胃腸道診療微型機器人系統研究與設計

劉偉 任思璟 賈紅丹 劉拯廷 徐曉鵬 韓顏光 董宏達

摘 要：設計在胃腸道膠囊機器人的內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生的磁場為機器人提供動力，通過調整加載電流的大小獲得合適的驅動磁場。在磁轉矩和磁力的作用下，機器人可以獲得更好的控制。實現了對機器人的前進和方向上的控制，減少了病人的痛苦，對提高手術的安全性有著重要意義。

關鍵詞：外磁場;膠囊內窺鏡;組合線圈

1 緒論

根據世界衛生組織提供的數據，消化系統疾病已經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現，及時的采取治療，就能取得很好的治療效果。但是胃腸道里的環境非常復雜，其中小腸可達7米左右，傳統的內窺鏡檢查的時間長，操作較為復雜，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并發癥。甚至帶來出血和穿孔的危險。

針對傳統的內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器人的研究有著十分重要的意義。胃腸道機器人對腸道的檢測不僅具備傳統內窺鏡的優點同時也能夠彌補缺點，是目前醫學研究的熱點之一。由于胃腸道機器人的主動運行能力，相比于傳統的內窺鏡有更大的能量需求，為了解決胃腸道機器人的能量供應問題，采用了復合梯度場來驅動微型機器人的方法，改進了胃腸道機器人的控制方式，通過實驗驗證了胃腸道機器人的合理性和有效性。

2 胃腸道機器人的外磁場驅動方案設計

在機器人的體內嵌入一個永磁性體，通過外磁場的磁力作用實現對機器人的驅動。根據磁力公式：

F=VM[ggii+ggii+ggii]T（1）

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

F= m1m24πus3（2）

當磁距發生微小變化時，磁力會發生突變，使定位、安全性不穩定。

為了防止這種情況的發生，需要在空間中構造出均勻合適的復合梯度場，保證梯度值隨位置的改變最終達到一種平穩的狀態，同時還需要加上磁轉矩來進行輔助調整。為了構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：

場強和梯度可控主要表現在大小和方向可控，在只考慮外部驅動時，線圈作用的范圍是無源區，根據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現的。因此把線圈組和病床的一定運動相結合，二者共同對加載電流進行調整就可以獲得合適的磁場，機器人的驅動就可以得到很好的控制。

3 胃腸道本體機器人的設計

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

圖像采集模塊是由圖像采集傳感器和光照系統集成的一種微攝像頭，由于是在胃腸道內工作，所以對元器件的使用非常嚴格，要求尺寸非常小功耗低穩定性高，通過比較最終選擇CMOS圖像傳感器。這種傳感器功耗低、穩定性高非常適用在微型電池的場合。而光照系統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。

圖像傳發射塊里的傳輸的距離很短，在短距離無線傳輸的方式中采用射頻RF較為合適。射頻傳輸可以分為兩種，分別是模擬RF和數字RF。模擬RF沒有數據率的要求，同時更適合計算機處理，所以本文采用的是模擬RF。本體機器人的設計如圖2：

4 結論

通過綜上分析，可以發現這種構造出復合梯度場來驅動微型機器人的方法是可行的。這種均勻的梯度場可以使系統能夠抵抗較大的擾動，提高了穩定性和安全性，可以有效的滿足機器人的前進、停滯、旋轉等動作要求，從而能夠使機器人在特定的位置進行工作，滿足檢測需求。將來可以在此基礎上實現機器人的藥物送服、醫療診治等工作，有著很好的應用前景。

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基金項目：黑龍江省大學生創新項目（20181021901）：微型胃腸道疾病診療機器人系統研究