一种胶囊内窥镜的磁控装置及导航系统的制作方法

1.本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种胶囊内窥镜的磁控装置及导航系统。


背景技术：

2.目前，使用胶囊内窥镜对人体消化道进行常规检查，是市场上较为先进的一种诊查手段。相比于传统的胃镜检查，胶囊内窥镜具有无需麻醉，不用插管，无痛无创，无交叉感染风险等优势，可以大大减轻患者的痛苦。
3.近年来，可控的胶囊内窥镜往往采用外部驱动的方式，主要的思路都是采用磁场作为驱动手段，利用外磁场对胶囊内窥镜内部小磁体的作用力来控制其运动。根据磁场产生的方式，磁场控制可以分为永磁驱动和电磁驱动。对于人体来说，静磁场或者低频磁场基本都能无碍的穿过人体，不会引起任何不良反应。并且由于人体的磁导率接近真空，也不会使磁场分布出现畸变。
4.市面上已有的可控胶囊内窥镜系统，一般要求患者以躺卧或者站立的方式进行检查。例如国内金山、安翰等公司已经开发出了卧式的可控胶囊内窥镜系统，采用手持式或自动化的磁控装置，可有效控制体内胶囊的姿态，完成相应的检查。资福医疗开发的“大圣磁控胶囊式内窥镜系统”可以支持站卧双体位的检查模式，满足不同受测者的需求。
5.在使用可控胶囊内窥镜系统对胃部进行检查时，胃液会遮盖住一定的视角，使该处拍摄效果降低。而在不同的检查体位下，胃液将处在不同的位置。通过选择不同的体位进行检查，可以提高对于需要重点检查部位的成像效果。通过不同体位的组合检查，可以排除胶囊内窥镜的拍摄死角。
6.上海安翰医疗技术有限公司发明了一种基于双电机驱动永磁铁的磁控装置，并申请了专利（专利号202010664939.3）。该装置通过合理利用磁控装置的安装空间，使结构更紧凑，具有结构精简、体积小的特点。但是由于永磁铁的磁力较小， 可控范围有限，所以磁控装置需要尽可能的靠近受测者，容易引起受测者的不适。
7.苏州向东制造医疗科技有限公司发明了一种基于混合式磁场发生器的医疗用胶囊内镜磁控导航装置，并申请了专利（专利号201510975664.4），包括混合式磁场发生器、多自由度运动机构和控制器。其中混合式磁场发生器包括永磁体和电磁线圈，通过永磁体产生的基础磁场和强度可变的辅助电磁场组合形成强度可调的混合磁场，进而控制永磁体胶囊内窥镜在患者体内的位置和姿态。但是，由于电磁线圈所能产生的电磁方向固定，因此形成的混合磁场强度会受磁场方向限制。特别的，当所要求的磁场方向垂直于电磁场方向时，电磁场无法对永磁体产生的基础磁场进行任何增幅。
8.重庆金山医疗器械有限公司发明了一种胶囊内镜的控制系统，并申请了专利（专利号201820010588.2）。该装置通过连接部件同时带动两个磁铁组件，有效的控制了胶囊内窥镜的移动。但是该系统较为繁琐，包含了两套磁场发生装置，并且两组磁铁的径向旋转、轴向旋转和竖直方向的滑动仍需要分开控制，操作难度比较高。同时该系统胶囊内窥镜的控制范围依然是有限的。
9.因此如何有效解决胶囊内窥镜磁控装置磁力较小，摆脱磁场控制范围有限的困境是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

10.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何利用方向同步、大小可调的电磁场与永磁体磁场配合，解决胶囊内窥镜磁控装置磁力较小，摆脱磁场控制范围有限的困境，从而在更大范围内有效地控制胶囊内窥镜的运动。
11.为实现上述目的，本发明提供了一种胶囊内窥镜的磁控装置及导航系统，可以在检查时主动改变磁控装置产生磁力的大小，使胶囊内窥镜的控制不再受磁场控制范围的限制，具体通过下述技术方案实现：所述胶囊内窥镜的磁控装置包括永磁体胶囊内窥镜、同步混合磁场发生器、五自由度运动机构、电磁线圈供电器和控制器，所述永磁体胶囊内窥镜位于患者体内，所述同步混合磁场发生器和所述电磁线圈供电器都配置于所述五自由度运动机构上，所述控制器能够控制所述五自由度运动机构的运动和所述电磁线圈供电器提供的电流大小，以此来控制同步混合磁场发生器产生的磁场方向和强度，从而实现对所述永磁体胶囊内窥镜在患者体内位置和姿态的控制。
12.进一步地，所述永磁体胶囊内窥镜内含永磁体，功能与一般胶囊内窥镜相同，可以在体外磁场的控制下，改变自身的位置和姿态。
13.进一步地，所述同步混合磁场发生器包括永磁体和电磁线圈，所述电磁线圈和所述永磁体同步运动，所述电磁线圈轴线和所述永磁体磁极方向始终保持一致，所述永磁体可以形成较强的基础磁场，所述电磁线圈通过施加可变电流形成与基础磁场方向同步、大小可调的电磁场，所述基础磁场和电磁场组合形成强度和方向可任意调节的混合磁场。
14.进一步地，所述五自由度运动机构包括姿态控制装置、位置控制装置和机架，所述姿态控制装置安装于所述位置控制装置上，所述位置控制装置安装于所述机架上。
15.进一步地，所述姿态控制装置包括第一电机、第二电机、外框和基座平台，所述第一电机安装在基座平台上，能够带动所述外框和所述同步混合磁场发生器绕第一轴线转动，所述第二电机也安装在基座平台上，能够带动所述同步混合磁场发生器绕第二轴线转动。
16.进一步地，第二轴线的方向与所述第一轴线垂直，并且能够跟着所述外框绕第一轴线转动，所述同步混合磁场发生器被安装在第二轴线上。
17.进一步地，所述位置控制装置包括第一移动部，第二移动部、第三移动部、第一平台和第二平台，所述第一移动部安装在所述机架上，能够带动所述第一平台沿与竖直方向平行的z轴移动，所述第二移动部安装在所述第一平台上，能够带动所述第二平台沿与水平方向平行的x轴移动，所述第三移动部安装在所述第二平台上，能够带动所述姿态控制装置沿与水平方向平行的y轴移动。
18.进一步地，通过所述第一移动部、所述第二移动部和所述第三移动部能够使所述同步混合磁场发生器分别沿z方向、x方向、y方向运动，实现了对所述同步混合磁场发生器位置的控制。
19.进一步地，所述电磁线圈供电器包括第一导电环，第二导电环，导电连接器、第一
导电环电刷和第二导电环电刷，所述第一导电环安装在所述同步混合磁场发生器上，并且和所述同步混合磁场发生器同步运动，所述第二导电环安装在所述姿态控制装置的基座平台上，所述导电连接器安装在所述姿态控制装置的外框上，利用两端的所述第一导电环电刷和第二导电环电刷分别和所述第一导电环、第二导电环保持连接，通过所述控制器控制所述第二导电环中的电流大小，就可以在运动过程中实时控制所述电磁线圈产生的电磁场磁力大小。
20.进一步地，所述控制器由工业控制计算机、多轴运动控制卡和电机驱动器三级结构组成，所述控制器可以根据预先设定好的导航程序，使永磁体胶囊内窥镜在受测者体内实现自动检查。
21.进一步地，所述控制器包括工控机、人机交互设备、多轴运动控制卡、电机驱动器、d/a转换器、电流放大器。所述工控机是控制器的核心，所述工控机根据所述人机交互设备的操作命令，向所述多轴运动控制卡发送操作规划指令，由所述多轴运动控制卡控制所述电机驱动器驱动电机改变磁极的位置和姿态，所述工控机通过io口与传感器相连，通过反馈算法控制所述d/a转换器改变所述电流放大器的输出电流大小，进而对磁场强度进行控制。
22.在不使用电磁线圈进行磁场增幅时，永磁体本身的磁场强度是有限的。当永磁体表面磁感应强度达到1.2t时，对胶囊的有效吸引距离仅为20cm，一旦永磁体与体内的胶囊间距超出有效距离，就无法进行有效控制，使用上存在局限和安全隐患。本发明提出的同步混合磁场发生器，使用电磁线圈与强力永磁体保持同步运动，通过在电磁线圈中施加可变电流，可以在任意方向上对永磁体产生的基础磁场进行任意幅度的增强。
23.本发明提出的姿态控制装置，第一电机和第二电机都安装在基座平台上，不会随同步混合磁场发生器的姿态改变而转动，供电更为方便。第一电机带动同步混合磁场发生器绕第一轴线旋转，第二电机带动同步混合磁场发生器绕第二轴线旋转。由于同步混合磁场发生器绕其磁极轴线旋转时，磁场分布是不会变的，所以通过第一电机和第二电机的配合即可实现磁场姿态的控制。
24.本发明提出的电磁线圈供电器，结构精巧，能够使电磁线圈在姿态改变（绕第一轴线、第二轴线转动）时，始终保持供电。其中第一导电环安装在同步混合磁场发生器上，导电连接器安装在外框上，第二导电环安装在基座平台上。第一导电环、第二导电环与导电连接器的两端分别用电刷保持接触。绕第一轴线转动时：第一导电环和导电连接器在外框的带动下会同步转动并保持接触；此时第二导电环本身并不转动，但由于相对于第一轴线旋转对称，所以可以和转动的导电连接器保持接触。绕第二轴线转动时：导电连接器和第二导电环都不转动，保持原来的接触状态；由于第一导电环相对于第二轴线是旋转对称的，所以第一导电环在绕第二轴线转动时可以和导电连接器保持接触。
25.本发明提出的磁控装置含有两套电磁线圈供电器，一套用于供电电流的流入，一套用于供电电流的流出，并且对称地安装在姿态控制装置上。
26.本发明提出的磁控装置磁场力特别强大，因此降低了对检查体位的要求，检查方式灵活，可以支持站、卧、坐三体位，可根据受测者需要重点检查的部位、个人习惯等实际情况进行选择。在使用本发明提出的磁控装置进行检查时，受测者可以选择面向仪器站，背对仪器站；平躺，俯卧，左侧背向仪器躺，右侧背向仪器躺，左侧面向仪器躺，右侧面向仪器；面
向仪器坐，背对仪器坐等。
27.本发明实施例中，受测者正坐在座椅上，磁控装置及导航系统可以从背部主动控制受测者体内的永磁体胶囊内窥镜，沿着规划好的路径对胃部进行全面检查。
28.本发明实施例中，受测者需要预先吞服永磁体胶囊内窥镜，并正坐在磁控装置前的座椅上。正坐时，受测者上半身保持直立，胃部的腔体将会保持较为完整的状态，可以提高永磁体胶囊内窥镜的拍摄效率和成像效果。
29.本发明实施例中，受测者在检查时全程坐在座椅上，通过磁控装置及导航系统从背后控制受测者体内的永磁体胶囊内窥镜，具有更好的舒适度和安全性。
30.本发明实施例中，磁控装置通过五自由度运动机构可以连续改变磁极的位置和方向，通过电磁线圈供电器和同步混合磁场发生器自由调节混合磁场的强度大小，从背后较远距离依然可以对受测者体内的永磁体胶囊内窥镜进行有效控制，使永磁体胶囊内窥镜按照程序预设好的轨迹进行巡游和定点悬停，实现对胃壁全方位无遗漏的检查。
31.本发明的有益效果与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过设计同步混合磁场发生器、五自由度运动机构和电磁线圈供电器，使得电磁线圈和永磁体可以保持同步运动和工作。利用电磁线圈产生的方向同步、大小可调的电磁场与永磁体产生的基础磁场配合，能够在任意方向上可控地调节磁控装置产生磁力的大小，摆脱了磁场控制范围有限的困境，从而可以在更大范围内有效控制胶囊内窥镜的运动。本发明的磁控装置磁场力特别强大，无需过于贴近受测者就可以灵活的对胶囊进行控制，具有更好的检测舒适性和安全性。本发明的磁控装置降低了对检查体位的要求，检查方式灵活，支持站、卧、坐三体位，可以根据受测者的实际情况进行选择，例如对于需要重点检查的部位不同，可以采取不同的体位，也可根据受测者的习惯进行自由选择。此外，本发明中五自由度运动机构的姿态控制装置通过机械结构设计，使得磁场方向改变时，电机不跟随转动，供电更为方便。同时，本发明的电磁线圈供电器通过巧妙的结构设计，运用导电环、导电连接器和电刷使得在磁场方向不断改变的同时，可以维持和调节电磁线圈的供电电流，从而实时控制磁控装置产生磁力的大小。
附图说明
32.图1：本发明的一个较佳实施例的使用状态示意图；图2：本发明的一个较佳实施例的安装在机架上的位置控制装置示意图；图3：本发明的一个较佳实施例的同步混合磁场发生器、电磁线圈供电器和姿态控制装置组装示意图；图中标号说明：1——同步混合磁场发生器；11——球形永磁体；12——球形外壳；13——法兰连接器；14——电磁线圈；2——姿态控制装置；21——第一电机；22——第二电机；23——锥齿轮组；24——同步带轮；25——外框；26——基座平台；31、32——电磁线圈供电器；
311、321——第一导电环；312、322——第二导电环；313、323——导电连接器；314、324——第一导电环电刷；315、325——第二导电环电刷；4——位置控制装置；41——第一移动部；42——第一平台；43——第二移动部；44——第二平台；45——第三移动部；5——机架；6——座椅；7——第一轴线；8——第二轴线。
具体实施方式
33.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
34.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.本发明的一种实施例，包含永磁体胶囊内窥镜、同步混合磁场发生器、五自由度运动机构、电磁线圈供电器和控制器。
36.永磁体胶囊内窥镜：是一种胶囊内窥镜产品，内部含有永磁体，可以利用外磁场对胶囊内窥镜内部永磁体的作用力来控制其运动如图1和图3所示，同步混合磁场发生器1由钕铁硼材料的球形永磁体11、球壳形外壳12、法兰连接器13和电磁线圈14组成。球形永磁体11直径为120mm，能够产生较强的基础磁场，实际使用中由于大的球形永磁体难以加工，也可以用多层圆饼状的永磁体叠加来代替。球壳形外壳12用来安放和控制球形永磁体，分为两部分，中间圆周突缘预留有圆孔，可以利用螺母螺栓进行两部分的连接，球壳形外壳12两侧端面还预留了法兰连接孔。法兰连接器13和球壳形外壳12两侧端面相连，并和第二轴线8上的转轴紧定，当转轴绕第二轴线8转动时，法兰连接器13带动球壳形外壳12转动，进而带动球形永磁体11一起转动，改变了磁极的方向。电磁线圈14安装在转轴上，并使永磁体11的磁极方向和电磁线圈14的轴线共线，从而在转动时保证电磁线圈14的磁场与永磁体11的磁场保持方向一致。为了增强电磁场的作用效果，可以在永磁体11磁极两端各放置一套电磁线圈14。
37.如图1所示，五自由度运动机构包括姿态控制装置2、位置控制装置4和机架5。
38.如图1和图3所示，姿态控制装置2由第一电机21、第二电机22、锥齿轮组23、同步带轮24、外框25和基座平台26组成。第一电机21安装在基座平台26上，利用联轴器、法兰和外框25连接后能够带动外框25绕第一轴线7旋转。外框25旋转时，安装在外框25上的沿第二轴线8方向的转轴也会跟着外框25一起绕第一轴线旋转，因此当第一电机21转动时，安装在沿第二轴线方向的同步混合磁场发生器1将绕第一轴线旋转。第二电机22通过锥齿轮组23、同步带轮24，带动沿第二轴线的转轴绕第二轴线转动，因此，当第二电机22转动时，安装在沿第二轴线方向的同步混合磁场发生器1将绕第二轴线旋转。锥齿轮组23包括一对锥齿轮副：主动锥齿轮通过连接轴、联轴器与第二电机相连，外框25可绕着该连接轴自由转动；从动锥齿轮与传动轴的一端连接，传动轴另一端通过轴承和轴承座安装在外框25上。同步带轮24包括主动轮、从动轮和同步带。主动轮与传动轴相连，受传动轴驱动。从动轮与沿第二轴线的转轴相连，可驱动转轴绕第二轴线转动，进而带动同步混合磁场发生器1绕第二轴线旋转。沿第二轴线的转轴两端通过轴承和轴承座安装在外框25上。
39.如图1和图2所示，位置控制装置4：由第一移动部41、第一平台42、第二移动部43、第二平台44和第三移动部45组成。
40.所述第一移动部41可使同步混合磁场发生器沿z方向运动，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、滑块、托板连接件和第一平台托板。电机与滚珠丝杠通过联轴器相连，并沿z方向安装在机架5上。直线导轨沿z方向安装在机架5上，由滚珠丝杠带动第一平台托板沿着直线导轨在z方向上直线往复运动。第一平台托板与滚珠丝杠通过托板连接件相连，第一平台托板通过滑块在直线滑轨上运动。
41.所述第一平台42安装在第一平台托板上，能够随着第一平台托板沿z方向往复运动。
42.所述第二移动部43可使同步混合磁场发生器沿x方向运动，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、滑块和第二平台连接件。电机与滚珠丝杠通过联轴器相连，并沿x方向安装在第一平台42上。直线导轨沿x方向安装在第一平台42上，由滚珠丝杠带动第二平台44沿着直线导轨在x方向上直线往复运动。第二平台44与滚珠丝杠通过第二平台连接件相连，第二平台44通过滑块在直线滑轨上运动。
43.所述第二平台44安装在沿x方向移动的滑块上，能够随着第二平台连接件沿x方向往复运动。
44.所述第三移动部45可使同步混合磁场发生器沿y方向运动，包括电机、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、滑块和基座平台连接件。电机与滚珠丝杠通过联轴器相连，并沿y方向安装在第二平台44上。直线导轨沿y方向安装在第二平台44上，由滚珠丝杠带动姿态控制装置2的基座平台26沿着直线导轨在y方向上直线往复运动。基座平台26与滚珠丝杠通过基座平台连接件相连，基座平台26通过滑块在直线滑轨上运动。
45.机架5是整个磁控装置的框架，用来支撑和安装五自由度运动机构，整体框架可以用铝合金管焊接，并在焊接处加焊铝板保证结构的刚度和强度。
46.在本发明实施例中，通过在机架5两侧对称地安装两套第一移动部41，避免了驱动力偏置。
47.在本发明实施例中，同步混合磁场发生器1安装在沿第二轴线的转轴时，应尽量与第一轴线保持中心对称，当同步混合磁场发生器1绕第一轴线转动时，只发生姿态变化，球形永磁体11的中心位置应保持不变。
48.在本发明实施例中，当只有第一电机21工作并控制同步混合磁场发生器1绕第一轴线旋转时，由于锥齿轮组23的从动锥齿轮也会绕着第一轴线旋转，而主动锥齿轮不旋转，就会使从动锥齿轮带动传动轴旋转，进而带动同步混合磁场发生器1也绕第二轴线旋转。为了让同步混合磁场发生器1仅绕第一轴线旋转，需要第二电机22协同工作，按匹配的转速进行转动。
49.在本发明实施例中，同步混合磁场发生器1绕第一轴线的旋转不受第二电机22的控制影响。通过合理配置第一电机21和第二电机22的转速，可以让同步混合磁场发生器1同时绕着第一轴线和第二轴线旋转，灵活地调整磁极姿态。
50.在本发明实施例中，姿态控制装置2的基座平台26与位置控制装置4的第一平台42、第二平台44 的中间应留有足够的镂空区域，避免外框25在移动和转动时发生碰撞。
51.如图1和图3所示，电磁线圈供电器31、32能够使电磁线圈14在姿态改变（绕第一轴
线7、第二轴线8转动）时，始终保持供电，由第一导电环311、321，第二导电环312、322，导电连接器313、323，第一导电环电刷314、324和第二导电环电刷 315、325组成。其中第一导电环311、321安装在同步混合磁场发生器1上，导电连接器313、323安装在外框25上，第二导电环312、322安装在基座平台26上。第一导电环311、321、第二导电环312、322与导电连接器313、323的两端分别通过第一导电环电刷314、324和第二导电环电刷 315、325保持接触。绕第一轴线7转动时：第一导电环311、321和导电连接器313、323在外框25的带动下会同步转动并通过第一导电环电刷314、324保持接触；此时第二导电环312、322本身并不转动，但由于相对于第一轴线7旋转对称，所以可以和转动的导电连接器313、323通过第二导电环电刷315、325保持接触。绕第二轴线8转动时：导电连接器313、323和第二导电环312、322都不转动，保持原来的接触状态；由于第一导电环311、321相对于第二轴线8是旋转对称的，所以第一导电环311、321在绕第二轴线8转动时可以和导电连接器33通过第一导电环电刷314、324保持接触。
52.在本发明实施例中，含有两套电磁线圈供电器31、32，一套用于供电电流的流入，一套用于供电电流的流出，并且以球形永磁体11的中心位置点对称地安装在姿态控制装置2上。
53.所述控制器由工业控制计算机、多轴运动控制卡和电机驱动器三级结构组成，包括工控机、人机交互设备、多轴运动控制卡、电机驱动器、d/a转换器和电流放大器，所述控制器可以根据预先设定好的导航程序，使永磁体胶囊内窥镜在受测者体内实现自动检查。
54.所述工控机是控制器的核心，安装在操作人员的工作台上。工控机根据人机交互设备的操作命令，向多轴运动控制卡发送操作规划指令，由多轴运动控制卡控制电机驱动器驱动电机改变磁极的位置和姿态；工控机通过io口与传感器相连，通过反馈算法控制d/a转换器改变电流放大器的输出电流大小，进而对磁场强度进行控制。
55.所述人机交互设备包括显示屏、键盘、鼠标和操作杆等，安装在操作人员的工作台上，操作人员可以在人机交互设备上输入操作指令，并获取信息。
56.所述多轴运动控制卡安装在电控柜的插槽内，接收到人机交互设备的操作规划指令后，根据预设的控制程序，控制电机驱动器驱动电机按照要求改变磁极的位置和姿态。
57.所述电机驱动器是与电机配套的驱动器，安装在电控柜内，接收到多轴运动控制卡的操作指令后，按照预设的控制程序，驱动电机运动。
58.在本发明实施例中，电机可以选用交流伺服电机，电机驱动器配套选择为交流伺服驱动器。考虑到在提升负载时，可能需要克服较大阻力，可以在交流伺服电机输出端安装减速机。
59.所述d/a转换器和电流放大器安装在电控柜内，可以改变电磁线圈供电器4中电流大小，进而对磁场强度进行控制。
60.在本发明实施例中，电控柜可以安置在机架5的底部，通过信号电缆与磁控装置外部的工控机和人机交互设备通信。
61.如图2所示，在本发明实施例中，受测者正坐在座椅6上，磁控装置及导航系统可以从背部主动控制受测者体内的永磁体胶囊内窥镜，沿着规划好的路径对胃部进行全面检查。受测者需要预先吞服永磁体胶囊内窥镜，并正坐在磁控装置前的座椅6上。受测者正坐时，其上半身保持直立，胃部的腔体将会保持较为完整的状态，可以提高永磁体胶囊内窥镜
的拍摄效率和成像效果。受测者在检查时全程坐在座椅6上，通过磁控装置及导航系统从背后控制受测者体内的永磁体胶囊内窥镜，具有更好的舒适度和安全性。