CN111588335A - 一种具有径向活检采样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径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括图像采集模块，径向活检功能模块，电子元件模块，径向活检功能模块包括磁驱动器和活检工作头，磁驱动器包括永磁体，通过施加外磁场使永磁体产生旋转，驱动活检工作头由径向伸出，撤去外磁场之后，活检工作头回收，完成活检采样的过程。本发明的有益效果是：在胶囊内窥镜机器人中增加了活检模块使其具备了活检功能，可以利用磁场在患者体外远程对径向活检功能模块进行驱动，以实现活检采样，径向活检功能模块的驱动能量全部由外磁场远程提供，无需消耗胶囊内置电池的能量；通过多次施加外磁场，可以使径向活检功能模块反复运行，可有效提高采样的成功率。

Description

一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械，尤其涉及一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人。

背景技术

胶囊内窥镜是一种医学检查设备，主要用于采集人体消化道的图像以供医生评估消化道的健康程度。相较于传统的柔性内窥镜，胶囊内窥镜的优势在于能够观察患者整个消化道的情况，并且给患者造成的痛苦小，在临床中已经得到了较为广泛的应用。然而，现有的胶囊内窥镜功能还较为单一，目前仅限于图像的采集功能。但是在实际应用中有许多疾病不能够单靠图像信息确诊，临床中往往会对不确定的病灶组织进行取活检操作。因此，目前已有许多的相关研究致力于在现有胶囊内窥镜中集成活检模块，以拓展其功能。

已有的一些研究中往往使用电机来驱动活检装置，但电机属于体积大，功耗大的设备。因此会导致难以控制胶囊内窥镜的体积，并且电机大量消耗内置电池的能量，会影响整体续航时间。其它一些研究中尝试采用扭力弹簧等蓄能装置来驱动活检装置，但种方法的缺点是活检模块的采样运动只能进行一次，蓄能装置一经触发就不能再次使用。若首次采样失败，则无法再次尝试。针对这些问题，目前研究的新方向是如何利用磁场在患者体外远程对活检装置进行驱动。

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径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人。

本发明提供了一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括图像采集模块，径向活检功能模块，电子元件模块，所述径向活检功能模块包括磁驱动器、将旋转运动转化为直线往复运动的传动机构和采集活体组织的活检工作头，所述磁驱动器通过所述传动机构与所述活检工作头连接，所述磁驱动器包括内置的永磁体，通过施加外磁场使永磁体产生旋转，经传动机构的传动之后，驱动活检工作头由径向伸出，撤去外磁场之后，活检工作头回收，完成活检采样的过程。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体为径向充磁的圆环型永磁体。

作为本发明的进一步改进，所述径向活检功能模块还包括壳体组件和传动轴，所述传动机构包括冠齿轮、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和齿条，所述永磁体固定在所述冠齿轮上，所述冠齿轮与所述壳体组件旋转连接，所述第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮分别固定在所述传动轴上，所述传动轴与所述壳体组件旋转连接，所述冠齿轮与所述第一圆柱齿轮相啮合，所述第二圆柱齿轮与所述齿条相啮合，所述齿条与所述活检工作头连接，所述齿条与所述壳体组件构成移动副。

作为本发明的进一步改进，所述壳体组件包括圆柱形壳体和位于所述圆柱形壳体两端的圆盘形底座，所述圆盘形底座的圆心处旋转连接有冠齿轮转动轴，所述冠齿轮与所述冠齿轮转动轴旋转连接，所述传动轴的两端分别与所述圆柱形壳体旋转连接。

作为本发明的进一步改进，所述冠齿轮转动轴沿所述圆柱形壳体的轴向设置，所述传动轴沿所述圆柱形壳体的径向设置。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体和所述传动机构均有两组并且镜像布置。

作为本发明的进一步改进，所述齿条上设有矩形凸台，所述圆柱形壳体上设有矩形凹槽，所述矩形凸台与所述矩形凹槽构成接触直线副，所述圆柱形壳体上设有沿其径向设置的径向凸台，所述径向凸台设有径向通孔，所述径向通孔与所述活检工作头构成接触直线副。

作为本发明的进一步改进，所述活检工作头为活检钳。

作为本发明的进一步改进，所述活检钳包括第一钳头、第二钳头、基座和推进组件，所述第一钳头、第二钳头的中部铰接，所述第一钳头、第二钳头的铰接处与所述基座固定连接，所述齿条通过所述推进组件分别与所述第一钳头、第二钳头的尾部铰接，所述第一钳头、第二钳头的头部均设有边缘锋利的凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述推进组件包括推杆、第一连杆和第二连杆，所述推杆的一端与所述齿条固定连接，所述推杆的另一端分别与所述第一连杆、第二连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述第二钳头的尾部铰接，所述第二连杆的另一端与所述第一钳头的尾部铰接。

作为本发明的进一步改进，所述基座的前部与所述径向凸台的径向通孔为间隙配合，所述基座的尾部直径大于所述径向凸台的径向通孔的孔径。

作为本发明的进一步改进，所述冠齿轮呈二级阶梯形状，具有中心通孔特征。冠齿轮直径较大的端面布置有直齿，用于齿轮啮合。直径较小的部分用于与永磁体内圆过盈配合，从而固定永磁体。配合要求永磁体不能相对于冠齿轮发生松动，永磁体端面与冠齿轮直径较小部分的端面平齐。所述冠齿轮的中心通孔两端各与一个大轴承的外圈形成轴孔配合。冠齿轮转动轴采用圆柱短轴，圆柱短轴与冠齿轮上的两个大轴承的内圈形成轴孔配合。这样冠齿轮绕圆柱短轴构成一个旋转运动副。圆盘形底座具有中心通孔特征。所述圆柱短轴一端与圆盘形底座的中心通孔过盈配合，将上述旋转运动副固定于圆盘形底座之上。其中冠齿轮带齿端面相对圆盘形底座朝外，直径较小部分的端面相对圆盘形底座朝内并与圆盘形底座端面之间留有间隙。上述圆盘形底座与旋转运动副共有两个，镜像布置在径向活检功能模块的两端。所述圆盘形底座与圆柱形壳体之间使用过盈配合固定。传动轴采用圆柱长轴，圆柱长轴共两根，呈对称布置。一侧的圆柱长轴两端各与一个小轴承的内圈形成轴孔配合。所述小轴承外圈与圆柱形壳体的圆孔凹槽特征构成轴孔配合。所述圆柱齿轮通过轴孔配合安装于圆柱长轴上。在圆柱长轴的中心位置和一端靠近轴承位置各布置一个圆柱齿轮，即第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮。其中靠近轴承位置的第一圆柱齿轮与冠齿轮的端面齿啮合形成齿轮传动副。中心位置的第二圆柱齿轮与齿条啮合构成齿轮齿条传动副。另一侧的圆柱长轴按相同的转动方式传递运动至齿条。这里不再赘述。所述齿条为直线型。左右各布置一列啮合齿特征，前后各有一矩形凸台特征，一端带有沉孔特征。矩型凸台与圆柱形壳体的矩形凹槽特征之间构成接触直线副。

作为本发明的进一步改进，所述活检工作头包括但不限于活检钳。可以是活检针等其他可通过直线往复运动采集活体组织的工作头。

作为本发明的进一步改进，所述活检工作头的伸出方向可通过改变所施加的外磁场的方向而改变，以达到精准采样的目的。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体包括但不限于圆环型，永磁体材料包括但不限于钕铁硼材料。

作为本发明的进一步改进，所述径向活检功能模块中的圆柱形壳体，圆盘形底座，齿轮（主要包括冠齿轮、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和齿条）等零件由非磁性的材料加工而成。

作为本发明的进一步改进，所述磁驱动胶囊内窥镜机器人的头部材料为透明材质，以便于进行图像的采集。

本发明的有益效果是：在胶囊内窥镜机器人中增加了活检模块使其具备了活检功能，可以利用磁场在患者体外远程对径向活检功能模块进行驱动，以实现活检采样，径向活检功能模块的驱动能量全部由外磁场远程提供，无需消耗胶囊内置电池的能量；通过多次施加外磁场，可以使径向活检功能模块反复运行，可有效提高采样的成功率。

附图说明

图1是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的整体外形图。

图2是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的分解示意图。

图3是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的径向活检功能模块的正视剖视图。

图4是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的径向活检功能模块的俯视剖视图。

图5是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的圆柱形壳体的正视剖视图。

图6是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的圆柱形壳体的俯视剖视图。

图7是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的活检钳的初始闭合状态图。

图8是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的活检钳的伸出张开状态图。

图9是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的驱动初始状态图。

图10是本发明一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人的驱动完成状态图。

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10所示，一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括图像采集模块1，径向活检功能模块2，电子元件模块3，所述径向活检功能模块2包括磁驱动器、将旋转运动转化为直线往复运动的传动机构和采集活体组织的活检工作头，所述磁驱动器通过所述传动机构与所述活检工作头连接，所述磁驱动器包括内置的永磁体，所述永磁体具有径向充磁的圆环型特征，通过施加外磁场使永磁体产生相对旋转，经传动机构的传动之后，驱动活检工作头由径向伸出，撤去外磁场之后，活检工作头回收，完成活检采样的过程。

如图1为本发明的外形图，整体为胶囊形状以便于吞服。胶囊头部为透明材质以便于相机拍摄。图2为本发明的主要部件，分为图像采集模块1，径向活检功能模块2，电子元件模块3。

所述图像采集模块1位于胶囊内窥镜机器人的头部，主要由摄像头以及LED灯组组成，用于消化道内部图像的采集。所述径向活检功能模块2与图像采集模块1固定连接，其作用为使胶囊内窥镜机器人能够对病灶组织进行活体采样操作。所述电子元件模块3安装于胶囊内窥镜机器人尾部，与径向活检功能模块2固定相连。由信号发射元件，图像处理元件，电池等组成，主要作用为将采集到的图像实时传输至外部接收端，图像处理以及供电等。

如图3、4为本发明的径向活检功能模块2，位于图像采集模块1和电子元件模块3之间。用于完成活检采样功能。

图3为径向活检功能模块2的正视全剖视图，图4为径向活检功能模块2的俯视全剖视图。

径向活检功能模块2 主要由外壳201，活检钳202，底座1 203，底座2 204，大轴承1205，大轴承2 206，大轴承3 207，大轴承4 208，冠齿轮1 209，冠齿轮2 210，永磁体1 211，永磁体2 212，齿条213，小轴承1 214，小轴承2 215，小轴承3 216，小轴承4 217，圆柱长轴1218，圆柱长轴2 219，圆柱短轴1 220，圆柱短轴2 221，圆柱齿轮1 222，圆柱齿轮2 223，圆柱齿轮3 224和圆柱齿轮4 225组成，外壳201为圆柱形壳体，底座1 203、底座2 204均为圆盘形底座。

永磁体1 211嵌套安装于冠齿轮1 209上，冠齿轮1 209通过大轴承1 205和大轴承2 206与圆柱短轴1 220连接，圆柱短轴1 220为冠齿轮1 209的转动轴，因此冠齿轮1 209可绕圆柱短轴1 220作旋转运动。圆柱短轴1 220通过插入底座1 203上的通孔固定于底座1上。对称的冠齿轮2 210等零件布局相同，这里不再赘述。冠齿轮1 209与圆柱齿轮2 223（即第一圆柱齿轮）构成齿轮副，可将绕圆柱短轴1 220的旋转运动转化为绕圆柱长轴1 218（即传动轴）的旋转运动。冠齿轮2 210与圆柱齿轮4 225构成齿轮副，可将绕圆柱短轴2 221的旋转运动转化为绕圆柱长轴2 219的旋转运动。圆柱长轴1 218上还安装有圆柱齿轮1 222（即第二圆柱齿轮），圆柱长轴2 219上还安装有圆柱齿轮3 224。圆柱齿轮1 222与圆柱齿轮3 224对称布置且旋转方向相反（即镜像布置），和齿条213一起共同构成齿轮齿条副。用于将绕圆柱长轴1 218和绕圆柱长轴2 219的旋转运动转化为齿条 213的直线往复运动。进而齿条213可以带动活检钳202往复运动。

结合图3至图6说明各零件与外壳201之间的连接关系。其中图5为外壳201的正视全剖视图，图6为外壳201的俯视全剖视图。

为减小旋转摩擦，圆柱长轴1 218的一端通过小轴承1 214安装于圆形凹槽1 2014内，圆柱长轴1 218的另一端通过小轴承3 216安装于圆形凹槽3 2016内。圆柱长轴2的安装方式相同，这里不再赘述。矩形凸台1 2131与矩形凹槽1 2012，矩形凸台2 2132与矩形凹槽2 2013分别构成接触直线副，从而对齿条213进行限位。齿条213作往复运动带动活检钳202通过圆孔凸台2011（即径向凸台）从所述胶囊机器人的侧面伸出与回收。

下面结合图7、8说明活检钳的机构运动原理。其中图7为活检钳202的初始闭合状态，图8为活检钳202的伸出张开状态。

为了方便理解都做了剖视处理。钳头1 2021（即第一钳头）与钳头2 2022（即第二钳头）通过同一销连接与基座2025相连。钳头1 2021，钳头2 2022分别通过连杆1 2023（即第一连杆），连杆2 2024（即第二连杆）与推杆2026相连，连接方式均为销连接。由于采用销连接，各零件在连接处均可在一定范围内旋转。活检钳202的推杆2026与齿条213刚性连接。当需要进行活检采样时，齿条首先通过推杆2026推动活检钳整体开始伸出。此时两个钳头由于受到圆孔凸台2011内壁的限位而不会张开。当活检钳202整体伸出到基座2025尾部时。由于基座2025尾部直径大于圆孔凸台2011。因此基座2025停止伸出。此时两个钳头整体已伸出胶囊机器人，不再受到圆孔凸台2011的限位。推杆2026继续相对于基座2025伸出，通过连杆2023和连杆2024推动两个钳头张开。活检钳202回收时首先通过推杆2026拉动使钳头闭合以夹取病灶组织。钳头完全闭合之后，活检钳202即可经圆孔凸台2011回缩，直至活检钳202完全收入胶囊内部。

下面结合图9、10说明径向活检功能模块2的驱动原理。其中，图9为初始状态，图10受到匀强磁场作用之后的状态。

为方便观察，去掉了外壳201。胶囊机器人进行活检采样的驱动器是永磁体1 211和永磁体2 212。两个永磁体都是径向充磁的圆环型永磁体。如图9，在初始状态下永磁体1211和永磁体2 212的磁极朝向相反，由于异性相吸原理，两个永磁体处于吸合状态。给胶囊机器人施加一个固定方向的匀强磁场，两个永磁体便会开始相对旋转，直至磁极完全对准所施加的匀强磁场的磁场方向。如图10所示即为两个永磁体完全对准外磁场方向之后的状态。这是利用永磁体在匀强磁场中磁极朝向始终沿着磁场方向这一原理。当永磁体磁极朝向与匀强磁场的方向存在夹角，这时永磁体就会受到一个转矩力直至对准外磁场方向。本发明所使用的两个永磁体初始处于吸合状态，这就要求所施加的匀强磁场所提供的转矩力必须足够克服两个永磁体之间的吸合力。两个永磁体从开始偏转直至完全对准外磁场方向的旋转运动过程可以被用来分别带动冠齿轮1 209和冠齿轮2 210，经传动之后给活检钳202的运动提供动力。当两个永磁体完全对准外磁场之后，活检钳也完全伸出并且其朝向与磁场方向一致。改变所施加的匀强磁场的方向，就可以带动活检钳指向病灶所在的位置，以达到精准采样的目的。撤去所施加的匀强磁场后，永磁体1 211和永磁体2 212将立即逆向旋转并回到初始的吸合状态。这是由于两个永磁体都对准外磁场方向时，磁极的朝向一致。两个永磁体处于同性相斥的状态。将所施加的匀强磁场撤去后，施加于两个永磁体上的的转矩力随之消失，因此两个永磁体会相对旋转返回初始的吸合状态。旋转方向与推动活检钳伸出时的转向相反。通过多次施加匀强磁场，活检钳202可以多次伸出进行采样运动，以确保采样的成功率。所有活检采样的能量都通过患者外部的磁驱动系统提供，无需消耗胶囊机器人内置电池的能量，因此不会降低图像采集模块1，电子元件模块3等需要耗电的模块的续航时间。

所述具有活检采样功能的胶囊机器人在实际场景中的应用描述如下。首先胶囊机器人通过患者吞服的方式进入人体消化道并随着人体消化道的蠕动不断前进，图像采集模块1开始不断采集消化道的图像信息并通过电子元件模块3处理并发射至外部接收端。医生通过可视操作界面实时监控患者消化道的状况。当医生判定需要进行活检采样操作时，通过患者外部的磁驱动系统给胶囊施加一个匀强磁场使活检钳202伸出。并不断调整所施加的匀强磁场的方向使活检钳能够找到合适的夹取位置。撤去所施加的匀强磁场，使活检钳202回收并夹取目标病灶的组织。可多次施加匀强磁场直至采样成功。完成采样之后，胶囊机器人继续随着消化道蠕动前进完成消化道其余部分的检查。最终通过肛门排出，完成检查。

本发明提供的一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，径向活检功能模块2的驱动器为内置的两个永磁体。通过施加外磁场使两个永磁体产生相对旋转，经传动之后驱动活检工作头伸出。撤去外磁场之后活检工作头回收，完成活检采样过程。活检工作头的伸出方向可通过改变所施加的外磁场的方向而改变，从而达到精准采样的目的。径向活检功能模块2的驱动能量全部由外磁场远程提供，无需消耗胶囊内置电池的能量。通过多次施加外磁场，可以使径向活检功能模块2反复运行，可有效提高采样的成功率。

本发明提供的一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，具有以下优点：

（1）以内置的两个径向充磁的圆环型永磁体作为驱动器，可以通过磁驱动系统远程无线驱动两个永磁体产生相对旋转运动，经传动后驱动活检钳工具径向伸出，避免了消耗胶囊机器人内置电池的能量。

（2）胶囊机器人的径向活检功能模块可以完成活检功能，拓展了胶囊内窥镜的使用功能。并且活检机构可在外磁场作用下重复多次运行，有助于提高活检采样成功率。

（3） 活检钳的伸出方向可随所施加的外磁场的方向改变而改变，以达到精准采样的目的。

（4）胶囊机器人结构简单有效，排布紧凑，仅需少量零件即可完成驱动、传动及活检采样任务。有助于控制胶囊机器人的体积。

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)

1.一种具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，包括图像采集模块，径向活检功能模块，电子元件模块，其特征在于：所述径向活检功能模块包括磁驱动器、将旋转运动转化为直线往复运动的传动机构和采集活体组织的活检工作头，所述磁驱动器通过所述传动机构与所述活检工作头连接，所述磁驱动器包括内置的永磁体，通过施加外磁场使永磁体产生旋转，经传动机构的传动之后，驱动活检工作头由径向伸出，撤去外磁场之后，活检工作头回收，完成活检采样的过程。

2.根据权利要求1所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述永磁体为径向充磁的圆环型永磁体。

3.根据权利要求1所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述永磁体和所述传动机构均有两组并且镜像布置。

4.根据权利要求1所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述径向活检功能模块还包括壳体组件和传动轴，所述传动机构包括冠齿轮、第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和齿条，所述永磁体固定在所述冠齿轮上，所述冠齿轮与所述壳体组件旋转连接，所述第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮分别固定在所述传动轴上，所述传动轴与所述壳体组件旋转连接，所述冠齿轮与所述第一圆柱齿轮相啮合，所述第二圆柱齿轮与所述齿条相啮合，所述齿条与所述活检工作头连接，所述齿条与所述壳体组件构成移动副。

5.根据权利要求4所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述壳体组件包括圆柱形壳体和位于所述圆柱形壳体两端的圆盘形底座，所述圆盘形底座的圆心处旋转连接有冠齿轮转动轴，所述冠齿轮与所述冠齿轮转动轴旋转连接，所述传动轴的两端分别与所述圆柱形壳体旋转连接，所述冠齿轮转动轴沿所述圆柱形壳体的轴向设置，所述传动轴沿所述圆柱形壳体的径向设置。

6.根据权利要求5所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述齿条上设有矩形凸台，所述圆柱形壳体上设有矩形凹槽，所述矩形凸台与所述矩形凹槽构成接触直线副，所述圆柱形壳体上设有沿其径向设置的径向凸台，所述径向凸台设有径向通孔，所述径向通孔与所述活检工作头构成接触直线副。

7.根据权利要求6所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述活检工作头为活检钳。

8.根据权利要求7所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述活检钳包括第一钳头、第二钳头、基座和推进组件，所述第一钳头、第二钳头的中部铰接，所述第一钳头、第二钳头的铰接处与所述基座固定连接，所述齿条通过所述推进组件分别与所述第一钳头、第二钳头的尾部铰接，所述第一钳头、第二钳头的头部均设有边缘锋利的凹槽。

9.根据权利要求8所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述推进组件包括推杆、第一连杆和第二连杆，所述推杆的一端与所述齿条固定连接，所述推杆的另一端分别与所述第一连杆、第二连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述第二钳头的尾部铰接，所述第二连杆的另一端与所述第一钳头的尾部铰接。

10.根据权利要求8所述的具有径向活检采样功能的磁驱动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述基座的前部与所述径向凸台的径向通孔为间隙配合，所述基座的尾部直径大于所述径向凸台的径向通孔的孔径。

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