CN104873166A - 一种基于ipmc驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法，胶囊内窥镜包括胶囊前盖，胶囊主体结构，胶囊尾部结构，在胶囊主体结构外侧以及胶囊尾部结构沿胶囊轴向方向设置有若干片状IPMC。胶囊内窥镜正常运动状态下，胶囊主体结构外侧的片状IPMC可沿胶囊收拢，当施加控制信号后可向外张开，用于实现减速或钳位功能；当分别对外侧的片状IPMC控制时，可以实现胶囊的姿态调整。胶囊尾端可以安装一片或两片IPMC，用于主动驱动功能。本发明利用具有良好生物相容性的IPMC人工肌肉智能材料，实现胶囊内窥镜在人体内运动的运动和姿态控制。

Description

一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法

技术领域

本发明涉及胶囊内窥镜，属于智能驱动技术领域。

背景技术

随着我国经济水平和医疗条件的提高，人性化的微创/无创诊疗技术越来越受到青睐。被医学界誉为“消化道疾病诊断的第四个里程碑”的胶囊内窥镜作为一种消化道疾病的可视化诊断设备2001年已经诞生。但是胶囊内窥镜作为一种消化道疾病的可视化诊断新型设备，其功能并不十分完善。内窥镜胶囊在人体内是随消化道的蠕动向前运动，摄取的消化道图像具有随机性，镜头角度不能控制，无法对可疑病灶进行多角度重复的观察，易造成图像遗漏、失真和对焦不准，在消化道疾病检查与诊断中具有一定的被动性和局限性。

目前有不少胶囊内窥镜主动驱动机制的探索研究，主要方式有蠕动式(Kim B，ParkS，Jee C Y，et al.An earthworm-like locomotive mechanism for capsule endoscopes[C].Intelligent Robots and Systems，2005.(IROS 2005).2005IEEE/RSJ International Conferenceon.IEEE，2005：2997-3002.)、微型电机式(De Falco I，Tortora G，Dario P，et al.AnIntegrated System for Wireless Capsule Endoscopy in a liquid-distended Stomach[J].2014.)和电磁驱动式(Leon-Rodriguez H，Lee C，Ha L V，et al.Conceptual design ofmicro-hydraulics system for active and biopsy capsule endoscope robot[C].BiomedicalRobotics and Biomechatronics.2014 5th IEEE RAS&EMBS International Conference on.IEEE，2014：1068-1072.)等，除此之外还有采用特殊材料：如压电陶瓷材料(Kim B，ParkS，Jee C Y，et al.An earthworm-like locomotive mechanism for capsule endoscopes[C].Intelligent Robots and Systems，2005.(IROS 2005).2005IEEE/RSJ International Conferenceon.IEEE，2005：2997-3002.)，磁致伸缩材料，记忆合金式材料等。但是，上述主动控制驱动机制还不能满足消化道检查的要求，比如蠕动式运动效率低、体积大，有可能阻塞病人的消化道；多足式多采用钩挂划动的方式，结构复杂，控制起来难度大且容易对肠道带来二次伤害；微电机式驱动耗能大，特别是基于螺旋原理的驱动方式容易损伤肠道内壁；形状记忆合金工作温度较高，不适用于肠道内检测；磁导式在运动控制上较为便捷，但是不易实现镜头角度控制，不能从根本上解决对于胶囊内窥镜在治疗功能的拓展。为了改善传统消化系统及人体微管道检查的不便以及难于实现对目标点位的观察，对于胶囊内窥镜的移动及镜头姿态的主动控制已成为消化系统检测技术发展的趋势。出于对消化道内部管壁的保护，传统机械驱动已不能满足于胶囊内窥镜机器人主动式控制的需求，因此需要设计对人体无损伤、微型化的驱动机制。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法，实现胶囊内窥镜机器人在人体消化道内的前进、减速、定点钳位和姿态控制的功能。

技术方案：一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，包括胶囊前盖、胶囊主体结构、胶囊尾部结构，在所述胶囊主体结构外侧以及所述胶囊尾部结构沿胶囊轴向方向设置有若干片状IPMC，所述若干片状IPMC的一端与胶囊固定，所述若干片状IPMC的另一端为自由端，所述胶囊主体结构内部设有用于控制所述若干片状IPMC的控制模块。

进一步的，所述胶囊内窥镜外部包裹可溶性膜。

进一步的，所述胶囊主体结构的外侧沿胶囊四周均匀设有三个或四个凹槽，所述每个凹槽对应容纳一片所述片状IPMC，每片所述片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构的一端。

进一步的，所述胶囊尾部结构中间位置设置一片所述片状IPMC。

进一步的，所述胶囊尾部结构平行设置两片所述片状IPMC，所述两片片状IPMC的控制信号相位差为180°。

进一步的，所述胶囊尾部结构的每一片所述片状IPMC的自由端还连接有鱼尾形状的柔性薄膜。

一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜的驱动方法，包括胶囊加速步骤，胶囊减速步骤，胶囊定点钳位步骤以及胶囊姿态调整步骤；

所述胶囊加速步骤为：胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC收拢到凹槽内，并控制胶囊尾部结构的片状IPMC往复摆动，实现胶囊的加速运动；

所述胶囊减速步骤为：胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开，并控制胶囊尾部结构的片状IPMC停止摆动，实现胶囊减速运动；其中，所述IPMC的自由端向外张开的角度可控并小于最大值；

所述胶囊定点钳位步骤为：完成所述胶囊减速步骤后，胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开到最大角度，所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端与检测部位接触，使胶囊停止运动，实现胶囊定点钳位；

所述胶囊姿态调整步骤为：胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的一片或多片IPMC的自由端向外张开，从而改变胶囊的倾斜角度，实现胶囊姿态调整。

有益效果：本发明的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，胶囊体外侧的片状IPMC(Ionic Polymer-metal Composites，离子聚合物金属复合材料)在控制信号的作用下完成张开和收拢动作，其中胶囊内窥镜加速前进时片状IPMC收拢，在胶囊内窥镜机器人减速停止时片状IPMC张开，通过与壳体外侧的片状IPMC的控制配合实现在肠道内加速前进、减速、定点钳位、姿态调整等动作。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用具有柔性和良好生物相容性的IPMC人工肌肉作为驱动材料，IPMC材料在其两侧电极上施加低电压(约3V)可产生较大的弯曲变形，且可以在潮湿环境或水环境下正常工作；利用IPMC材料的这些特性制备的胶囊内窥镜，在体内运动不会给肠道的有机组织造成伤害，同时胶囊内窥镜外部包裹可溶性膜，容易被患者吞服，不会给病人带来不适，达到对病人无损的目的。

2.通过各片IPMC的协同作用，胶囊内窥镜可以在肠道内实现加速、减速、姿态调整和定点钳位运动。胶囊内窥镜的加速运动可以实现快速消化道遍历检查；已投入到商业应用的胶囊内窥镜需要利用器官蠕动或器官内部流动的流体的带动下实现遍历人体各器官的任务，这样每次检查的速度是不可控的；而胶囊内窥镜机器人可以通过对IPMC的控制实现胶囊在人体内运动速度的控制，快速对患者进行消化道遍历检查。胶囊主体结构外侧的各片IPMC可以单独控制张开端顶点的高度，通过对其姿态调整运动的主动控制，可以改变胶囊的倾斜角度，实现胶囊内窥镜在人体内姿态的控制，方便摄像头其对病灶位置进行图像信息的获取，可以实现对病灶位置的全方位观察。结合其减速运动和定点钳位运动，可以胶囊内窥镜定位在肠道内的某一位置，从而实现针对某一位置进行详细检查。其中，各片IPMC的控制信号可通过外部设备将信号无线传输至胶囊内部的控制模块。

3.胶囊主体结构外侧的每片片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构的一端，在片状IPMC打开时，该种设置方案用以增大片状IPMC的自由端顶点到其固定端的距离，从而能够增加胶囊姿态的稳定性。同时，相较于片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾前盖的一端，张开时前进阻力更大，可使胶囊内窥镜机器人的减速效果更明显。

4.只需施加几伏的电压下即可以对片状IPMC进行张开和收拢的控制，控制方法简单，低电压对人体安全。IPMC收拢后贴服于胶囊的凹槽内，便于整体包裹，减小外廓尺寸，方便吞服。

5.胶囊尾部结构的一片片状IPMC连接有鱼尾形状的柔性薄膜，通过片状IPMC带动鱼尾形状的柔性薄膜的摆动，即尽可能的拟合鱼尾部的摆动轨迹，实现鱼类尾鳍的高推进效率。单柔性尾鳍驱动方式具有结构简单，驱动功耗低的优点。

6.当胶囊尾部结构平行设置两片柔性尾鳍时，对其两片片状IPMC的控制信号相位差为180°，从而使得两个柔性薄膜摆动相位差也为180°。双柔性尾鳍摆动产生的偏转扭矩可以相互抵消，从而保证胶囊内窥镜驱动的侧向稳定性，同时采用双柔性尾鳍对称驱动方式可以向胶囊体后排出更大体积的水，产生更大的推进力。

附图说明

图1为胶囊内窥镜结构示意图；

其中，1-胶囊前盖，2-胶囊主体结构，3-胶囊尾部结构，4-IPMC侧向鳍，5-柔性尾鳍；

图2为胶囊主体结构横截面结构示意图；

图3为柔性尾鳍结构示意图；

图4为单柔性尾鳍摆动示意图；

图5为单柔性尾鳍驱动方式示意图；

图6为双柔性尾鳍驱动方式示意图；

图7为单尾鳍结构下方波信号的驱动效果示意图；

图8为双尾鳍结构下正弦波信号的驱动效果示意图；

图9为双尾鳍结构下方波信号的驱动效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，包括胶囊前盖1、胶囊主体结构2、胶囊尾部结构3。胶囊前盖1为透明的摄像头保护罩，与胶囊主体结构2采用密封胶连接。在胶囊主体结构2外侧沿胶囊轴向方向设有四个凹槽，该四个凹槽沿胶囊四周均匀排布，每个凹槽对应容纳一片片状IPMC。片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构3的一端，片状IPMC的另一端为自由端。胶囊主体结构2外侧的四片片状IPMC称为IPMC侧向鳍，每片IPMC侧向鳍均为长条形，其自由端设置为圆弧形，每个凹槽的形状与IPMC侧向鳍形状一致，IPMC侧向鳍可整体收拢到凹槽内。在胶囊尾部结构3中间位置设置一片片状IPMC，该片状IPMC为长条形，其一端与胶囊尾部结构连接，另一端为自由端，该片片状IPMC称为IPMC尾鳍。在胶囊主体结构2内部设有用于控制IPMC侧向鳍和IPMC尾鳍的控制模块，还设有摄像头以及电源模块，控制模块用于接收外部的控制信号并输出电压信号到各片片状IPMC。

本结构的胶囊内窥镜采用泳动式驱动方式运动，通过控制模块控制IPMC侧向鳍和IPMC尾鳍的动作来实现胶囊内窥镜的运动和姿态控制功能。由于本结构所涉及的IPMC需要在潮湿或充水环境下工作，因此该胶囊内窥镜理想工作环境为肠道充水状态，在肠道内液体充盈的条件下，胶囊内窥镜的运动状态包括胶囊加速动作，胶囊减速动作，胶囊姿态调整动作以及胶囊定点钳位动作。

初始状态下，IPMC侧向鳍收拢在凹槽内，胶囊内窥镜外部整体包裹可溶性膜，胶囊内窥镜进入消化道后，在消化液的作用下，可溶性膜溶解。各片片状IPMC在施加正电压信号的作用下，片状IPMC向外侧弯曲扩张，通过控制施加电压信号的幅值，可以控制片状IPMC弯曲变形的大小；当施加反向电压信号后，片状IPMC可向内侧弯曲。

当胶囊需要加速运动时，控制模块控制IPMC侧向鳍收拢到凹槽内，并控制IPMC尾鳍往复摆动，其摆动角度可达到45°，实现胶囊的加速运动。当胶囊需要减速时，控制模块控制IPMC侧向鳍的自由端向外张开，并控制IPMC尾鳍停止摆动，实现胶囊减速运动；IPMC的自由端向外张开的角度可控并小于张开角度的最大值，IPMC的自由端向外张开的角度即自由端和固定端的连线与胶囊主体结构长度方向轴线的夹角。当胶囊需要进行姿态调整时，控制模块控制一片或多片IPMC侧向鳍的自由端向外张开，从而改变胶囊的倾斜角度，实现胶囊姿态调整；其过程中，IPMC尾鳍可处于工作状态或静止状态。当胶囊需要定点钳位时，先经过胶囊减速步骤后，控制模块控制四片IPMC侧向鳍的自由端向外张开到最大角度，所有片状IPMC侧向鳍的自由端与检测部位接触，使胶囊停止运动，实现胶囊定点钳位在某个检测部位。

进一步的，IPMC尾鳍的自由端还连接有鱼尾形状的柔性薄膜，其通过防水胶固定连接，从而构成柔性尾鳍。其中，片状IPMC作为主动部分，柔性薄膜选用厚度为0.01-0.1mm的柔软PVC薄膜，作为被动部分。在摆动过程中，尾部的柔性薄膜可以配合前部的片状IPMC的摆动进行适当变形，其和片状IPMC的摆动角度存在一定的相位差，在此基础上对柔性尾鳍单元整体结构尺寸进行优化，使其摆动轨迹与鱼体尾鳍的真实摆动轨迹尽可能相似。

本实施例中，各片片状IPMC的尺寸均为：长为20mm，宽为5mm，厚为0.2mm；每片片状IPMC的固定端为长度方向的4mm，其自由端长度即为16mm；PVC薄膜长度为15mm，其厚度为0.02mm。当控制模块输出到各片IPMC的控制信号为方波信号，其有效幅值为2.7V时，驱动效果如图7所示。在方波信号频率为2Hz条件下，在肠道模拟环境下测得胶囊内窥镜的最大游动速度为2.5mm/s。

实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，在胶囊尾部结构3平行设置两片片状IPMC，该两片片状IPMC的控制信号相位差为180°；两片片状IPMC的自由端均连接同样的柔性薄膜，即构成柔性双尾鳍。

相较于实施例1中在胶囊体尾部放置一片IPMC柔性尾鳍单元，IPMC在周期信号的驱动下往复摆动，驱动胶囊前进。此种推进方式结构简单，驱动能耗低。为了提高驱动时胶囊体的稳定性，在胶囊内窥镜机器人尾部并排放置两个相同的IPMC柔性尾鳍单元，并且两个柔性尾鳍单元对称摆动，相位差为180°。双尾鳍摆动产生的偏转扭矩可以相互抵消，从而保证胶囊内窥镜机器人驱动的稳定性，同时采用双位鳍对称驱动方式可以向胶囊体后排出更大体积的水，产生更大的推进力。与单尾鳍驱动相比，双尾鳍驱动的设计在不增加胶囊体长的的情况下将尾鳍数量加倍，其推进的稳定性和推进力都有大幅提升，因此双尾鳍胶囊内窥镜机器人必将拥有很高的推进效率。

本实施例中，各片片状IPMC及柔性薄膜的尺寸以均与实施例1中相同。当控制模块输出到各片IPMC的控制信号为正弦波信号，有效幅值为2.7V时，驱动效果如图8所示；在正弦波信号频率为1.5Hz条件下，测得最大游动速度为6mm/s。当控制信号为方波信号，有效幅值为2.7V时，驱动效果如图9所示；在方波信号频率为2Hz条件下，测得最大游动速度为7mm/s。

一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜的驱动方法，包括胶囊加速步骤，胶囊减速步骤，胶囊姿态调整步骤以及胶囊定点钳位步骤。在未施加电压信号的情况下，IPMC侧向鳍收拢到浅槽中，减小胶囊与水的接触面积，此时测得胶囊内窥镜机器人在肠道模拟环境下的自由降落速度为6.25cm/s。

胶囊加速步骤为：胶囊主体结构2内部的控制模块控制胶囊主体结构2外侧的所有片状IPMC收拢到凹槽内，并控制胶囊尾部结构3的片状IPMC往复摆动，实现胶囊的加速运动；

胶囊减速步骤为：胶囊主体结构2内部的控制模块控制胶囊主体结构2外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开，并控制胶囊尾部结构3的片状IPMC停止摆动，实现胶囊减速运动；其中，IPMC的自由端向外张开的角度可控并小于最大值；在同样环境条件下测得此时胶囊自由降落的速度降为3.47cm/s。

胶囊姿态调整步骤为：胶囊主体结构2内部的控制模块控制胶囊主体结构2外侧的一片或多片IPMC的自由端向外张开，从而改变胶囊的倾斜角度，实现胶囊姿态调整；

胶囊定点钳位步骤为：完成胶囊减速步骤后，胶囊主体结构2内部的控制模块控制胶囊主体结构2外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开到最大角度，胶囊主体结构2外侧的所有片状IPMC的自由端与检测部位接触，使胶囊停止运动，实现胶囊定点钳位。当胶囊内窥镜自由下滑时在1s时，对其施加电压信号控制进行减速动作，各IPMC侧向鳍逐渐张开，并与模拟肠壁发生接触，胶囊内窥镜机器人开始减速直至完全停止，完成钳位动作。胶囊内窥镜机器人在开始减速到完全停止过程中的位移约为6cm，消耗时间约为2s。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，包括胶囊前盖(1)、胶囊主体结构(2)、胶囊尾部结构(3)，其特征在于：在所述胶囊主体结构(2)外侧以及所述胶囊尾部结构(3)沿胶囊轴向方向设置有若干片状IPMC，所述若干片状IPMC的一端与胶囊固定，所述若干片状IPMC的另一端为自由端，所述胶囊主体结构(2)内部设有用于控制所述若干片状IPMC的控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊内窥镜外部包裹可溶性膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊主体结构(2)的外侧沿胶囊四周均匀设有三个或四个凹槽，所述每个凹槽对应容纳一片所述片状IPMC，每片所述片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构(3)的一端。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊尾部结构(3)中间位置设置一片所述片状IPMC。

5.根据权利要求4所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊尾部结构(3)的一片所述片状IPMC的自由端还连接有鱼尾形状的柔性薄膜。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊尾部结构(3)平行设置两片所述片状IPMC，所述两片片状IPMC的控制信号相位差为180°。

7.根据权利要求6所述的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜，其特征在于：所述胶囊尾部结构(3)的每一片所述片状IPMC的自由端还连接有鱼尾形状的柔性薄膜。

8.如权利要求1所述一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜的驱动方法，其特征在于：包括胶囊加速步骤，胶囊减速步骤，胶囊定点钳位步骤以及胶囊姿态调整步骤；

所述胶囊加速步骤为：胶囊主体结构(2)内部的控制模块控制所述胶囊主体结构(2)外侧的所有片状IPMC收拢到凹槽内，并控制胶囊尾部结构(3)的片状IPMC往复摆动，实现胶囊的加速运动；

所述胶囊减速步骤为：胶囊主体结构(2)内部的控制模块控制所述胶囊主体结构(2)外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开，并控制胶囊尾部结构(3)的片状IPMC停止摆动，实现胶囊减速运动；其中，所述IPMC的自由端向外张开的角度可控并小于最大值；

所述胶囊定点钳位步骤为：完成所述胶囊减速步骤后，胶囊主体结构(2)内部的控制模块控制所述胶囊主体结构(2)外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开到最大角度，所述胶囊主体结构(2)外侧的所有片状IPMC的自由端与检测部位接触，使胶囊停止运动，实现胶囊定点钳位；

所述胶囊姿态调整步骤为：胶囊主体结构(2)内部的控制模块控制所述胶囊主体结构(2)外侧的一片或多片IPMC的自由端向外张开，从而改变胶囊的倾斜角度，实现胶囊姿态调整。