一种基于ipmc驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法

文档序号:8549896阅读:454来源:国知局
一种基于ipmc驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及胶囊内窥镜,属于智能驱动技术领域。
【背景技术】
[0002]随着我国经济水平和医疗条件的提高,人性化的微创/无创诊疗技术越来越受到青睐。被医学界誉为“消化道疾病诊断的第四个里程碑”的胶囊内窥镜作为一种消化道疾病的可视化诊断设备2001年已经诞生。但是胶囊内窥镜作为一种消化道疾病的可视化诊断新型设备,其功能并不十分完善。内窥镜胶囊在人体内是随消化道的蠕动向前运动,摄取的消化道图像具有随机性,镜头角度不能控制,无法对可疑病灶进行多角度重复的观察,易造成图像遗漏、失真和对焦不准,在消化道疾病检查与诊断中具有一定的被动性和局限性。
[0003]目前有不少胶囊内窥镜主动驱动机制的探索研宄,主要方式有蠕动式(KimB,Park S,Jee C Y,et al.An earthworm-1 ike locomotive mechanism for capsuleendoscopes[C].1ntelligent Robots and Systems,2005.(IROS 2005).2005IEEE/RSJInternat1nal Conference on.1EEE,2005:2997-3002.)、微型电机式(De Falco I,Tortora G,Dar1 P,et al.An Integrated System for Wireless Capsule Endoscopy ina liquid-distended Stomach[J].2014.)和电磁驱动式(Leon-Rodriguez H,Lee C,HaL V,et al.Conceptual design of micro-hydraulics system for active and b1psycapsule endoscope robot[C].B1medical Robotics and B1mechatronics.2014 5thIEEE RAS&EMBS Internat1nal Conference on.1EEE,2014:1068-1072.)等,除此之外还有采用特殊材料:如压电陶瓷材料(Kim B,ParkS,Jee C Y,et al.An earthworm-likelocomotive mechanism for capsule endoscopes[C].1ntelligent Robots andSystems,2005.(IROS 2005).2005IEEE/RSJ Internat1nal Conference on.1EEE,2005:2997-3002.),磁致伸缩材料,记忆合金式材料等。但是,上述主动控制驱动机制还不能满足消化道检查的要求,比如蠕动式运动效率低、体积大,有可能阻塞病人的消化道;多足式多采用钩挂划动的方式,结构复杂,控制起来难度大且容易对肠道带来二次伤害;微电机式驱动耗能大,特别是基于螺旋原理的驱动方式容易损伤肠道内壁;形状记忆合金工作温度较高,不适用于肠道内检测;磁导式在运动控制上较为便捷,但是不易实现镜头角度控制,不能从根本上解决对于胶囊内窥镜在治疗功能的拓展。为了改善传统消化系统及人体微管道检查的不便以及难于实现对目标点位的观察,对于胶囊内窥镜的移动及镜头姿态的主动控制已成为消化系统检测技术发展的趋势。出于对消化道内部管壁的保护,传统机械驱动已不能满足于胶囊内窥镜机器人主动式控制的需求,因此需要设计对人体无损伤、微型化的驱动机制。

【发明内容】

[0004]发明目的:针对上述现有技术,提出一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜及其驱动方法,实现胶囊内窥镜机器人在人体消化道内的前进、减速、定点钳位和姿态控制的功能。
[0005]技术方案:一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜,包括胶囊前盖、胶囊主体结构、胶囊尾部结构,在所述胶囊主体结构外侧以及所述胶囊尾部结构沿胶囊轴向方向设置有若干片状IPMC,所述若干片状IPMC的一端与胶囊固定,所述若干片状IPMC的另一端为自由端,所述胶囊主体结构内部设有用于控制所述若干片状IPMC的控制模块。
[0006]进一步的,所述胶囊内窥镜外部包裹可溶性膜。
[0007]进一步的,所述胶囊主体结构的外侧沿胶囊四周均匀设有三个或四个凹槽,所述每个凹槽对应容纳一片所述片状IPMC,每片所述片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构的一端。
[0008]进一步的,所述胶囊尾部结构中间位置设置一片所述片状IPMC。
[0009]进一步的,所述胶囊尾部结构平行设置两片所述片状IPMC,所述两片片状IPMC的控制信号相位差为180°。
[0010]进一步的,所述胶囊尾部结构的每一片所述片状IPMC的自由端还连接有鱼尾形状的柔性薄膜。
[0011]一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜的驱动方法,包括胶囊加速步骤,胶囊减速步骤,胶囊定点钳位步骤以及胶囊姿态调整步骤;
[0012]所述胶囊加速步骤为:胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC收拢到凹槽内,并控制胶囊尾部结构的片状IPMC往复摆动,实现胶囊的加速运动;
[0013]所述胶囊减速步骤为:胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开,并控制胶囊尾部结构的片状IPMC停止摆动,实现胶囊减速运动;其中,所述IPMC的自由端向外张开的角度可控并小于最大值;
[0014]所述胶囊定点钳位步骤为:完成所述胶囊减速步骤后,胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端向外张开到最大角度,所述胶囊主体结构外侧的所有片状IPMC的自由端与检测部位接触,使胶囊停止运动,实现胶囊定点钳位;
[0015]所述胶囊姿态调整步骤为:胶囊主体结构内部的控制模块控制所述胶囊主体结构外侧的一片或多片IPMC的自由端向外张开,从而改变胶囊的倾斜角度,实现胶囊姿态调整。
[0016]有益效果:本发明的一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜,胶囊体外侧的片状IPMCdonic Polymer-metal Composites,离子聚合物金属复合材料)在控制信号的作用下完成张开和收拢动作,其中胶囊内窥镜加速前进时片状IPMC收拢,在胶囊内窥镜机器人减速停止时片状IPMC张开,通过与壳体外侧的片状IPMC的控制配合实现在肠道内加速前进、减速、定点钳位、姿态调整等动作。与现有技术相比,本发明具有如下优点:
[0017]1.采用具有柔性和良好生物相容性的IPMC人工肌肉作为驱动材料,IPMC材料在其两侧电极上施加低电压(约3V)可产生较大的弯曲变形,且可以在潮湿环境或水环境下正常工作;利用IPMC材料的这些特性制备的胶囊内窥镜,在体内运动不会给肠道的有机组织造成伤害,同时胶囊内窥镜外部包裹可溶性膜,容易被患者吞服,不会给病人带来不适,达到对病人无损的目的。
[0018]2.通过各片IPMC的协同作用,胶囊内窥镜可以在肠道内实现加速、减速、姿态调整和定点钳位运动。胶囊内窥镜的加速运动可以实现快速消化道遍历检查;已投入到商业应用的胶囊内窥镜需要利用器官蠕动或器官内部流动的流体的带动下实现遍历人体各器官的任务,这样每次检查的速度是不可控的;而胶囊内窥镜机器人可以通过对IPMC的控制实现胶囊在人体内运动速度的控制,快速对患者进行消化道遍历检查。胶囊主体结构外侧的各片IPMC可以单独控制张开端顶点的高度,通过对其姿态调整运动的主动控制,可以改变胶囊的倾斜角度,实现胶囊内窥镜在人体内姿态的控制,方便摄像头其对病灶位置进行图像信息的获取,可以实现对病灶位置的全方位观察。结合其减速运动和定点钳位运动,可以胶囊内窥镜定位在肠道内的某一位置,从而实现针对某一位置进行详细检查。其中,各片IPMC的控制信号可通过外部设备将信号无线传输至胶囊内部的控制模块。
[0019]3.胶囊主体结构外侧的每片片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构的一端,在片状IPMC打开时,该种设置方案用以增大片状IPMC的自由端顶点到其固定端的距离,从而能够增加胶囊姿态的稳定性。同时,相较于片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾前盖的一端,张开时前进阻力更大,可使胶囊内窥镜机器人的减速效果更明显。
[0020]4.只需施加几伏的电压下即可以对片状IPMC进行张开和收拢的控制,控制方法简单,低电压对人体安全。IPMC收拢后贴服于胶囊的凹槽内,便于整体包裹,减小外廓尺寸,方便吞服。
[0021]5.胶囊尾部结构的一片片状IPMC连接有鱼尾形状的柔性薄膜,通过片状IPMC带动鱼尾形状的柔性薄膜的摆动,即尽可能的拟合鱼尾部的摆动轨迹,实现鱼类尾鳍的高推进效率。单柔性尾鳍驱动方式具有结构简单,驱动功耗低的优点。
[0022]6.当胶囊尾部结构平行设置两片柔性尾鳍时,对其两片片状IPMC的控制信号相位差为180°,从而使得两个柔性薄膜摆动相位差也为180°。双柔性尾鳍摆动产生的偏转扭矩可以相互抵消,从而保证胶囊内窥镜驱动的侧向稳定性,同时采用双柔性尾鳍对称驱动方式可以向胶囊体后排出更大体积的水,产生更大的推进力。
【附图说明】
[0023]图1为胶囊内窥镜结构示意图;
[0024]其中,1-胶囊前盖,2-胶囊主体结构,3-胶囊尾部结构,4-1PMC侧向鳍,5_柔性尾鑛;
[0025]图2为胶囊主体结构横截面结构示意图;
[0026]图3为柔性尾鳍结构示意图;
[0027]图4为单柔性尾鳍摆动示意图;
[0028]图5为单柔性尾鳍驱动方式示意图;
[0029]图6为双柔性尾鳍驱动方式示意图;
[0030]图7为单尾鳍结构下方波信号的驱动效果示意图;
[0031]图8为双尾鳍结构下正弦波信号的驱动效果示意图;
[0032]图9为双尾鳍结构下方波信号的驱动效果示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0034]如图1所示,一种基于IPMC驱动的胶囊内窥镜,包括胶囊前盖1、胶囊主体结构2、胶囊尾部结构3。胶囊前盖I为透明的摄像头保护罩,与胶囊主体结构2采用密封胶连接。在胶囊主体结构2外侧沿胶囊轴向方向设有四个凹槽,该四个凹槽沿胶囊四周均匀排布,每个凹槽对应容纳一片片状IPMC。片状IPMC的固定端位于凹槽内靠近胶囊尾部结构3的一端,片状IPMC的另一端为自由端。胶囊主
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1