葉福麗，史貴連

外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)無(wú)線膠囊式內(nèi)窺鏡的動(dòng)力學(xué)模型

葉福麗，史貴連

目的：建立外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)無(wú)線膠囊式內(nèi)窺鏡驅(qū)動(dòng)力的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)。方法：磁場(chǎng)隨線圈組中電流大小以及方向的改變而改變，利用磁場(chǎng)的改變控制無(wú)線膠囊式內(nèi)窺鏡的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果：開(kāi)發(fā)了OV7930外圍電路PCB，并按設(shè)計(jì)組裝成磁控?zé)o線膠囊式內(nèi)窺鏡膠囊。結(jié)論：實(shí)驗(yàn)中采集到清晰的圖像，證明了該模型設(shè)計(jì)的可行性

內(nèi)窺鏡；驅(qū)動(dòng)力；線圈；電流

AbstractObjectiveTo set up the dynamics model of wireless capsule endoscopy driven by external magneticfield and perform some experiments and emulations.MethodsThe magneticfield changed with the amount and direction of circuit in the coils.The change of magneticfield led to the moving of wireless capsule endoscopy.ResultsThe peripheral circuit of OV7930 was developed，and a magnetic controlled wireless capsule endoscopy MEMS system was assembled according to the design.ConclusionThe clear image is captured in experiments,which proves the feasibility of model design.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：21-23]

Key wordsendoscopy;driving force;coil;electric current

1 引言

無(wú)線內(nèi)窺鏡的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。它可以攜帶，操作簡(jiǎn)單，檢查期間不影響患者行走和日常生活，且無(wú)任何不適，無(wú)操作導(dǎo)致的并發(fā)癥，不需要住院，可以實(shí)現(xiàn)全消化道的檢查。對(duì)于小腸的檢查優(yōu)于任何傳統(tǒng)的檢查方式，包括CT、X射線和傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡，圖像資料也可以反復(fù)分析[1-2]。但是，由于目前的技術(shù)水平限制，它也存在很多的不足，最大的問(wèn)題是動(dòng)力系統(tǒng)的問(wèn)題——運(yùn)動(dòng)機(jī)械而且單一。這也正是我們需要解決的問(wèn)題。

當(dāng)前，主流無(wú)線內(nèi)窺鏡的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)純粹依靠腸道的蠕動(dòng)來(lái)帶動(dòng)無(wú)線內(nèi)窺鏡在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，這種方式是最為常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)形式。這種系統(tǒng)不需要考慮驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，可以把膠囊做得很小，不足的是這種方式較難對(duì)準(zhǔn)病灶，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢查失敗。另外一種就是膠囊內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)裝置可以帶動(dòng)膠囊在體內(nèi)做前后的螺旋推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，常見(jiàn)的就是帶螺旋槽圓柱旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的無(wú)線內(nèi)窺鏡[3-4]，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)機(jī)械而且單一。

如果用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)無(wú)線膠囊式內(nèi)窺鏡，就可以使患者吞服的無(wú)線腸胃內(nèi)窺鏡在醫(yī)生的控制下做多自由度的移動(dòng)，使內(nèi)窺鏡的攝像頭直接在可疑區(qū)域做有針對(duì)性的檢查。這樣大大增加了檢查的成功率，同時(shí)也減少了醫(yī)生的檢查時(shí)間，很大程度上提高了醫(yī)生的工作效率。

2 力學(xué)假設(shè)

我們假設(shè)如下力學(xué)模型[5]：

（1）帶有磁性材料的膠囊在力學(xué)上定義為通以一定電流的螺線管。

（2）帶有磁性材料的膠囊的磁場(chǎng)分布與螺線管的磁場(chǎng)分布完全相同，并且人體以及其他的裝置對(duì)于外磁場(chǎng)的分布沒(méi)有影響。

根據(jù)以上的力學(xué)假設(shè)，我們可以建立一個(gè)模型，這個(gè)模型可以模擬帶有磁性材料的膠囊在人體內(nèi)受到外磁場(chǎng)力以及受磁場(chǎng)力影響進(jìn)而發(fā)生動(dòng)作的真實(shí)情況。在這個(gè)力學(xué)假設(shè)之中，有以下幾點(diǎn)需要特別注意：螺線管的受力符合力的合成原則，不需要考慮螺線管的支撐、穩(wěn)定以及固定的問(wèn)題。

3 模型建立

如圖1所示，建立相關(guān)模型[6]。黑色的圓為線圈，線圈采用多匝純銅線圈。形狀為正圓形，有利于產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)分布也較為規(guī)律，有利于以后的控制。立方體內(nèi)充滿液體，這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)槿梭w內(nèi)也是充滿體液的。盡可能地模擬人體內(nèi)的情況，以達(dá)到要求。并且，模型中的液體對(duì)于磁場(chǎng)的分布是沒(méi)有重大影響的。人體處在磁場(chǎng)中時(shí)，可能會(huì)受到磁場(chǎng)的影響而對(duì)處在其中的膠囊內(nèi)窺鏡有所影響，根據(jù)已有的資料，這點(diǎn)影響可以不加以考慮。

模型的詳細(xì)情況如圖1所示。

圖1 力學(xué)模型

（1）立方體為一個(gè)容器，容器中的柱體為螺線管，對(duì)螺線管通一定大小、方向的電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)B。

作者單位：437100 湖北咸寧 咸寧學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（葉福麗、史貴連）

（2）螺線管浸泡在一定黏度系數(shù)的液體中，這種液體可以模擬人體器官以及體液等對(duì)膠囊運(yùn)動(dòng)的阻力作用，同樣的，這種黏滯力也可以看作是維持膠囊平衡的力。

（3）在立方體容器的3個(gè)面上貼有3個(gè)大線圈，這3組線圈可以提供外磁場(chǎng)，分別位于立方體的A、B、C等3個(gè)面，如圖1中的圓所示，產(chǎn)生的磁場(chǎng)分別為B1、B2、B3。

秦鐵崖來(lái)京城之前，翻閱舊案卷宗，去了趟證物庫(kù)房，翻出這個(gè)煙花筒帶在身邊。秦鐵崖道：“你不叫喬十二郎，你是陸楓橋?！?/p>

（4）B1、B2、B3等 3 個(gè)磁場(chǎng)可以分別啟動(dòng)，也可以疊加使用，并且B1、B2、B3的磁場(chǎng)在立方體的空間內(nèi)可以看作是均勻磁場(chǎng)[7]。

（5）B1、B2、B3對(duì)螺線管的作用力符合力的合成作用，也就是說(shuō)螺線管受到B1、B2同時(shí)使用時(shí)的作用力F合與單獨(dú)使用B1與B2時(shí)的作用力F1與F2的疊加F的效果是完全相同的。

4 模型仿真與實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，可以近似地模擬出以上的力學(xué)模型，做法如下：使用玻璃缸盛放一定量的黏度系數(shù)穩(wěn)定的液體，這種液體對(duì)于螺線管的阻力可以近似地模擬出帶磁性材料的膠囊在人體內(nèi)受到的阻力，使用3組大的線圈分別如圖1中的位置放置，通以一定的電流就可以產(chǎn)生類(lèi)似于B1、B2、B3的均勻磁場(chǎng)。對(duì)于浸泡在液體中的螺線管，可以利用細(xì)線加以適量的束縛，這對(duì)模擬實(shí)際情況下的膠囊狀態(tài)影響不大，因?yàn)樵谌梭w內(nèi)，膠囊也是不可能懸浮的，總是會(huì)有一個(gè)支撐點(diǎn)來(lái)支撐膠囊。

線圈A、線圈B、線圈C和螺線管的電流方向如圖2所示，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向如圖2中所示，線圈A中通以圖中電流方向時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閄軸負(fù)向，令線圈A中的電流方向?yàn)檎?。線圈B中通以圖中電流方向時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閅軸負(fù)向，令此時(shí)線圈B中的電流方向?yàn)檎颉＞€圈C中通以圖中電流方向時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閆軸負(fù)向，令此時(shí)線圈C中的電流方向?yàn)檎?。?dāng)螺線管以豎直或者水平與Y軸放置時(shí)，電流方向如圖中所示，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閆軸正向。

圖2 線圈內(nèi)的模型

5 可行性分析

根據(jù)圖2中的電流方向進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)線圈A通以正向電流，線圈B和線圈C不通電，螺線管垂直放置，此時(shí)，線圈A對(duì)螺線管的作用力為X軸負(fù)向。

（2）當(dāng)線圈B通以正向電流，線圈A和線圈C不通電，螺線管垂直放置，此時(shí)，線圈B對(duì)螺線管的作用力為Y軸負(fù)向。

（3）當(dāng)線圈A、線圈C通以正向電流，線圈 B不通電，螺線管不是處于豎直狀態(tài)，此時(shí)，線圈A和線圈C對(duì)螺線管的作用力為X軸負(fù)向。

（4）當(dāng)線圈B、線圈C通以正向電流，線圈 A不通電，螺線管不是處于豎直狀態(tài)，此時(shí)，線圈B和線圈C對(duì)螺線管的作用力為Y軸負(fù)向。

（5）當(dāng)線圈C通以正向電流時(shí)，線圈A和線圈B不通電，螺線管處于豎直狀態(tài)，線圈C對(duì)螺線管的作用力為Z軸正向。

（6）當(dāng)線圈A、線圈B通以正向電流時(shí)，線圈C不通電，螺線管處于水平面時(shí)，線圈A和線圈B對(duì)螺線管的作用力為向Y軸負(fù)向的轉(zhuǎn)動(dòng)力。

以上6種情況是線圈A、線圈B、線圈C、螺線管在假定的正向電流的情況下得出的。根據(jù)磁場(chǎng)力的基本原理，很容易就得到線圈A、線圈B、線圈C、螺線管在其他的電流方向的情況下螺線管的受力情況。部分情況如表1所示。

表1 螺線管受力方向與螺線管磁場(chǎng)指向和線圈陣列電流方向的關(guān)系

線圈A、線圈B、線圈C可以獨(dú)立啟動(dòng)操作，因此總共有27種組合方式，這對(duì)于處于任何狀態(tài)的螺線管都可以進(jìn)行操作。表1列舉了其中的8種情況，對(duì)于螺線管的其他的電流方向和位置，通過(guò)3個(gè)線圈的不同電流方向和通斷的搭配可以產(chǎn)生出相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)來(lái)改變螺線管周?chē)拇艌?chǎng)，進(jìn)而使其向著我們所需要的方向運(yùn)動(dòng)。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

基于目前國(guó)際最新的微型CMOS圖像傳感器OV7930，對(duì)人體無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡膠囊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)了OV7930外圍電路PCB，并按設(shè)計(jì)組裝成磁控?zé)o線膠囊式內(nèi)窺鏡膠囊。無(wú)線內(nèi)窺鏡主要由微處理模塊、照明模塊、圖像采集模塊和圖像傳輸模塊構(gòu)成，體外主要有圖像接收和處理模塊以及控制系統(tǒng)組成。其中，微處理模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)“膠囊”各部分的工作、接受指令、控制照明等工作。圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集圖像數(shù)據(jù)并傳送至傳輸模塊，圖像傳輸模塊則負(fù)責(zé)將收集到的圖像通過(guò)無(wú)線的方式傳輸至體外的接收機(jī)上。各個(gè)部分都在微處理模塊的控制下協(xié)同工作，完成體內(nèi)圖像的采集工作。

為了減小“膠囊”的整體體積，采用尺寸比較小的環(huán)形天線[8-9]，分別使用不同的頻率發(fā)送和接收信號(hào)，一個(gè)用于圖像信號(hào)的傳輸，一個(gè)用于控制信號(hào)的接收，如圖3所示。

圖3 圖像信號(hào)發(fā)射電路

圖4 控制信號(hào)接收電路

圖像傳感器完成圖像采集之后，將圖像傳輸?shù)綀D像傳輸模塊并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)送電路處理、調(diào)制然后經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送[10-11]。

如圖4所示，控制天線接收到外部發(fā)送的控制信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)放大、調(diào)制、解碼之后就會(huì)對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行控制，例如控制照明模塊的開(kāi)關(guān)、膠囊的動(dòng)作等。成像試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能采集到清晰的圖樣，證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

7 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

在實(shí)際應(yīng)用中，除了3組線圈之外，還可以增加幾組線圈，這樣或許更容易實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)圖如圖5所示。模型仍然采用正方體來(lái)表示，其中一共采用14個(gè)線圈組。具體分布情況如下：

圖5 改進(jìn)型的線圈陣列

（1）正方體的6個(gè)面每個(gè)面都有一個(gè)線圈，并且相互對(duì)應(yīng)的面上的2個(gè)線圈為一組，由一個(gè)控制開(kāi)關(guān)控制，共計(jì)3組線圈。

（2）正方體的8個(gè)對(duì)頂角上，每2個(gè)相對(duì)的對(duì)頂角都有線圈，總共為8個(gè)線圈。每2個(gè)相對(duì)的對(duì)頂角上的2個(gè)線圈也是一組，并且由一個(gè)控制開(kāi)關(guān)控制，共計(jì)4組線圈。

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（ 收稿：2010-08-04 修回：2010－10－21）

Dynamics Model of Wireless Endoscopy Driven by External Magneticfield

YE Fu-li，SHI Gui-lian
（Biomedical Engineering College of Xianning Institute,Xianning,Hubei Province 437100,China）

TH773

A

1003-8868（2011）02-0021-03

葉福麗（1977-），女，湖北京山人，碩士，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的教學(xué)與研究工作；史貴連（1978-），男，湖北漢川人，碩士，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作。

史貴連，E-mail：swillen@sohu.com