CN100435713C - 一种体内微机器人的外磁场驱动*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体内微机器人的外磁场驱动***，包括机器人及其内嵌磁性体(1)、处理中心(2)、诊疗操作器(3)和外部驱动装置(4)。利用组合线圈***构造空间意义上较为均匀的梯度磁场，通过调整加载电流以及部分线圈对于人体的相对运动共同控制梯度大小与方向，作用于机器人的内置磁性体以获得期望的空间矢量力，进而实现期望的运动。外磁场驱动不依赖微机器人与人体组织之间的摩擦行进，而且均匀梯度避免了磁场作用下由于微机器人位移造成的受力突变，提出的驱动***具有良好的安全性与可控性，为进一步研究梯度磁场驱动体内腔管微机器人奠定了基础。

Description

一种体内微机器人的外磁场驱动***

所属领域  本发明涉及医疗器械自动化领域，特别涉及一种在外部组合线圈产生的梯度磁场控制下对体内腔管微机器人进行驱动的***。

技术背景  随着MEMS技术的发展，人们希望利用微机器人进入人体进行无创或微创诊疗。有线***由于导线牵扰，更适于躯体近表或短行程场合。为便于体内腔管特别是消化道的遍历检查及手术，人们对无线方式进行了研究。无线胶囊内镜是近年发展起来的消化道检查设备，其基本特征是无线传输用胶囊内部微摄像头拍摄的消化道图像，其代表产品是以色列Given Imaging公司的M2A和日本RF System实验室的Norika系列。

以无线胶囊内镜为平台建立体内微机器人***，可以实现消化道环境如温度、PH值检测，可施药、取样，加入微操作器后可自行或辅助完成特定手术，有极为广阔的发展前景。

目前这些胶囊内镜产品均利用消化道自然蠕动来遍历整个检查区域，并期望最终随***物排出。但消化道的生理蠕动对胶囊内镜的推进作用十分有限，而且整个检查过程缓慢且不可控，例如M2A的检查时间长达8小时，漏检率也相当高，还有可发生嵌顿而滞留人体。这些不足制约了胶囊内镜的适用范围、诊疗效果以及功能扩展，因此有必要结合机器人驱动环境，在现有基础上加入安全有效的驱动控制。

移动驱动实现体内微机器人的主动遍历，它运动量大、能耗高，因而不同于实现手术等功能的微操作驱动。微操作可由本体集成激励装置来驱动功能材料，或者利用本体集成的电磁驱动***来实现。由于消化道盘曲复杂，表面粘滑，多凹槽和皱襞，因此以上方式对于实现体内遍历的多种宏观、复杂而且繁重的运动不太理想。移动驱动的巨大消耗使得体载能源或无线供能无法满足微机器人完成其他功能，如拍照或摄像、驱动、图像传输乃至施药、取活检、手术等的总体能量需求。因此有必要寻求外部驱动方式以降低本体能耗。

直接利用外场激励可以有效降低微机器人本体能耗。日本名古屋大学的Toshio Fukuda等人制作的微机器人利用外磁场驱动下的磁致伸缩合金机构实现微管道内爬行。但外场激励形式单一，单纯依靠外场所致的材料形变难以完成多种动作要求。

外磁场对磁性物体有力和转矩两种作用，利用这种直接磁力或转矩作用进行驱动实际上更为简便有效，而且显著降低了微机器人本体能耗。另外，机器人的微操作如采样、喷药、镜头焦距调节等可以与移动驱动分离而不受外届驱动磁场的影响。

日本东北大学M.Sendoh等人提出利用类似三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，控制加载电流以调整磁场强度大小及方向，作用于胶囊内嵌磁体，在胶囊表面螺旋纹推动下旋进。Norika3胶囊可以轴向旋转，它内置电磁线圈，由受检者所穿外套提供旋转磁场。但其旋转设计是为了增加视野以减少漏检，由于外场旋转方向单一而且不均匀，转换为旋进时驱动效果不佳。

实际上旋进方式有一定缺陷：螺旋纹使得吞咽、排出不便并可能在消化道蠕动时造成损伤；消化道多为长筒状薄壁，多凹槽、皱襞，旋进可能使消化道部分扭转导致疼痛或损伤；消化道各段直径不一，和胶囊接触状况也不同，同时消化道内容残渣可能填塞螺纹间隙，因此难以保证旋进的效率。

因此我们提出直接利用外场磁力驱动。大多利用本体机构进行的移动驱动，如蠕动式、轮式、履带式、冲击式、旋进式等，必然依赖与被检体之间的摩擦来行进。利用直接磁力时希望减小这种摩擦，这与驱动的安全性考虑相一致。无需本体集成致动机构也使得机器人结构得到简化。消化道检查及手术时采用药物抑制部分消化道蠕动，并保证微机器人接触表面良好润滑将会有利于驱动。驱动应尽可能避免造成粘膜等组织损伤；另外由于存在各种扰动如消化道蠕动、喷嚏、咳嗽、打嗝等，受检者也会自然动作如轻微挪动，这要求外场驱动时微机器人抵抗扰动性能较好。

一般外加磁场的梯度随作用距离急剧变化，机器人的微小位移也可能造成受力的突变，使得定位、控制和安全性能恶化，甚至“一个喷嚏损环肠壁”。另外磁场的转矩作用不可忽视，驱动过程中受到的较大扭转力是潜在危险。

机器人所受磁力与外加磁场的梯度张量以及内嵌磁性体的磁化强度有关，所受磁转矩与场强以及内嵌磁体的磁化强度有关(公式1)。若内嵌磁性体永磁体，则磁化强度可视为常量，这时可以完全依靠构造合适的外磁场环境来进行驱动。

机器人的驱动即要构造合适的空间磁场分布，而利用组合线圈可以得到均匀的磁场强度或均匀的场强梯度。最简单的匀场线圈是亥姆霍兹线圈，它是一对半径为R，相距L＝R并通同向电流的电流环，能够形成极为均匀的轴向磁场，其径向分量可以忽略。最简单的梯度线圈是麦克斯韦对，其半径为R，相距 $L=\sqrt{3}R,$ 通反向电流，能够形成中心场强为零的均匀梯度，且轴向梯度约为径向的两倍。非轴对称的线圈，例如方形线圈的合理组合也能够达到同样效果。

实际应用的匀场线圈和梯度线圈都有多种不同的形式及设计方法。例如梯度线圈，类似于核磁共振成像(MRI)梯度线圈，其种类按与主磁场的相对方向可划分为纵向和横向两种。设MRI主磁场为z向场，则只需考虑对成像有作用的g_zb(b＝x，y，z)分量(公式2)。线圈分布一般通过模拟理想表面电流形成，其中g_zz由纵向梯度线圈产生，其梯度的形成原理类似于麦克斯韦对；g_zx、g_zy由横向梯度线圈产生，导线多为流线型分布或由非连续不同电流段构成。驱动线圈由各种形式的线圈组合而成，比较实用的是柱面线圈与平面线圈。一般采用柱面形式的组合线圈，各组线圈层层叠加，可以形成较为紧凑的结构。

实际上，横向梯度线圈并不单纯产生横向梯度，纵向梯度线圈也不单纯产生纵向梯度；与MRI不同，当计算梯度线圈的磁力作用时需要全方向考虑梯度张量各分量的贡献。

由于驱动时没有所谓的主磁场，为区别MRI所用线圈，我们将驱动线圈按相对于人体(或说病床)纵轴的方向进行划分：主要提供人体(病床)纵轴方向的磁场强度或场强梯度的线圈称为轴向线圈，主要提供垂直于人体(病床)纵轴方向的磁场强度或场强梯度的线圈称为径向线圈。

梯度线圈在一定空间范围内构造出比较均匀的梯度场，在这个范围内，同一加载电流下，磁性微机器人所受到的磁力基本上与其所在位置无关，这样就可以抵抗较大的扰动；通过改变梯度线圈的加载电流，我们可以得到不同大小和方向的梯度，作用到机器人上就得到不同大小和方向的磁力。但由于梯度线圈在不同位置的场强方向有变化，机器人运动时所受转矩会发生改变，在足够大的情况下会导致机器人非愿望扭转，进而使机器人受力改变。保证机器人位置改变时不发生扭转有两种方案：一是提供线圈***与被检者之间的空间相对平移自由度，使机器人始终位于低场区；二是利用匀场线圈使低场区偏移并主动跟随机器人，甚至直接调整场强使之与机器人内嵌磁体的磁化强度同向。

驱动线圈作用区域视为无源区，不同的梯度线圈会产生不同的磁场分布，但合成各个梯度线圈的磁场贡献后，磁场梯度张量各分量之间仍存在较大相关性。由于计算磁力作用需要全方向考虑梯度张量各分量的贡献，很多情况下这些分量对磁力的贡献会彼此消减，因此完全采用不同线圈组合及其加载电流调整以期获得任意方向磁力的方法效果不佳。为此我们利用线圈的机构运动和梯度线圈磁场获得行进驱动力，利用病床的机构运动和匀场线圈共同调整机器人所在位置的场强大小，从而调整机器人所受的磁转矩。这样，在确定的磁力和磁转矩作用下，机器人的运动可以得到较好的控制。

发明内容  目前胶囊内窥镜完全依靠生理蠕动在消化道中行进，没有安全实用的主动无线驱动方法，不可控性制约了胶囊内窥镜的适用范围和使用效果，使得以类似的无线内窥镜为平台，向多功能体内诊疗微机器人的技术扩展无法实现。

本发明的目的是设计一种可用于体内腔管遍历检查的微机器人外部磁场驱动***，利用组合线圈构造梯度均匀、空间点场强可调的磁场环境，并通过改变线圈加载电流以及线圈与病床的相应运动来调整磁场，作用于微机器人内嵌磁体以达到在外部控制体内微机器人的目的，为最终实现体内微机器人无线可控诊疗奠定基础。

本发明的技术方案是：

体内微机器人外部磁场驱动***依靠外部装置构成的磁场无接触地作用于体内微机器人以实现驱动，整个***包括含有内嵌磁体的磁性微机器人、处理中心、诊疗操作器和外部驱动装置。

所述的磁性微机器人的外壳制作成胶囊状，两端圆滑，中间无突起和沟槽，不形成缘角，表面采用光滑的、具有一定韧性和柔性的医用材料包覆，对人体组织的摩擦较小，在主动运动以及消化道蠕动时不造成人体损伤，微机器人内部整合内嵌磁性体、图像获取模块、内部微处理器、无线通讯模块等部分(其他与本***无关的部分不在列)。

所述的内嵌磁性体具有确定的磁化强度M，如公式(1)所示，它在外部磁场的作用下对微机器人进行驱动，其中，在外部磁场梯度所致磁力作用下带动微机器人本体行进，在外部磁场强度所致磁转矩作用下带动微机器人倾斜偏转以调整姿态，同时加强微机器人行进的稳定性，所述的图像获取模块、内部微处理器、无线通讯模块通过柔性电路板电连接，图像获取模块中的摄像头拍摄到的消化道环境图像，由内部微处理器用于读取、缓存，并控制无线通讯模块传送图像信息到外部的处理中心，同时协同处理中心实现必要的分时控制，以降低外部驱动线圈对微机器人内部电磁、电路模块的干扰。

所述微机器人的重心与其磁力作用点之间有一定的偏距，当外磁场施加的磁力与微机器人所受重力不同向时，磁力提供一定的力矩从而对微机器人的姿态进行调整，同时利用外磁场施加的磁转矩辅助进行姿态调整并加强驱动的稳定性。

另外，所述的微机器人中，外部磁场的作用对象为内嵌磁性体，驱动不依赖微机器人本身的任何结构特征，内嵌磁性体采用永磁体或电磁微线圈，其中当采用一个或多个方向配置的电磁微线圈时，改变微线圈的加载电流在一定程度上等效于外磁场的加载电流变化或外部机构运动，但用电磁微线圈需要耗用体载能源或无线供能。

所述的处理中心负责整个***的开关、初始化及总体驱动控制，它包括中央处理器及***硬件设备、软件程序，***硬件设备包括数据采集设备(接收天线及传感器)、存储设备、显示设备、输入终端、各种数据与信号线路及接口，它连接微机器人位置检测装置、运动执行装置、线圈电源和诊疗操作器，接收图像信号、微机器人位置检测信号、线圈运动和电流反馈、病床运动反馈以及诊疗操作器控制信号，生成线圈电流加载、线圈旋转运动以及病床运动的控制信号。

所述的诊疗操作器包括底座、舵杆、开关按钮及滑钮，舵杆可作球副转动，滑钮可线性调整驱动力倍值，诊疗操作器用于指示微机器人偏转、俯仰、停止及行进等的动作信号，同时提供对驱动力大小的调整，其控制信号通过处理中心实现于线圈运动执行装置和线圈电源。另外，所述的诊疗操作器装配磁转矩作用开关，对是否采用磁转矩辅助调整微机器人姿态进行设定，开关开启时所述的病床运动执行器停止由处理中心的自动控制，而由诊疗操作器经处理中心提供病床运动的控制信号输入，另装配紧急开关，紧急情况下立即切断线圈电源，关闭驱动磁场以预防意外事件造成安全危害。

所述的微机器人位置检测装置由磁传感器制作而成，检测驱动时微机器人的矢量位置信息及姿态信息，提供给处理中心，位置测量装置由磁阻传感器，或霍尔传感器制作而成，由处理中心处理计算得到内嵌磁体的空间位置信息及其磁化强度M的矢量方向，以实现位置及姿态控制，其检测方案包括两种：

①内部检测方式：位置检测装置采用三维磁传感器，整合到微机器人内部，传感器与内嵌磁体之间的位置相对固定，内嵌磁体对传感器测量处的磁场贡献为常量，传感器检测外部线圈磁场，采集动态场强信号并由无线通讯模块无线发射出来，已知的外部磁场的均匀梯度特征建立了磁场强度与空间位置之间的强线性关系，因此由检测得到的磁场强度信息容易获得微机器人空间位置信息。

②外部检测方式：位置检测装置采用磁传感器阵列，分布于病床或被检者身体表面，在外部驱动磁场减弱间隙检测机器人内嵌磁体矢量场强值的变化，获取微机器人内嵌磁体的磁场分布信息，根据磁偶极子模型计算微机器人内嵌磁体的极化方向和磁极位置，由于内嵌磁体固结于微机器人本体，极化方向和磁极位置可直接转换为微机器人的位置信息。

其中，鉴于第一种位置检测方案不可孤立于本***外部线圈所形成的特征磁场，本发明意图包含对该位置检测方案的权利保护要求。

所述的病床为非磁性病床，比人体肩部略宽，病床不受驱动磁场影响也不对驱动磁场产生干扰，被检者躺卧在该病床上，病床可沿其纵轴平移，将被检者推送到驱动线圈作用区。

所述的驱动线圈围覆被检者受检部位，提供外部驱动磁场，线圈表面贴附霍尔传感器以获得加载电流信号反馈。驱动线圈由线圈电源提供电流加载，如同公式的描述，其构造的磁场环境与其加载电流广义上呈线性关系。驱动线圈由轴向梯度线圈、径向梯度线圈和轴向匀场线圈组三种线圈层叠构成，其制作方法类似MRI线圈(包括梯度线圈和射频线圈)，充填绝缘层以使彼此之间不导通及进行加固，层叠顺序无要求，三种线圈做成一体，在线圈运动执行器驱动下绕病床纵轴整体旋转，或做成分离结构，其中相对于病床轴线轴对称的线圈可以不用旋转。所述的梯度线圈、分别用于提供病床轴向和径向梯度；所述的匀场线圈组，提供轴截面上的场强分量，用于调整机器人所在位置的径向场强。另外，所述的驱动线圈中可以不使用匀场线圈，此时公式(7)中的λ＝0，磁转矩的调整完全依靠病床与驱动线圈之间在三维方向的相对平移，也就是p的变化完成，此时驱动的稳定性和可控性降低，对于微机器人姿态的辅助调整能力降低，而且由于三维平移要求更多的自由空间，使得线圈的体积增加。

所述的运动执行装置包括线圈运动执行器和病床运动执行器，驱动线圈由支架支撑，并由线圈运动执行器驱动而绕病床精确旋转，其值用公式(4)中的γ度量；病床由支架支撑，利用丝杠等传动方式，由病床运动执行器驱动沿自身轴线精确平移，其值即公式(5)中p在病床轴线上的分量，其中病床运动执行器的平移运动可直接由处理中心自动控制。以上机构运动协同驱动线圈的加载电流调整共同控制驱动磁场环境。

所述的线圈电源，在处理中心的控制下，能够进行多路电流加载及实时电流值调整，并从附于线圈上的霍尔传感器或的电流信号反馈。其加载电流值用公式(5)中的向量I_G与I_B表示。

所述的线圈支架以及病床支架固定于地面，分别支撑线圈与病床，运动执行装置安装在支架之上。

驱动磁场作用于含有内嵌磁体的磁性微机器人，使微机器人在可控梯度磁场的直接力及力矩作用下运动，在磁场控制下能够有效地完成行进、停止、俯仰、偏转等动作要求，从而能够定位重点区段和怀疑区段对被检者进行仔细检查和治疗。

相关公式：

$F={\∫}_V(M\·\▿)\mathrm{Bdv},T={\∫}_{V}M\×\mathrm{Bdv}$

$\⇒F=\mathrm{VG}\·M,T=\mathrm{VM}\×B---\left(1\right)$

$G=\left[\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right](g_{\mathrm{ab}}=\frac{\∂B_a}{\∂b};a,b=x,y,z)---\left(2\right)$

$\▿\·B=0,\▿\×B=0$

$\⇒g_{\mathrm{xx}}+g_{\mathrm{yy}}+g_{\mathrm{zz}}=0,g_{\mathrm{ab}}=g_{\mathrm{ba}},(a\≠b)---\left(3\right)$

$C=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

G＝кI_G；B＝Gp+λI_B          (5)

VкI(C^TM)＝C^TF               (6)

VM×[C(кI_Gp+λI_B)]＝T       (7)

其中公式(1)：磁场作用力与转矩公式，其中F为磁力；T为磁转矩；V为内嵌磁体体积；M为内嵌磁体的磁化强度；B为外部磁场磁感应强度；此式中由于机器人内嵌磁体较小，因而假设场强及其梯度在机器人内部均匀分布；

(2)：G为磁场梯度张量，式中a，b取x，y，z中任意值，本驱动***即通过组合线圈及其相对运动获得合适的G，作用于微机器人内嵌磁体从而产生合适的驱动力；

(3)：仅考虑外部驱动线圈磁场，根据Maxwell静磁场方程得到线圈磁场梯度张量各分量有较高相关性，由该式表示的这一相关性导致静态线圈难以获得任意方向的磁力，因此我们设计了线圈相对人体(病床)运动的驱动方案，考虑到人体结构，将这一运动设计为绕人体(病床)旋转；

(4)：线圈绕人体(病床)旋转的旋转矩阵，其中γ为旋转角度，其转轴沿病床轴线，设定以顺时针为正；

(5)：与加载电流相关系的磁场描述方程，其中p为机器人所在位置P离开驱动线圈中心的位置矢量；G为各线圈在P点的梯度张量之和；B为P点处的磁感应强度；к、λ分别为与梯度线圈和匀场线圈自身参数相关的常量，其中к为三阶常数矩阵，λ为常向量；I_G与I_B分别为梯度线圈与匀场线圈的各部分加载电流组成的向量；

(6)：与加载电流相关系的磁力描述方程，显示可用旋转矩阵C及梯度线圈加载电流I_G控制磁力大小。

(7)：与加载电流相关系的磁转矩描述方程，该式为各线圈做成一体共同旋转的情况，显示可用旋转矩阵C、病床平移(影响p)及梯度线圈加载电流I_G控制磁转矩大小。

本发明的有益效果是：

1、通过将磁场技术、传感技术、图像技术、电动力技术等结合并应用于无创诊疗领域，以实现体内微机器人的外部无线驱动控制；

2、主动驱动缩减了检查所需时间，并降低了漏检率，使得诊疗方便而且高效。

3、梯度线圈产生的均匀梯度场使得驱动***能够抵抗较大扰动，匀场线圈可调整机器人所在位置的场强，从而抑制其非愿望扭转，提高了驱动安全性和可靠性。

4、利用直接磁力时可以主动减小机器人与被检体之间的力作用，以降低检查不适感；

5、微机器人在磁场控制下能够有效地完成平移、俯仰、偏转等动作要求，从而能够定位重点区段和怀疑区段进行仔细检查和治疗，增强了其诊疗的有效性；

6、可进一步扩展微机器人的施药、取样、手术等治疗功能，提高其诊疗能力；

7、不仅适用于生物体腔管环境，也适合各种管径的多种非金属管道内驱动，有较广的应用范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步的说明。

图1是亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对磁场特性示意图。

图2是外部驱动***结构示意图；

图3是是驱动装置实体示意图；

图4是驱动线圈7构成例图；

图5是驱动线圈的其他构成例图；

图6是实际应用的部分核磁共振梯度线圈示意图。

图1是亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对磁场特性示意图。亥姆霍兹线圈是一对半径为R，相距L＝R并通同向电流的电流环，能够形成极为均匀的轴向磁场，而其径向分量可以忽略。麦克斯韦对半径为R，相距 $L=\sqrt{3}R,$ 通反向电流，能够形成中心场强为零的均匀梯度，且轴向梯度约为径向的两倍，图中麦克斯韦对仅示明轴向磁场B_z。

图2是外部驱动***结构示意图，图3是是驱动装置实体示意图。

结合所述的图2和图3，其中1：磁性微机器人；2：处理中心；3：诊疗操作器；4：外部驱动装置；5：机器人位置检测装置；6：病床；7：驱动线圈；8：运动执行装置；9：线圈电源；10：线圈支架；11：病床支架；12：消化道。

所述的磁性微机器人1，包括内嵌磁体a、无线发射模块b、内部微处理器c、微摄像模块d等部分。

所述的运动执行装置8，包括8a：线圈运动执行器；8b：病床运动执行器。

图4是驱动线圈7构成例图。所述的驱动线圈7，包括7a：轴向柱面梯度线圈；7b：径向柱面梯度线圈；7c：提供横向场强的柱面匀场线圈组(鸟笼型线圈)。这里的轴向和径向是相对于病床轴向划分的，区别于核磁共振线圈的表述。

图5是驱动线圈的其他构成例图，图中均为轴对称线圈，其中里面2对是多匝多层的麦克斯韦对，外面2对是多匝多层的亥姆霍兹线圈。

图6是实际应用的部分核磁共振梯度线圈示意图，依次为横向柱面梯度线圈A，纵向柱面梯度线圈B，横向平面梯度线圈C，纵向平面梯度线圈D，在驱动线圈设计时可作为参考。

具体实施方式在图2中，磁性微机器人1、诊疗操作器3和外部驱动装置4均与处理中心2相联。其中磁性微机器人1由被检者吞咽，进入消化道后与外部处理中心2进行无线通讯，诊疗操作器3通过处理中心2对外部驱动装置4中的运动执行装置8及线圈电源9实施控制，并最终由病床6、驱动线圈7执行。

微机器人1制作成胶囊状，两端圆滑，中间无突起和沟槽，不形成缘角，表面采用光滑的、具有一定韧性和柔性的医用材料包覆，对人体组织的摩擦较小，在主动运动以及消化道蠕动时不造成人体损伤，适合吞咽、遍历消化道及最终***。

微机器人内部整合内嵌磁性体1a、图像获取模块1b、内部微处理器1c、无线通讯模块1d等部分(其他与本***无关的部分不在列)，其中后面三部分实际上是一体的，并通过柔性电路板依次电连接。

所述的内嵌磁性体1a位于微机器人中部，采用NdFeB磁体制作，呈圆柱形充塞于柔性电路板空隙处，或制作成针状充塞于电路板与壳体之间的间隙。内嵌磁性体1a具有确定的磁化强度M，它在外部磁场梯度所致磁力作用下带动微机器人本体行进，在外部磁场强度所致磁转矩作用下带动微机器人倾斜偏转以调整姿态，同时加强微机器人行进的稳定性。另外，所述的微机器人1中，外部磁场的作用对象为内嵌磁性体1a，驱动不依赖微机器人本身的任何结构特征。内嵌磁性体1a也可以采用一个或多个方向配置的电磁微线圈，改变微线圈的加载电流在一定程度上等效于外磁场的加载电流变化或外部机构运动，但用电磁微线圈需要耗用体载能源或无线供能。所述的图像获取模块1b位于微机器人的头部，其摄像头采用CMOS或CCD，用透明罩进行保护，透明罩可做成聚焦镜头以拍摄近端图像，拍摄的消化道环境图像信息由内部微处理器1c读取、缓存，并通过无线通讯模块1d传送到外部的处理中心2。微处理器1c协同处理中心2实现必要的分时控制，以降低外部线圈7驱动时对微机器人内部电磁、电路模块的干扰。所述的无线通讯模块1d中天线部件绕于柔性电路板***、接近微机器人外壳处。

所述的处理中心2由计算机工作站及相关软硬件构成，作为各数据及信号的集中地，提供医护操作人员操作体内微机器人的参照界面。

所述的图像信息操作诊疗操作器3，提供偏转、俯仰、停止及行进等动作信号，另外还有磁转矩作用开关、磁场紧急关闭开关。诊疗操作器3的磁转矩辅助姿态调整指令比处理中心2的自动低场区调整指令有更高的优先级，当有必要利用磁转矩作用辅助调整机器人姿态时，可打开磁转矩作用开关手动调整匀场线圈组7c加载电流。

所述的机器人位置检测装置5由磁阻传感器，或霍尔传感器制作而成，并有两种检测方案，即检测外部线圈或者检测机器人内嵌磁体矢量场强值。检测得到的信息，和已知磁场空间分布作比较，处理计算得到机器人1的位置信息及其磁化强度M的矢量方向，提供给处理中心2。用测量内嵌磁体磁场方式时，位置检测装置5采用磁传感器阵列，分布于病床或被检者身体表面，在外部驱动磁场减弱间隙检测机器人内嵌磁体矢量场强值的变化，最终获得微机器人位置信息，图2中表示的就是这种方式；或用测量外部线圈磁场方式，位置检测装置5做成三维磁传感器，整合到微机器人1内部，传感器与内嵌磁体之间的位置相对固定，内嵌磁体对传感器测量处的磁场贡献为常量，传感器检测外部线圈磁场，采集动态场强信号并由无线通讯模块1d无线发射出来，已知的外部磁场的均匀梯度特征建立了磁场强度与空间位置之间的强线性关系，因此由检测得到的磁场强度信息容易获得微机器人空间位置信息。

所述的病床6为非磁性病床，被驱动线圈7包覆，随着驱动线圈形式的不同，病床6及驱动线圈7均有相应的不同运动形式，在此我们依据人体结构设计为病床平移。

所述的驱动线圈7提供外部磁场，由梯度线圈和匀场线圈组层叠构成，通过霍尔传感器获得加载电流信号反馈。设计时要求减小各线圈对机器人力作用的相互消减，线圈电源按控制要求对各组线圈分别加载不同电流，得到不同的磁场大小及分布。电流控制可以从各线圈上装霍尔传感器以获得反馈。假设线圈空间(可容纳最大柱体直径)为60cm，微机器人总重5克，内嵌内嵌约1.8g(246mm3)NdFeB磁体，其磁化强度为106A/m，则吸起这5克的磁性机器人至少需要0.2T/m的梯度，这将要求驱动微机器人加载较大电流，因此对线圈的制作以及线圈电源有较高要求。

在图4所示驱动线圈构成例中，三组线圈均采用柱面形式，结构较为紧凑。驱动线圈参照MRI中的线圈设计，其中7a梯度线圈位于病床轴向方向上，它主要提供轴向梯度，同时它也有径向梯度分量；7b梯度线圈位于病床横向方向上，它主要提供径向梯度，同时它也有轴向梯度分量；7c为鸟笼型匀场线圈，提供轴截面上的场强，用于调整机器人所在位置的径向(相对于病床轴线)场强分量。各组线圈之间充填绝缘层以使彼此之间不导通及进行加固，层叠顺序无要求。线圈通过各种工艺技术进行优化，得到低功耗、高线性度、紧凑而高效的驱动***。

在图5所示驱动线圈构成例中，三组线圈均采用轴对称结构的多匝多层线圈，形式较为简单。图中所示的4组线圈中，最里面两组为梯度线圈，而外面两组为匀场线圈，它们的功能与图4中所述的各线圈功能相同，其安置顺序是考虑到要尽量增加线圈空间与线圈体积之比。这4组线圈中至少由内向外的第二组梯度线圈，即径向梯度线圈需要能够绕病床轴线旋转。

所述的运动执行装置(8)包括线圈运动执行器a和病床运动执行器b，一般以电机作为动力。驱动线圈由支架10支撑，两者由润滑良好的转动副联接，在线圈运动执行器8a驱动下全部或部分线圈绕病床6精确旋转；病床6由支架11支撑，支架11至少有床体的两倍长，可利用丝杠等传动方式，由病床运动执行器8b驱动沿自身轴线精确平移。这些机构运动协同线圈电源9对线圈加载电流的调整可获得合适的驱动磁场。如图4所述的横向梯度线圈7b绕病床纵向的旋转运动，配合梯度线圈总体7的电流加载，可获得有效的空间磁场梯度，即得到有效的空间力；匀场线圈组(7c)，加上病床(6)的相对平移，可在微机器人位置处得到合适的空间场强值，从而获得合适的磁转矩，没有辅助姿态调整要求时，动态调整微机器人(1)所在位置为低场区，否则调整为姿态调整所需特定场强值。其中病床平移用于调整机器人所在位置的纵向场强分量。

具体检查过程为：首先，微机器人(1)打开开关，图像获取装置(1b)、微处理器(1c)及无线通讯装置(1d)开始工作。微机器人(1)由被检者吞入腹中，进入被检者消化道(12)，无线传送出消化道(12)的图像信息，由外部处理中心(2)的天线接收，并经处理中心(2)处理后在屏幕显示。

被检者躺卧到非磁性病床(6)上，驱动线圈(7)加载初始电流，形成均匀梯度磁场，此时驱动线圈(7)内部空间点的磁场强度与该点的坐标量线性相关。

病床(6)沿自身轴线平移，直到位置检测装置(5)获得有效位置信息，然后由医护操作人员通过处理中心(2)发出***初始化命令。随位置检测方式的不同，相关信息量的获取途径有所区别：

①外部检测方式时，位置检测装置(5)与病床(6)固结(或贴于被检者身体表面)，直接检测微机器人内嵌磁体(1a)磁场分布，获得微机器人(1)相对于病床(6)的位置信息，然后根据病床(6)相对于驱动线圈(7)的平移量计算微机器人(1)相对于驱动线圈(7)的位置关系，进一步确定微机器人(1)所在位置的外部磁场分布。

①内部检测方式时，位置检测装置(5)与微机器人(1)固结，直接检测微机器人(1)所在位置的外部磁场分布，根据驱动线圈(7)内部空间点的磁场强度与该点坐标量的线性关系，获得微机器人(1)相对于驱动线圈(7)的位置关系。

初始化时，处理中心(2)处理得到的磁性微机器人(1)位置信息，判断微机器人(1)是否在驱动线圈(7)的低场区，如果不是则将其调整至低场区，自动调整过程如下：处理中心(2)向病床运动执行器(8b)及线圈电源(9)发出指令，病床(6)继续沿其轴线平移调整，直到机器人(1)所在位置的轴向场强为零(一般即位于驱动线圈的中央轴截面)，然后调整匀场线圈组(7c)加载电流，使微机器人(1)所在点的径向场强也为零，这样微机器人(1)完全处于驱动线圈(7)的低场区，至此***初始化完毕，外部驱动装置(4)准备驱动操作。

驱动操作时，医护人员根据消化道图像信息操纵诊疗操作器(3)，提供偏转、俯仰、行进、停止等不同控制动作，由处理中心(2)转换为加载电流及运动装置控制信号，向线圈电源(9)发出梯度线圈(7a、7b)电流加载指令、向线圈运动执行器(8a)发出旋转运动指令。梯度线圈(7a、7b)在加载电流变化及旋转控制的情况下产生任意空间方向的梯度场，作用于内嵌磁体(1a)则获得空间方向的力，从而实现偏转、俯仰、行进、停止等动作。一般情况下，由处理中心(2)自动控制匀场线圈组(7c)及病床运动执行器(8b)协同调整微机器人(1)所在位置为低场区，若有辅助调整姿态或提高稳定性的要求，则由医护操作人员打开诊疗操作器(3)上的磁转矩作用开关，对匀场线圈组(7c)加载电流进行控制，调整微机器人(1)所在位置的场强，以获得合适的磁转矩。

驱动磁场作用于含有内嵌磁体的磁性微机器人(1)，使微机器人在可控梯度磁场的直接力及力矩作用下运动，在磁场控制下能够有效地完成平移、俯仰、偏转等动作要求，从而能够定位重点区段和怀疑区段对被检者进行仔细检查和治疗。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的驱动***包括驱动线圈、病床及其相关机构运动，机器人位置检测手段进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1、一种体内微机器人外部磁场驱动***，依靠外部装置构成的磁场无接触地作用于体内微机器人以实现驱动，***包括内嵌磁体的磁性微机器人(1)、处理中心(2)、诊疗操作器(3)和外部驱动装置(4)；

所述的磁性微机器人(1)制作成对人体组织的摩擦小在主动运动以及消化道蠕动时不造成人体损伤的胶囊状，胶囊表面采用光滑的、具有一定韧性和柔性的医用材料包覆，微机器人内部包括内嵌磁性体(1a)、图像获取模块(1b)、内部微处理器(1c)、无线通讯模块(1d)，其中所述的内嵌磁性体(1a)在外部磁场梯度所致磁力作用下带动微机器人(1)本体行进，同时在外部磁场强度所致磁转矩作用下带动微机器人(1)倾斜偏转以调整姿态，同时加强微机器人(1)行进的稳定性，所述的图像获取模块(1b)采用微摄像头，拍摄近处图像，所述的内部微处理器(1c)读取、缓存消化道图像，控制无线通讯模块(1d)传送图像信息到外部的处理中心(2)，并协同处理中心(2)实现分时控制，以降低外部驱动线圈(7)对微机器人(1)内部电磁、电路模块的干扰；

所述的处理中心(2)负责***的开关、初始化及总体驱动控制，包括中央处理器及***硬件设备、软件程序，所述的***硬件设备包括接收天线、存储设备、显示设备、各种数据与信号线路及接口，连接微机器人位置检测装置(5)、运动执行装置(8)、线圈电源(9)和诊疗操作器(3)，接收图像信号、微机器人位置检测信号、线圈运动和电流反馈、病床运动反馈以及诊疗操作器控制信号，生成线圈电流加载、线圈旋转运动以及病床(6)运动的控制信号；

所述的诊疗操作器(3)由医护操作人员进行操作，提供控制微机器人(1)偏转、俯仰、停止及行进动作信号，同时提供对驱动力大小的调整，其控制信号通过处理中心(2)实现于线圈运动执行装置(8a)和线圈电源(9)；

所述的外部驱动装置(4)包括微机器人位置检测装置(5)、病床(6)、驱动线圈(7)、运动执行装置(8)、线圈电源(9)、线圈支架(10)以及病床支架(11)，其中：

微机器人位置检测装置(5)由磁传感器制作而成，检测驱动时微机器人(1)的矢量位置信息及姿态信息，提供给处理中心(2)；

病床(6)为不受驱动磁场影响也不对驱动磁场产生干扰的非磁性病床，被检者躺卧在该病床上，病床(6)可沿其纵轴平移，将被检者推送到驱动线圈(7)的作用区；

驱动线圈(7)围覆被检者受检部位，提供外部驱动磁场，并通过霍尔传感器获得加载电流信号反馈，所述的驱动线圈(7)包括梯度线圈(7a、7b)和匀场线圈组(7c)，其中所述的梯度线圈(7a、7b)用于提供病床轴向和径向梯度；所述的匀场线圈组(7c)提供轴截面上的场强分量，用于调整机器人所在位置的径向场强；

驱动线圈(7)由轴向梯度线圈(7a)、径向梯度线圈(7b)和轴向匀场线圈组(7c)三种线圈层叠构成，彼此之间不导通，层叠顺序无要求，三种线圈做成一体，在线圈运动执行器(8a)驱动下绕病床纵轴整体旋转，或三种线圈做成分离结构，仅径向梯度线圈(7b)或加上部分其它线圈绕病床纵轴旋转，不使用匀场线圈时，则磁转矩的调整完全依靠病床(6)与驱动线圈(7)之间在三维方向的相对平移；

运动执行装置(8)包括线圈运动执行器(8a)和病床运动执行器(8b)，驱动线圈(7)由支架(10)支撑，并由线圈运动执行器(8a)驱动而绕病床(6)精确旋转；病床(6)由支架(11)支撑，利用丝杠传动方式，由病床运动执行器(8b)驱动沿自身轴线精确平移，其中病床运动执行器(8b)的平移运动直接由处理中心(2)自动控制，以上机构运动协同驱动线圈(7)的加载电流调整共同控制驱动磁场环境；

线圈电源(9)，在处理中心(2)的控制下，能够进行多路电流加载及实时电流值调整，并从附于线圈上的霍尔传感器获得的电流信号反馈；

线圈支架(10)以及病床支架(11)固定于地面，分别支撑驱动线圈(7)与病床(6)，运动执行装置(8)安装在病床支架(11)之上；

驱动磁场作用于含有内嵌磁体的磁性微机器人(1)，使微机器人(1)在可控梯度磁场的直接力及力矩作用下运动，在磁场控制下能够完成行进、停止、俯仰、偏转动作要求，从而能够定位重点区段和怀疑区段对被检者进行检查和治疗；

所述的微机器人(1)内部包括内嵌磁性体(1a)，采用永磁体或电磁微线圈，当采用一个或多个方向配置的电磁微线圈时，改变微线圈的加载电流在一定程度上等效于外磁场的加载电流变化或外部机构运动，其特征在于：

所述的诊疗操作器(3)装配磁转矩作用开关，对是否采用磁转矩辅助调整微机器人(1)姿态进行设定，开关开启时所述的病床运动执行器(8a)停止对处理中心(2)的自动控制，由诊疗操作器(3)经处理中心(2)提供病床运动的控制信号输入，诊疗操作器(3)装配紧急开关，紧急情况下立即切断线圈电源，关闭驱动磁场以预防意外事件造成安全危害；

所述的机器人位置测量装置(5)由磁阻传感器，或霍尔传感器制作而成，由处理中心(2)处理计算得到内嵌磁体(1a)的空间位置信息及其磁化强度M的矢量方向，以实现位置及姿态控制，其检测方案是检测外部线圈磁场或检测机器人内嵌磁体矢量场强值；

所述的检测外部线圈磁场是：位置检测装置(5)采用三维磁传感器，整合到微机器人(1)内部，检测外部线圈磁场，采集动态场强信号并由无线通讯模块(1d)无线发射出来，根据外部磁场的均匀梯度特征建立的磁场强度与空间位置之间的强线性关系，由检测得到的磁场强度信息获得微机器人(1)的空间位置信息；

所述的检测机器人内嵌磁体矢量场强值是：位置检测装置(5)采用磁传感器阵列，分布于病床(6)或被检者身体表面，检测机器人(1)内嵌磁体矢量场强值的变化，获得微机器人(1)的位置信息。

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