CN111568347A - 一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括前部端盖、图像采集模块和施药模块。所述施药模块包括磁驱动器和储存液态药物的药物储存腔，所述磁驱动器包括第一永磁体和第二永磁体，通过施加外磁场使所述第一永磁体、第二永磁体产生旋转和相对轴向平移运动，从而挤压所述药物储存腔，使所述药物储存腔内的液态药物通过送药管从所述前部端盖排出。本发明的有益效果是：在胶囊内窥镜机器人中增加了施药模块使其具备了施药功能，施药模块的施药方向与图像采集模块的摄像方向一致，可以实时监控整个施药过程，并且施药量可调节；施药模块结构简单、高效；施药模块的驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊内窥镜机器人自身的能量。

Description

一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人

技术领域

本发明涉及医疗装置，尤其涉及一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人。

背景技术

胶囊内窥镜是一种口服式检查设备，主要用于监测人体消化道的健康状况。相比于传统的胃镜和肠镜，这种检查方法给患者造成的痛苦小，操作简单，患者的接受度高。因此，其市场应用前景广泛，国内外均有厂家在研发和生产。目前商用胶囊内窥镜的缺陷在于其功能都局限于图像采集。根据临床使用的反馈，医生在对患者的消化道进行检查时也希望可以使用胶囊内窥镜对一些已知的病灶组织进行施药治疗。这就要求胶囊内窥镜能够集成施药功能以满足临床需求。现有的一些研究尝试在胶囊内窥镜内部使用电机，或者弹簧等装置驱动施药机构进行施药操作，并利用动物组织成功进行了体外实验。但是，这些方法仍然存在体积大，能耗高，结构复杂，施药量不能调节等缺点，限制了其实际应用。并且目前的研究中，施药机构都是从胶囊内窥镜的侧面(即径向)排出药物，导致位于头部的摄像头（摄像头的摄像范围主要为轴向）难以实时监控整个施药过程，增大了医生判断施药效果的难度。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人。

本发明提供了一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括前部端盖、图像采集模块和施药模块。所述施药模块包括磁驱动器和储存液态药物的药物储存腔，所述磁驱动器包括第一永磁体和第二永磁体，通过施加外磁场使所述第一永磁体、第二永磁体产生旋转和相对轴向平移运动，从而挤压所述药物储存腔，使所述药物储存腔内的液态药物通过送药管从所述前部端盖排出，所述液态药物的排出方向与所述图像采集模块的摄像方向相同。

作为本发明的进一步改进，所述第一永磁体、第二永磁体均为径向充磁的圆环型永磁体。

作为本发明的进一步改进，所述施药模块还包括外壳、尾部端盖、旋转底座、平移底座，所述外壳为圆柱形壳体，所述外壳的尾端与所述尾部端盖连接，所述外壳的前端与所述图像采集模块的尾端连接，所述图像采集模块的前端与所述前部端盖连接，所述旋转底座、平移底座均位于所述外壳之内，所述第二永磁体固定在所述旋转底座上，所述旋转底座与所述尾部端盖旋转连接，所述第一永磁体固定在所述平移底座上，所述平移底座与所述外壳构成移动副，所述平移底座的前端面与所述外壳的内壁之间的封闭空间构成了所述药物储存腔。

作为本发明的进一步改进，所述外壳的后端为开放端，所述外壳的前端为封装端，所述平移底座的前端面与所述外壳的内侧面以及封装端之间相互围合形成的密闭空间为所述药物储存腔，所述外壳的前端设有送药管，所述送药管贯穿所述图像采集模块、前部端盖，所述送药管与所述药物储存腔连通，所述送药管上设有出药单向阀，所述外壳上设有进药通孔，所述进药通孔与所述药物储存腔连通，所述进药通孔上设有进药单向阀。

作为本发明的进一步改进，所述前部端盖上设有避让所述送药管的第一避让通孔，所述图像采集模块上设有避让所述送药管的第二避让通孔，所述送药管依次穿过所述第二避让通孔、第一避让通孔。

作为本发明的进一步改进，所述尾部端盖、旋转底座、平移底座、第一永磁体、第二永磁体、外壳、图像采集模块、前部端盖的轴线相重合。

作为本发明的进一步改进，进药单向阀和出药单向阀使用弹性材料制造。

作为本发明的进一步改进，所述旋转底座呈圆盘型，两端面各有一圆柱轴特征，圆柱轴直径有大小差异。所述第二永磁体具有径向充磁的圆环型特征，第二永磁体通过内圆与旋转底座上直径较大的圆柱轴构成过盈配合，从而固定于旋转底座上。所述轴承的内圈通过轴孔配合与旋转底座上直径较小的圆柱轴相连接。所述尾部端盖呈半球型，带有螺纹通孔特征。所述调整螺柱为圆柱型，其中一端面带有六角沉孔特征，另一端面带有圆形沉孔特征，圆柱面上攻有螺纹特征。所述调整螺柱与尾部端盖之间通过螺纹连接。调整螺柱上的六角沉孔可与六角扳手配合使用。所述轴承外圈与调整螺柱的圆形通孔之间通过轴孔配合相连接。这样，所述第二永磁体与旋转底座就通过轴承和调整螺柱固定在了尾部端盖上，并且相对于尾部端盖构成一个旋转运动副。所述施药模块的外壳呈圆柱型，具有三个矩形滑轨特征、通孔特征和圆柱型的送药管特征。所述尾部端盖嵌套安装于外壳上。所述平移底座呈圆柱型，圆柱面上带有三个矩形通槽特征，一个端面带有圆环形凹槽特征。所述平移底座可通过三个矩形通槽与外壳上的三个矩形滑轨配合，从而构成一个直线运动副。所述平移底座与外壳之间共同构成一个密闭空间作为药物储存腔。平移底座的圆柱面与外壳内壁之间为间隙配合。所述第一永磁体具有径向充磁的圆环型特征，嵌套固定于平移底座的圆环形凹槽内。因此，第一永磁体可带动平移底座沿外壳的矩形滑轨做平移运动。所述进药单向阀安装于外壳上的通孔内，可在一定压力下单向打开。所述出药单向阀安装于外壳上的圆柱型送药管内，可在一定压力下单向打开。所述图像采集模块嵌套安装于外壳的一端，具有通孔特征。所述前部端盖嵌套安装于图像采集模块上，具有通孔特征。外壳上的送药管穿过图像采集模块和前部端盖上的通孔将液态药物送至外界。综上所述，给施药模块施加一个外磁场可以驱动两个永磁体产生相对旋转运动，并且相互之间因为产生了排斥力而远离。其中第二永磁体轴向保持固定，第一永磁体带动平移底座沿外壳上的矩形滑轨做平移运动，推动液态药物通过送药管从胶囊内窥镜机器人的头部排出。

作为本发明的进一步改进，施药机构采用两个永磁体作为驱动器。施加外磁场后，利用两个永磁体之间的相对旋转和轴向平移运动推动液态药物排出。

作为本发明的进一步改进，通过调整螺母可在一定范围内对药物储存腔的容积做无极平滑调整。

作为本发明的进一步改进，液态药物沿轴向由胶囊内窥镜机器人的头部排出。

作为本发明的进一步改进，所述进药单向阀和出药单向阀使用弹性材料制造，并且可在一定压力下单向打开。

作为本发明的进一步改进，所述第一永磁体、第二永磁体的外型包括但不限于圆环型，制造第一永磁体、第二永磁体的材料包括但不限于钕铁硼材料。

作为本发明的进一步改进，所述前部端盖使用透明材料制造。

本发明的有益效果是：通过上述方案，在胶囊内窥镜机器人中增加了施药模块使其具备了施药功能，施药模块的施药方向与图像采集模块的摄像方向一致，可以实时监控整个施药过程，并且施药量可调节；施药模块结构简单、高效；施药模块的驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊内窥镜机器人自身的能量。

附图说明

图1是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的分解示意图。

图2是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的剖视图。

图3是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的施药模块的分解示意图。

图4是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的施药模块的初始状态图。

图5是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的施药模块施药后的状态图。

图6是本发明一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的药物储存腔容积调整原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括前部端盖1、图像采集模块2和施药模块3。

本发明提供的一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，优选的外型为胶囊型，以便于患者吞服。图1为本发明的分解视图，分为前部端盖1，图像采集模块2，施药模块3。前部端盖1具有第一通孔101，使用透明材料制成，以便于图像采集。主要作用为保护图像采集模块2免受人体内环境的影响。图像采集模块2具有第二通孔201，主要功能为图像的采集与传送。施药模块3用于完成施药功能。

如图2为本发明的整体全剖视图。前部端盖1外型为半球型，嵌套安装于图像采集模块2上。图像采集模块2载有LED灯组和微型摄像头。施药模块3由外壳301，第一永磁体302，第二永磁体 303,尾部端盖304,调整螺柱305,轴承306,旋转底座307,平移底座308，进药单向阀309和出药单向阀310组成。其中，外壳301、尾部端盖304、调整螺柱305、旋转底座307和平移底座308由非磁性材料制成。第一永磁体 302和第二永磁体 303使用铷铁硼材料制造。进药单向阀309和出药单向阀310使用弹性材料制造。图像采集模块2嵌套安装于外壳301上。第二永磁体 303为径向充磁的圆环型永磁体，通过内圆嵌套固定于旋转底座307的一端。旋转底座307另一端通过圆柱轴安装于轴承306的内圈中。轴承306通过轴孔配合安装于调整螺柱305一端的沉孔内。调整螺柱305与尾部端盖304之间为螺纹连接。这样，第二永磁体 303可带动旋转底座306相对于尾部端盖304做旋转运动。尾部端盖304嵌套固定于外壳301上。第一永磁体 302为径向充磁的圆环型永磁体，嵌套固定于平移底座308一端的圆环形凹槽内。如图3所示，平移底座308的表面带有三个矩形通槽，可以与外壳301上的三个矩形滑轨构成一个直线运动副。因此第一永磁体 302可带动平移底座308沿矩形滑轨做轴向运动。平移底座308与外壳301共同形成一个药物储存腔311用于储存液态药物。为增加药物附着性，液态药物应为粘度较大的液体。为保持密封，平移底座308与外壳301之间为间隙配合，从而对药物储存腔311内的液态药物形成间隙密封效果。进药单向阀309通过轴孔配合安装于通孔3012内，可在一定压力下单向打开。液态药物可在体外通过进药单向阀309注入药物储存腔。出药单向阀310通过轴孔配合安装于送药管3011内，可在一定压力下单向打开。出药单向阀310的主要作用有两个，一是作为注入液态药物时排出药物储存腔311内气体的通道，二是作为输出液态药物的通道。送药管3011穿过第二通孔201与第一通孔101将液态药物送至外部。

下面结合图4、5说明施药模块的运行原理。图4为初始状态，图5为施药完成后的状态。如图4，初始状态下第一永磁体 302和第二永磁体 303自然的处于吸合状态。当被施加一个自下而上的匀强磁场之后，第二永磁体 303就会开始旋转直至磁极对准外磁场的方向。这是因为永磁体在匀强磁场作用下，其磁极朝向总是沿着匀强磁场的磁场方向。若磁极朝向与磁场方向之间存在夹角，永磁体便会受到一个磁场所施加的转矩迫使其保持磁极朝向与外磁场一致。图4中初始状态下第一永磁体 302的磁极朝向与磁场方向一致，所以不受转矩作用。第二永磁体 303初始状态下磁极朝向与磁场方向相反，所以会在转矩作用下发生旋转直至对准外磁场方向。为了使两个永磁体顺利的产生相对旋转，所施加的匀强磁场必须能够提供足够的转矩以克服两个永磁体之间的吸引力。在匀强磁场的作用下，第一永磁体 302和第二永磁体 303除了会产生相对旋转运动以外，还会因为排斥力而相互远离。其中第二永磁体 303轴向保持固定，第一永磁体 302带动平移底座308沿外壳上的矩形滑轨轴向平移直至走完行程。这是因为初始状态下两个永磁体相互吸合，磁极朝向相反。施加匀强磁场之后，两个永磁体的磁极都对准了外磁场，因此磁极朝向一致。此时，两个永磁体之间会因为同性相斥原理而产生排斥力并相互远离。随着平移底座308的轴向运动，药物储存腔的体积逐渐变小，腔内压力升高。因此会迫使出药单向阀310打开，药物逐渐排出。如图5即为施药完成后的状态。由于药物是从胶囊机器人的头部排出，处于摄像头视野范围内，所以施药过程可以通过摄像头实时监控，有利于操作人员判断施药效果。整个施药过程是由外部磁场驱动胶囊机器人内部的永磁体完成的，因此无需在胶囊机器人内部安装额外的供能装置，节省了一定的体积。

图6为药物储存腔311容积调整的原理示意图。调整的方法为使用六角扳手插入调整螺柱305的六角沉孔3051内，通过旋转运动带动调整螺柱305旋入，可在一定范围内无极平滑的调节药物储存腔311的容积，直至容积满足要求。

所述具有施药功能的胶囊机器人在实际场景中的应用描述如下。首先医生根据患者情况计算施药量，然后调整好胶囊机器人的药物储存腔容积，最后将定量的药物注入药物储存腔。患者吞服胶囊机器人之后，图像采集模块2启动并收集患者消化道的图像信息传输至体外。胶囊机器人会随着消化道的蠕动而前进，到达病灶组织之后，可以通过施加匀强磁场使药物沿轴向由胶囊机器人的头部排出。通过图像采集模块上的微型摄像头，操作人员可实时监控施药过程。施药完成之后，胶囊机器人继续收集消化道剩余部分的图像信息，最后由肛门排出。

本发明提供的一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，在保留了传统胶囊内窥镜的图像采集功能的同时集成了施药功能，用于对已知的病灶组织进行施药操作。施药模块3的设计基于磁驱动原理，采用两个内置永磁体作为驱动器。可以通过在患者体外施加磁场的方式远程驱动两个永磁体产生相对旋转和平移运动，进而推动液态药物沿轴向由胶囊内窥镜机器人的头部排出。利用调整螺柱305可以在一定范围内对施药量进行无极平滑调整，从而达到定量施药的目的。

本发明提供的一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，具有以下优点：

（1）胶囊机器人集成了施药功能,可在检查消化道的同时，对已知的病灶组织做施药操作。

（2）胶囊机器人的施药模块3使用两个内置的永磁体做驱动器，可以在患者体外通过施加外磁场的方式驱动两个永磁体产生旋转和平移运动，进而驱动施药模块3完成施药操作。无需在胶囊机器人的内部配置其它供能装置，减小了体积占用。

（3）通过六角扳手和调整螺柱305的配合，可在一定范围内对药物储存腔的容积进行无级平滑的调节，从而可以控制所施加的药物量。

（4）胶囊机器人的结构简单，零件少，易于制造。可以降低制造成本并避免体积过大。

（5）施药模块3可将液态药物沿轴向从胶囊机器人的头部排出，处于摄像头的视野范围之内，因此操作人员可以实时监测施药的过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：包括前部端盖、图像采集模块和施药模块,所述施药模块包括磁驱动器和储存液态药物的药物储存腔，所述磁驱动器包括第一永磁体和第二永磁体，通过施加外磁场使所述第一永磁体、第二永磁体产生旋转和相对轴向平移运动，从而挤压所述药物储存腔，使所述药物储存腔内的液态药物通过送药管从所述前部端盖排出，所述液态药物的排出方向与所述图像采集模块的摄像方向相同。

2.根据权利要求1所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述第一永磁体、第二永磁体均为径向充磁的圆环型永磁体。

3.根据权利要求1所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述施药模块还包括外壳、尾部端盖、旋转底座、平移底座，所述外壳为圆柱形壳体，所述外壳的尾端与所述尾部端盖连接，所述外壳的前端与所述图像采集模块的尾端连接，所述图像采集模块的前端与所述前部端盖连接，所述旋转底座、平移底座均位于所述外壳之内，所述第二永磁体固定在所述旋转底座上，所述旋转底座与所述尾部端盖旋转连接，所述第一永磁体固定在所述平移底座上，所述平移底座与所述外壳构成移动副，所述平移底座的前端面与所述外壳的内壁之间的封闭空间构成了所述药物储存腔。

4.根据权利要求3所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述外壳的后端为开放端，所述外壳的前端为封装端，所述平移底座的前端面与所述外壳的内侧面以及封装端之间相互围合形成的密闭空间为所述药物储存腔，所述外壳的前端设有送药管，所述送药管贯穿所述图像采集模块、前部端盖，所述送药管与所述药物储存腔连通，所述送药管上设有出药单向阀，所述外壳上设有进药通孔，所述进药通孔与所述药物储存腔连通，所述进药通孔上设有进药单向阀。

5.根据权利要求4所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述前部端盖上设有避让所述送药管的第一避让通孔，所述图像采集模块上设有避让所述送药管的第二避让通孔，所述送药管依次穿过所述第二避让通孔、第一避让通孔。

6.根据权利要求3所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述外壳、尾部端盖、旋转底座、平移底座均为非磁性材料制成，所述前部端盖、尾部端盖均为半球型。

7.根据权利要求3所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述旋转底座为圆盘型，两端面各有一圆柱轴，两根圆柱轴的直径有大小差异，所述第二永磁体通过内圆与所述旋转底座上直径较大的圆柱轴构成过盈配合，从而固定于所述旋转底座上，所述旋转底座上直径较小的圆柱轴通过轴承与所述尾部端盖旋转连接。

8.根据权利要求7所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述尾部端盖上设有螺纹通孔，所述螺纹通孔内螺纹连接有调整螺柱，所述调整螺柱的尾端设有六角沉孔，所述调整螺柱的前端设有圆形沉孔，所述旋转底座上直径较小的圆柱轴通过轴承与所述圆形沉孔旋转连接。

9.根据权利要求3所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述外壳的内侧面设有矩形滑轨，所述平移底座的外侧面设有矩形凹槽，所述矩形滑轨与所述矩形凹槽滑动配合，所述平移底座与所述外壳之间为间隙配合。

10.根据权利要求3所述的具有施药功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述前部端盖为透明材料制成，所述尾部端盖、旋转底座、平移底座、第一永磁体、第二永磁体、外壳、图像采集模块、前部端盖的轴线相重合。

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