CN115622275B - 一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜及成像方法，涉及内窥胶囊领域，包括聚焦超声换能器、柔性无线能量接收装置和成像组件，所述聚焦超声换能器与柔性无线能量接收装置的中心频率相同；所述多个柔性无线能量接收装置通过环氧树脂胶离散地粘贴在胶囊内窥镜的内壁上；所述成像组件包含4个分立部件，每个部件包含16个成像振元。本发明利用体外超声波激励装置诱导能量传输实现胶囊内窥镜的超声能量收集，实现了对电刺激能量的控制；所述成像组件通过发收超声信号实现成像目的，实现简单，具有便携性、生物相容性和可重复应用的特点，有助于拓展压电材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及内窥胶囊的技术领域，尤其涉及一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜及成像方法。
背景技术
随着消化道疾病发病率逐年上升，利用微型化诊疗仪器进行体内成像具有越来越重要的现实意义。胶囊内视镜又称胶囊内窥镜，是一种做成胶囊形状的内窥镜，是一种能够进入体内进行医学探查和治疗的医疗仪器，可用来具体检查人体胃肠道表面健康状况，具有无创、微型化、智能化等优点，是体内介入检查与治疗的有效手段。
胶囊内窥镜可以直接吞下进入胃肠道，再经过图像传感器窥探人体整个胃肠道，包括小肠的表面信息，进而帮助医生对病人消化道系统疾患进行诊断。典型的胶囊内窥镜包含几个主要组件：外壳，光学窗口，LED阵列，光学透镜，图像传感器，射频发射器，天线和电源。最典型的有：奥林巴斯的小肠用胶囊内窥镜，外径11mm、全长26mm，呈胶囊形状，内置了超小型图像传感器，搭载了低耗电量的拍摄功能和无线传输技术。经口腔吞入的胶囊内窥镜随着消化道的蠕动，在消化道内部移动，将内置的照相机拍摄的图像传到体外，进行图像诊断。当前的胶囊内窥镜多采用被动方式驱动，即：通过人体自身消化道的蠕动推动胶囊内窥镜行走，但这种被动驱动的方式无法采集所需位置的体内图像，导致诊断结果准确度较低，误诊率较高。另外，由于胶囊内窥镜受限于物理尺寸，内部使用的氧化银或者锂电池，很难提供胶囊内窥镜在一次消化道完整检测过程的电量 (一次完整检测，电池电量不小于12小时)，并且当患者消化道存在有炎症或者溃疡，或者消化道出血，消化道形成龛；或者患者的消化道先天畸形，消化道慢性炎症、消化道肿瘤、消化道外的肿瘤对消化道的压迫等等都可以造成消化道腔的狭窄，导致消化道狭窄处太多，进而使得胶囊内窥镜在消化道内做检查的过程中出现胶囊内窥镜嵌顿在消化道的某一部位，不能排出体外的状况。因此，胶囊内窥镜进入人体后，排出一般需要两三天，需要密切观察。同时，当胶囊内窥镜外壳受损，电池自身电解液的泄漏也会对人体带来不可逆的损伤。
为此，当前的胶囊内窥镜有待解决的问题包括内置电池的动力和续航时间的问题、无法引导至想要观察部位、只能通过照相机观测消化道内粘膜表面的现状等问题。
为解决胶囊内窥镜电池供能不足的问题，本领域的技术人员提出了无线能量传输技术，它是基于电磁感应原理，通过在体外和体内分别设置用于激励的发射线圈和用于感应的接收线圈实现，由于发射线圈与接收线圈之间存在较大漏磁，常常采用铁氧体等磁导材料提高线圈之间的耦合能力。但是这种方式存在着线圈体积大、不易微型化和传输效率低等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，本发明提供了一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜及成像方法。
本发明的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，包括聚焦的超声换能器和胶囊内窥镜，所述的胶囊内窥镜包括胶囊形状的壳体和内壳，所述内壳的内部空间中设有用于支持胶囊内窥镜工作的电路模块、光学模块、相机，所述壳体和内壳之间形成封闭空间，该封闭空间内离散地设有多个柔性无线能量接收装置，所述柔性无线能量接收装置避开内壳两端的球头所在的区域，所述柔性无线能量接收装置和聚焦的超声换能器无线连接，通过聚焦的超声换能器在体外超声波诱导能量传输实现超声能量收集，从而给胶囊内窥镜供电，引导胶囊内窥镜运动；所述内壳（5）的内壁上设有成像组件，通过成像组件收发超声信号实现超声成像。
进一步地，所述柔性无线能量接收装置包括M*M个能量收集单元，其中M≧2；所述的能量收集单元包括由下到上依次设置的下柔性基底、下柔性电极、下电极、能量收集1-3型复合材料、上电极、上柔性电极、上柔性基底，所述能量收集1-3型复合材料包括背衬和能量收集复合压电材料，所述能量收集复合压电材料为正方体，包含n*n个压电材料基底和填充物，其中n大于2。
进一步地，所述成像组件包含4个分立部件，每个分立部件包含16个成像振元，所述分立部件包括由下到上依次设置的下分立基底、分立电路板、下分立电极、分立1-3型复合材料、上分立电极、上分立基底，所述分立1-3型复合材料包括背衬和分立复合压电材料，所述分立复合压电材料为正方体，包含16个所述成像振元，所述成像振元为正方体，包含n*n个压电材料基底和填充物，其中n大于2。
进一步地，所述下柔性电极为竖直方向分布，所述上柔性电极为水平方向分布，所述上柔性电极和下柔性电极设置为S型方式。
进一步地，所述上柔性电极和下柔性电极之间设有串联的贴片电容和贴片电阻或并联的贴片电容和贴片电阻。
所述上柔性电极和下柔性电极的输出端依次连接整流模块和滤波模块后，输出给超级电容器储存电能，所述超级电容器采用贴片电容。
进一步地，所述整流模块为由4个二极管组合构成的全桥整流电路，所述滤波模块为贴片电容、贴片电阻和贴片电感构成的模拟带通滤波器，所述滤波模块的中心频率为5MHz，带宽为1 MHz-11 MHz。
本发明还提供了一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜的成像方法，包括以下步骤：
S1：外部的聚焦的超声换能器发出超声信号时产生超声振动，胶囊内窥镜内部的柔性无线能量接收装置接收此超声信号的超声振动，并由内部的1-3型复合材料将其转换为电能，经由后端的整流模块和滤波模块转换成直流信号，输出给超级电容器储存，各个柔性无线能量接收装置的电能再经过串联或并联的形式给胶囊内窥镜供电；
S2：各个柔性无线能量接收装置的电能通过串联或并联方式为胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机等供电，胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机开始工作；
S3：通过电路模块产生电学激励信号，产生的电学激励信号施加在成像组件的成像振元上，各个成像振元经由分立1-3型复合材料的逆压电效应将激励的电信号转换为超声振动，该超声信号经人体反射后被成像振元接收，再经由分立1-3型复合材料的压电效应将超声振动转换为电信号，经后续处理电路实现超声成像；
S4：超声成像的结果通过电路模块的蓝牙或wifi模块传输到外部的计算机；
S5：完成拍摄后，胶囊内窥镜移动到下一位置处，重复步骤S1-步骤S4。
进一步地，所述步骤S1中外部的聚焦的超声换能器发出中心频率为3MHz-7MHz的超声信号。
进一步地，所述步骤S3中超声振动的频率为10 MHz。
本发明所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜及成像方法，利用超声波诱导的能量来无线驱动mm尺度的植入物，具体是由一个体外的超声波发射器和一个集成到胶囊内窥镜内壁处的柔性超声波接收器，利用体外的超声波激励装置诱导能量传输实现胶囊内窥镜的超声能量收集，通过压电效应来操纵电声学的转换，从而实现了对电刺激能量的控制。本发明实现简单，具有便携性、生物相容性、并可重复应用，有助于拓展压电材料的应用领域。
本发明提出的胶囊内窥镜，通过柔性无线能量接收装置嵌设于壳体的外壁内，有效地利用壳体外壁内的空间来设置柔性无线能量接收装置，由于壳体的外壁内不含有其它部件，空间较为充裕，因此，柔性无线能量接收装置的尺寸不会受到过多的限制，便于增加柔性无线能量接收装置的尺寸及数量，也就能够提升柔性无线能量接收装置转换的电信号，以满足胶囊内窥镜其余部件的用电需求。同时，柔性无线能量接收装置不会占用壳体所围设出的容纳腔内的空间，有利于缩小整个胶囊内窥镜的尺寸。因此，本发明的技术进步是显而易见的，并且特别适合应用在内窥成像领域。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明提出的胶囊内窥镜外形结构图；
图2是本发明采用的单个能量收集单元分散结构图；
图3是本发明单个分立部件的分散结构图；
图4是本发明压电材料基底和填充物的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，包括聚焦的超声换能器和胶囊内窥镜，所述的胶囊内窥镜包括胶囊形状的壳体2和内壳5，所述内壳5的内部空间中设有用于支持胶囊内窥镜工作的电路模块、光学模块、相机，其特征在于：所述壳体2和内壳5之间形成封闭空间1，该封闭空间1内离散地设有多个柔性无线能量接收装置，所述柔性无线能量接收装置避开内壳两端的球头所在的区域，所述柔性无线能量接收装置和聚焦的超声换能器无线连接，通过聚焦的超声换能器在体外超声波诱导能量传输实现超声能量收集，从而给胶囊内窥镜供电，引导胶囊内窥镜运动；所述内壳（5）的内壁上设有成像组件，通过成像组件收发超声信号实现超声成像，聚焦超声换能器的中心频率控制在3 MHz-7 MHz之间，柔性无线能量接收装置的共振频率与聚焦的超声换能器的中心频率保持相同；所述壳体2采用医用级PC—德国科思创（拜耳）PC RX1805，将其注塑成型为胶囊内窥镜外壳，厚度为0.3 mm，声阻抗2.72 M。
所述柔性无线能量接收装置包括M*M个能量收集单元，其中M≧2；每个能量收集单元的分散结构图如图2所示，包括由下到上依次设置的下柔性基底27、下柔性电极26、下电极25、能量收集1-3型复合材料24、上电极23、上柔性电极22、上柔性基底21，所述能量收集1-3型复合材料24包括背衬和能量收集复合压电材料，所述能量收集复合压电材料为正方体，包含n*n个压电材料基底31和填充物32，其中n大于2。
如图3所示，所述成像组件包含4个长度为20 mm，宽度为10 mm，弯曲成90°，中心频率为10 MHz的分立部件，每个分立部件包含16个成像振元，所述分立部件包括由下到上依次设置的下分立基底46、分立电路板45、下分立电极42、分立1-3型复合材料44、上分立电极43、上分立基底41，所述分立1-3型复合材料44包括背衬和分立复合压电材料，所述分立复合压电材料为正方体，包含16个所述成像振元，所述成像振元为正方体，包含n*n个压电材料基底31和填充物32，其中n大于2。
所述下柔性电极26为竖直方向分布，所述上柔性电极22为水平方向分布，所述上柔性电极22和下柔性电极26设置为S型方式，以便更好的与胶囊壁贴合。
所述上柔性电极22和下柔性电极26之间设有串联的贴片电容和贴片电阻或并联的贴片电容和贴片电阻，所述串联或并联连接的贴片电容用以抵消1-3复合压电材料的电容特性，所述串联或并联连接的贴片电阻用以补偿1-3复合压电材料24的电阻特性，使其阻抗的实部为50 Ω，进而提高所述柔性无线能量接收装置的能量接收效率。
所述贴片电阻可以替换为变压器，变压器初级线圈和次级线圈绕组比为
:1，其中R为所述1-3复合压电材料24阻抗的实部。
所述上柔性电极22和下柔性电极26的输出端依次连接整流模块和滤波模块后，输出给超级电容器储存电能，在储能超级电容器输出端设有贴片式开关，以控制相应转换电源的接入和断开，供后续元器件使用，所述超级电容器采用贴片电容。
所述整流模块为由4个二极管组合构成的全桥整流电路，所述滤波模块为贴片电容、贴片电阻和贴片电感构成的模拟带通滤波器，所述模拟带通滤波器的中心频率为5MHz，带宽为1 MHz-11 MHz。
所述下柔性基底27和上柔性基底21为硅弹性体或聚二甲基硅氧烷；所述背衬材料为导电胶E-Solder 3022，厚度为0.285 mm；如图4所示，所述压电材料基底31采用压电陶瓷，具体可为PZT-5H，填充物32为环氧树脂Epotek31，厚度为0.285 mm，声阻抗为9.46 M。
当外界的聚焦超声换能器发出中心频率为3MHz-7MHz的超声信号时产生超声振动，封闭空间1内多个离散的柔性无线能量接收装置会接收此超声信号产生的超声振动，经由1-3型复合材料的压电效应，将其转换为电能，经由后端的整流模块和滤波模块转换成直流信号，进而通过超级电容器储存，各个离散的柔性无线能量接收装置储存的电能再经过串联或并联形式供胶囊内窥镜其它电学组件的供电。
当成像时，在成像组件的64个成像振元上施加电学激励信号，各个成像振元经由1-3型复合材料的逆压电效应将激励的电信号转换为超声振动，该超声振动的频率为10MHz，能穿透人体的深度有限，该超声信号经反射后被振元接收，再经由1-3型复合材料的压电效应将超声振动转换为电信号，实现超声成像。
本发明的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜的成像方法，具体实施方式如下：
S1：外部的聚焦的超声换能器发出中心频率为3MHz-7MHz的超声信号时产生超声振动，胶囊内窥镜内部的柔性无线能量接收装置接收此超声信号的超声振动，并由内部的1-3型复合材料24将其转换为电能，经由后端的整流模块和滤波模块转换成直流信号，输出给超级电容器储存，各个柔性无线能量接收装置的电能再经过串联或并联的形式给胶囊内窥镜供电；
S2：各个柔性无线能量接收装置的电能通过串联或并联方式为胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机等供电，胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机开始工作；
S3：通过电路模块产生电学激励信号，产生的电学激励信号施加在成像组件的成像振元上，各个成像振元经由分立1-3型复合材料44的逆压电效应将激励的电信号转换为超声振动，该超声振动的频率为10 MHz，经人体反射后被成像振元接收，再经由分立1-3型复合材料44的压电效应将超声振动转换为电信号，经后续处理电路实现超声成像；
S4：超声成像的结果通过电路模块的蓝牙或wifi模块传输到外部的计算机；
S5：完成拍摄后，胶囊内窥镜移动到下一位置处，重复步骤S1-步骤S4。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，包括聚焦的超声换能器和胶囊内窥镜，所述的胶囊内窥镜包括胶囊形状的壳体（2）和内壳（5），所述内壳（5）的内部空间中设有用于支持胶囊内窥镜工作的电路模块、光学模块、相机，其特征在于：所述壳体（2）和内壳（5）之间形成封闭空间（1），该封闭空间（1）内离散地设有多个柔性无线能量接收装置，所述柔性无线能量接收装置避开内壳两端的球头所在的区域，所述柔性无线能量接收装置和聚焦的超声换能器无线连接，通过聚焦的超声换能器在体外超声波诱导能量传输实现超声能量收集，从而给胶囊内窥镜供电，引导胶囊内窥镜运动；所述内壳（5）的内壁上设有成像组件，通过成像组件收发超声信号实现超声成像；
所述柔性无线能量接收装置包括M²个能量收集单元，其中M≧2；所述的能量收集单元包括由下到上依次设置的下柔性基底（27）、下柔性电极（26）、下电极（25）、能量收集1-3型复合材料（24）、上电极（23）、上柔性电极（22）、上柔性基底（21）；所述下柔性电极（26）为竖直方向分布，所述上柔性电极（22）为水平方向分布，所述上柔性电极（22）和下柔性电极（26）设置为S型方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其特征在于：所述能量收集1-3型复合材料（24）包括背衬和能量收集复合压电材料，所述能量收集复合压电材料为正方体，包含n²个压电材料基底（31）和填充物（32），其中n大于2。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其特征在于：所述成像组件包含4个分立部件，每个分立部件包含16个成像振元，所述分立部件包括由下到上依次设置的下分立基底（46）、分立电路板（45）、下分立电极（42）、分立1-3型复合材料（44）、上分立电极（43）、上分立基底（41），所述分立1-3型复合材料（44）包括背衬和分立复合压电材料，所述分立复合压电材料为正方体，包含16个所述成像振元，所述成像振元为正方体，包含n²个压电材料基底（31）和填充物（32），其中n大于2。
4.根据权利要求2所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其特征在于：所述上柔性电极（22）和下柔性电极（26）之间设有串联的贴片电容和贴片电阻，或上柔性电极（22）和下柔性电极（26）之间设有并联的贴片电容和贴片电阻。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其特征在于：所述上柔性电极（22）和下柔性电极（26）的输出端依次连接整流模块和滤波模块后，输出给超级电容器储存电能，所述超级电容器采用贴片电容。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其特征在于：所述整流模块为由4个二极管组合构成的全桥整流电路，所述滤波模块为贴片电容、贴片电阻和贴片电感构成的模拟带通滤波器，所述滤波模块的中心频率为5 MHz，带宽为1 MHz-11 MHz。
7.一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜的成像方法，其特征在于，用于权利要求1-6任一项所述的基于无线能量传输的胶囊内窥镜，其包括以下步骤：
S1：外部的聚焦的超声换能器发出超声信号时产生超声振动，胶囊内窥镜内部的柔性无线能量接收装置接收此超声信号的超声振动，并由内部的1-3型复合材料（24）将其转换为电能，经由后端的整流模块和滤波模块转换成直流信号，输出给超级电容器储存，各个柔性无线能量接收装置的电能再经过串联或并联的形式给胶囊内窥镜供电；
S2：各个柔性无线能量接收装置的电能通过串联或并联方式为胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机供电，胶囊内窥镜内部的电路模块、光学模块、相机开始工作；
S3：通过电路模块产生电学激励信号，产生的电学激励信号施加在成像组件的成像振元上，各个成像振元经由分立1-3型复合材料（44）的逆压电效应将激励的电信号转换为超声振动，该超声信号经人体反射后被成像振元接收，再经由分立1-3型复合材料（44）的压电效应将超声振动转换为电信号，经后续处理电路实现超声成像；
S4：超声成像的结果通过电路模块的蓝牙或wifi模块传输到外部的计算机；
S5：完成拍摄后，胶囊内窥镜移动到下一位置处，重复步骤S1-步骤S4。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜的成像方法，其特征在于：所述步骤S1中外部的聚焦的超声换能器发出中心频率为3MHz-7MHz的超声信号。
9.根据权利要求7所述的一种基于无线能量传输的胶囊内窥镜的成像方法，其特征在于：所述步骤S3中超声振动的频率为10 MHz。
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