CN111938554B - 一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，包括胶囊本体和控制器；其中，胶囊本体包括胶囊壳体，胶囊壳体一端设有摄像头，胶囊壳体两端的内壁上分别固定有一弹簧，两个弹簧沿胶囊壳体的轴向相对分布；胶囊壳体内部还设有激振冲击结构、供能模块及微处理器；激振冲击结构设置在两个弹簧之间，激振冲击结构包括螺线圈和激振体；摄像头、螺线圈及供能模块分别与微处理器电连接，控制器与微处理器无线连接；微处理器、供能模块及螺线圈均固定在胶囊壳体的内壁上，激振体插设在螺线圈中。本发明具有结构简单、运动可控的突出特点，可以用作新一代消化道检测的内窥镜被广泛应用。

Description

一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统

技术领域

本发明涉及消化道无线检测技术领域，特别涉及一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统。

背景技术

对于医疗检测技术而言，在提升医疗诊断准确度的同时，减轻病人在检查时受到的痛苦一直是其发展的主要方向。

在众多的医疗检查中，消化道检查无疑是最令病患感到痛苦的，因为目前绝大部分的消化道检测还是基于有线式内窥镜进行的，而管线随探头进入人体内产生的异物感常常使病人难于承受而必须在检查前接受全身麻醉。为了有效地解决这一痛点，无线式胶囊内窥镜检测技术于20年前应运而生，这给消化道的医疗诊断带来了革命性的变化。

但是，目前已投入临床使用的胶囊内窥镜，无论是被动地依靠肠道蠕动来实现移动，还是主动地通过外部磁场的引导而实现移动，其胶囊本身都不具备独立的运动能力。此外，被动式胶囊的移动效率低，使得检测时间较长，甚至存在胶囊陷于消化道沟壑而无法排出体外的风险。而磁控式胶囊则需要营造体外磁场，这使得其配套设备复杂，从而造成使用成本高昂。

发明内容

本发明提供了一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，以解决现有胶囊内窥镜技术所存在的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，包括胶囊本体和控制器；其中，所述胶囊本体包括胶囊壳体，所述胶囊壳体一端设置有摄像头，所述胶囊壳体两端的内壁上分别固定有一弹簧，两个弹簧在所述胶囊壳体的内部沿所述胶囊壳体的轴向相对分布；所述胶囊壳体内部还设置有激振冲击结构、供能模块以及微处理器；其中，所述激振冲击结构设置在两个弹簧之间，所述激振冲击结构包括螺线圈和激振体，所述激振体由磁致伸缩材料制成；

所述摄像头、所述螺线圈以及所述供能模块分别与所述微处理器电连接，所述控制器与所述微处理器无线连接；所述微处理器、所述供能模块以及所述螺线圈均固定安装在所述胶囊壳体的内壁上，所述激振体插设在所述螺线圈中。

进一步地，所述控制器用于通过无线传输的方式向微处理器发送控制指令，所述微处理器用于按照所述控制指令调节螺线圈的电流参数，通过所述螺旋圈产生交变磁场，使得所述激振体在螺旋圈产生的交变磁场中作磁致伸缩运动，并间隙性地冲击所述胶囊壳体内部两端的弹簧，以提供所述胶囊本体的驱动力。

进一步地，控制指令包括控制胶囊本体在前后双向上的多级速度运动指令。

进一步地，微处理器还用于将摄像头采集的图像实时传输给外部显示设备。

进一步地，所述弹簧为压缩弹簧，当所述激振体冲击弹簧时，弹簧被压缩，以将所述激振体的激振能量传递给所述胶囊壳体，提供所述胶囊本体的驱动力。

进一步地，所述供能模块为微型电池。

进一步地，所述激振体采用GMM铽镝铁稀土超磁致伸缩合金制成。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明通过在胶囊内部设置磁致伸缩式的激振冲击结构来赋予胶囊自推进能力，在不需要增加外部配套设备的情况下，使得胶囊在复杂的消化道环境中具有更灵活的运动能力；并且可以通过对螺线圈的电流参数的无线调节来实现胶囊在消化道中的多级变速，以及前进和后退的双向运动。本发明具有结构简单、运动可控的突出特点；可以用作新一代消化道检测的内窥镜而被广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统中的胶囊本体的整体结构示意图；

图2为磁致伸缩原理示意图；其中，(a)表示正常状态，(b)表示压缩状态，(c)表示拉伸状态。

附图标记说明：

P1、激振冲击结构；P2、微处理器；P3、供能模块；P4、摄像头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参阅图1和图2，本实施例提供一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，该自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统包括胶囊本体和控制器；其中，如图1所示，胶囊本体包括胶囊壳体，胶囊壳体一端设置有摄像头P4，胶囊壳体两端的内壁上分别固定有一弹簧，两个弹簧在胶囊壳体的内部沿胶囊壳体的轴向相对分布；胶囊壳体内部还设置有激振冲击结构P1、微处理器P2以及供能模块P3；其中，激振冲击结构P1设置在两个弹簧之间，激振冲击结构P1包括螺线圈和激振体，其中，激振体由磁致伸缩材料制成。具体地，在本实施例中，该激振体采用GMM铽镝铁稀土超磁致伸缩合金(Terfenol-D)制成。

磁致伸缩材料是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。它们能量密度高、耦合系数大，具有很好的传感和驱动性能，因此在智能材料及相应器件领域得到了广泛的应用和快速的发展。工程上通常利用它来制造磁致伸缩换能器，主要是基于磁致伸缩材料可以在交变电流架构的交变磁场中不断的伸缩变换，使得磁致伸缩结构产生与交变磁场频率相同的机械振动，从而实现电磁能与机械能的转换，其磁致伸缩原理如图2所示。

具体地，本实施例采用微型电池作为供能模块P3为各部件供电，摄像头P4、螺线圈以及供能模块P3分别与微处理器P2电连接，微处理器P2集成有通讯模块的控制器，并通过集成的通讯模块与控制器无线连接；微处理器P2、供能模块P3以及螺线圈均固定安装在胶囊壳体的内壁上，激振体则插设在螺线圈中。

工作时，首先通过外置的控制器以无线传输的方式向微处理器P2发送控制指令，然后由微处理器P2按照接收到的控制指令调节螺线圈的电流参数，通过螺旋圈产生激振体发生磁致伸缩所需要的交变磁场，使得激振体在螺旋圈产生的交变磁场中作磁致伸缩运动，不断伸缩变形，以此产生胶囊本体内部的激振力，并通过在变形过程中间隙性地冲击胶囊壳体内部两端的弹簧，将激振体的激振能量传递给胶囊壳体，以提供胶囊本体的驱动力，当胶囊壳体受到的冲击力大于其静摩擦力时，胶囊本体开始运动，从而实现胶囊本体在人体消化道内的自推进功能。通过控制器可以对螺线圈的电流参数进行无线调节，以此来实现胶囊本体在消化道中的多级变速，以及前进和后退的双向运动，包括：快速前进、中速前进、低速前进、悬停、快速后退、中速后退、低速后退7种情况。

此外，在本实施例中，微处理器P2还集成有传输模块，并通过集成的传输模块与外部显示设备无线连接，利用传输模块将摄像头P4采集的消化道的图像实时传输给外部显示设备，以便用户可以实时观察自己消化道内部的实际情况。

具体地，本实施例的胶囊本体的尺寸为长30mm，直径11mm。胶囊本体中的弹簧为压缩弹簧，当激振体冲击弹簧时，弹簧会被压缩，从而将激振体的激振能量传递给胶囊壳体，提供胶囊本体的驱动力，实现胶囊本体的前进或后退。

本实施例的自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统的构建过程如下：

1、胶囊本体的动力学行为特征分析

首先建立胶囊本体的动力学模型，一方面充分考虑胶囊本体自身的两自由度强迫振动的结构特点，另一方面深入探讨作用于胶囊本体上的来自于消化道内壁的摩擦阻力的复杂性，通过对以上两方面因素的全面分析构建起胶囊本体在消化道中行进时的完整动力学模型。基于建立的动力学模型，分析系统质量、阻尼、刚度等结构参数，以及振幅、频率等激振参数的变化对胶囊本体动态响应的影响，通过分岔分析，掌握胶囊本体动力学行为特征的演化路径，以及其存在多稳态的参数区域，确定出胶囊本体进行稳定单周期运动的参数范围，并以此作为胶囊本体运动控制的基础参数范围。

2、基于可靠度优化的胶囊本体设计

在胶囊本体非线性动力学行为研究的基础上，通过多目标优化理论来确定胶囊最佳的系统参数与控制方案。首先，根据建立的动力学模型，梳理出全部设计参数，并依次进行参数敏感性分析，以确定出用于系统优化设计的参数类别。然后，对确定的各项优化参数进行主效应分析，以明确各参数对应的优化方向，并以此制定出对应参数的优化策略。最后，以胶囊尺寸、电池供能时长为约束条件，以具有高可靠性的双向多级运动速度为优化目标，采用Six Sigma、Multi-island Genetic Algorithm、Monte Carlo为一体的优化设计算法组合，通过系统的优化分析得到胶囊本体的最优结构参数和控制参数的设计方案。

3、胶囊本体的组装和检测

根据优化设计的要求对胶囊本体的各个部件进行组装和整合，并对整个集成后的胶囊本体进行外壳的封装。封装完成后，对胶囊本体的各方面性能进行系统的测试，确保达到性能要求。

综上，本实施例通过在胶囊内部设置磁致伸缩式的激振冲击结构来赋予胶囊自推进能力，在不需要增加外部配套设备的情况下，使其在复杂的消化道环境中具有更灵活的运动能力；并且可以通过对螺线圈电流参数的无线调节来实现胶囊在消化道中的多级变速，以及前进和后退的双向运动。本发明具有结构简单、运动可控的突出特点；可以用作新一代消化道检测的内窥镜被广泛应用。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，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。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (4)

1.一种自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，其特征在于，包括胶囊本体和控制器；其中，所述胶囊本体包括胶囊壳体，所述胶囊壳体一端设置有摄像头，所述胶囊壳体两端的内壁上分别固定有一弹簧，两个弹簧在所述胶囊壳体的内部沿所述胶囊壳体的轴向相对分布；所述胶囊壳体内部还设置有激振冲击结构、供能模块以及微处理器；其中，所述激振冲击结构设置在两个弹簧之间，所述激振冲击结构包括螺线圈和激振体，所述激振体由磁致伸缩材料制成；

所述摄像头、所述螺线圈以及所述供能模块分别与所述微处理器电连接，所述控制器与所述微处理器无线连接；所述微处理器、所述供能模块以及所述螺线圈均固定安装在所述胶囊壳体的内壁上，所述激振体插设在所述螺线圈中；

所述控制器用于通过无线传输的方式向所述微处理器发送控制指令，所述微处理器用于按照所述控制指令调节所述螺线圈的电流参数，通过所述螺线圈产生交变磁场，使得所述激振体在所述螺线圈产生的交变磁场中作磁致伸缩运动，并间隙性地冲击所述胶囊壳体内部两端的弹簧，以提供所述胶囊本体的驱动力；

所述控制指令包括控制所述胶囊本体在前后双向上的多级速度运动指令；

所述弹簧为压缩弹簧，当所述激振体冲击所述弹簧时，所述弹簧被压缩，以将所述激振体的激振能量传递给所述胶囊壳体，提供所述胶囊本体的驱动力。

2.如权利要求1所述的自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述微处理器还用于将所述摄像头采集的图像实时传输给外部显示设备。

3.如权利要求1所述的自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述供能模块为微型电池。

4.如权利要求1-3任一项所述的自推进式的无线检测胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述激振体采用GMM铽镝铁稀土超磁致伸缩合金制成。

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