一種基于磁場強(qiáng)度變化的膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種使用膠囊內(nèi)鏡進(jìn)行胃部檢查的體外控制 方法，具體是一種醫(yī)療用膠囊內(nèi)鏡磁控導(dǎo)航控制方法，可用于控制、引導(dǎo)膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi) 的運(yùn)動(dòng)和檢查。
【背景技術(shù)】
[0002] 膠囊內(nèi)鏡是一種大小形狀類似于膠囊藥丸，卻集成了一套完整的光學(xué)攝影系統(tǒng)、 無線通訊系統(tǒng)和電源供電系統(tǒng)的人體消化道檢查工具。膠囊內(nèi)鏡被受檢者吞服后將在胃腸 消化道中運(yùn)動(dòng)，沿途對胃腸消化道內(nèi)壁進(jìn)行拍攝檢查，并向外部終端發(fā)送圖像。醫(yī)生可W通 過接收的圖像，對病灶進(jìn)行定位和診斷。
[0003] 目前實(shí)際使用中的膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品都采用被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，即膠囊內(nèi)鏡本身沒有移動(dòng) 的能力，需借助腸道的自然蠕動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡的最主要缺點(diǎn)是:膠囊內(nèi)鏡在人 體內(nèi)只能隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、拍攝，難W按照醫(yī)生的指示到達(dá)指定位置，也不能在特定部位停留，因 而存在檢查盲區(qū)，有漏檢可能。因此目前主要用于小腸疾病的檢測，無法應(yīng)用于胃部和大腸 檢測。因此膠囊內(nèi)鏡的主動(dòng)控制技術(shù)成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。
[0004] 目前研究中的膠囊內(nèi)鏡的主動(dòng)控制分為內(nèi)部和外部驅(qū)動(dòng)兩種方式。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)就是 利用膠囊內(nèi)鏡自身的能源和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)方式，主要包括:形狀記憶合金 驅(qū)動(dòng)、微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多足驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)和仿生驅(qū)動(dòng) 等，大部分處理原理研究階段。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)有W下幾個(gè)缺點(diǎn)：1、驅(qū)動(dòng)本身需要消耗大量的能 量，可能造成電池電量不夠;2、微型膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，生產(chǎn)困難，成本偏高;3、運(yùn)動(dòng) 結(jié)構(gòu)可能對消化道產(chǎn)生損傷;4、膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)難W控制且速度緩慢。
[0005] 外部驅(qū)動(dòng)是通過外部設(shè)備為膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式。常規(guī)可用的非接 觸力只有重力(萬有引力)和電磁力，重力基本不可控，人體體液是導(dǎo)電的，且電場對人體生 物電活動(dòng)有影響，只有靜磁場(或者低頻變化磁場)能基本無阻礙地穿過人體，而且對人無 不良影響，相對安全。
[0006] 產(chǎn)生磁場的方式主要可分為電磁線圈和永磁體兩種。從易于控制的角度來說，電 磁線圈可W通過控制線圈電流來控制磁感應(yīng)強(qiáng)度，更為方便，國內(nèi)外也有不少相關(guān)的研究 成果。但是由于膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)部，設(shè)備在體外，設(shè)備到膠囊內(nèi)鏡的距離在10-20cm左右， 而磁場對小磁體產(chǎn)生的吸引力基本是按距離的=次方衰減的。要產(chǎn)生作用距離足夠遠(yuǎn)的磁 場，設(shè)備端磁場發(fā)生器的等效電流達(dá)到數(shù)十萬安培，一般銅導(dǎo)線難W支持運(yùn)么高的電流密 度，而使用超導(dǎo)線圈設(shè)及超低溫冷卻等問題，系統(tǒng)龐大且設(shè)備成本很高。隨著欽鐵棚稀±永 磁材料的發(fā)明，可獲得超強(qiáng)永磁體且價(jià)格低廉。因此使用永磁體作為主要的磁場源成為必 然的原則。
[0007] 由于靜磁場是一種無源有旋場，與重力場、靜電場等有本質(zhì)不同，不可能單獨(dú)對永 磁體或者鐵磁體構(gòu)成穩(wěn)定約束。運(yùn)也與生活經(jīng)驗(yàn)是吻合的：磁鐵總是把鐵質(zhì)材料加速吸引 到自己表面，而不能穩(wěn)定在一定距離上。只有在反饋控制作用下不斷調(diào)整對象所受磁力大 小，使其與重力、浮力等其他力平衡，才能保持其平衡。
[0008] 但是，永磁體磁場強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)，只能通過永磁體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)改變被控對象所在 位置的磁場分布，間接調(diào)節(jié)被控對象所受磁力，反應(yīng)很遲緩。
[0009] 中國安翰光電技術(shù)(武漢)有限公司發(fā)明了一種使用球形永磁體控制膠囊內(nèi)鏡懸 浮和運(yùn)動(dòng)的裝置，并申請了專利(專利號201310136094.0)。哈工大深圳研究生院提出一種 基于靈巧機(jī)器人的磁控主動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(專利號201320151833.9)。運(yùn)兩個(gè)發(fā) 明都是基于改變磁場發(fā)生器的位置和姿態(tài)，從而改變空間磁場分布，間接引導(dǎo)膠囊內(nèi)鏡在 體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。而且都沒有使用反饋控制對膠囊內(nèi)鏡實(shí)施穩(wěn)定約束
[0010] 因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種新的膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)控制方法，通過操控 體永磁體和電磁線圈的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)體內(nèi)磁性膠囊內(nèi)鏡的運(yùn)動(dòng)，從而解決膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)檢 查時(shí)的主動(dòng)控制問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何方便簡潔地主動(dòng) 控制膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)檢查時(shí)的位置和姿態(tài)。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁場強(qiáng)度變化的膠囊內(nèi)鏡運(yùn)動(dòng)控制方 法，其思路是：將永磁體和電磁線圈相結(jié)合，永磁體形成較強(qiáng)的基礎(chǔ)磁場，線圈通過施加可 變電流形成強(qiáng)度可調(diào)的輔助磁場，兩者組合形成強(qiáng)度可調(diào)的磁場。根據(jù)傳感器反饋信號，通 過一定算法控制線圈電流，實(shí)現(xiàn)對膠囊內(nèi)鏡在體液中的穩(wěn)定約束。然后可W通過體外混合 式磁場發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)體內(nèi)磁性膠囊內(nèi)鏡穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而解決膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)檢查時(shí) 的主動(dòng)控制問題。
[0013] 本發(fā)明所述的控制方法，基于一套完整的控制系統(tǒng)，如圖4所示，采用一套完整的 閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)體外裝置對膠囊內(nèi)鏡在人體腔內(nèi)液體中任意位置的穩(wěn)定約束。
[0014] 1、所述的完整的控制系統(tǒng)，包括永磁體膠囊內(nèi)鏡、混合式磁場發(fā)生器、傳感器、多 自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制器。
[0015] 所述的永磁體膠囊內(nèi)鏡，即內(nèi)置永磁材料的膠囊內(nèi)鏡，功能與一般膠囊內(nèi)鏡相同， 但本身是一個(gè)小的永磁體。永磁體膠囊內(nèi)鏡是受引導(dǎo)的被控對象。
[0016] 所述的混合式磁場發(fā)生器，可W在一定空間范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度可變的磁場，包含一 個(gè)強(qiáng)力永磁體和若干電磁線圈，線圈在膠囊內(nèi)鏡的正上方，永磁體在線圈的正上方，線圈與 永磁體之間的距離可調(diào)；永磁體形成較強(qiáng)的基礎(chǔ)磁場，線圈通過施加可變電流形成強(qiáng)度可 調(diào)的輔助磁場，兩者組合形成強(qiáng)度可調(diào)的磁場。
[0017] 所述的傳感器，能檢測膠囊內(nèi)鏡相對于磁場發(fā)生器的位置變化，尤其是豎直方向 的距離變化?？蒞是X光成像、B超、MRI等醫(yī)療成像設(shè)備，可W是體外RFID、超聲波等傳感器， 也可W是膠囊內(nèi)鏡自身內(nèi)嵌的加速度計(jì)等傳感器。
[0018] 所述的多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來帶動(dòng)混合式磁場發(fā)生器在多維空間運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶 動(dòng)膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0019] 所述的控制器，包括運(yùn)動(dòng)控制器和電流控制器。前者實(shí)現(xiàn)常規(guī)的多軸運(yùn)動(dòng)控制，后 者根據(jù)本發(fā)明提出的反饋控制算法控制線圈電流，從而控制磁場，對膠囊內(nèi)鏡實(shí)施穩(wěn)定約 束。
[0020] 2、所述的完整的閉環(huán)控制算法，包括傳感器信號處理環(huán)節(jié)、前饋控制環(huán)節(jié)、反饋控 制環(huán)節(jié)和狀態(tài)預(yù)估器環(huán)節(jié)。
[0021] 所述的傳感器信號處理環(huán)節(jié)，用于從傳感器返回的原始信號中獲取膠囊內(nèi)鏡的位 置信息。
[0022] 處理器對上述傳感器返回的原始信號進(jìn)行數(shù)字處理，得到膠囊內(nèi)鏡相對于磁場發(fā) 生器的位置，作為反饋信號傳輸給控制器，最終實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)鏡位置的閉環(huán)控制。根據(jù)傳感器 種類不同，需要不同的信號處理算法進(jìn)行解算。
[0023] 所述的前饋控制環(huán)節(jié)，根據(jù)理論模型計(jì)算出穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的理論輸出信號值，作為 基礎(chǔ)輸出信號W減小系統(tǒng)非線性影響。
[0024] 首先根據(jù)系統(tǒng)理論模型，得到膠囊內(nèi)鏡所受永磁體、線圈磁力與膠囊內(nèi)鏡位置，W 及線圈電流大小的關(guān)系;然后根據(jù)膠囊內(nèi)鏡在液體中的受力平衡關(guān)系得到前饋輸出電流信 號。具體計(jì)算方法如下：
[0025] 1)所述膠囊內(nèi)鏡所受永磁體磁力和膠囊內(nèi)鏡的位置坐標(biāo)的關(guān)系由下式給出：
[0026] fpM=Fi(s) = (M ? V)Bpm(s)
[0027] 式中時(shí)M為膠囊內(nèi)鏡所受永磁體磁力，S為膠囊內(nèi)鏡的位置坐標(biāo)，M為膠囊內(nèi)嵌永磁 體的磁化強(qiáng)度，▽表示拉普拉斯算子，Bpm(S)為永磁體磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其空間分布隨S變 化，當(dāng)永磁體構(gòu)型和尺寸確定后，Bpm(S)也隨之確定，此時(shí)Fi為一確定的函數(shù)關(guān)系；
[0028] 2)所述的膠囊內(nèi)鏡所受線圈磁力和膠囊內(nèi)鏡的位置坐標(biāo)，W及線圈所通電流的關(guān) 系由下式給出：
[0029] fc〇ii = I ? F2(s) = I ? (M ? V)Bcoii(s)
[0030] 式中片。1功膠囊內(nèi)鏡所受線圈磁力，S為膠囊內(nèi)鏡的位置坐標(biāo)，功線圈所通電流， M為膠囊內(nèi)嵌永磁體的磁化強(qiáng)度，▽表示拉普拉斯算子，BediI(S)為線圈磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度， 其空間分布隨S變化，當(dāng)線圈構(gòu)型和尺寸確定后，BcdiI(S)也隨之確定，此時(shí)F2為一確定的函 數(shù)關(guān)系，表示單位電流下線圈產(chǎn)生的磁力大?。?br>[0031] 3)所述的膠囊內(nèi)鏡在液體中的受力平衡關(guān)系，包括磁力、重力、浮力的平衡，由下 式給出：
[0032] Fi(s)+Ii ? p2(s) =mg-悼
[0033] 式中S為膠囊內(nèi)鏡的位置坐標(biāo)，Ii表示前饋控制電流，m表示膠囊內(nèi)鏡質(zhì)量，g表示 重力加速度，f浮表示膠囊內(nèi)鏡完全浸沒時(shí)的浮力。
[0034] 當(dāng)前膠囊內(nèi)鏡位置由傳感器得到，F(xiàn)i和F2為確定的函數(shù)，mg-輕為已知常量，因此依 上式可W計(jì)算出膠囊內(nèi)鏡在液體中不同位置靜態(tài)懸浮時(shí)，受力達(dá)到平衡所需的電流大小， 此電流信號Ii即為前饋控制輸出信號。
[0035] 所述的反饋控制環(huán)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，減小系統(tǒng)的震蕩和不穩(wěn)定性。將當(dāng)前控 制周期的位置偏差作為輸入，計(jì)算出反饋控制補(bǔ)償量，對輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)W減小系統(tǒng)的誤差。
[0036] 1)所述的位置偏差，由膠囊內(nèi)鏡當(dāng)前控制周期的位置信息與期望位置相減得到：
[0037] A Sk = Sk-Sf
[0038] 式中A Sk為膠囊內(nèi)鏡位置偏差，Sk為膠囊內(nèi)鏡當(dāng)前控制周期的位置，Sf為膠囊內(nèi)鏡 期望位置，即希望膠囊內(nèi)鏡懸浮的位置；
[0039] 2)所述的反饋控制補(bǔ)償量，包括=部分:比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)。
[0