CN219815006U - 一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

一种针对胃肠道的磁驱动球型施药胶囊机器人，通过外部磁场的控制其运动到达病患处，并释放药物达到精准施药的效果，两块径向磁化的永磁铁，实现胶囊机器人运动和施药两种模式，内部配有药筒装置，可存放治疗药物。该球形胶囊机器人可以通过外部磁场的控制，实现运动、定点、旋转、施药，还可与其他功能模块胶囊机器人协同控制，为日后的胃肠道诊断与精准治疗奠定基础。

Description

一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人

技术领域：

本实用新型属于自动化工程技术领域，涉及一种针对胃肠道定点治疗的磁驱动球型施药胶囊机器人。

背景技术：

当今快节奏的生活和人们不规律的饮食习惯，胃肠道疾病逐渐成为影响人们健康的主要因素，每年受胃肠道折磨的人数日益增长，如果不能进行及时的治疗，可能会威胁人们的生命。现今传统的治疗方式是采用内窥镜插入的方式，传统内窥镜的功能单一，虽带有图像采集功能，但操作性查，整个过程中还会引起病患的疼痛和恐惧，甚至会让病患放弃治疗。随着人工智能的不断发展，胶囊机器人的问世，克服了传统内窥镜的局限性，提高了诊断的准确性，从根源上减少了病患的疼痛感，其安全、无痛的特点，逐步替代传统内窥镜，成为了医学工程领域的研究热点。

胶囊机器人通过病患口服进入人体内，通过外部磁场控制其运动，实现对胃肠道的检查和治疗，与传统有线内窥镜相比，胶囊机器人可以深入到肠道内，检测到有线内窥金无法探查的盲区或死角，全方位多角度的探测可以更精准的确定病灶处，从而对其进行精准的治疗。胶囊机器人体积小巧，可以一次吞服多个胶囊机器人，实现多种治疗要求。胶囊机器人操作简单，完成检测和治疗后可随之排出体外，在一定程度上降低了交叉感染。目前现有的胶囊机器人可以实现对胃肠道的检查，例如G I ven I mag Ing医疗技术公司的M2A、PI IICam PATENCY，韩国I ntroMed Ic公司研发的M IroCam系列产品以及美国范德比尔特大学磁性给药胶囊机器人等等，虽有些胶囊机器人可以实现给药，但却是在病灶处旋转喷洒药物，容易受到胃肠道环境的影响，减低药物浓度，如何提高对病灶处的精准给药成为研究目标。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，它能够克服现有技术的不足，是一种结构简单、容易实现且操作方便，并能提高病灶处药物浓度的磁驱动球型施药胶囊机器人。

本实用新型的技术方案：一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于它包括球形外壳、药筒、药筒保护装置和磁力锁；其中，所述球形外壳是空心结构，内侧一边开有药物释放孔，另一边有旋转柱；所述药筒、药筒保护装置和磁力锁均置于球形外壳内，且与药物释放孔及旋转柱位于同一轴线上；所述磁力锁包括两块永磁铁，即永磁铁I和永磁铁II，所述永磁铁I固定于球形外壳的一侧，与药物释放孔连接；所述永磁铁II固定于球形外壳的另一侧，与旋转柱连接，且与永磁铁I相对，使二者的磁化方向相同；所述药筒置于药筒保护装置中。

所述药筒采用注射式推杆结构，带推杆；所述推杆位于药筒的底部，依活塞与球形外壳的旋转柱一侧接触连接，用于稳定药筒。

所述药筒保护装置是无底式圆柱型空心结构，其顶部设有环形的阻隔，防止球形外壳内的环形永磁铁I在施药过程中形变脱落；所述药筒的顶部有出药孔，固定于药筒保护装置顶部环形的阻隔中；所述推杆位于药筒内的底部，用于推动药筒内的药物在病患部位进行施药；所述活塞位于药筒保护装置的底部，防止药筒在运动过程中时因震动脱落，其一侧于推杆连接，另一侧于旋转柱连接。

所述球形外壳采用软质聚氨酯弹性的材料制成，具有良好的弹性和韧性，整个球形外壳可以分成两部分，即前半球球形外壳和后半球球形外壳；所述前半球球形外壳内侧开有药物释放孔；所述后半球球形外壳内侧有旋转柱和不少于1个的出水孔。

所述磁力锁是由径向钕铁硼NdFeB的永磁铁I和永磁铁II组成；所述永磁铁I固定于球形外壳的前半球球形外壳上；所述永磁铁II固定于球形外壳的后半球球形外壳上；当永磁铁I、II磁极方向相同时，产生斥力，磁力锁为关闭状态；当永磁铁I、II磁极方向相相反时，产生吸力，磁力锁为开启状态。

所述永磁铁I是环形固定永磁铁；所述永磁铁II为环形旋转永磁铁；当两块永磁铁磁极相同时，磁力锁关闭，保持球形运动，当两块永磁铁磁极相反时，磁力锁开启，球形挤压改变形状，从而释放药物。

所述前半球球形外壳内侧的药物释放孔外周开有环形卡槽，所述永磁铁I放置于环形卡槽中；后半球球形外壳内侧的旋转柱底部外侧开有安装槽；所述永磁铁II套于后半球球形外壳的旋转柱，放置在安装槽中。

所述胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人内设有与药筒保护装置相连的环形卡扣，用于固定保护药筒装置。

所述环形卡扣上有不少于1个的安装孔；所述药筒保护装置的外壳上有不少于1个的柱状销，与安装孔的尺寸相配套，且柱状销的高度小于环形卡扣的环的厚度；所述药筒保护装置与环形卡扣之间的连接通过将柱状销插入安装孔中实现固定，并且由于药筒通过自身顶部的出药孔固定于药筒保护装置顶部的环形阻隔中，其推杆放置于药筒保护装置底部的活塞中，实现了对药筒中的药物形成液压保护，使其不会因为晃动导致药物洒出。

本实用新型的工作原理：在空间万向磁场中，通过控制由永磁铁I和永磁铁II构成的磁力锁的吸力或斥力，当永磁铁I、永磁铁II磁极方向相同时，此时的磁力锁中为斥力，为关闭状态；当永磁铁I、永磁铁II磁极方向相反时，两者之间产生吸力，此时的磁力锁为开启状态；通过控制电源输入线圈的电流的大小和相位进而改变三轴亥姆霍兹线圈产生磁场的大小和方向，从而实现球型施药胶囊机器人在工作环境内的“运动”和“施药”两种状态；具体包括以下步骤：

球型施药胶囊机器人到达工作环境的起始位置，此时永磁铁I和永磁铁II的磁极方向相同，磁力锁为斥力，为关闭状态，此时球型施药胶囊机器人处于“运动”状态；球型施药胶囊机器人受三轴亥姆霍兹线圈产生的磁矩耦合驱动下，能够实现自由行走；当球形胶囊机器人接触工作环境的边缘时，运动状态为滚动行走，磁力转矩变为与工作环境接触的滚动驱动力，实现球型施药胶囊机器人在工作环境内的滚动；并且通过外部磁场的控制，当胶囊机器人在工作环境内运动到达目标处时，定点停驻；

(2)当球型施药胶囊机器人运动到指定地点，通过改变三轴亥姆霍兹线圈产生的磁场方向，从而实现胶囊机器人运动方向的改变，进行调姿，以调整出药物释放孔的位置，并到达指定位置进入“施药”状态；

(3)在药物释放时，通过将线圈中电流的方向改变为与原来相反的方向，即产生相反的磁场方向，永磁铁II在旋转柱上转动，改变了原有的磁极方向，与永磁铁I磁极相反，磁力锁产生吸力，则两块永磁铁的磁极方向相反，此时磁力锁为开启状态，球型施药胶囊机器人发生形变，旋转柱推动底部活塞，同时带动药筒推杆，挤压保护药筒装置，推动药筒将药物从释放孔喷洒到病患处；

(4)待药物释放完毕后，继续改变原来线圈的电流方向，永磁铁II受磁场变换发生旋转，此时永磁铁I、永磁铁II磁极方向再次相同，磁力锁中会产生斥力，完成磁力锁的关闭，使球型施药胶囊机器人的外壳恢复成球形；

(5)当球型施药胶囊机器人完成工作后，再通过改变三轴亥姆霍兹线圈产生的磁场方向球型施药胶囊机器人移动，使其退出工作环境。

本实用新型的优越性：结果简单，容易实现，且能够提高病灶处施药的浓度和精准度，具有实现“运动”和“施药”两种状态的球形外壳，可以通过滚动，降低对其操作的难度，保证了在磁场内的稳定运动；软质聚氨酯弹性的材料制成的球型机器人外壳，其结构刚度小，具有良好的弹性和韧性，磁力锁中双永磁铁的控制，为日后的球型胶囊机器人的形变提供了可能性，更为形变胶囊机器人执行医学任务打下坚实的基础。

附图说明：

图1是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的外部结构示意图。

图2是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的空间结构示意图。

图3是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的整体结构剖视图。

图4-a、图4-b是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的球形外壳结构示意图(其中，图4-a为前半球球形外壳，图4-b为后半球球形外壳)。

图5是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的环状径向永磁铁的结构示意图。

图6是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的药筒保护装置的结构示意图。

图7是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的环形卡扣的结构示意图。

图8是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的药筒的结构示意图。

图9是本实用新型所涉一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人的推药杆的结构示意图。

图中，1-1为药物释放孔，1-2为旋转柱，1-3为前半球球形外壳，1-4为后半球球形外壳，1-5为前半球球形环形卡槽，1-6为后半球球形安装槽，1-7为后半球出水孔，I 2-1、II2-2为环形永磁铁，3为环形卡扣，3-1为环形卡扣内侧安装孔，4为药筒保护装置，4-1为环形阻隔，4-2为药筒保护装置外侧柱状销，5为药筒，5-1出药孔，6为药筒推杆，7为药筒保护装置的底部活塞。

具体实施方式：

实施例：一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，如图1、图2、图3所示，其特征在于它包括球形外壳、药筒5、药筒保护装置4和磁力锁；其中，所述球形外壳是空心结构，内侧一边开有药物释放孔1-1，另一边有旋转柱1-2；所述药筒5、药筒保护装置4和磁力锁均置于球形外壳内，且与药物释放孔1-1及旋转柱1-2位于同一轴线上；所述磁力锁包括两块永磁铁，即永磁铁I 2-1和永磁铁II 2-2，所述永磁铁I 2-1固定于球形外壳的一侧，与药物释放孔1-1连接；所述永磁铁II 2-2固定于球形外壳的另一侧，与旋转柱1-2连接，且与永磁铁I2-1相对，使二者的磁化方向相同；所述药筒5置于药筒保护装置4中。

所述药筒5采用注射式推杆结构，带推杆6；所述推杆6位于药筒5的底部，依活塞7与球形外壳的旋转柱1-2一侧接触连接，用于稳定药筒。

所述药筒保护装置4是无底式圆柱型空心结构，其顶部设有环形的阻隔4-1，防止球形外壳内的环形永磁铁I 2-1在施药过程中形变脱落，如图2、图3、图7所示；所述药筒5的顶部有出药孔5-1，固定于药筒保护装置4顶部环形的阻隔4-1中；所述推杆6位于药筒5内的底部，用于推动药筒内的药物在病患部位进行施药；所述活塞7位于药筒保护装置4的底部，防止药筒5在运动过程中时因震动脱落，其一侧于推杆6连接，另一侧于旋转柱1-2连接。

所述球形外壳采用软质聚氨酯弹性的材料制成，具有良好的弹性和韧性，整个球形外壳可以分成两部分，即前半球球形外壳1-3和后半球球形外壳1-4；所述前半球球形外壳1-3内侧开有药物释放孔1-1；所述后半球球形外壳1-4内侧有旋转柱1-2和不少于1个，的出水孔1-7，如图3、图4-b所示，本实施例中，出水孔1-7有4个。

所述磁力锁是由径向钕铁硼NdFeB的永磁铁I 2-1和永磁铁II 2-2组成；所述永磁铁I 2-1固定于球形外壳的前半球球形外壳1-3上；所述永磁铁II 2-2固定于球形外壳的后半球球形外壳1-4上；当永磁铁I 2-1、II 2-2磁极方向相同时，产生斥力，磁力锁为关闭状态；当永磁铁I 2-1、II 2-2磁极方向相相反时，产生吸力，磁力锁为开启状态，如图2、图3、图5所示。

所述永磁铁I 2-1是环形固定永磁铁；所述永磁铁II 2-2为环形旋转永磁铁；当两块永磁铁磁极相同时，磁力锁关闭，保持球形运动，当两块永磁铁磁极相反时，磁力锁开启，球形挤压改变形状，从而释放药物。

所述前半球球形外壳1-3内侧的药物释放孔1-1外周开有环形卡槽1-5，所述永磁铁I 2-1放置于环形卡槽1-5中；后半球球形外壳1-4内侧的旋转柱1-2底部外侧开有安装槽1-6；所述永磁铁II 2-2套于后半球球形外壳1-4的旋转柱1-2，放置在安装槽1-6中，如图2、图3、图4-b所示。

所述胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人内设有与药筒保护装置4相连的环形卡扣3，用于固定保护药筒装置4，如图2、图3、图7所示。

所述环形卡扣3上有不少于1个的安装孔3-1(本实施例中以4个为例)；所述药筒保护装置4的外壳上有不少于1个的柱状销4-2(本实施例中以4个为例)，与安装孔3-1的尺寸相配套，且柱状销4-2的高度小于环形卡扣3的环的厚度；所述药筒保护装置4与环形卡扣3之间的连接通过将柱状销4-2插入安装孔3-1中实现固定，并且由于药筒5通过自身顶部的出药孔5-1固定于药筒保护装置4顶部的环形阻隔4-1中，其推杆6放置于药筒保护装置4底部的活塞7中，实现了对药筒5中的药物形成液压保护，使其不会因为晃动导致药物洒出，如图2、图3、图6和图7所示。

下面结合附图和技术方案详细说明本实用新型的具体实施方式。

结合图3-9，磁驱动球型施药胶囊机器人系统安装过程如下：

将药物放置于药筒5与推药杆6相结合的注射式药筒中，药筒保护装置4与环形卡扣3相结合，将其装满药物的药筒5卡至药筒保护装置4中，将两块环形径向用永磁铁I 2-1、II 2-2分别放置前后两个半球球壳的卡槽1-5、1-6上，保证两块磁铁，磁极相同，最后将半球球壳1-3、1-4与环形卡扣3相结合，组成磁驱动球型施药胶囊机器人。

结合图2-9，磁驱动球型施药胶囊机器人使用方法如下：

步骤一：首先，病人分别吞下磁驱动球型施药胶囊机器人，到达起始位置，永磁铁I2-1、II2-2之间的磁极相同，此时的磁力锁中为斥力，为关闭状态。医生通过外部磁场的控制胶囊机器人在肠道内运动到达病患处时，定点停驻。

步骤二：到达病患处后，通过改变外部磁场的方向，使得磁驱动球型施药胶囊机器人的运动方向发生改变，从而调整药物释放孔1-1与病患处的位置，在通过外部磁场，完成磁力锁的开启，使其永磁铁的磁极方向相反，产生吸力，此时磁力锁为开启状态，球形外壳发生形变，挤压内部保护药筒装置4，推动药筒5将释放药物，带药物释放完毕后，控制磁场，旋转永磁铁II 2-2，使得永磁铁I 2-1、II 2-2磁极方向相同，产生斥力，完成磁力锁的关闭，使其恢复成球形。

步骤三：当诊疗结束后，在通过空间万向磁场的控制，将其球型施药胶囊机器人随废物排出体外。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于它包括球形外壳、药筒(5)、药筒保护装置(4)和磁力锁；其中，所述球形外壳是空心结构，内侧一边开有药物释放孔(1-1)，另一边有旋转柱(1-2)；所述药筒(5)、药筒保护装置(4)和磁力锁均置于球形外壳内，且与药物释放孔(1-1)及旋转柱(1-2)位于同一轴线上；所述磁力锁包括两块永磁铁，即永磁铁I(2-1)和永磁铁II(2-2)，所述永磁铁I(2-1)固定于球形外壳的一侧，与药物释放孔(1-1)连接；所述永磁铁II(2-2)固定于球形外壳的另一侧，与旋转柱(1-2)连接，且与永磁铁I(2-1)相对，使二者的磁化方向相同；所述药筒(5)置于药筒保护装置(4)中。

2.根据权利要求1所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述药筒(5)采用注射式推杆结构，带推杆(6)；所述推杆(6)位于药筒(5)的底部，依活塞(7)与球形外壳的旋转柱(1-2)一侧接触连接，用于稳定药筒。

3.根据权利要求2所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述药筒保护装置(4)是无底式圆柱型空心结构，其顶部设有环形的阻隔(4-1)，防止球形外壳内的永磁铁I(2-1)在施药过程中形变脱落；所述药筒(5)的顶部有出药孔(5-1)，固定于药筒保护装置(4)顶部环形的阻隔(4-1)中；所述推杆(6)位于药筒(5)内的底部，用于推动药筒内的药物在病患部位进行施药；所述活塞(7)位于药筒保护装置(4)的底部，其一侧与推杆(6)连接，另一侧与旋转柱(1-2)连接。

4.根据权利要求3所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述球形外壳采用软质聚氨酯弹性的材料制成；整个球形外壳分成前半球球形外壳(1-3)和后半球球形外壳(1-4)；所述前半球球形外壳(1-3)内侧开有药物释放孔(1-1)；所述后半球球形外壳1-4内侧有旋转柱(1-2)和不少于1个的出水孔(1-7)。

5.根据权利要求1所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述磁力锁是由径向钕铁硼NdFeB的永磁铁I(2-1)和永磁铁II(2-2)组成；所述永磁铁I(2-1)固定于球形外壳的前半球球形外壳(1-3)上；所述永磁铁II(2-2)固定于球形外壳的后半球球形外壳(1-4)上；当永磁铁I(2-1)、II(2-2)磁极方向相同时，产生斥力，磁力锁为关闭状态；当永磁铁I(2-1)、II(2-2)磁极方向相反时，产生吸力，磁力锁为开启状态。

6.根据权利要求5所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述永磁铁I(2-1)是环形固定永磁铁；所述永磁铁II(2-2)为环形旋转永磁铁；当两块永磁铁磁极相同时，磁力锁关闭，保持球形运动，当两块永磁铁磁极相反时，磁力锁开启，球形挤压改变形状，从而释放药物。

7.根据权利要求5所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述前半球球形外壳(1-3)内侧的药物释放孔(1-1)外周开有环形卡槽(1-5)，所述永磁铁I(2-1)放置于环形卡槽(1-5)中；后半球球形外壳(1-4)内侧的旋转柱(1-2)底部外侧开有安装槽(1-6)；所述永磁铁II(2-2)套于后半球球形外壳(1-4)的旋转柱(1-2)，放置在安装槽(1-6)中。

8.根据权利要求1所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人内设有与药筒保护装置(4)相连的环形卡扣(3)，用于固定药筒保护装置(4)。

9.根据权利要求8所述一种胃肠道磁驱动球型施药胶囊机器人，其特征在于所述环形卡扣(3)上有不少于1个的安装孔(3-1)；所述药筒保护装置(4)的外壳上有不少于1个的柱状销(4-2)，与安装孔(3-1)的尺寸相配套，且柱状销(4-2)的高度小于环形卡扣(3)的环的厚度；所述药筒保护装置(4)与环形卡扣(3)之间的连接通过将柱状销(4-2)插入安装孔(3-1)中实现固定，并且由于药筒(5)通过自身顶部的出药孔(5-1)固定于药筒保护装置(4)顶部的环形阻隔(4-1)中，其推杆(6)放置于药筒保护装置(4)底部的活塞(7)中。