胃腸道診療微型機(jī)器人系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

劉偉 任思璟 賈紅丹 劉拯廷 徐曉鵬 韓顏光 董宏達(dá)

摘 要：設(shè)計(jì)在胃腸道膠囊機(jī)器人的內(nèi)部嵌入一個永磁性體，通過麥克斯韋對和亥姆霍茲線圈的組合線圈產(chǎn)生的磁場為機(jī)器人提供動力，通過調(diào)整加載電流的大小獲得合適的驅(qū)動磁場。在磁轉(zhuǎn)矩和磁力的作用下，機(jī)器人可以獲得更好的控制。實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的前進(jìn)和方向上的控制，減少了病人的痛苦，對提高手術(shù)的安全性有著重要意義。

關(guān)鍵詞：外磁場;膠囊內(nèi)窺鏡;組合線圈

1 緒論

根據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，消化系統(tǒng)疾病已經(jīng)成為了世界各國人民健康的重大威脅。

在臨床上，消化道里的息肉或腫瘤如及早的發(fā)現(xiàn)，及時(shí)的采取治療，就能取得很好的治療效果。但是胃腸道里的環(huán)境非常復(fù)雜，其中小腸可達(dá)7米左右，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查的時(shí)間長，操作較為復(fù)雜，使用拖纜會給患者帶來疼痛和不適，還會對腸道造成損傷引發(fā)并發(fā)癥。甚至帶來出血和穿孔的危險(xiǎn)。

針對傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡診查方式存在的不足，對能夠克服這些弊端的胃腸道機(jī)器人的研究有著十分重要的意義。胃腸道機(jī)器人對腸道的檢測不僅具備傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也能夠彌補(bǔ)缺點(diǎn)，是目前醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。由于胃腸道機(jī)器人的主動運(yùn)行能力，相比于傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡有更大的能量需求，為了解決胃腸道機(jī)器人的能量供應(yīng)問題，采用了復(fù)合梯度場來驅(qū)動微型機(jī)器人的方法，改進(jìn)了胃腸道機(jī)器人的控制方式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了胃腸道機(jī)器人的合理性和有效性。

2 胃腸道機(jī)器人的外磁場驅(qū)動方案設(shè)計(jì)

在機(jī)器人的體內(nèi)嵌入一個永磁性體，通過外磁場的磁力作用實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的驅(qū)動。根據(jù)磁力公式：

F=VM[ggii+ggii+ggii]T（1）

可以看出受力的大小只與外磁場有關(guān)，因此要想讓機(jī)器人正確的驅(qū)動就需要一個合適的外磁場分布。通常外加磁場中，磁場強(qiáng)度和梯度會隨著距離的改變發(fā)生巨大的變化。根據(jù)作用力公式：

F= m1m24πus3（2）

當(dāng)磁距發(fā)生微小變化時(shí)，磁力會發(fā)生突變，使定位、安全性不穩(wěn)定。

為了防止這種情況的發(fā)生，需要在空間中構(gòu)造出均勻合適的復(fù)合梯度場，保證梯度值隨位置的改變最終達(dá)到一種平穩(wěn)的狀態(tài)，同時(shí)還需要加上磁轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行輔助調(diào)整。為了構(gòu)造這種均勻的梯度場，采用了麥克斯韋對亥姆霍茲線圈組成的線圈組。其中麥克斯韋對是一種簡單的梯度線圈，能夠形成均勻的梯度。亥姆霍茲線圈是一種簡單的勻場線圈，它能夠形成一種均勻的軸向磁場。如圖1：

場強(qiáng)和梯度可控主要表現(xiàn)在大小和方向可控，在只考慮外部驅(qū)動時(shí)，線圈作用的范圍是無源區(qū)，根據(jù)Maxwell方程可得：

▽.B=0 ? ▽ X B=0（3）

gxx+gyy+gzz=0 gab=gba ? （4）

顯然無論怎樣組合線圈，磁場的梯度和分量都有著較大的線性關(guān)系，要想獲得不同方向的磁力，只靠改變線圈的排列角度是很難實(shí)現(xiàn)的。因此把線圈組和病床的一定運(yùn)動相結(jié)合，二者共同對加載電流進(jìn)行調(diào)整就可以獲得合適的磁場，機(jī)器人的驅(qū)動就可以得到很好的控制。

3 胃腸道本體機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本體機(jī)器人的主要功能是獲取胃腸道內(nèi)部圖像信息，它包含了三個模塊，分別是照明模塊、圖像采集模塊、圖像發(fā)射模塊。這三個模塊通過集成構(gòu)成了無線傳輸系統(tǒng)。

圖像采集模塊是由圖像采集傳感器和光照系統(tǒng)集成的一種微攝像頭，由于是在胃腸道內(nèi)工作，所以對元器件的使用非常嚴(yán)格，要求尺寸非常小功耗低穩(wěn)定性高，通過比較最終選擇CMOS圖像傳感器。這種傳感器功耗低、穩(wěn)定性高非常適用在微型電池的場合。而光照系統(tǒng)功能則是將采集到的圖像通過它傳送到CMOS傳感器的表面，起著成像的作用。

圖像傳發(fā)射塊里的傳輸?shù)木嚯x很短，在短距離無線傳輸?shù)姆绞街胁捎蒙漕lRF較為合適。射頻傳輸可以分為兩種，分別是模擬RF和數(shù)字RF。模擬RF沒有數(shù)據(jù)率的要求，同時(shí)更適合計(jì)算機(jī)處理，所以本文采用的是模擬RF。本體機(jī)器人的設(shè)計(jì)如圖2：

4 結(jié)論

通過綜上分析，可以發(fā)現(xiàn)這種構(gòu)造出復(fù)合梯度場來驅(qū)動微型機(jī)器人的方法是可行的。這種均勻的梯度場可以使系統(tǒng)能夠抵抗較大的擾動，提高了穩(wěn)定性和安全性，可以有效的滿足機(jī)器人的前進(jìn)、停滯、旋轉(zhuǎn)等動作要求，從而能夠使機(jī)器人在特定的位置進(jìn)行工作，滿足檢測需求。將來可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的藥物送服、醫(yī)療診治等工作，有著很好的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（20181021901）：微型胃腸道疾病診療機(jī)器人系統(tǒng)研究