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CN113081075B - 一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊 - Google Patents

一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊 Download PDF

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CN113081075B CN202110257922.0A CN202110257922A CN113081075B CN 113081075 B CN113081075 B CN 113081075B CN 202110257922 A CN202110257922 A CN 202110257922A CN 113081075 B CN113081075 B CN 113081075B
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Abstract

本发明公开了一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，包括具有磁性的胶囊壳体和安装在胶囊壳体内的施药装置、活检装置、动力分配机构、微型电机及两个转动体，两个转动体分别通过转动副同轴的安装在胶囊壳体内；其中，第一转动体上设有为施药装置提供动力的施药凸轮，第二转动体上设有为活检装置提供动力的活检凸轮；通过动力分配机构使得微型电机在第一转动体和第二转动体的驱动之间来回切换。本发明所提供的磁控胶囊不仅具有图像相机功能，而且增加了定点施药及活检功能；医生能在磁控胶囊执行任务后通过控制线牵引出患者体内，根据磁控胶囊采集样品及时开展下一步检测治疗工作。

Description

一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，涉及一种微型医疗机器人的主动活检与施药技术，具体涉及一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊。
背景技术
微型机器人相关技术在不断发展，其应用领域在不断的拓展和深入，尤其是在医疗领域，微型机器人正发挥着越来越重要的作用。特别是在医疗领域，由于以往采用人工内窥镜检测时易使病人身体不适，存在对病人身体造成损伤的风险，效率低以及会对医生造成重复性劳力损失等缺点，医疗机构开始逐渐采用磁控胶囊机器人取代人工进行检测。而在检测过程中，控制和限制内窥镜的角度及在肠胃内移动的幅度，使其适用于患者的身体显得尤为重要。若角度控制不充足，可能导致低质量的图像；若动作幅度过大，可能会使病人不舒服，并造成潜在的伤害。故研发出现体积小不给病人造成过大负担的微型医疗机器人，研发机构将通过微型胶囊机器人进行体内检测，微型胶囊机器人体积小，病人的异物感小。在微型机器人领域，医学技术致力于诊断以及轻伤的治疗。目前商业中的内窥镜胶囊机器人已经能完成常规胃肠镜检查，但不能满足活体检测已经定点治疗功能，后续在医疗机器人领域中将进一步研发活检及施药功能的内窥镜胶囊机器人。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，具有目标位置采集组织检测及释放药物功能，使得胶囊机器人不仅能完成体内图像采集，而且能完成进一步的诊断及治疗任务。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：包括具有磁性的胶囊壳体和安装在胶囊壳体内的施药装置、活检装置、动力分配机构、微型电机及两个转动体，两个转动体分别通过转动副同轴的安装在胶囊壳体内；其中，第一转动体上设有为施药装置提供动力的施药凸轮，第二转动体上设有为活检装置提供动力的活检凸轮；
所述动力分配机构包括传动轴、位移机构和分别设于第一转动体、第二转动体上的啮合孔，所述传动轴固定在微型电机的输出轴上，传动轴上设有位于两个转动体之间能与啮合孔咬合的啮合键，靠近微型电机一侧的转动体上设有供传动轴自由穿过的通孔，所述微型电机安装在位移机构上，通过位移机构驱动微型电机及其上的传动轴在两个转动体之间来回移动，从而使得传动轴通过啮合键与第一转动体的啮合孔咬合或者与第二转动体的啮合孔咬合。
进一步地，所述第二转动体位于第一转动体和微型电机之间，所述啮合孔内轴向设有若干均布的斜齿，所述斜齿的倾斜方向沿着啮合孔的周向一致，所述传动轴四周设有若干啮合键，所述啮合键端部设置为与对应斜齿相同的第一斜面，第一转动体和第二转动体上啮合孔内斜齿倾斜方向相反设置。
进一步地，所述位移机构为磁控位移机构，具体包括限位环、磁铁环和电磁铁，所述限位环固定安装在胶囊壳体内，所述磁铁环固定套在微型电机上，所述微型电机或者磁铁环通过轴向的滑动副安装在限位环内，所述电磁铁固定在限位环的一端，通过控制电磁铁的电流方向控制微型电机和磁铁环在限位环内的位置，从而调整传动轴与第一转动体咬合或与第二转动体咬合。
进一步地，所述电磁铁和微型电机均采用柔性线供电控制，两根柔性线集成在一起，该柔性线同时还作为磁控胶囊的牵引线。
进一步地，所述施药装置为可挤压的储药仓，所述储药仓设有与胶囊壳体外部相通的施药孔，所述施药凸轮随着第一转动体转动过程中周期性挤压储药仓，所述储药仓通过施药孔周期性释放所存储的药物。
进一步地，所述活检装置包括活检针、复位弹簧和胶囊壳体上径向设置的活检孔，所述活检针能自由滑动的安装在活检孔内，复位弹簧安装在活检孔和活检针尾部之间，所述活检针尾部正对活检凸轮，所述活检凸轮随着第二转动体转动过程中周期性挤压活检针，所述活检针通过活检孔周期伸出胶囊壳体进行活检采样。
进一步地，所述胶囊壳体内前端设有图像采集模块，所述图像采集模块包括微型电路板、微型相机及LED组，所述微型电路板固定于胶囊壳体内前端，所述微型相机安装于微型电路板上，所述LED组为若干安装于微型相机四周的LED灯。
进一步地，所述图像采集模块通过无线与外界通信。
进一步地，所述第一转动体和第二转动体结构一样，均为一个圆盘，所述胶囊壳体上相应位置设有用于安装圆盘的环形滑槽，所述圆盘上设有与环形滑槽内壁接触的滚珠。
进一步地，所述胶囊壳体整体为柱体结构，轴向剖切面为椭圆形。
本发明的有益效果是：
1、采用微型电机驱动方式，占用空间小、结构更紧凑，胶囊系统稳定性强；
2、本发明动力分配机构动力传动效率高，分配方式简单快速，通过调整电磁铁的电流方向即可，没有引入复杂的机械结构，动力分配过程中，通过设计斜齿和啮合键使得，本发明无需考虑咬合时传动轴和啮合孔的姿态，两者之间可以自适应调整。
2、胶囊机器人尾部线控能提供充足能量，可长时间多次在体内执行任务；
3、能额外满足胶囊机器人施药活检功能要求。
附图说明
图1是本发明磁控胶囊整体结构示意图(胶囊壳体去掉一半)。
图2是图1中局部放大示意图A。
图3是本发明执行活检功能示意图。
图4是本发明动力分配机构部分示意图。
图5是本发明第二转动体和活检凸轮示意图。
图6是本发明第一转动体和活检凸轮上下翻转过来示意图。
其中，1-胶囊壳体，2-图像采集模块，21-微型电路板，22-微型相机，23-LED灯，3-第一转动体，31-施药凸轮，32-滚珠，33-第一啮合孔，4-储药仓，41-施药孔，5-活检装置，51-活检针，52-复位弹簧，53-倒钩，6-第二转动体，61-活检凸轮，62-第二啮合孔，7-传动轴，71-啮合键，72-第一斜面，8-磁铁环，9-限位环，10-微型电机，101-电机转轴，102-电机主体，11-电磁铁，12-第一控制线，13-第二控制线，14-斜齿，141-竖直面，142-第二斜面，15-滑槽，16-滑块，17-环形滑槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明提供的一种主动式活检与施药功能的磁控胶囊进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1至图6所示，一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，包括具有磁性的胶囊壳体1和安装在胶囊壳体1内的施药装置、活检装置5、动力分配机构、图像采集模块2、微型电机10及两个转动体，两个转动体分别通过转动副同轴的安装在胶囊壳体1内；其中，第一转动体3上设有为施药装置提供动力的施药凸轮31，第二转动体6上设有为活检装置5提供动力的活检凸轮61；
所述动力分配机构包括传动轴7、位移机构、设于第一转动体3上的第一啮合孔33和设于第二转动体6上的第二啮合孔62，所述传动轴7固定在微型电机10的输出轴上，传动轴7上设有位于两个转动体之间能与啮合孔咬合的啮合键71，靠近微型电机10一侧的转动体上设有供传动轴7自由穿过的通孔，所述微型电机10安装在位移机构上，通过位移机构驱动微型电机10及其上的传动轴7在两个转动体之间来回移动，从而使得传动轴7通过啮合键71与第一转动体3的啮合孔咬合或者与第二转动体6的啮合孔咬合。
如图3所示，所述第二转动体6位于第一转动体3和微型电机10之间，所述啮合孔内轴向设有若干均布的斜齿14，所述斜齿14的倾斜方向沿着啮合孔的周向一致，所述传动轴7四周设有若干啮合键71，所述啮合键71端部设置为与对应斜齿14相同的第一斜面72，通过斜齿14和啮合键71上第一斜面72的设置，使得传动轴7和两个转动体的啮合孔无需特意对准，无论是什么方位，通过斜面导向作用，使得传动轴7和所要联动的转动体保持最终咬合状态，当然由于斜齿14和第一斜面72的咬合方式，使得本发明传动轴7对于转动体只有一个方向是能够保证动力传递效率的完全咬合，所以第一转动体3和第二转动体6上啮合孔内斜齿14倾斜方向相反设置(图5和图6斜齿方向相同，但是图6为第一转动体3上下翻转示意图，所以实际上是相反的)。作为一种具体的案例，本发明斜齿14具体形状如图5和图6所示，假设定义传动轴7的轴向为竖直方向，传动轴7的横切面方向为水平方向，那么斜齿14为由竖直面141和第二斜面142组成的三角齿，啮合键71是间隔均布在传动轴7上，再在啮合键71端部设置第一斜面72，这样第一斜面72和啮合键71的侧部就构成了与三角齿匹配的三角形，当啮合键71的侧部与斜齿14的竖直面141构成接触力面时，该状态下两者传动效率最高。
如图3和图4所示，所述位移机构为磁控位移机构，具体包括限位环9、磁铁环8和电磁铁11，所述限位环9固定安装在胶囊壳体1内，所述磁铁环8固定套在微型电机10上，所述微型电机10或者磁铁环8通过轴向的滑动副安装在限位环9内，本发明给出滑动副的一种具体形式，包括设于限位环9上的滑槽15和设于磁铁环8上的滑块16，滑块16安装在滑槽15内，使得微型电机10和磁铁环8一起可以在限位环9内滑动，又可以防止微型电机10发生自转，所述电磁铁11固定在限位环9的一端，通过控制电磁铁11的电流方向控制微型电机10和磁铁环8在限位环9内的位置，从而调整传动轴7与第一转动体3咬合或与第二转动体6咬合，比如电磁铁11正向通电时，电磁铁11与磁铁环8之间产生排斥力，驱动磁铁环8远离电磁铁11运动，磁铁环8携带微型电机10向前运动，是的传动轴7与第一转动体3啮合，此时启动微型电机10，微型电机10通过传动轴7带动第一转动体3旋转，第一转动体3上的。所述的微型电机10能够实现正反转。
如图4所示，本发明微型电机10包括电机主体102和电机转轴101，所述电机转轴101与传动轴7固定相连。
所述电磁铁11和微型电机10均采用柔性线供电控制，两根柔性线集成在一起，具体的电磁铁11和微型电机10的两根正极线集成在一起形成第一控制线12，两根负极线集成在一起形成第二控制线13，该第一控制线12和第二控制线13一起还作为磁控胶囊的牵引线。柔软不会造成磁控胶囊运动的连贯性，且在磁控胶囊完成任务后，能在医生的牵引下离开体内供医生展开下一步检测治疗工作。
如图1所示，所述施药装置为可挤压的储药仓4，具体可以采用胶囊制成，所述储药仓4设有与胶囊壳体1外部相通的施药孔41，所述施药凸轮31随着第一转动体3转动过程中周期性挤压储药仓4，所述储药仓4通过施药孔41周期性释放所存储的药物。
如图2所示，所述活检装置5包括活检针51、复位弹簧52和胶囊壳体1上径向设置的活检孔，所述活检针51能自由滑动的安装在活检孔内，复位弹簧52安装在活检孔和活检针51尾部之间，当活检凸轮61没有给活检针51尾部施压时，活检针51在复位弹簧52的作用下缩回胶囊壳体1内；所述活检针51尾部正对活检凸轮61，所述活检凸轮61随着第二转动体6转动过程中周期性挤压活检针51，所述活检针51通过活检孔周期伸出胶囊壳体1进行活检采样，活检针51内设有倒钩53，在活检针51伸出缩回的过程中，活检针51内的倒钩53会将活体组织取至针管内。
如图1所示，所述胶囊壳体1内前端设有图像采集模块2，所述图像采集模块2包括微型电路板21、微型相机22及LED组，所述微型电路板21固定于胶囊壳体1内前端，所述微型相机22安装于微型电路板21上，所述LED组为若干安装于微型相机22四周的LED灯23。
所述图像采集模块2通过无线与外界通信。信息传输方式包含WIFI但不仅限WIFI。
所述第一转动体3和第二转动体6结构一样，均为一个圆盘，所述胶囊壳体1上相应位置设有用于安装圆盘的环形滑槽17，所述圆盘上设有与环形滑槽17内壁接触的滚珠32。
所述胶囊壳体1整体为柱体结构，轴向剖切面为椭圆形。
需要说明的是，本发明图像采集模块2、活检装置5、施药装置及磁控胶囊其他常规结构并非本发明关键发明点，本发明没有详细公开的部分采用公知常识即可，比如为了配合图像采集装置，胶囊壳体1前端开设有拍摄孔或者胶囊壳体1设置为透明罩。
本发明工作原理：
本发明所述胶囊壳体1为磁性混合材料制成，能在外部磁场驱动下在人体内移动及调整角度，具体的参照现有技术中的磁控胶囊技术；所述图像采集模块2能够完成图像采集功能，所述的磁控胶囊内的储药仓4和活检针51能够在微型电机10和动力分配机构的配合驱动下完成施药及活检功能。
本发明中所述的电磁铁11的通电方向可产生方向相反的两个磁场从而控制微型电机10的达到对应的两个工作位置；
本发明中所述的微型电机10与传动轴7可单独控制施药凸轮31或活检凸轮61；当传动轴7与施药凸轮31相连时，可实现施药功能，当传动轴7与活检凸轮61相连时，可实现活检功能；
本发明中所述的电机控制线可单独控制电机转动方向，所述的电磁铁11控制线单独控制电磁铁11的磁场方向；
本发明中所述的图像采集模块2通过微型相机22可全程记录摄录图像视频，当磁控胶囊执行任务完成后医生通过控制线将胶囊从患者体内拉出，以便开展后续的检测治疗工作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：包括具有磁性的胶囊壳体和安装在胶囊壳体内的施药装置、活检装置、动力分配机构、微型电机及两个转动体，两个转动体分别通过转动副同轴的安装在胶囊壳体内；其中，第一转动体上设有为施药装置提供动力的施药凸轮，第二转动体上设有为活检装置提供动力的活检凸轮；
所述动力分配机构包括传动轴、位移机构和分别设于第一转动体、第二转动体上的啮合孔，所述传动轴固定在微型电机的输出轴上，传动轴上设有位于两个转动体之间能与啮合孔咬合的啮合键，靠近微型电机一侧的转动体上设有供传动轴自由穿过的通孔，所述微型电机安装在位移机构上，通过位移机构驱动微型电机及其上的传动轴在两个转动体之间来回移动，从而使得传动轴通过啮合键与第一转动体的啮合孔咬合或者与第二转动体的啮合孔咬合；
所述第二转动体位于第一转动体和微型电机之间，所述啮合孔内轴向设有若干均布的斜齿，所述斜齿的倾斜方向沿着啮合孔的周向一致，所述传动轴四周设有若干啮合键，所述啮合键端部设置为与对应斜齿相同的第一斜面，第一转动体和第二转动体上啮合孔内斜齿倾斜方向相反设置；
所述位移机构为磁控位移机构，具体包括限位环、磁铁环和电磁铁，所述限位环固定安装在胶囊壳体内，所述磁铁环固定套在微型电机上，所述微型电机或者磁铁环通过轴向的滑动副安装在限位环内，所述电磁铁固定在限位环的一端，通过控制电磁铁的电流方向控制微型电机和磁铁环在限位环内的位置，从而调整传动轴与第一转动体咬合或与第二转动体咬合；
所述电磁铁和微型电机均采用柔性线供电控制，两根柔性线集成在一起，该柔性线同时还作为磁控胶囊的牵引线。
2.如权利要求1所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述施药装置为可挤压的储药仓，所述储药仓设有与胶囊壳体外部相通的施药孔，所述施药凸轮随着第一转动体转动过程中周期性挤压储药仓，所述储药仓通过施药孔周期性释放所存储的药物。
3.如权利要求2所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述活检装置包括活检针、复位弹簧和胶囊壳体上径向设置的活检孔，所述活检针能自由滑动的安装在活检孔内，复位弹簧安装在活检孔和活检针尾部之间，所述活检针尾部正对活检凸轮，所述活检凸轮随着第二转动体转动过程中周期性挤压活检针，所述活检针通过活检孔周期伸出胶囊壳体进行活检采样。
4.如权利要求3所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述胶囊壳体内前端设有图像采集模块，所述图像采集模块包括微型电路板、微型相机及LED组，所述微型电路板固定于胶囊壳体内前端，所述微型相机安装于微型电路板上，所述LED组为若干安装于微型相机四周的LED灯。
5.如权利要求4所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述图像采集模块通过无线与外界通信。
6.如权利要求2所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述第一转动体和第二转动体结构一样，均为一个圆盘，所述胶囊壳体上相应位置设有用于安装圆盘的环形滑槽，所述圆盘上设有与环形滑槽内壁接触的滚珠。
7.如权利要求2所述具有主动式活检与施药功能的磁控胶囊，其特征在于：所述胶囊壳体整体为柱体结构，轴向剖切面为椭圆形。
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