基于超聲電機(jī)的腸道膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)

田壯 黃俊華

摘 要：隨著醫(yī)療器械的不斷發(fā)展，目前固定式鏡頭膠囊內(nèi)窺鏡視野非常有限，同時(shí)腸道崎嶇多變、蠕動(dòng)和腸液也會(huì)導(dǎo)致鏡頭視野局限，無(wú)法精確定位，很難準(zhǔn)確捕捉病灶部位。本文設(shè)計(jì)了一種基于多自由度超聲電機(jī)的膠囊內(nèi)窺鏡，具體來(lái)說(shuō)是一種以多自由度超聲電機(jī)為致動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡鏡頭實(shí)現(xiàn)多自由度擺動(dòng)和精準(zhǔn)定位的新型智能膠囊內(nèi)窺鏡。本文闡述了該膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作過(guò)程，并分析了其工作特點(diǎn)，為膠囊內(nèi)窺鏡的智能化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：超聲電機(jī);膠囊內(nèi)窺鏡;醫(yī)療器械

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.186

0 引言

在醫(yī)學(xué)診斷中，傳統(tǒng)的腸鏡檢查往往使人痛苦不堪，而且檢查時(shí)腸道崎嶇多變、蠕動(dòng)和腸液也會(huì)導(dǎo)致鏡頭視野局限，無(wú)法精確定位，很難準(zhǔn)確捕捉病灶部位。腸道膠囊內(nèi)窺鏡可以口服，并且結(jié)構(gòu)小巧，不會(huì)使人感到疼痛。因此膠囊內(nèi)鏡被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向[1]。

超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)獲得運(yùn)動(dòng)和力（矩）的驅(qū)動(dòng)器。其結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)矩性能好，響應(yīng)快，斷電自鎖能力強(qiáng)，并且其形狀可以多樣化，而且不受外界磁場(chǎng)干擾，具有良好的穩(wěn)定性，常常用于航空航天行業(yè)以及各種精密儀器中[2]。

本文重點(diǎn)介紹一種基于球面接觸副的多自由度超聲電機(jī)直驅(qū)的鏡頭可擺動(dòng)的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)及其操作方法。該設(shè)計(jì)采用超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，便于二次開發(fā)。以其為基礎(chǔ)搭建的多自由度超聲電機(jī)直驅(qū)的膠囊內(nèi)窺鏡鏡頭擺動(dòng)系統(tǒng)徹底解決了目前膠囊內(nèi)窺鏡鏡頭無(wú)法擺動(dòng)，視角小，膠囊系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、體積小、重量輕，靈敏度高，分辨率高的特點(diǎn)。本文將重點(diǎn)介紹該膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作過(guò)程，為膠囊內(nèi)窺鏡的智能化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 基于超聲電機(jī)的腸道膠囊內(nèi)窺鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)

（1）如圖1所示，基于超聲電機(jī)的腸道膠囊內(nèi)窺鏡由攝像頭、膠囊頭部、頭部擺動(dòng)系統(tǒng)、柔性包覆材料、紐扣電池盒、arduino微型控制板和膠囊本體組成。其中攝像頭與膠囊頭部固定連接，膠囊頭部與頭部擺動(dòng)系統(tǒng)固定連接，頭部擺動(dòng)系統(tǒng)與膠囊本體固定連接，紐扣電池盒嵌入微型單片機(jī)控制板中為整個(gè)系統(tǒng)供電，arduino微型控制板與膠囊本體固定連接。

（2）如圖2所示，頭部擺動(dòng)系統(tǒng)包括底座固定架、三個(gè)定子、三個(gè)壓電陶瓷組成。其中底座固定架分別與三個(gè)柔性底座固定連接，三者之間呈120度分布;其中三個(gè)柔性底座與三個(gè)定子之間通過(guò)螺紋連接。將三個(gè)定子分別記為第一定子、第二定子、第三定子，與其螺紋連接的柔性底座分別記為第一柔性底座、第二柔性底座、第三柔性底座;與其所接觸的壓電陶瓷分別記為第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷，第三壓電陶瓷。

2 基于超聲電機(jī)的腸道膠囊內(nèi)窺鏡的工作過(guò)程

（1）用arduino微型控制板來(lái)控制各定子的通斷電，當(dāng)?shù)谝欢ㄗ油?，第二定子和第三定子不通電時(shí)，膠囊頭部可繞第一定子的定軸實(shí)現(xiàn)擺動(dòng);當(dāng)?shù)诙ㄗ油?，第一定子和第三定子不通電時(shí)，膠囊頭部可繞第二定子的定軸實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。當(dāng)?shù)谌ㄗ油?，第一定子和第二定子不通電時(shí)，膠囊頭部可繞第三定子的定軸實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。

（2）當(dāng)?shù)谝欢ㄗ雍偷诙ㄗ由系膲弘娞沾善瑫r(shí)通電，且電參數(shù)相同時(shí)，通過(guò)速度合成，球轉(zhuǎn)子會(huì)沿著兩個(gè)定子軸線夾角的角平分線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變兩個(gè)定子電參數(shù)的不同會(huì)調(diào)整組合運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生變化。

（3）同理當(dāng)?shù)诙ㄗ雍偷谌ㄗ由系膲弘娞沾善瑫r(shí)通電，且電參數(shù)相同時(shí)，通過(guò)速度合成，球轉(zhuǎn)子會(huì)沿著兩個(gè)定子軸線夾角的角平分線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變兩個(gè)定子電參數(shù)的不同會(huì)調(diào)整組合運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生變化。

（4）當(dāng)?shù)谝欢ㄗ雍偷谌ㄗ由系膲弘娞沾善瑫r(shí)通電，且電參數(shù)相同時(shí)，通過(guò)速度合成，球轉(zhuǎn)子會(huì)沿著兩個(gè)定子軸線夾角的角平分產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變兩個(gè)定子電參數(shù)的不同會(huì)調(diào)整組合運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生變化。

3 工作特點(diǎn)分析

這種緊湊的并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)內(nèi)可減少傳動(dòng)鏈，縮小機(jī)構(gòu)體積，增加機(jī)械系統(tǒng)精度。同時(shí)，本系統(tǒng)采用超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，便于二次開發(fā)。以其為基礎(chǔ)搭建的多自由度超聲電機(jī)直驅(qū)的膠囊內(nèi)窺鏡鏡頭擺動(dòng)系統(tǒng)徹底解決了目前膠囊內(nèi)窺鏡鏡頭無(wú)法擺動(dòng)，視角小，膠囊系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、體積小、重量輕，靈敏度高，分辨率高的特點(diǎn)[3]。

4 總結(jié)

本文闡述了一種基于超聲電機(jī)的腸道膠囊內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作過(guò)程，并分析了其工作特點(diǎn)。本文詳細(xì)地描述了該膠囊內(nèi)窺鏡各零件的配合方式，并且詳細(xì)地描述了其不同定子與轉(zhuǎn)子相互運(yùn)動(dòng)時(shí)鏡頭的移動(dòng)情況，充分體現(xiàn)出了超聲電機(jī)在腸道膠囊內(nèi)窺鏡中所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)，為膠囊內(nèi)窺鏡的智能化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]高鵬，顏國(guó)正，王志武等.腸道微機(jī)器人柔性運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2012，20（03）：541-549.

[2]王皆宸，邢曉紅，蔣建，韓宇航.基于超聲電機(jī)的膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機(jī)構(gòu)研究[J].科技視界，2018（12）：93-94.

[3]胡程志.微型膠囊內(nèi)窺鏡電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與主動(dòng)控制研究[D].華中科技大學(xué)，2010.