鄭齊，馮久奎

1 福州大學(xué)至誠學(xué)院 （福建福州 350002）；2 福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 （福建福州350108）； 3 銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 （福建福州 350002）

目前我國慢性消化系統(tǒng)疾病發(fā)病率為24.9%，其中消化道腫瘤是高發(fā)病種?！读~刀》上的報(bào)告顯示2010—2014年中、日、韓3國胃癌患者5年生存率分別為35.9%、60.3%、68.9%，我國胃癌患者5年生存率遠(yuǎn)低于周邊國家。消化系統(tǒng)疾病的篩查工作不便開展，其主要因素是傳統(tǒng)插管式胃鏡檢查讓患者痛苦不堪。膠囊內(nèi)窺鏡可大幅度減少消化道檢查引起的不適感，但普通膠囊內(nèi)窺鏡不適用于胃部檢查，漏檢率較高。本研究設(shè)計(jì)的磁懸浮微型機(jī)器人定點(diǎn)釋藥導(dǎo)航系統(tǒng)適用于胃部、小腸等消化道疾病的檢查及治療。

1 研究現(xiàn)狀

2000年在美國加利福尼亞圣地亞哥的消化疾病周會(huì)議上，來自以色列的Given Imaging公司，宣布研制了世界上第一個(gè)無創(chuàng)可吞咽膠囊式腸鏡拍攝檢查系統(tǒng)“M2A”[1]，可實(shí)現(xiàn)小腸 “無痛”檢查。但是胃腸道梗阻患者使用該膠囊內(nèi)窺鏡時(shí)存在膠囊滯留現(xiàn)象。膠囊滯留是指膠囊在胃腸道內(nèi)滯留時(shí)間長達(dá)2周以上[2]，小腸膠囊內(nèi)窺鏡的滯留率為1.4%～2.6%[3]。因此Given Imaging公司開發(fā)了一種能夠自我分解的膠囊AgileTM Patency System用于小腸檢測[4]。2004年重慶金山科技集團(tuán)開發(fā)出國內(nèi)第一款小腸膠囊內(nèi)窺鏡“OMOM”，并于2005年3月獲得原國家食品藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)的醫(yī)療器械注冊證。2006年日本奧林巴斯公司發(fā)布了一款小腸膠囊內(nèi)窺鏡，具有0～20 mm的景深和自動(dòng)照明亮度控制功能，可持續(xù)工作8 h，每秒可實(shí)時(shí)發(fā)送2張圖像到體外采集器上。SmartPill公司推出一款可檢測pH、溫度和壓力的膠囊內(nèi)窺鏡，并于2006年獲得美國食品藥品管理局（U.S. Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)上市。2009年杭州華沖科技有限公司在國家“863計(jì)劃”的支持下，用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)專用芯片開發(fā)出膠囊內(nèi)窺鏡，并于2011年獲得原國家食品藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)的醫(yī)療器械注冊證。圖1為目前市場常見的幾種膠囊內(nèi)窺鏡，主要分為可控和不可控兩大類。膠囊內(nèi)窺鏡可一次拍攝幾萬張消化道照片，醫(yī)師需花費(fèi)大量時(shí)間仔細(xì)對比，查找可疑病灶圖像，嚴(yán)重影響工作效率，導(dǎo)致檢查的時(shí)間成本增加，且與傳統(tǒng)軟管式胃腸鏡對比，膠囊內(nèi)窺鏡無法進(jìn)行活檢取樣等操作。

圖1 市場常見的幾種膠囊內(nèi)窺鏡

當(dāng)前，膠囊內(nèi)窺鏡的智能驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為一個(gè)熱門研究課題。2003年日本東北大學(xué)Sendoh和Ishiyama[5]提出一種類似三軸亥姆霍茲線圈提供旋轉(zhuǎn)空間磁場，使膠囊能夠旋轉(zhuǎn)起來，依靠膠囊表面設(shè)計(jì)的螺旋紋結(jié)構(gòu)推動(dòng)旋進(jìn)。2004年奧林巴斯公司提出由3對電磁鐵構(gòu)建一個(gè)均勻的電磁場驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡旋轉(zhuǎn)，借助外表面螺紋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)膠囊的前進(jìn)后退，同時(shí)內(nèi)置了無線能量傳輸技術(shù)[6]。日本長野縣RF SYSTEM實(shí)驗(yàn)室的Norika團(tuán)隊(duì)提出一款具有無線充電、活檢采樣倉、定點(diǎn)釋藥倉、無線圖像傳輸、可變波長發(fā)光二極管（LED）等技術(shù)的磁控膠囊，外部3個(gè)方向的磁場變化可帶動(dòng)膠囊做類似電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膠囊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]，目前該方案僅是構(gòu)想，未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2010年Gao等[8]設(shè)計(jì)、構(gòu)造了一種多自由度磁場驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡推進(jìn)系統(tǒng)，采用一個(gè)永磁鐵柱狀外殼包覆膠囊表面，通過兩組釹鐵硼永磁鐵提供的磁場驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡，每組包含1個(gè)矩形和1個(gè)圓柱形永磁鐵，應(yīng)用有限元方法仿真磁場分布和力學(xué)特性，并通過試驗(yàn)?zāi)M膠囊在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，表明了該方法的可行性。安翰科技（武漢）股份有限公司開發(fā)出一款Navicam磁控膠囊胃鏡檢查系統(tǒng)，可通過控制C型機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)膠囊旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)[9-10]，并于2013年獲得原國家食品藥品監(jiān)督管理總局三類醫(yī)療器械注冊證。2015年徐建省等[11]采用電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳的驅(qū)動(dòng)方式，由外部3對亥姆霍茲線圈產(chǎn)生指定大小和方向的導(dǎo)向磁場，實(shí)現(xiàn)了對膠囊運(yùn)動(dòng)方向的控制。趙振亮等[12]于2018年提出一種采用復(fù)合磁場的閉環(huán)主動(dòng)控制方法，將霍爾傳感器放置于膠囊內(nèi)部，通過無線通信方式，將膠囊內(nèi)部磁場傳感器測量到的信號(hào)發(fā)送給外部控制設(shè)備，進(jìn)而調(diào)節(jié)磁場，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。上述國內(nèi)外研究成果推動(dòng)了膠囊內(nèi)窺鏡的發(fā)展，并為該領(lǐng)域研究提供了重要的借鑒和指導(dǎo)。然而這些驅(qū)動(dòng)方式還存在著控制精確度差、空間狀態(tài)鎖定及無法實(shí)施活檢取樣等方面的不足。

2 膠囊磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 膠囊設(shè)計(jì)

目前的膠囊內(nèi)窺鏡普遍存在以下不足：（1）操控精度較低；（2）續(xù)航受限；（3）功能單一；（4）無法定點(diǎn)釋藥和活檢取樣等。

為解決以上問題，現(xiàn)提出一款上推式磁懸浮膠囊機(jī)器人，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該膠囊由具有生物相容性的透明有機(jī)材料制成，膠囊內(nèi)部主要由攝像頭、可調(diào)波長照明LED、超級(jí)電容、無線電發(fā)射電路、活檢取樣裝置、藥倉、永磁體、無線供電線圈等組成。永磁體設(shè)計(jì)成類半球體形狀，使整個(gè)膠囊的重心靠近膠囊垂直方向的底部，受重力作用，膠囊在沒有其他外力作用下可保持豎立狀態(tài)。

圖2 上推式磁懸浮膠囊機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

底部安裝無線充電感應(yīng)線圈，用于接收來自懸浮底座的無線能量傳輸，整流穩(wěn)壓后存儲(chǔ)于膠囊內(nèi)的超級(jí)電容，供攝像頭、LED、給藥器、取樣裝置、無線圖傳電路等使用；永磁鐵采用釹鐵硼永磁材料，置于重心位置，外形經(jīng)過設(shè)計(jì)可產(chǎn)生特定的磁場配合上推電磁鐵，同時(shí)鎖定永磁鐵的空間位置，使其保持固定，保證攝像清晰、穩(wěn)定；藥倉采用電控微閥門設(shè)計(jì)，內(nèi)部氣壓高于外界，當(dāng)微閥門打開時(shí)內(nèi)部的藥劑便會(huì)噴射、粘附于患處；照明采用可調(diào)節(jié)波長的發(fā)光二極管，以擴(kuò)展檢測范圍，提高病變檢出率；通信電極由兩片環(huán)繞膠囊的金屬環(huán)構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)通信傳輸及體內(nèi)電刺激治療；活檢取樣裝置采取電控微彈片刀結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界發(fā)送控制信號(hào)時(shí)，緊貼患病部位的微彈片瞬間切取小塊病變組織，并收入活檢取樣倉。

2.2 檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)

檢測平臺(tái)如圖3、4所示。磁懸浮底座安裝在平臺(tái)底部的機(jī)械臂上，平臺(tái)呈弧形結(jié)構(gòu)貼合人體，縮短磁懸浮控制底座與體內(nèi)膠囊的距離。該平臺(tái)通過中間的支撐軸可實(shí)現(xiàn)水平方向旋轉(zhuǎn)和垂直方向位移，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)前后滑動(dòng)，用于調(diào)節(jié)膠囊在人體內(nèi)的縱向位置。磁懸浮控制底座在多軸機(jī)械臂的控制下可進(jìn)行平移和多角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合平臺(tái)的簡單平行運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)膠囊不同空間狀態(tài)的控制，并可采集消化道內(nèi)各視角的圖像，任意調(diào)節(jié)膠囊的角度和距離，均可保證圖像的清晰度。

圖3 平臺(tái)正視圖

圖4 平臺(tái)左視圖

2.3 磁懸浮控制底座設(shè)計(jì)

磁懸浮控制底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。中間安裝1個(gè)高精度三維磁敏霍爾傳感器，霍爾傳感器采用基準(zhǔn)恒流源提供偏置電流。在膠囊內(nèi)永磁鐵的磁場作用下，霍爾傳感器輸出端產(chǎn)生微弱的電勢，經(jīng)放大器放大后送至AD采樣電路，高精度傳感器產(chǎn)生的電勢轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而可判斷膠囊的實(shí)時(shí)相對位置?；魻杺鞲衅鞯?個(gè)方向上各安裝1個(gè)電磁鐵，可根據(jù)膠囊實(shí)時(shí)位置調(diào)節(jié)電磁鐵中的電流，控制電磁鐵產(chǎn)生的磁場，推動(dòng)膠囊懸浮在目標(biāo)位置。

膠囊的磁懸浮控制系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，線性化擬合數(shù)學(xué)模型的建立較為困難，因此采用PID算法，聯(lián)合python語言編寫的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行PID參數(shù)整定，通過霍爾傳感器檢測信號(hào)換算成位置信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，具有較強(qiáng)的魯棒性和良好的動(dòng)靜態(tài)性能。磁懸浮控制底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了膠囊受力平衡、懸浮穩(wěn)定。磁懸浮控制底座安裝于機(jī)械臂上，機(jī)械臂由連接計(jì)算機(jī)的操縱搖桿進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)磁懸浮控制底座的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

圖5 磁懸浮控制底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4 磁懸浮控制流程

膠囊磁懸浮控制流程如圖6所示。膠囊與磁懸浮控制底座的相對位置及空間狀態(tài)由計(jì)算機(jī)設(shè)置、鎖定；膠囊相對人體的傾斜角度由機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制；膠囊與磁懸浮控制底座的距離微調(diào)可通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電流實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)膠囊進(jìn)入人體內(nèi)時(shí)，緩慢移動(dòng)磁懸浮底座，實(shí)時(shí)監(jiān)測霍爾傳感器采集到的電壓信號(hào)，確定膠囊在體內(nèi)的空間位置及狀態(tài)。由于膠囊內(nèi)部的重心設(shè)計(jì)，在有足夠空間的器官內(nèi)，膠囊受重力作用始終處于豎直狀態(tài)；通過觀察膠囊傳送回的圖像，可確認(rèn)膠囊的位置；計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算并輸出控制信號(hào)到功率放大器，以控制電磁鐵校準(zhǔn)膠囊空間位置至平衡狀態(tài)。

操作搖桿時(shí)，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算搖桿的輸入信號(hào)判斷水平、垂直方向的位移量，進(jìn)而控制平臺(tái)可進(jìn)行相應(yīng)的水平移動(dòng)、垂直升降；當(dāng)需要膠囊傾斜旋轉(zhuǎn)時(shí)，平臺(tái)下方的機(jī)械臂根據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)行相應(yīng)角度的傾斜、旋轉(zhuǎn)。

圖6 膠囊磁懸浮控制流程

3 結(jié)語

目前膠囊機(jī)器人的能耗、精確控制成為其功能拓展的瓶頸。更低的能耗可帶來更多的功能，同時(shí)可節(jié)省電池占用空間，增加更多的裝置。例如提高CMOS相機(jī)的像素以及拍攝的幀率，清晰的圖像有利于醫(yī)師快速定位和后期圖像的人工智能篩檢、分析；改進(jìn)為可變波長的LED照明裝置，可用于特殊檢查；增加膠囊體內(nèi)精確定位裝置；設(shè)計(jì)活檢取樣裝置進(jìn)行病變部位樣本采集；增加釋藥倉用于體內(nèi)定點(diǎn)釋藥等。本系統(tǒng)可解決能耗及精確運(yùn)動(dòng)控制問題，相信在不久的將來，這款多功能膠囊機(jī)器人的普及可以讓廣大患者更加舒適地體檢，并可應(yīng)用于臨床體內(nèi)微創(chuàng)治療等。