膠囊內(nèi)窺鏡主動(dòng)控制研究

葉波，孫珍軍，鄧超，程興國，彭菊紅，張鴻海，劉勝

（1．華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武 漢430074；2．湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北 武 漢430062）

0 引言

膠囊內(nèi)窺鏡［1］用于檢查消化道具有操作簡單、檢查方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了胃鏡、腸鏡檢查的盲區(qū)，擴(kuò)展了醫(yī)生的消化道檢查視野，尤其對(duì)人的可疑小腸病變具有很高的診斷價(jià)值，被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向．但膠囊內(nèi)窺鏡的移動(dòng)是被動(dòng)地由胃腸道自然蠕動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不能受醫(yī)生控制，不能對(duì)疑似病癥反復(fù)進(jìn)行觀察，漏檢率高，因此亟需解決膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)的主動(dòng)控制問題．

目前已經(jīng)有不少用于膠囊內(nèi)窺鏡的主動(dòng)控制技術(shù)．電刺激法通過刺激肌肉收縮的方式推進(jìn)膠囊內(nèi)窺鏡的行進(jìn)［2］，但電刺激對(duì)腸道的損傷是未知的．Swain P等人利用手持式外部永磁體控制膠囊內(nèi)窺鏡在人體食管和胃中的運(yùn)動(dòng)［3］，但不能精確和反復(fù)控制膠囊內(nèi)窺鏡檢測特定區(qū)域．有學(xué)者提出利用帶有永磁體的機(jī)械手來控制帶有磁殼的膠囊內(nèi)窺鏡的自由運(yùn)動(dòng)［4－5］，但設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，不利于推廣．也有學(xué)者提出用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場主動(dòng)控制膠囊內(nèi)窺鏡［6］，但亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生傷害．還有學(xué)者提出將形狀記憶合金（SMA）的蚯蚓狀微型機(jī)器人用于主動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡中［7］，但SMA裝置在使用時(shí)需要頻繁加熱和冷卻，臨床應(yīng)用時(shí)，由于胃腸道是封閉的，該裝置的冷卻速度將非常慢．另一種用于膠囊內(nèi)窺鏡的仿生機(jī)器人是以無線供電方式驅(qū)動(dòng)的槳狀微型機(jī)器人［8］，盡管已開發(fā)了多種無線供電系統(tǒng)并取得了一些進(jìn)展［9－11］，但無線供電仍是主動(dòng)控制式膠囊內(nèi)窺鏡未來發(fā)展的技術(shù)瓶頸．另外，仿生機(jī)器人的尺寸在人體胃腸道中顯得較大．

本文中分析了前人的主動(dòng)控制技術(shù)，在磁導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的基于單片機(jī)的手持式機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的方法，介紹其工作原理、組成結(jié)構(gòu)、軟件流程及其在豬小腸內(nèi)的離體實(shí)驗(yàn)．

1 基于單片機(jī)的手持式機(jī)構(gòu)對(duì)磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的主動(dòng)控制

磁導(dǎo)航技術(shù)可對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡提供簡單、可靠和無線的主動(dòng)控制方式，本文中結(jié)合手持式磁導(dǎo)航技術(shù)和旋轉(zhuǎn)磁場控制表面有螺旋結(jié)構(gòu)的膠囊內(nèi)窺鏡的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的基于單片機(jī)控制的手持式控制機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制表面有螺旋結(jié)構(gòu)的磁性膠囊內(nèi)窺鏡．

1．1 手持式機(jī)構(gòu)原理 圖1為手持式機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)的原理示意圖．該機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)和外圍輸入輸出電路以及連在步進(jìn)電機(jī)上的永磁體組成，永磁體為軸向充磁．磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡包含一個(gè)商用膠囊內(nèi)窺鏡、一個(gè)圓柱狀磁殼和表面螺旋結(jié)構(gòu)．由于磁殼為徑向充磁，因此磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡將隨著由手持式機(jī)構(gòu)上的永磁體所產(chǎn)生的外部旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，如圖2所示．磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向的不同而產(chǎn)生前進(jìn)或后退的運(yùn)動(dòng)．

圖1 手持式機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)的原理示意圖

圖2 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡與永磁體同步旋轉(zhuǎn)示意圖

1．2 手持式機(jī)構(gòu)的組成 圖3為手持式機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖，圖4為該機(jī)構(gòu)的組成框圖．手持式機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)永磁體（銣鐵硼材料，表面最高磁感應(yīng)強(qiáng)度約為4 490G，軸向充磁，尺寸為50mm×50mm×25mm的立方體）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)永磁體通過鋁制夾具安裝在步進(jìn)電機(jī)的軸上．單片機(jī)（AT89C52）控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)／停止和旋轉(zhuǎn)速度，通過切換驅(qū)動(dòng)電路方向控制端的高低電平控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在0．1～10．0r／s范圍內(nèi)變化，旋轉(zhuǎn)速度值由LED數(shù)碼管顯示，4個(gè)控制按鈕分別控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)／停止、加速、減速、順時(shí)針／逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)．單片機(jī)的程序代碼在Keil上進(jìn)行調(diào)試，程序流程圖如圖5所示，所有硬件電路在制備前均在Proteus上進(jìn)行了仿真．

圖3 手持式機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

圖4 手持式機(jī)構(gòu)組成框圖

1．3 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡 圖6為磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的實(shí)物圖．它包含一個(gè)商用膠囊內(nèi)窺鏡（杭州華沖科技有限公司制造，長28．0mm，直徑為13．4mm）．膠囊內(nèi)窺鏡表面的磁殼為銣鐵硼永磁體（徑向充磁，等級(jí)：N52）．磁殼表面的螺旋結(jié)構(gòu)由黃銅絲繞制而成，黃銅絲直徑為1mm，螺旋線螺距為15mm．

圖5 單片機(jī)程序流程圖

1．4 豬小腸內(nèi)的離體實(shí)驗(yàn) 圖7為豬小腸內(nèi)的離體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖，實(shí)驗(yàn)中磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡被置于一段新鮮的豬小腸中，豬小腸放置在一個(gè)托盤中，腸內(nèi)的食物殘?jiān)趯?shí)驗(yàn)前已經(jīng)用水清理干凈．實(shí)驗(yàn)檢測了磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡在手持式機(jī)構(gòu)控制下在豬小腸內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)速度．圖8為磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)速度與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系曲線圖．橫坐標(biāo)vs表示手持式機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，縱坐標(biāo)vc表示磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的運(yùn)動(dòng)速度．從圖中可以看出兩者基本呈正比關(guān)系，這說明可以通過改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的運(yùn)動(dòng)速度．

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖8 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)速度與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該手持式機(jī)構(gòu)能自如地控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡在豬小腸內(nèi)快速的前進(jìn)／后退運(yùn)動(dòng)，且控制距離超過170mm．該機(jī)構(gòu)采用的是單邊控制方式，與其他已有的磁導(dǎo)航系統(tǒng)相比，該手持式機(jī)構(gòu)操作簡單，性價(jià)比高．另外，磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的制備簡單，且不需要改變已有商用膠囊內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．

2 結(jié)束語

本文中提出一種新的基于單片機(jī)的手持式機(jī)構(gòu)，用于主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡，并介紹了利用該機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制膠囊內(nèi)窺鏡在豬小腸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的離體實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該手持式機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的性能良好，基于單片機(jī)的手持式機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)的方法新穎獨(dú)特，相比于其他現(xiàn)有的方法具有操作簡單、性價(jià)比更高的優(yōu)點(diǎn)，該手持式機(jī)構(gòu)有望用于未來的實(shí)際臨床應(yīng)用中．

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