外磁场驱动的胶囊型活检机器人

1.本发明涉及外磁场驱动的胶囊型活检机器人，属于微型医疗机器人技术领域。


背景技术：

2.自胶囊内窥镜机器人问世以来，其在胃肠道检查和治疗领域占据了十分重要的份额。工作原理是病人口服吞咽胶囊机器人进入消化道，胶囊机器人通过内部的内窥镜进行图像采集并通过无线传输模块将图像信息传送到pc端，医师在pc端观察胶囊机器人传回的图像，从而对胃肠道疾病进行检查和辅助治疗。
3.胶囊内窥镜机器人具有检查容易、无创伤、无交叉感染、操作简单的优点，它同时可增大视野范围。作为胃肠道检查和治疗领域的新兴方法，胶囊内窥镜机器人有着光明的发展前景，成为内窥镜诊疗领域的重要研究方向。
4.目前大多数商用胶囊机器人如以色列given imaging公司研发的pillcam sb，pillcam eso和pillcam colon胶囊内窥镜以及韩国intromedic公司研发的mirocam sb胶囊内窥镜等，在肠胃道中不能进行主动运动，需要借助人体消化道本身的蠕动改变位置。由于无法控制胶囊内窥镜机器人的运动，不仅会造成漏诊的情况，还无法实现对感兴趣部位的长期观察。另外由于胶囊运动的被动性，检查时间可能需要8-16个小时，最终随粪便排出体外。其排出时间还与个人肠道生理状态有关。少数商用机器人如重庆金山科技集团研发的omom胶囊机器人可实现自主运动，但是其功能单一，仅具有图像采集功能。在许多临床应用场景中，仅依靠采集到的图像医生难以确诊病情，尤其有些病情图像特征十分相似，这会给医生的判断带来干扰。当医生无法确诊病情时，还需要额外进行活检手术取活体组织进行体外详细化验，二次活检无疑给患者带来不便和痛苦。


技术实现要素：

5.针对现有胶囊内窥镜机器人只能进行图像采集，无法进行组织采样的问题，本发明提供一种外磁场驱动的胶囊型活检机器人。
6.本发明的一种外磁场驱动的胶囊型活检机器人，包括机器人本体和外磁场模块，所述机器人本体包括壳体、图像采集模块、活检模块和内磁驱模块，
7.活检模块和内磁驱模块设置在壳体的内腔，外磁场模块设置在壳体外部；内磁驱模块和外磁场模块在相互配合作用下，带动机器人本体实现沿壳体轴向的移动和沿壳体圆周向的转动或摆动，并通过活检模块实现对活检体内组织的拾取；
8.图像采集模块设置在壳体内部，对应于活检模块的执行前端，用于体内组织图像的采集。
9.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，所述壳体包括圆筒状前端盖和柱状后端盖，圆筒状前端盖和柱状后端盖连接形成后端盖内腔，圆筒状前端盖的首端中心具有前端盖通孔，圆筒状前端盖的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道；圆筒状前端盖的末端具有筒底，筒底中心具有与活检针导向通道对应的筒底通孔，并且筒
底外表面沿筒底通孔外围设置环形凸台；
10.柱状后端盖的首端与圆筒状前端盖的侧壁连接形成后端盖内腔，末端底部中心具有向外延伸形成的末端导向通道；后端盖内腔用于固定活检模块。
11.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，所述内磁驱模块包括壳体定位环形永磁体和转动驱动环形永磁体，
12.转动驱动环形永磁体处于柱状后端盖的末端底部，壳体定位环形永磁体处于圆筒状前端盖的筒底处。
13.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，所述活检模块包括活检针、形状记忆合金弹簧、复位弹簧和针座，
14.活检针的尾端与针座过盈配合固定，针座的外表面与转动驱动环形永磁体的内环过盈配合固定；
15.形状记忆合金弹簧的一端与针座的一端连接，另一端固定在圆筒状前端盖的环形凸台上；
16.形状记忆合金弹簧外围同轴套接复位弹簧，复位弹簧的一端作用于圆筒状前端盖底部，另一端作用于转动驱动环形永磁体的对应端面；
17.活检针的首端穿过形状记忆合金弹簧、圆筒状前端盖的筒底和壳体定位环形永磁体，伸入活检针前端导向通道。
18.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，还包括导线和硅胶软管，
19.硅胶软管设置在末端导向通道内，硅胶软管内设置导线，导线的两端对应连接形状记忆合金弹簧的两端，用于对形状记忆合金弹簧进行电加热。
20.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，采用导线对形状记忆合金弹簧进行加热，使形状记忆合金弹簧的初始状态为预压缩状态，此时活检针伸出圆筒状前端盖；然后使导线停止对形状记忆合金弹簧进行加热，通过复位弹簧使形状记忆合金弹簧恢复伸长状态，带动活检针收回至圆筒状前端盖内。
21.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，转动驱动环形永磁体沿圆周方向等分为两段，一段充磁为n极，另一段充磁为s极；外磁场模块在壳体外部沿对应转动驱动环形永磁体的圆周方向摆动，通过与转动驱动环形永磁体的磁扭矩作用，使转动驱动环形永磁体沿预期方向转动或摆动，并带动机器人本体转动或摆动；
22.外磁场模块在壳体外部沿机器人本体轴向方向移动，通过与转动驱动环形永磁体相吸，使转动驱动环形永磁体沿预期方向受磁力，并带动机器人本体移动；
23.壳体定位环形永磁体沿轴向充磁，在形状记忆合金弹簧的预压缩状态，通过与圆筒状前端盖前方轴向设置的外磁场模块相吸，实现壳体的定位。
24.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，图像采集模块包括电路板和微型相机，电路板固定在壳体定位环形永磁体的上端面，电路板的上表面设置微型相机，电路板为微型相机提供供电电源；圆筒状前端盖采用透明材料制成。
25.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，图像采集模块还包括led灯，led灯设置在电路板的上表面并由电路板提供供电电源。
26.根据本发明的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，外磁场模块包括圆柱形永磁体，圆柱形永磁体沿轴向充磁；
27.外磁场模块通过移动装置带动实现与内磁驱模块对应的位置变换。
28.本发明的有益效果：本发明提供了一种医疗设备，可借助本发明所述胶囊型活检机器人进行胃肠道疾病诊断。本发明装置具备主动运动能力，并可在进行图像采集的同时，进行活检体内组织的采样。
29.本发明所述机器人通过外部磁场的控制而具备主动运动的能力；同现有胶囊机器人相比，本发明通过图像采集模块和活检模块配合，不仅能够实时获取胃肠道图像，还可以直接对活体组织进行取样。可简化对人体组织的操作流程，实现了医疗设备的集成化。
附图说明
30.图1是本发明所述外磁场驱动的胶囊型活检机器人的整体结构示意图；
31.图2是胶囊型活检机器人的分解结构示意图；
32.图3是机器人本体的运动状态示意图；图中左侧是形状记忆合金弹簧在伸长状态时，机器人本体的直线运动示意图，右则是机器人本体的旋转示意图；
33.图4是形状记忆合金弹簧为预压缩状态时，壳体定位环形永磁体与外磁场模块配合实现定位活检的示意图。
具体实施方式
34.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
37.具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种外磁场驱动的胶囊型活检机器人，包括机器人本体和外磁场模块，所述机器人本体包括壳体、图像采集模块、活检模块和内磁驱模块，
38.活检模块和内磁驱模块设置在壳体的内腔，外磁场模块设置在壳体外部，为外部驱动装置；内磁驱模块和外磁场模块在相互配合作用下，带动机器人本体实现沿壳体轴向的移动和沿壳体圆周向的转动或摆动，并通过活检模块实现对活检体内组织的拾取；
39.图像采集模块设置在壳体内部，对应于活检模块的执行前端，用于体内组织图像的采集。
40.进一步，结合图1和图2所示，所述壳体包括圆筒状前端盖1和柱状后端盖12，圆筒状前端盖1和柱状后端盖12连接形成后端盖内腔，圆筒状前端盖1的首端中心具有前端盖通孔，圆筒状前端盖1的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道；圆筒状前端盖1的末端具有筒底，筒底中心具有与活检针导向通道对应的筒底通孔，并且筒底外表面沿筒底通孔外围设置环形凸台；所述环形凸台可用于形状记忆合金弹簧6的嵌套固定。
41.柱状后端盖12的首端与圆筒状前端盖1的侧壁连接形成后端盖内腔，末端底部中心具有向外延伸形成的末端导向通道；后端盖内腔用于固定活检模块。
42.本实施方式中，活检针前端导向通道一方面可用于活检针的伸出导向，另一方面可用于组织样品的临时保存。末端导向通道用于导线10和硅胶软管11的通过。
43.本实施方式中，所述内磁驱模块包括壳体定位环形永磁体13和转动驱动环形永磁体9，
44.转动驱动环形永磁体9处于柱状后端盖12的末端底部，壳体定位环形永磁体13处于圆筒状前端盖1的筒底处。
45.所述壳体定位环形永磁体13用于在胶囊型活检机器人进行活检任务时，与外磁场模块形成磁相互作用力以抵消活检时活检针的反作用力；转动驱动环形永磁体9与柱状后端盖12之间为间隙配合，构成直线运动副，可驱动胶囊型活检机器人的直线运动和圆周向运动。
46.本实施方式中，两块环形永磁体中心位置均设置通孔，用于活检针的工作以及导线的通过。
47.本实施方式中，所述活检模块包括活检针2、形状记忆合金弹簧6、复位弹簧7和针座8，
48.活检针2的尾端与针座8过盈配合固定，针座8的外表面与转动驱动环形永磁体9的内环过盈配合固定；
49.形状记忆合金弹簧6的一端与针座8的一端连接，另一端固定在圆筒状前端盖1的环形凸台上；
50.形状记忆合金弹簧6外围同轴套接复位弹簧7，复位弹簧7的一端作用于圆筒状前端盖1底部，另一端作用于转动驱动环形永磁体9的对应端面；
51.活检针2的首端穿过形状记忆合金弹簧6、圆筒状前端盖1的筒底和壳体定位环形永磁体13，伸入活检针前端导向通道。嵌套安装的sma弹簧与复位弹簧可实现活检针的伸出与收回，同时外部磁场可控制活检针扎入与拔出活检组织。
52.再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括导线10和硅胶软管11，
53.硅胶软管11设置在末端导向通道内，硅胶软管11内设置导线10，导线10的两端对应连接形状记忆合金弹簧6的两端，用于对形状记忆合金弹簧6进行电加热。利用形状记忆合金弹簧6的形状记忆效应以及复位弹簧7的配合作用，可实现活检针2的伸出与收回，从而实现其活检功能。
54.结合图4所示，采用导线10对形状记忆合金弹簧6进行加热，使形状记忆合金弹簧6即sma弹簧的初始状态为预压缩状态，此时活检针2伸出圆筒状前端盖1；然后使导线10停止对形状记忆合金弹簧6进行加热，通过复位弹簧7使形状记忆合金弹簧6恢复伸长状态，带动活检针2收回至圆筒状前端盖1内。
55.活检针2可选择20g的空心细针，进行活体组织的提取；sma弹簧作为活检模块的驱动器，具有尺寸小、控制简单、驱动力大、可以重复多次取样的优势。
56.作为示例，转动驱动环形永磁体9沿圆周方向等分为两段，一段充磁为n极，另一段充磁为s极；外磁场模块在壳体外部沿对应转动驱动环形永磁体9的圆周方向摆动，通过与转动驱动环形永磁体9的磁扭矩作用，使转动驱动环形永磁体9沿预期方向转动或摆动，并带动机器人本体转动或摆动；
57.外磁场模块在壳体外部沿机器人本体轴向方向移动，通过与转动驱动环形永磁体
9相吸，使转动驱动环形永磁体9沿预期方向受磁力，并带动机器人本体移动；壳体定位环形永磁体13沿轴向充磁，在形状记忆合金弹簧6的预压缩状态，通过与圆筒状前端盖1前方轴向设置的外磁场模块相吸，实现壳体的定位。
58.结合图3所示，其中f
mag
为外磁场模块对转动驱动环形永磁体9的吸引力，t
mag
为转动驱动环形永磁体9驱动胶囊机器人旋转运动的驱动力矩，t
res
为胶囊机器人回转运动过程中受到的阻力矩，由此可知胶囊机器人在外磁场的作用下既能实现直线运动也可以实现旋转运动，其中旋转运动可有效降低胶囊机器人与外界的摩擦力(静摩擦力转变为动摩擦力)。具体如下：
59.机器人本体的直线运动和摆动均通过内、外磁场模块相互作用实现：
60.1)外磁场模块沿机器人本体轴向方向运动时，机器人本体受到f
mag
的作用，进行直线运动；
61.2)外磁场模块在机器人本体上方沿与机器人本体轴线平行的轴圆周摆动时，机器人本体受到t
mag
的作用，进行摆动；
62.3)活检针的直线运动是在机器人本体移动到指定位置时，通过sma弹簧驱动活检针和转动驱动环形永磁体等一起运动，实现活检针的伸出，完成活检。此时，机器人本体是不动的。
63.再进一步，结合图1所示，图像采集模块包括电路板5和微型相机3，电路板5固定在壳体定位环形永磁体13的上端面，电路板5的上表面设置微型相机3，电路板5为微型相机3提供供电电源；圆筒状前端盖1采用透明材料制成，以便图像采集。
64.图像采集模块还包括led灯4，led灯4设置在电路板5的上表面并由电路板5提供供电电源。led灯4可为微型相机3提供照明。图像采集模块不仅可实现对胃肠道情况的观察，可能实时监测活检过程，以指导医师的实时操作。
65.作为示例，外磁场模块包括圆柱形永磁体，圆柱形永磁体沿轴向充磁；
66.外磁场模块通过移动装置，例如可以是六自由度机械臂带动实现与内磁驱模块对应的位置变换。
67.在使用过程中，通过操作移动装置，实现对机器人运动状态的间接控制。
68.下面，对本发明的具体操作过程进行详细的描述：
69.1、系统初始化：依据实验对象调整机械臂的初始位姿，准备用于配合对胶囊型活检机器人的驱动，关闭导线10的通电电源并将硅胶软管连接到气源上。
70.2、图像采集开始：患者口服吞下胶囊机器人后，图像采集模块启动开始收集消化道信息，然后传输至体外pc端以供医师观察分析，医师通过图像采集模块的反馈信息操纵手柄控制机械臂的位姿，利用移动装置搭载的外磁场模块所产生的梯度磁场对胶囊机器人内部的转动驱动环形永磁体9的作用力，来控制胶囊机器人主动运动。
71.3、活检过程准备：当需要活检时，医师通过控制外磁场模块使胶囊机器人运动到指定位置，并依据微型相机3的反馈信息，调整外磁场模块的位姿使胶囊型活检机器人头部对准需要活检的部位。
72.4、启动活检模块：启动电源，通过导线10对sma弹簧施加电流加热使其相变收缩，形状记忆合金弹簧6一端固定在活检针针座8上，一端固定在胶囊机器人前端盖，当针座8收缩时，带动活检针针座8以及转动驱动环形永磁体9向胶囊机器人头部滑动，从而推动活检
针2伸出胶囊外。
73.5、活检取样开始：待活检针2伸出后，通过外磁场模块调整胶囊机器人姿态，使活检针2的针尖正对活检部位，然后调整外部磁场位置和方向，利用外磁场模块对转动驱动环形永磁体9的吸引力f
mag
，对活检针施加正压力，使其扎入待取样的组织，如图4所示。
74.6、活检取样结束：结合图4所示，当活检针针头完全扎入组织后，控制外磁场模块的朝向，对机器人施加反向的外部磁场，同时断开导线10的电源停止对sma弹簧加热，并通过硅胶软管11通入冷气以加快sma弹簧的冷却速度，最终在外部磁场以及复位弹簧7的作用下，活检针2被拔出组织。
75.7、执行任务结束：当活检针2完全收回胶囊壳体后，胶囊机器人牵引出患者体内。将活检针2从胶囊内取出，并将其连接在注射器上，通过在注射器内施加正压力排出样品，医生可根据活检针采集的样品作进一步的检测。
76.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.一种外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于包括机器人本体和外磁场模块，所述机器人本体包括壳体、图像采集模块、活检模块和内磁驱模块，活检模块和内磁驱模块设置在壳体的内腔，外磁场模块设置在壳体外部；内磁驱模块和外磁场模块在相互配合作用下，带动机器人本体实现沿壳体轴向的移动和沿壳体圆周向的转动或摆动，并通过活检模块实现对活检体内组织的拾取；图像采集模块设置在壳体内部，对应于活检模块的执行前端，用于体内组织图像的采集。2.根据权利要求1所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，所述壳体包括圆筒状前端盖(1)和柱状后端盖(12)，圆筒状前端盖(1)和柱状后端盖(12)连接形成后端盖内腔，圆筒状前端盖(1)的首端中心具有前端盖通孔，圆筒状前端盖(1)的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道；圆筒状前端盖(1)的末端具有筒底，筒底中心具有与活检针导向通道对应的筒底通孔，并且筒底外表面沿筒底通孔外围设置环形凸台；柱状后端盖(12)的首端与圆筒状前端盖(1)的侧壁连接形成后端盖内腔，末端底部中心具有向外延伸形成的末端导向通道；后端盖内腔用于固定活检模块。3.根据权利要求2所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，所述内磁驱模块包括壳体定位环形永磁体(13)和转动驱动环形永磁体(9)，转动驱动环形永磁体(9)处于柱状后端盖(12)的末端底部，壳体定位环形永磁体(13)处于圆筒状前端盖(1)的筒底处。4.根据权利要求3所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，所述活检模块包括活检针(2)、形状记忆合金弹簧(6)、复位弹簧(7)和针座(8)，活检针(2)的尾端与针座(8)过盈配合固定，针座(8)的外表面与转动驱动环形永磁体(9)的内环过盈配合固定；形状记忆合金弹簧(6)的一端与针座(8)的一端连接，另一端固定在圆筒状前端盖(1)的环形凸台上；形状记忆合金弹簧(6)外围同轴套接复位弹簧(7)，复位弹簧(7)的一端作用于圆筒状前端盖(1)底部，另一端作用于转动驱动环形永磁体(9)的对应端面；活检针(2)的首端穿过形状记忆合金弹簧(6)、圆筒状前端盖(1)的筒底和壳体定位环形永磁体(13)，伸入活检针前端导向通道。5.根据权利要求4所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，还包括导线(10)和硅胶软管(11)，硅胶软管(11)设置在末端导向通道内，硅胶软管(11)内设置导线(10)，导线(10)的两端对应连接形状记忆合金弹簧(6)的两端，用于对形状记忆合金弹簧(6)进行电加热。6.根据权利要求5所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，采用导线(10)对形状记忆合金弹簧(6)进行加热，使形状记忆合金弹簧(6)的初始状态为预压缩状态，此时活检针(2)伸出圆筒状前端盖(1)；然后使导线(10)停止对形状记忆合金弹簧(6)进行加热，通过复位弹簧(7)使形状记忆合金弹簧(6)恢复伸长状态，带动活检针(2)收回至圆筒状前端盖(1)内。7.根据权利要求6所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，转动驱动环形永磁体(9)沿圆周方向等分为两段，一段充磁为n极，另一段充磁为s极；
外磁场模块在壳体外部沿对应转动驱动环形永磁体(9)的圆周方向摆动，通过与转动驱动环形永磁体(9)的磁扭矩作用，使转动驱动环形永磁体(9)沿预期方向转动或摆动，并带动机器人本体转动或摆动；外磁场模块在壳体外部沿机器人本体轴向方向移动，通过与转动驱动环形永磁体(9)相吸，使转动驱动环形永磁体(9)沿预期方向受磁力，并带动机器人本体移动；壳体定位环形永磁体(13)沿轴向充磁，在形状记忆合金弹簧(6)的预压缩状态，通过与圆筒状前端盖(1)前方轴向设置的外磁场模块相吸，实现壳体的定位。8.根据权利要求7所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，图像采集模块包括电路板(5)和微型相机(3)，电路板(5)固定在壳体定位环形永磁体(13)的上端面，电路板(5)的上表面设置微型相机(3)，电路板(5)为微型相机(3)提供供电电源；圆筒状前端盖(1)采用透明材料制成。9.根据权利要求8所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，图像采集模块还包括led灯(4)，led灯(4)设置在电路板(5)的上表面并由电路板(5)提供供电电源。10.根据权利要求9所述的外磁场驱动的胶囊型活检机器人，其特征在于，外磁场模块包括圆柱形永磁体，圆柱形永磁体沿轴向充磁；外磁场模块通过移动装置带动实现与内磁驱模块对应的位置变换。

技术总结
一种外磁场驱动的胶囊型活检机器人，属于微型医疗机器人技术领域。本发明针对现有胶囊内窥镜机器人只能进行图像采集，无法进行组织采样的问题。包括机器人本体和外磁场模块，所述机器人本体包括壳体、图像采集模块、活检模块和内磁驱模块，活检模块和内磁驱模块设置在壳体的内腔，外磁场模块设置在壳体外部；内磁驱模块和外磁场模块在相互配合作用下，带动机器人本体实现沿壳体轴向的移动和沿壳体圆周向的转动或摆动，并通过活检模块实现对活检体内组织的拾取；图像采集模块设置在壳体内部，对应于活检模块的执行前端，用于体内组织图像的采集。本发明作为一种胶囊型机器人。本发明作为一种胶囊型机器人。本发明作为一种胶囊型机器人。


技术研发人员：张号 谢晖 罗克顶 王飞皓 孟祥和
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/6