令，电刺激发生器产生刺激电流并传送至各个刺激电极，各个刺激电极释放出该刺激电流，实现对消化道壁肌肉的电刺激；压力传感器实时检测胃肠道内的压力，主控制系统将压力传感器的输出进行AD采样后，判断胃肠内压力改变情况，从而控制电刺激发生器改变电刺激信号强度；体内无线通信模块将图像传感器输出传送至体外图像实时处理装置，无线能量接收模块接收体外无线能量装置发送的能源并为照明系统、图像传感器、主控制系统、电刺激发生器、压力传感器和体内无线通信模块提供能源，体内永磁体受体外磁驱动装置的控制以实现电刺激胶囊整体姿态和位置的调节控制；

所述的体外电刺激控制装置包括：体外无线通信模块、波形显示屏和电刺激调节装置，其中：电刺激调节装置发生电刺激信号并调节控制电刺激信号的信息，该电刺激信号经体外无线通信模块传送至电刺激胶囊内，体外无线通信模块与体内无线通信模块进行通信并将接受刺激电极的刺激电流信息，传输至波形显示屏上和电刺激调节装置；

所述的电刺激信号的信息包括：脉冲信号类型、相位、周期、占空比、电压幅值和电流，电刺激信号类型为脉冲信号或正弦波信号，初始信号类型为方波，信号初始相位为0、周期为3.5秒、占空比1：3，电压初始值为3伏特、电流初始值为10mA，信号类型、相位、周期、占空比、电压和电流均可以编程设定；

所述的刺激电极排列方式包括：刺激电极为圆形点状，均匀布置3个刺激电极在外壳的外表面，每个刺激电极具有独立的ID，通过控制每个刺激电极的ID单独控制刺激电极以释放刺激电流；或者刺激电极为绕线式电极，即以螺旋缠绕方式绕制在外壳外表面的中部，绕线宽度为5cm；

所述的压力传感器布置于外壳表面，可设置单个或两个压力传感器，压力传感器实时检测胃肠道内压力，主控制系统通过AD采样获取压力传感器输出，判断电刺激后胃肠道压力改变情况，如果胃肠道内压力升高过快，表明电刺激信号强度过大，对胃肠道不安全，主控制系统控制电刺激发生器降低电刺激信号的电压或电流，减小电刺激信号强度；如果胃肠道压力维持不变，表明电刺激信号强度过低，主控制系统控制电刺激发生器增加电刺激信号的电压和电流，增大电刺激信号强度，实现电刺激信号强度的智能控制；

所述的体外磁驱动装置包括：相互连接的体外永磁体和永磁体操作控制装置，其中：永磁体操作控制装置控制体外永磁体使其向体内永磁体产生磁力作用；

所述的体外无线供能装置包括：体外无线能量发射线圈以及向其供能的电源控制器，其中：无线能量接收模块与体外无线能量发射线圈的交变电磁场耦合实现能量的传递；

所述的体外图像实时处理装置包括：相连接的体外图像实时接收模块和计算机工作站，其中：体外图像实时接收模块实时接收体内电刺激胶囊发送的图像并传送到计算机工作站，计算机工作站对图像进行显示和保存。