CN106473714A - 一种微型血管探测机器人及其运动控制方法 - Google Patents

一种微型血管探测机器人及其运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型血管探测机器人及其运动控制方法，包括：壳体、若干片压电薄膜、探头以及电源/信号收集系统，所述的壳体是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，压电薄膜成对且对称设置在靠近壳体的封闭端的空腔外壁上；当成对压电薄膜施加相同的电信号激励壳体在受迫振动的状态下沿着长度方向伸长或者缩短，从而导致空腔内的容积减小或者增大，致使空腔内的血液不断连续的被排出，从而推动整个微型血管探测机器人在血管内向前游动。本发明提出的壳体结构产生的微幅振动不会对血管内的血液成分以及血管内壁造成机械损伤，且具有结构简单、紧凑、抗压、能耗低、无噪声、控制简单等优点。

Description

一种微型血管探测机器人及其运动控制方法
技术领域
本发明属于压电驱动的微型机器人技术领域，具体指代一种微型血管探测机器人及其运动控制方法。
背景技术
通过探测血管里的血流信息、成分以及血管生理状态来分析病人的病情是目前医学成像领域研究的热点。目前，常用的探测方式是通过超声、OCT、光声以及核磁共振等非入侵式的方法获得血管内的各项生理信息。尽管非接触式的探测方式不会对人体造成损伤，但是所探测的信息却是有限的，特别是对于深层次的病症，无法获得全面的病理资料。为了能够准确无误的找到病理特征并进行有针对性的治疗，入侵式病理探测方式使得成为了可能。微创入侵方法的发明不但降低了病人的痛苦，同时也提高了病理检测水平。基于血管的尺寸限制，各种微型机器人相继被提出，但是如何避免对血管的损伤仍然没有很好地解决方法。虽然纳米机器人的研制给入侵式探测方法提供了新的可能，但是毕竟受到纳尺度的影响，所得到的探测信息是有限的。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微型血管探测机器人及其运动控制方法，以解决现有技术中入侵式病理探测方式不能够很好的解决对血管损伤的问题，以及纳米机器人探测所得到的探测信息是有限的等问题。
为达到上述目的，本发明的一种微型血管探测机器人，包括壳体、若干片压电薄膜、探头以及电源/信号收集系统，所述的壳体是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，且该封闭端连接上述电源/信号收集系统，该电源/信号收集系统连接探头；上述的压电薄膜成对且对称设置在靠近壳体的封闭端的外壁上。
优选地，所述的压电薄膜的长度方向与壳体的长度方向一致。
优选地，所述的探头包含超声-光学-OCT复合探测系统。
优选地，所述电源/信号收集系统包含电源和信号收集装置，用于给所述压电薄膜和探头供电以及收集探头系统的信息。
优选地，通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体同时随着压电薄膜的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体内空腔的容积变化。
本发明的微型血管探测机器人的运动控制方法，包括步骤如下：
通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体同时随着压电薄膜的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体内空腔的容积变化；
当对成对压电薄膜同时施加相同的电信号激励壳体在受迫振动的状态下沿着长度方向产生缩短变化，空腔内的容积将变大，外界的血液将从开口进入空腔中；当成对压电薄膜被激励沿着长度方向伸长，壳体也将沿着长度方向伸长，从而导致空腔内的容积减小，使得血液从空腔中排出；当血液排出空腔时，微型血管探测机器人会朝排血的反方向产生运动或者运动趋势；当压电薄膜在高频振动下激励壳体产生高频的伸长/缩短，致使空腔内的血液不断连续的被排出，从而推动整个微型血管探测机器人在血管内向前游动。
本发明的有益效果：
本发明利用压电耦合结构实现自由运动，具有结构简单、紧凑、抗压、能耗低、无噪声、控制简单等优点；提高了入侵式病理探测方法的准确度，同时降低病人的痛苦，
附图说明
图1绘示微型血管探测机器人的结构示意图；
图2绘示微型血管探测机器人的工作原理图；
其中，1为壳体，2为压电薄膜，3为探头，4为电源/信号收集系统，1.1a为钟状壳体在受迫振动下的缩短状态，1.1b为钟状壳体在受迫振动下的伸长状态。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种微型血管探测机器人，包括壳体1、若干片压电薄膜2、探头3以及电源/信号收集系统4，所述的壳体1是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构；且该封闭端连接上述电源/信号收集系统4，该电源/信号收集系统4连接探头3；上述的压电薄膜2成对且对称设置在靠近壳体1的封闭端的外壁上，并且压电薄膜2的长度方向和壳体1的长度方向一致，所述压电薄膜2沿厚度方向极化，空腔外壁表面的成对且对称压电薄膜的极化方向均朝法线方向，并且极化方向一致同时朝外或者同时朝内。
其中，所述的探头包含超声-光学-OCT复合探测系统；利用超声-光声-OCT复合探测系统可以实时精确的将血管内的病理情况以及血管壁上的病理情况探测清楚，并且确定具体的病灶位置。
其中，所述电源/信号收集系统包含电源和信号收集装置，用于给所述压电薄膜和探头供电以及收集探头系统的信息。
通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜2同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体1同时随着压电薄膜的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体内空腔的容积变化。
本发明的微型血管探测机器人的运动控制方法，包括步骤如下：
通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体同时随着压电薄膜的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体内空腔的容积变化；
当对成对压电薄膜同时施加相同的电信号激励壳体在受迫振动的状态下沿着长度方向产生缩短变化，空腔内的容积将变大，外界的血液将从开口进入空腔中；当成对压电薄膜被激励沿着长度方向伸长，壳体也将沿着长度方向伸长，从而导致空腔内的容积减小，使得血液从空腔中排出。根据动量定理，当将血液排出空腔时，微型血管探测机器人会朝排血的反方向产生运动或者运动趋势；当压电薄膜在高频振动下激励壳体产生高频的伸长/缩短，致使空腔内的血液不断连续的被排出，从而推动整个微型血管探测机器人在血管内向前游动。
下面以四片压电薄膜作为例子进行说明：
当对四片成对且对称设置在钟状壳体端部的压电薄膜施加完全相同且无相位差的正弦激励信号时，如图2所示，在时，施加的激励电信号使压电薄膜从原长状态变为收缩状态并且沿长度方向缩短，同时驱动壳体亦沿长度方向伸缩，导致壳体端部开口变大，空腔内的容积变大，见图2中1.1a为钟状壳体在受迫振动下的的缩短状态，血管内的血液进入空腔内；在过程中，压电薄膜由缩短状态恢复至原长，壳体也从缩短状态恢复至原长，此过程中空腔内的容积从最大开始变小直至恢复初始状态，因此在壳体开口端连续排出血液；在内，压电薄膜受激从原长状态伸长至最大值，同时壳体也沿长度方向伸长至最大，此过程中空腔内的容积持续变小，见图2中1.1b为钟状壳体在受迫振动下的伸长状态，因此壳体端部连续喷出血液；在时，压电薄膜从最长状态恢复至原长，此时壳体也沿着长度方向恢复至原长，空腔内的容积慢慢变大，血管内的血液再次持续进入空腔内，直至整个系统回复至平衡状态，至此一个周期结束。微型血管探测机器人通过一个周期连续交错的改变壳体空腔内的容积差实现壳体端部的进血排血从而提供整个系统向前运动的动力。
本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种微型血管探测机器人，其特征在于，包括壳体（1）、若干片压电薄膜（2）、探头（3）以及电源/信号收集系统（4），所述的壳体（1）是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，且该封闭端连接上述电源/信号收集系统（4），该电源/信号收集系统（4）连接探头（3）；上述的压电薄膜（2）成对且对称设置在靠近壳体（1）的封闭端的外壁上。
2.根据权利要求1所述的微型血管探测机器人，其特征在于，所述的压电薄膜（2）的长度方向与壳体（1）的长度方向一致。
3.根据权利要求1所述的微型血管探测机器人，其特征在于，所述的探头（3）包含超声-光学-OCT复合探测系统。
4.根据权利要求1所述的微型血管探测机器人，其特征在于，所述电源/信号收集系统（4）包含电源和信号收集装置，用于给所述压电薄膜（2）和探头（3）供电以及收集探头系统的信息。
5.根据权利要求1所述的微型血管探测机器人，其特征在于，通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜（2）同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体（1）同时随着压电薄膜（2）的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体（1）内空腔的容积变化。
6.一种微型血管探测机器人的运动控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
通过施加电信号，激励对称设置的压电薄膜同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动壳体同时随着压电薄膜的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变壳体内空腔的容积变化；
当对成对压电薄膜同时施加相同的电信号激励壳体在受迫振动的状态下沿着长度方向产生缩短变化，空腔内的容积将变大，外界的血液将从开口进入空腔中；当成对压电薄膜被激励沿着长度方向伸长，壳体也将沿着长度方向伸长，从而导致空腔内的容积减小，使得血液从空腔中排出；当血液排出空腔时，微型血管探测机器人会朝排血的反方向产生运动或者运动趋势；当压电薄膜在高频振动下激励壳体产生高频的伸长/缩短，致使空腔内的血液不断连续的被排出，从而推动整个微型血管探测机器人在血管内向前游动。
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