CN107773205A - 一种胶囊式内窥镜磁控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶囊式内窥镜磁控系统，涉及医疗器械领域，包括胶囊式内窥镜、控制器、磁场发生模块和三自由度运动机构，所述胶囊式内窥镜与所述控制器通信连接，所述控制器用于接收胶囊式内窥镜发送的数据，并根据闭环控制算法计算复合磁场发生模块的输出，所述磁场发生模块与所述控制器通信连接，所述磁场发生模块产生控制磁场，所述磁场发生模块固定设置于所述三自由度运动机构，并随所述三自由度运动机构运动。本发明能够实现胶囊式内窥镜在人体胃部任意位置的稳定悬浮及精确运动控制，从而实现覆盖检查。
Description
技术领域
本发明涉及医疗领域，尤其是一种胶囊式内窥镜磁控系统。
背景技术
消化系统疾病是临床上最常见的疾病，其中胃肠道疾病占有最大比例。传统上对胃肠道病变的检查，不管是上消化道还是下消化道均采用机械插入式的方法，给病人造成不适和痛苦，一定程度上降低了病人的依从性，有时甚至需要在麻醉下进行。胶囊式内窥镜检查具有无创、无痛、无交叉感染等优点，克服了胃镜等传统推进式内窥镜的缺点，在世界上很多地区已作为小肠疾病的一线检查手段。
胶囊式内窥镜自问世以来很快成为胃病临床检查的重要手段，胶囊式内窥镜组件通常包括胶囊本身，内置微型摄像机，可达到160度的视角，续航能力一般在8小时以上，以及数据记录仪、图像数据分析软件。目前主流的胶囊式内窥镜大多是被动式的，随胃肠道蠕动前进，存在不稳定性和不确定性，没有治疗功能，主动控制的缺失使胶囊很难准确定位病变位置，主要用于小肠检查，对于腔体较大较复杂的胃部检查不适用。
主动控制方式根据动力源的来源可分为内部与外部两种。内部驱动通过内部供电驱动电机或其他机构使胶囊自主运行，但内部驱动往往需要大量的供电，往往导致胶囊尺寸偏大，续航能力偏低。外部驱动不需要消耗胶囊内部能量，而且易控制，结构较简单，实现较容易。
哈工大深圳研究生院提出一种基于灵巧机器人的磁控主动式胶囊式内窥镜运动控制系统(中国发明专利申请公开号：CN103169443A)，通过肠道图像处理在一定程度上反映出胶囊的位置，来控制机械手臂来移动矩形永磁体，实现对于磁性胶囊的开环控制，而且人工导航和自主导航的自由切换。但该方法存在图片实时性差、无法得到具体的位置姿态、控制精度低的缺点。
安翰光电技术(武汉)有限公司发明了一种控制胶囊内窥镜在人体消化道运动的装置及方法(中国发明专利申请公开号：CN103222842A)，胶囊式内窥镜内部包含永久磁偶极子，胶囊内窥镜在预定位置处于稳定悬浮状态下，通过球形外部磁体的运动使胶囊式内窥镜完成移动、转动、倾斜等动作。缺点是此装置为开环控制，对于胶囊位置的控制精度较低。
胡超教授等人提出一种基于磁场感应模块阵列实现对胶囊中磁体进行定位的方法，建立以磁偶极子为数学模型的系统，同时进行算法优化，得到胶囊式内窥镜较为准确的位置；天津大学精密仪器与光电子工程学院提出一种基于粒子滤波算法的磁定位方法，磁传感器阵列测得胶囊式内窥镜中永磁体产生磁场的大小，以此计算出胶囊式内窥镜的相对位置，并且在胶囊式内窥镜的定位中加入目标运动以及磁干扰的估计，改善了胶囊位置在时序采样下的动态测量误差，提高了系统对于外部磁干扰的抵抗力。以上方法虽然实现了对于胶囊式内窥镜的定位，但其磁场感应模块在胶囊式内窥镜外部，当目标运动速度变大且外界磁干扰强度加大时，其定位误差也会变大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的胶囊式内窥镜运动控制系统，基于胶囊内部传感器的位置反馈，控制磁场强度实现磁控胶囊式内窥镜的闭环主动控制。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实时获取胶囊内镜在人体内的位置，并采用闭环控制的方法实现稳定精确的位置、运动控制。
为达到以上目的，本发明提供了一种胶囊式内窥镜磁控系统，包括胶囊式内窥镜、控制器、磁场发生模块和三自由度运动机构，所述胶囊式内窥镜用于人体胃部内窥镜检测，所述胶囊式内窥镜与所述控制器通信连接，所述控制器用于接收胶囊式内窥镜发送的数据，并根据闭环控制算法计算复合磁场发生模块的输出，所述磁场发生模块与所述控制器通信连接，所述磁场发生模块产生控制磁场，所述磁场发生模块固定设置于所述三自由度运动机构，并随所述三自由度运动机构运动，以实现胶囊式内窥镜在人体内的定点悬浮和精确运动控制。
进一步地，所述胶囊式内窥镜包括图像采集模块、磁场感应模块、内窥镜控制模块、第一永磁体、供电模块和胶囊外壳，所述图像采集模块用于拍摄人体消化道的图像，所述磁场感应模块用于测量所述胶囊式内窥镜所在位置的空间磁场数据，所述图像采集模块、所述磁场感应模块和所述控制电路依次连接，所述图像采集模块、所述磁场感应模块、所述控制电路、所述第一永磁体和所述供电模块均设置在所述胶囊外壳内部，所述第一永磁体受到第二永磁体的磁场作用。
进一步地，所述内窥镜控制模块包括模数转换器和无线通信器，所述模数转换器用于将所述磁场感应模块测量的空间磁场数据的模拟信号转换为数字信号，所述无线通信器用于将所述图像采集模块获取的图像数据和所述模数转换器转换得到的数字信号传输至所述控制器。
进一步地，所述控制器包括信号接收模块、运算模块和信号输出模块，所述信号接收模块、所述运算模块和所述信号输出模块通信连接，所述信号接收模块用于接收所述胶囊式内窥镜发送的数据，所述运算模块用于执行控制算法，实时计算对所述磁场发生模块的输出信号，所述信号输出模块将所述运算模块运算得到的输出信号结果通过数模转换后向所述磁场发生模块输出。
进一步地，所述控制器还包括信号处理模块和闭环控制模块，所述信号处理模块对所述信号接收模块接收的数据进行处理，所述闭环控制模块用于计算基础输出值和调节输出值并将二者结合得到最终输出信号，由所述信号输出模块转换后向所述磁场发生模块输出。
进一步地，所述信号处理模块包括信号预处理单元、滤波单元、位置坐标计算单元、状态预估单元，所述信号预处理单元将内窥镜控制模块发送的原始数据转换为磁场数据；所述滤波单元通过滤波降低信号噪声，减小数据误差；所述位置坐标计算单元包括对所述磁场发生模块创建的物理模型，根据所述磁场发生模块的状态生成实时空间磁场分布数据，并通过当前获得的所述胶囊式内窥镜的磁场数据计算所述胶囊式内窥镜的位置坐标；所述状态预估单元根据所述胶囊式内窥镜运动系统物理模型进行位置预估，减少数据传输延时造成的误差。
进一步地，所述闭环控制模块包括前馈控制单元和反馈控制单元，所述前馈控制单元根据空间磁场分布和所述胶囊式内窥镜当前位置坐标，求出所述胶囊式内窥镜受力平衡时对应所述磁场发生模块的电流信号值，作为基础输出值；所述反馈控制单元根据所述胶囊式内窥镜位置坐标与设定位置之差计算负反馈电流信号值，作为调节输出值；所述基础输出值与所述调节输出值叠加结果为所述闭环控制模块最终输出信号。所述反馈控制单元是基于PID或模糊控制方法的反馈控制器。
进一步地，所述信号输出模块包括实时数模转换单元，所述实时数模转换单元将所述闭环控制模块最终输出信号转换成模拟信号并输出至所述磁场发生模块。
进一步地，所述磁场发生模块包括第二永磁体和电磁线圈，所述第二永磁体能够提供静态基础磁场，所述电磁线圈提供动态可变磁场，所述电磁线圈被电流放大器驱动，根据所述控制器的输出信号调节电流进而调节所述磁场发生模块的磁场大小，所述磁场发生模块产生的磁场作用于第一永磁体。
进一步地，所述三自由度运动机构能够执行平面内的水平方向x，平面内的垂直方向y和竖直面内z的平移运动，调节所述磁场发生模块的位置，进而调整所述胶囊式内窥镜在人体中的位置。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明使用磁场发生模块产生的第二永磁体产生稳定磁场，用电磁线圈对磁场进行调节，从而使胶囊式内窥镜在人体中稳定悬浮；
2、本发明的控制器包括信号处理模块和闭环控制模块，通过这两个模块对数据进行处理和运算，可以得到更精确的计算结果，从而更好地控制胶囊式内窥镜的位置，达到精确控制的目的。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的胶囊式内窥镜结构示意图；
图2是本发明的磁场发生模块结构示意图；
图3是本发明的磁场发生模块与胶囊式内窥镜相对位置及胶囊式内窥镜受力情况示意图；
图4是本发明的三自由度运动机构的立体结构图；
图5是本发明的一种胶囊式内窥镜磁控系统的控制方法流程图；
其中，1-图像采集模块，2-磁场感应模块，3-内窥镜控制模块，4-第一永磁体，5-供电模块，6-第二永磁体，7-电磁线圈，8-底座，9-大臂，10-小臂，11-侧板，12-竖直滑块导轨机构，13-支架，14-磁场发生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种胶囊式内窥镜磁控系统包括胶囊式内窥镜、控制器、磁场发生模块和三自由度运动机构，胶囊式内窥镜与控制器通信连接，胶囊式内窥镜用于人体胃部内窥镜检测，控制器用于接收胶囊式内窥镜发送的数据，并根据闭环控制算法计算复合磁场发生模块的输出，磁场发生模块与控制器通信连接，磁场发生模块产生控制磁场，磁场发生模块固定设置于三自由度运动机构，并随三自由度运动机构运动，以实现胶囊式内窥镜在人体内的定点悬浮和精确运动控制。
如图1所示，胶囊式内窥镜包含图像采集模块1、磁场感应模块2、内窥镜控制模块3、第一永磁体4、供电模块5和胶囊外壳。图像采集模块1使用图像传感器，用于拍摄人体消化道的图像，磁场感应模块2用于测量胶囊式内窥镜所在位置的空间磁场数据，图像采集模块1、磁场感应模块2和控制电路依次连接，图像采集模块1、磁场感应模块2、控制电路、第一永磁体4和供电模块5均设置在胶囊外壳内部。其中，磁场感应模块2使用霍尔传感器，根据霍尔效应原理，将磁场强度转化为相应的输出电压变化，再经放大电路输出，转换得到胶囊式内窥镜所处位置的磁场强度，测量范围为10-4～10-1T。
内窥镜控制模块3包括模数转换器和无线通信器，模数转换器用于将磁场感应模块2测量的空间磁场数据的模拟信号转换为数字信号，无线通信器用于将图像采集模块1获取的图像数据和模数转换器转换得到的数字信号传输至控制器。
胶囊式内窥镜磁控系统的控制器，控制器包括信号接收模块、运算模块和信号输出模块，信号接收模块、运算模块和信号输出模块通信连接，信号接收模块包括射频信号接收电路和调理电路，信号接收模块用于接收胶囊式内窥镜发送的数据并进行相应处理；运算模块用于执行控制算法，实时计算对磁场发生模块的输出信号，运算模块包括若干个串口用于与信号接收模块和信号处理模块通信，信号输出模块将运算模块运算得到的输出信号结果通过数模转换后向磁场发生模块输出，信号输出模块采用北京阿尔泰科技发展有限公司的USB3102型采集卡，模拟量输入范围±10V，最大采样速率250Ksps，精度16bits；模拟量输出范围±10V，最大输出速率100Ksps，精度16bits。
如图2所示，复合磁场发生模块包括第二永磁体6和电磁线圈7，第二永磁体6用于提供静态基础磁场，电磁线圈7用于提供动态可变磁场，电磁线圈7被电流放大器驱动，根据控制器的输出信号调节电流进而调节磁场发生模块的磁场大小，磁场发生模块产生的磁场作用于第一永磁体4。第二永磁体6在电磁线圈7的正上方，第二永磁体6的材料为钕铁硼N35，剩磁Br＝1.2T，磁化强度M＝963kA/m；电磁线圈7采用直径1mm的铜漆包线缠绕，线圈外径100mm，内径20mm，高度30mm，匝数约1200匝。
如图4所示为三自由度运动机构的立体结构示意图，采用SCARA机器人构型，主要包含底座8、大臂9、小臂10、侧板11、竖直滑块导轨机构12，末端支架13用以安装上述磁场发生器。图4中，机构的底座8与大臂9连接，底座8内部装第一关节的电机与减速器。大臂2的末端连接小臂10，小臂10的前端安装第二关节的电机与减速器。第一与第二关节的旋转运动提供了末端支架13在水平方向平移的自由度。竖直的侧板11安装在小臂10末端，用以固定导轨滑块移动机构。竖直滑块导轨机构12的内部包含丝杆滑块运动机构，安装有电机以驱动丝杆，带动滑块做直线运动，提供竖直方向平移的自由度。机器包含的三个自由度能实现末端执行件在三维空间中的平移运动。支架13用以安装磁场发生器14。
如图5所示，为胶囊式内窥镜磁控系统控制胶囊式内窥镜运动的流程示意图。
控制器还包括信号处理模块和闭环控制模块，信号处理模块对信号接收模块接收的数据进行处理，闭环控制模块用于计算基础输出值和调节输出值并将二者结合得到最终输出信号，由信号输出模块转换后向磁场发生模块输出；信号输出模块包括实时数模转换单元，实时数模转换单元将闭环控制模块最终输出信号转换成模拟信号并输出至磁场发生模块。
信号处理模块包括信号预处理单元、滤波单元、位置坐标计算单元、状态预估单元，信号预处理单元将内窥镜控制模块3发送的原始数据转换为磁场数据，具体地，信号预处理模块对胶囊式内窥镜发送的数据包进行解码，数据包包含4个字节，前两字节数据为数据头，用以校验数据包是否有效，后两字节数据为磁场数据的高低字节，转成整数D，然后由Bs＝1.4·(D-711)可换算成磁场大小。
滤波单元通过滤波降低信号噪声，减小数据误差，具体地，滤波器模块采用卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法；由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，因此将最优估计的过程看作是滤波过程。
位置坐标计算单元包括对磁场发生模块创建的物理模型，根据磁场发生模块的状态生成实时空间磁场分布数据，并通过当前获得的胶囊式内窥镜的磁场数据计算胶囊式内窥镜的位置坐标；具体地，位置坐标计算单元通过磁场模型、当前电磁线圈的电流和胶囊所在位置的磁感应强度，反解出胶囊的位置，作为位置反馈量。计算方法如下，胶囊式内窥镜测得的磁感应强度Bs与胶囊坐标z和电磁线圈7的电流I有关：
Bs(z,I)＝BPM(z)+I·bcoil(z)
其中Bs(z,I)为胶囊测得的磁感应强度，BPM(z)为永磁体产生磁场与胶囊坐标的关系，bcoil(z)为单位电流下电磁线圈7产生的磁场与胶囊坐标的关系，两者均为已知函数。当前线圈电流I也为已知量，Bs仅为z的函数，通过差值可以计算z坐标。
状态预估单元根据胶囊式内窥镜运动系统物理模型进行位置预估，减少数据传输延时造成的误差，具体地，状态预估单元由本次以及前面的位置信息估算出本周期胶囊的速度值vk。通过对胶囊式内窥镜此时的受力分析，可得此时的加速度大小astart。将上述的vk与astart代入到预估下一控制周期的胶囊式内窥镜位置函数中：
通过已求得的位置值再分析此时胶囊的受力关系，可得出下一控制周期的加速度大小aend，将此值代入到上述的位置函数中求出一个新的z值，求出新的aend，以此类推迭代多次可求得逼近真实值的z值。迭代次数越多，预估的胶囊位置越接近真实值。
闭环控制模块包括前馈控制单元和反馈控制单元，前馈控制单元根据空间磁场分布和胶囊式内窥镜当前位置坐标，求出胶囊式内窥镜受力平衡时对应磁场发生模块的电流信号值，作为基础输出值；反馈控制单元根据胶囊式内窥镜位置坐标与设定位置之差计算负反馈电流信号值，作为调节输出值；基础输出值与调节输出值叠加结果为闭环控制模块最终输出信号。反馈控制单元是基于PID或模糊控制方法的反馈控制器。
具体地，如图3所示，前馈控制模块根据当前磁场发生模块的位置和电流，可求出空间磁场的分布BPM(z)和bcoil(z)，其中BPM(z)为第二永磁体6产生的磁场分量，bcoil(z)为单位电流电磁线圈7产生的磁场分量。由胶囊式内窥镜的第一永磁体4所受磁力与磁场的关系可求出磁力与胶囊位置的关系FPM(z)和fcoil(z)，其中FPM(z)为第二永磁体6产生的磁力分量，fcoil(z)为单位电流电磁线圈7产生的磁力分量。由信号处理模块获得胶囊内镜当前位置坐标z，可求出期望胶囊式内窥镜在此处受力平衡的所受磁力，以此可计算受力平衡时电磁线圈7所需的电流大小：
将其作为给磁场发生模块的基础输出值。
反馈控制单元基于PID方法的反馈控制器。包括三部分：比例环节、积分环节、微分环节；比例环节，与当前控制周期胶囊式内窥镜位置偏差成正比：
Ip＝KpΔzk
其中，Ip是比例环节输出电流信号，Kp是比例环节常量，Δzk为当前控制周期胶囊式内窥镜位置偏差；
积分环节，与当前控制周期以前的累计胶囊式内窥镜位置偏差成正比：
其中，Ii是积分环节输出电流信号，Ki是积分环节常量，是当前控制周期以前的累计胶囊式内窥镜位置偏差；
微分环节，与当前控制周期和上一控制周期的胶囊式内窥镜位置偏差之差成正比：
Id＝Kd(Δzk-Δzk-1)
其中，Id为积分环节输出电流信号，Kd是积分环节常量，Δzk是当前控制周期胶囊式内窥镜位置偏差，Δzk-1上一控制周期的胶囊式内窥镜位置偏差；
反馈控制补偿量为上述三部分的总和，即反馈控制输出信号电流信号为
I2＝Ip+Ii+Id
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，包括胶囊式内窥镜、控制器、磁场发生模块和三自由度运动机构，所述胶囊式内窥镜与所述控制器通信连接，所述控制器用于接收胶囊式内窥镜发送的数据，并根据闭环控制算法计算复合磁场发生模块的输出，所述磁场发生模块与所述控制器通信连接，所述磁场发生模块产生控制磁场，所述磁场发生模块固定设置于所述三自由度运动机构，并随所述三自由度运动机构运动。
2.如权利要求1胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述胶囊式内窥镜包括图像采集模块(1)、磁场感应模块(2)、内窥镜控制模块(3)、第一永磁体(4)、供电模块(5)和胶囊外壳，所述图像采集模块(1)、所述磁场感应模块(2)和所述控制电路(3)依次连接，所述图像采集模块(1)、所述磁场感应模块(2)、所述控制电路(3)、所述第一永磁体(4)和所述供电模块(5)均设置在所述胶囊外壳内部，所述第一永磁体(4)受到第二永磁体(6)的磁场作用。
3.如权利要求2胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述内窥镜控制模块(3)包括模数转换器和无线通信器，所述模数转换器用于将所述磁场感应模块(2)测量的空间磁场数据的模拟信号转换为数字信号，所述无线通信器用于将所述图像采集模块(1)获取的图像数据和所述模数转换器转换得到的数字信号传输至所述控制器。
4.如权利要求1胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述控制器包括信号接收模块、运算模块和信号输出模块，所述信号接收模块、所述运算模块和所述信号输出模块通信连接，所述信号接收模块用于接收所述胶囊式内窥镜发送的数据，所述运算模块用于执行控制算法，实时计算对所述磁场发生模块的输出信号，所述信号输出模块将所述运算模块运算得到的输出信号结果通过数模转换后向所述磁场发生模块输出。
5.如权利要求4胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述控制器还包括信号处理模块和闭环控制模块，所述信号处理模块对所述信号接收模块接收的数据进行处理，所述闭环控制模块用于计算基础输出值和调节输出值并将二者结合得到最终输出信号，由所述信号输出模块转换后向所述磁场发生模块输出。
6.如权利要求5胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号预处理单元、滤波单元、位置坐标计算单元、状态预估单元，所述信号预处理单元将内窥镜控制模块(3)发送的原始数据转换为磁场数据；所述滤波单元通过滤波降低信号噪声，减小数据误差；所述位置坐标计算单元包括对所述磁场发生模块创建的物理模型，根据所述磁场发生模块的状态生成实时空间磁场分布数据，并通过当前获得的所述胶囊式内窥镜的磁场数据计算所述胶囊式内窥镜的位置坐标；所述状态预估单元根据所述胶囊式内窥镜运动系统物理模型进行位置预估，减少数据传输延时造成的误差。
7.如权利要求5胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述闭环控制模块包括前馈控制单元和反馈控制单元，所述前馈控制单元根据空间磁场分布和所述胶囊式内窥镜当前位置坐标，求出所述胶囊式内窥镜受力平衡时对应所述磁场发生模块的电流信号值，作为基础输出值；所述反馈控制单元根据所述胶囊式内窥镜位置坐标与设定位置之差计算负反馈电流信号值，作为调节输出值；所述基础输出值与所述调节输出值叠加结果为所述闭环控制模块最终输出信号。
8.如权利要求7胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述信号输出模块包括实时数模转换单元，所述实时数模转换单元将所述闭环控制模块最终输出信号转换成模拟信号并输出至所述磁场发生模块。
9.如权利要求1胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述磁场发生模块包括第二永磁体(6)和电磁线圈(7)，所述第二永磁体(6)能够提供静态基础磁场，所述电磁线圈(7)提供动态可变磁场，所述电磁线圈(7)被电流放大器驱动，根据所述控制器的输出信号调节电流进而调节所述磁场发生模块的磁场大小。
10.如权利要求1胶囊式内窥镜磁控系统，其特征在于，所述三自由度运动机构能够执行平面内的水平方向x，平面内的垂直方向y和竖直面内z的平移运动，调节所述磁场发生模块的位置，进而调整所述胶囊式内窥镜在人体中的位置。
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