CN113576374B - 一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人，包括壳体部、磁驱装置、内窥镜装置及施药装置；壳体部为由中间的施药壳体和位于两端的胶囊壳体同轴安装组成的三段式壳体；所述施药装置包括微针和由板簧、板簧槽组成的施药驱动装置，板簧通过固化材料固化在板簧槽内，当体液溶解固化材料时，通过板簧的缓慢复原位移使得微针推出，对指定部位进行施药。本发明所提供的磁控胶囊不仅具有内窥镜的功能，而且增加了定点施药的功能；医生通过磁控胶囊控制胶囊运动，通过内窥镜观察内部情况，定点顶出微针实施功能，以此开展定点施药的治疗工作。

Description

一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人

技术领域

本发明属于医疗机器人领域，涉及一种微型医疗机器人的施药技术，具体涉及一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人。

背景技术

微型机器人有关技术正飞速发展，其应用范围正持续扩大，应用程度也不断深入，目前，微型机器人在医疗领域发挥的作用正日益显著。医疗领域中，一直以来采用的传统人工内窥镜方法进行检测时，如果内窥镜在患者胃肠道中移动的幅度较大，则患者身体会对仪器反应出不适感，有时仪器甚至会存在对患者身体造成损伤的可能，因此使其更适合患者的身体是极其重要的；倘若角度控制得太小，则可能会使得图像质量下降，甚至可能会无法获得所需区域的影像；同时同时传统人工内窥镜工作效率低，医生的治疗、施药难度高，种种缺点使得医疗机构开始渐渐开始考虑使用磁控机器人取代人工进行图像获取、施药。因此十分有必要研发出现体积足够小、对患者身体不会造成过大负担的微型医疗机器人，部分医疗机构将微型机器人放入人体内进行检测、治疗，微型机器人体积小，病人的异物感小。目前在微型医疗机器人领域，科学家正致力于开发检测和轻伤的治疗技术。现如今生活中的内窥镜胶囊机器人已经可以实现普通胃肠镜的检测功能，却还无法实现在指定部位施药的功能，微型医疗机器人领域此后会更好地开发具有定点施药功能的内窥镜胶囊机器人。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于一种磁控分子施药机器人，具有在目标位置定点施药的功能，使得微型机器人不仅能完成内窥镜的功能，而且能完成进一步的诊断及定点治疗任务。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人，其特征在于：包括壳体部、磁驱装置、内窥镜装置及施药装置，其中，

所述壳体部为由中间的施药壳体和位于两端的胶囊壳体同轴安装组成的三段式壳体；

所述磁驱装置设于胶囊壳体内，用于配合外界磁场驱动整个施药胶囊运动；

所述内窥镜装置贯穿式设于三段式壳体的轴心处，用于对进行检测和施药环境观测；

所述施药装置包括施药微针、施药驱动装置和设于施药壳体外壁的施药窗口；

所述施药微针位于施药窗口内，施药微针包括基底和设于基底上的微针阵列，所述施药窗口外侧还设有一层将施药微针保护起来的薄膜；

所述施药驱动装置包括安装在施药壳体内的板簧槽和板簧，所述板簧包括U型截面的弹性段和弹性段两肢向外侧翻折延伸形成受力段，其中一个受力段的端部与施药微针的基底接触，另一个受力段的端部与施药壳体抵靠或固定相连；所述弹性段置于板簧槽内，处于压缩状态的弹性段两侧与板簧槽内壁之间填充可溶于体液的固化材料；所述施药壳体的壳体上设有与板簧槽内相通的溶解窗口；当体液进入板簧槽内将固化材料溶解后，板簧释放，通过受力段将施药微针顶向外侧，施药微针刺破薄膜后与人体接触，进行微针施药。

进一步地，所述板簧的两个受力段端部均设有一个转轴，所述施药微针的基底上设有与转轴接触形成转动副的第一弧形槽，所述施药壳体上设有对另一个受力段端部转轴限位的第二弧形槽。

进一步地，所述施药驱动装置有两个，分别设于施药微针的基底沿着壳体部周向的两端，当固化材料溶解后，板簧从基底两端施加向外的弹力。

进一步地，对于每个施药驱动装置，所述板簧槽有多个，多个板簧槽间隔设置，所述板簧上设有若干避让槽。

进一步地，所述可溶于体液的固化材料包括明胶、淀粉和海藻酸钠中的任意一种或几种。

进一步地，设于施药窗口的薄膜为乳胶膜或者生物薄膜，还可以为无毒的塑料膜、橡胶膜等等。

进一步地，所述施药微针是使用PDMS模具制造的微针阵列补丁，微针中含有所需药物。

进一步地，所述微针为圆锥状，每个微针底面直径为200-400μm。

进一步地，所述微针阵列的基底为弧形基底，每个微针均与弧形基底表面垂直。

进一步地，所述磁驱装置为设于胶囊壳体内同轴设置的环形永磁铁。

本发明的有益效果是：

1、采用微型电路板控制，占用空间小、结构更紧凑，胶囊系统稳定性强；

2、本发明结构简单，机构动力传动效率高，没有引入复杂的机械结构，动作运行成功率较高。

3、胶囊机器人尾部线控能提供充足能量，可长时间多次在体内执行任务；

4、满足内窥镜功能的同时，能额外满足胶囊机器人施药功能要求。

5、本发明施药驱动装置可以根据需要进行调整数量，可以精准控制释放时间，能够根据需要进行调整，固化材料选择范围广泛，成本低廉。

附图说明

图1是本发明磁控施药胶囊机器人外部结构示意图。

图2是本发明磁控施药胶囊机器人去掉薄膜内部结构示意图。

图3是本发明磁控施药胶囊机器人去掉胶囊壳体内部结构示意图。

图4是本发明磁控施药胶囊机器人去掉胶囊壳体内部结构剖视图。

图5是图4中A-A剖视图。

图6是本发明施药装置结构示意图。

图7是本发明施药驱动装置结构示意图。

图8是本发明板簧结构示意图。

图9是本发明板簧槽结构示意图。

其中，1-胶囊壳体，2-施药壳体，3-施药微针，31-微针，32-基底，4-板簧，41-弹性段，42-受力段，43-第一转轴，44-第二转轴，45-第一弧形槽，46-第二弧形槽，47-避让槽，5-内窥镜装置，6-第一环形磁体，7-第二环形磁体，8-溶解窗口，9-板簧槽，10-施药窗口，11-薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明提供的一种磁控分子施药胶囊机器人进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1至图9所示，一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人，包括壳体部、磁驱装置、内窥镜装置5及施药装置，其中，

所述壳体部为由中间的施药壳体2和位于两端的胶囊壳体1同轴安装组成的三段式壳体；

所述磁驱装置设于胶囊壳体1内，用于配合外界磁场驱动整个施药胶囊运动；

所述内窥镜装置5贯穿式设于三段式壳体的轴心处，用于对进行检测和施药环境观测；

所述施药装置包括施药微针3、施药驱动装置和设于施药壳体2外壁的施药窗口10；

所述施药微针3位于施药窗口10内，施药微针3包括基底32和设于基底32上的微针阵列，所述施药窗口10外侧还设有一层将施药微针3保护起来的薄膜11；

所述施药驱动装置包括安装在施药壳体2内的板簧槽9和板簧4，所述板簧4包括U型截面的弹性段41和弹性段41两肢向外侧翻折延伸形成受力段42，其中一个受力段42的端部与施药微针3的基底32接触，另一个受力段42的端部与施药壳体2抵靠或固定相连；所述弹性段41置于板簧槽9内，处于压缩状态的弹性段41两侧与板簧槽9内壁之间填充可溶于体液的固化材料；所述施药壳体2的壳体上设有与板簧槽9内相通的溶解窗口8；当体液进入板簧槽9内将固化材料溶解后，板簧4释放，通过受力段42将施药微针3顶向外侧，刺破薄膜11后与人体接触，进行微针31施药。

所述板簧4的两个受力段42端部均设有一个转轴，分别为第一转轴43和第二转轴44，所述施药微针3的基底32上设有与第一转轴43接触形成转动副的第一弧形槽45，所述施药壳体2上设有对第二转轴44限位的第二弧形槽46。

所述施药驱动装置有两个，分别设于施药微针3的基底32沿着壳体部周向的两端，当固化材料溶解后，板簧4从基底32两端施加向外的弹力，对称施力，保证施压微针31平行顶出，以保证每个微针31的施药效果。

如图3至图9所示，借助可溶解的施药驱动装置弹出微针31实现穿刺施药。施药驱动装置具体的制造方式为：将弹性板弯折后形成U型截面的板簧4，然后两肢向外侧弯折，形成受力段42，每个受力段42的端部均焊接一根转轴，分别为第一转轴43和第二转轴44，通过外力挤压两根转轴，使得板簧4向内侧合拢，然后将板簧4的弹性部置于板簧槽9内，通过挤压两根转轴保证压缩状态，往板簧槽9内灌注包括但不仅限于明胶，淀粉，海藻酸钠等可溶于体液的固化材料成分的溶液，等溶液风干后，固化材料固化，限定了板簧4的形状，得到施药驱动装置，将施药驱动装置安装在施药壳体2的溶解窗口8内，第一转轴43安装在第一弧形槽45内，第二转轴44安装在第二弧形槽46内。使用时，明胶，淀粉，海藻酸钠等成分在特定溶液或人体环境下的溶解，失去对板簧4的固化作用，板簧4伸展释放，产生施药动力，通过选择固化材料种类和和固化材料用量(一般通过选择板簧槽9大小设定)，使得施药驱动装置内固化态的材料在20-30分钟作用能被体液溶解，从而释放板簧4，选择该时间长度是因为在该时间长度下，足以使得磁控施药胶囊机器人运动到人体任何可以达到的地方，并且稍作停留达到溶解时间后，板簧4自行释放，达到自动施药的目的，并且还不用在磁控施药胶囊机器人设置复杂的动力机构，实际上在微小的胶囊内设置微型电机不仅技术复杂，而且成本高昂，不具有实用性，而本发明通过巧妙结构设计，无需使用超微型电机，即可完成施药，大幅度降低使用和制造成本，当施药完成后取出微胶囊，只需要更换施药驱动装置后可以再次使用，达到重复使用的目的，而施药驱动装置无论是制造工艺还是材料都是常规材料和工艺，成本低廉，适合大规模推广应用。所述施药驱动装置复原方法包括但不仅限于通过溶解窗口8流入液体逐步溶解的方式来实现。当胶囊运动到目标位置之后，固化材料自动进行溶解，无需外界操作，简洁高效。

对于每个施药驱动装置，所述板簧槽9有多个，本实施例为两个，两个板簧槽9间隔设置，板簧槽9本身安装在溶解窗口8内，间隔设置的板簧槽9是为了便于体液均一的从板簧槽9两端进入内部，保证板簧槽9内的固化材料均一溶解，防止不同区域板簧4释放不均一，所述板簧4上设有若干避让槽47。

如图3和图4所示，所述磁驱装置为两个环形磁体，分别为第一环形磁体6和第二环形磁体7，第一环形磁体6安装与上部的胶囊壳体1内，第二环形磁体7安装于下部的胶囊壳体1内，使得施药过程中，所述的磁控分子施药机器人可以通过磁控引导运动到指定的施药区。

如图2和图2所示，本发明所述内窥镜装置5及所述内窥镜电路板均采用柔性线控制，该柔性线同时还作为磁控胶囊机器人的牵引线。

如图2所示，所述微针31是使用PDMS模具制造的微针31阵列补丁，针中含有药物，基底32不含有药物，所述微针31为圆锥状，每个微针31底面直径仅为300μm左右。若进行施药有效性试验时，仅需在微针31中加入荧光试剂，在猪肠内壁中将微针31扎入，最后检验组织荧光物质即可判断施药的有效性。本发明施药微针的具体制造工艺可以参考本发明人前期研究成果CN108837299B所公开技术。

如图4所示，本发明所述内窥镜装置5贯穿于整个胶囊内部，所述内窥镜装置5通过无线与外界通信及数据传输，信息传输方式包含WIFI但不仅限WIFI。

如图4所示，所述胶囊壳体1与所述施药壳体2之间通过包括但不限于卡扣和螺纹方式相互作用，牢固结合。

如图4所示，所述壳体部整体为柱体结构，轴向剖切面为椭圆形。

需要说明的是，本发明内窥镜装置5及磁控胶囊其他常规结构并非本发明关键发明点，本发明没有详细公开的部分采用公知常识即可，比如为了配合图像采集装置，胶囊壳体1前端开设有拍摄孔或者胶囊壳体1设置为透明罩。

本发明工作原理：

本发明所述胶囊壳体1内安装有磁性混合材料制成的第一环形磁体6和第二环形磁体7，能在外部磁场驱动下在人体内移动及调整角度，具体的参照现有技术中的磁控胶囊技术；所述内窥镜装置5能够完成图像采集功能，磁控施药胶囊机器人移动时，施药微针被薄膜覆盖，不会与人体组织接触，在到达指定位置后，只需等待所述施药驱动装置在体内或者溶液中，通过但不限于固化材料逐渐溶解等方式，使得所述板簧4复原，从而将所述含有治疗药物的微针31顶出，刺破薄膜11后与人体组织接触，就能完成施药功能。

本发明中所述的内窥镜装置5可全程记录摄录图像视频，当磁控胶囊执行任务完成后医生通过控制线将胶囊从患者体内拉出，以便开展后续的检测治疗工作。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种板簧驱动的磁控施药胶囊机器人，其特征在于：包括壳体部、磁驱装置、内窥镜装置及施药装置，其中，

所述壳体部为由中间的施药壳体和位于两端的胶囊壳体同轴安装组成的三段式壳体；

所述磁驱装置设于胶囊壳体内，用于配合外界磁场驱动整个施药胶囊运动；

所述内窥镜装置贯穿式设于三段式壳体的轴心处，用于对进行检测和施药环境观测；

所述施药装置包括施药微针、施药驱动装置和设于施药壳体外壁的施药窗口；

所述施药微针位于施药窗口内，施药微针包括基底和设于基底上的微针阵列，所述施药窗口外侧还设有一层将施药微针保护起来的薄膜；

所述施药驱动装置包括安装在施药壳体内的板簧槽和板簧，所述板簧包括U型截面的弹性段和弹性段两肢向外侧翻折延伸形成受力段，其中一个受力段的端部与施药微针的基底接触，另一个受力段的端部与施药壳体抵靠或固定相连；所述弹性段置于板簧槽内，处于压缩状态的弹性段两侧与板簧槽内壁之间填充可溶于体液的固化材料；所述施药壳体的壳体上设有与板簧槽内相通的溶解窗口；当体液进入板簧槽内将固化材料溶解后，板簧释放，通过受力段将施药微针顶向外侧，施药微针刺破薄膜后与人体接触，进行微针施药；

所述板簧的两个受力段端部均设有一个转轴，所述施药微针的基底上设有与转轴接触形成转动副的第一弧形槽，所述施药壳体上设有对另一个受力段端部转轴限位的第二弧形槽；

所述施药驱动装置有两个，分别设于施药微针的基底沿着壳体部周向的两端，当固化材料溶解后，板簧从基底两端施加向外的弹力；

对于每个施药驱动装置，所述板簧槽有多个，多个板簧槽间隔设置，所述板簧上设有若干避让槽；

所述可溶于体液的固化材料包括明胶、淀粉和海藻酸钠中的任意一种或几种；

所述施药微针是使用PDMS模具制造的微针阵列补丁，微针中含有所需药物；

所述微针阵列的基底为弧形基底，每个微针均与弧形基底表面垂直。

2.根据权利要求1所述的磁控施药胶囊机器人，其特征在于：设于施药窗口的薄膜为乳胶膜或者生物薄膜。

3.根据权利要求1所述的磁控施药胶囊机器人，其特征在于：所述微针为圆锥状，每个微针底面直径为200-400μm。

4.根据权利要求1所述的磁控施药胶囊机器人，其特征在于：所述磁驱装置为设于胶囊壳体内同轴设置的环形永磁铁。

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