用于消化道的电子胶囊及药物输送方法与流程

本发明涉及医疗用品，尤其涉及一种用于消化道的电子胶囊及药物输送方法。

背景技术：

随着我国老龄人口以每年新增约1000多万的数量增长，人口老龄化问题日益突出。老年人疾病多以慢性病为主，其中胃肠道类疾病是其中表现较为突出的一种。此外，现代生活节奏的加快及生活压力的增加，使慢性消化道疾病的发病率逐年提高。

目前的胃肠道类慢性疾病大多需要服用药物来进行长期治疗，由于口服药物难以直接到达病灶部位或到达病灶剂量过小，从而导致口服药物疗法不佳或者失效。因此，若能在炎症、创面、病灶处直接高效地进行靶向给药治疗，既可增强药物的吸收实现高效治疗，并能减小药物的副作用。

a.nisar等人，f.n.pirmoradi等人研究了基于mems技术的微型泵，将其应用于药物释放装置，包括：储药仓、微型泵、阀、管路、流量传感器、微控制器及相应的信号处理电路等。微型泵作为药物释放的动力源，可以精确控制药物释放的剂量，但结构复杂，需要占用较大空间，消耗功耗较大。s.murad等人利用形状记忆合金在一定条件下逆加工过程自动恢复本来形状的特性，实现药物释放。该方案不能实现多次重复释放，且释放剂量无法控制。r.groening等人提出了利用气体反应产生的气压作为动力，推动活塞，完成喷药的动作。喷药动作采用高频信号触发，在胶囊内产生感应电流，激发气体反应室的气体开始反应。该方法可实现多次重复药物释放，但触发后等待的时间较长，需要长达数小时。

目前的消化道定点药物释放系统，具有如下不足之处：驱动装置构造复杂，可靠性不足；药物的释放速度低，释药剂量不可控，无法适应各段消化道的释药要求；触发时间较长，可能导致施药装置错过目标区域；只能完成单次施药动作。

技术实现要素：

本发明的目的，就是为了提供一种用于消化道内、施药剂量和施药速度可控的电子胶囊及药物输送方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于消化道的电子胶囊，包括外壳以及顺序设置在外壳内的施药单向阀、第一永磁体、储药囊、薄圆柱片、电磁线圈、第二永磁体、位置跟踪与驱动控制模块；其中，第一永磁体设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。

所述第一永磁体和第二永磁体均为沿轴向磁化的圆柱永磁体，并按磁极相反布置，形成梯度磁场。

所述电磁线圈为可动式电磁线圈，电磁线圈的激磁信号由位置跟踪与驱动控制模块提供。当在电磁线圈中通以设定方向的电流，即可使第一永磁体吸引电磁线圈而第二永磁体排斥电磁线圈，从而避免了电磁线圈运动行程较大时驱动力随行程增加导致的迅速衰减，实现了大剂量药物的释放。

所述位置跟踪与驱动控制模块包括交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及ad转换电路、姿态角检测体内电路、信号处理电路、微控制器、体内射频收发器、天线、激磁时间调节电路、激磁强度调节电路、电池及电源管理电路，其中交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及ad转换电路、微控制器、体内射频收发器和天线按顺序电信号相连，姿态角检测体内电路的输出连接信号处理电路，信号处理电路的输出连接采样及ad转换电路，激磁时间调节电路和激磁强度调节电路的输入分别连接微控制器；电池及电源管理电路分别与各用电元件电连接。

基于电子胶囊的药物输送方法是，在体外设置姿态角检测体外模块、位置跟踪体外模块、体外射频收发器和数据处理平台；电子胶囊的姿态角检测采用三轴地磁场检测原理和四元数旋转理论，电子胶囊的位置跟踪采用交变磁矢量传感原理，并结合姿态角检测，将电子胶囊的运动坐标系旋转变换至体外的基准坐标系，建立空间磁矢量与胶囊位置的数学模型；由体外射频收发器无线接收电子胶囊发送的磁矢量信号和姿态角信号，通过数据处理平台实时求解，实现电子胶囊的位置跟踪；待电子胶囊达到目标区域，通过射频信号触发施药单向阀将药物释放。

设定施药单向阀的开启压力略大于电子胶囊的出药口竖直向下时受到的总压力值。一方面可使未施药状态下储药囊内的药液不会泄露；另一方面，当需要施药 时，只需由位置跟踪与驱动控制模块控制电磁线圈的激磁强度，使作用于储药囊上的驱动力大于单向阀的开启压力，即实现了药物释放的功能。

数据处理平台提供了人机交互界面，可设置电子胶囊的施药次数，以及每次施药的目标位置、施药剂量、施药速度；待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需的临界驱动力，并结合施药剂量和施药速度，求出所需的激磁强度和激磁时间；再由体外射频收发器给出施药触发指令，同时将所需的激磁强度和激磁时间下传；电子胶囊的微控制器读取到体内射频收发器收到的触发指令和激磁数据后，由激磁时间调节电路、激磁强度调节电路输出相应时间的激磁电流至电磁线圈，对施药剂量和速度进行控制；由此实现药物的多次输送。

当施药时间长于1秒的情况下，为避免施药期间由于胶囊的姿态角改变而引入的施药剂量和施药速度的误差，可每隔特定时间段由数据处理平台重新获取胶囊的姿态角信息，以此调整激磁强度和激磁时间。数据刷新间隔时间可由操作者通过数据处理平台设置。

本发明具有以下优点和特点：

1、采用姿态角检测与磁矢量传感相结合的胶囊方位跟踪方法，结合四元数旋转变换理论，将基准系的磁矢量模型变换至运动坐标系，减少了跟踪数学模型的未知量个数，改进了跟踪方法的快速实时性，提高了求解精度。

2、施药驱动装置采用两个永磁体形成的梯度磁场，在其中放置可动式电磁线圈，作为施药的执行机构。电磁线圈的激磁信号由数据处理平台根据设置的施药剂量和施药速度、以及电子胶囊的当前姿态角计算得到。当在电磁线圈中通以设定方向的电流，即可使第一永磁体吸引电磁线圈而第二永磁体排斥电磁线圈，从而避免了电磁线圈运动行程较大时驱动力随行程增加导致的迅速衰减，实现了大剂量药物的释放。

3、采用了施药单向阀的结构，且设置了适宜的开启压力，一方面可使在未施药状态下，储药囊内的药液不会泄露；另一方面，当需要施药时，只需由位置跟踪与驱动控制模块控制电磁线圈的激磁强度，使作用于储药囊上的驱动力大于单向阀的开启压力，即实现了药物释放的功能。为多次施药提供了保障。

4、通过数据处理平台可设置电子胶囊的施药次数，以及每次施药的目标位置、施药剂量、施药速度。待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根 据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需的临界驱动力，并结合施药剂量和施药速度，求出电磁线圈所需的激磁强度和激磁时间无线下传至电子胶囊。实现了施药剂量、施药速度的可控性，并可实现药物的多次输送。当施药时间长于1秒的情况下，姿态角、激磁强度、激磁时间的刷新时间间隔可由操作者通过数据处理平台设置。

附图说明

图1是本发明中的电子胶囊的结构示意图。

图2是本发明中的位置跟踪与驱动控制模块的组成框图。

具体实施方式

参见图1，本发明用于消化道的电子胶囊，包括外壳1以及顺序设置在外壳内的施药单向阀2、第一永磁体3、储药囊4、薄圆柱片5、电磁线圈6、第二永磁体7、位置跟踪与驱动控制模块8。其中，第一永磁体3设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。第一永磁体3和第二永磁体7均为沿轴向磁化的圆柱永磁体，并按磁极相反布置，形成梯度磁场。电磁线圈6为可动式电磁线圈，电磁线圈的激磁信号由位置跟踪与驱动控制模块8提供。当在电磁线圈中通以设定方向的电流，即可使第一永磁体3吸引电磁线圈而第二永磁体8排斥电磁线圈，从而避免了电磁线圈运动行程较大时驱动力随行程增加导致的迅速衰减，实现了大剂量药物的释放。

参见较2，本发明中的位置跟踪与驱动控制模块8包括交变磁信号传感器81、可编程放大及滤波电路82、均方根拾取电路83、采样及ad转换电路84、姿态角检测体内电路85、信号处理电路86、微控制器87、体内射频收发器88、天线89、激磁时间调节电路90、激磁强度调节电路91、电池及电源管理电路92。其中交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及ad转换电路、微控制器、体内射频收发器和天线按顺序电信号相连，姿态角检测体内电路的输出连接信号处理电路，信号处理电路的输出连接采样及ad转换电路，激磁时间调节电路和激磁强度调节电路的输入分别连接微控制器；电池及电源管理电路分别与各用电元件电连接。

本发明基于电子胶囊的药物输送方法是，在体外设置姿态角检测体外模块、位 置跟踪体外模块、体外射频收发器和数据处理平台；电子胶囊的姿态角检测采用三轴地磁场检测原理和四元数旋转理论，电子胶囊的位置跟踪采用交变磁矢量传感原理，并结合姿态角检测，将电子胶囊的运动坐标系旋转变换至体外的基准坐标系，建立空间磁矢量与胶囊位置的数学模型；由体外射频收发器无线接收电子胶囊发送的磁矢量信号和姿态角信号，通过数据处理平台实时求解，实现电子胶囊的位置跟踪；待电子胶囊达到目标区域，通过射频信号触发施药单向阀将药物释放。

设定施药单向阀的开启压力略大于电子胶囊的出药口竖直向下时受到的总压力值。一方面可使未施药状态下储药囊内的药液不会泄露；另一方面，当需要施药时，只需由位置跟踪与驱动控制模块控制电磁线圈的激磁强度，使作用于储药囊上的驱动力大于单向阀的开启压力，即实现了药物释放的功能。

数据处理平台提供了人机交互界面，可设置电子胶囊的施药次数，以及每次施药的目标位置、施药剂量、施药速度；待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需的临界驱动力，并结合施药剂量和施药速度，求出所需的激磁强度和激磁时间；再由体外射频收发器给出施药触发指令，同时将所需的激磁强度和激磁时间下传；电子胶囊的微控制器读取到体内射频收发器收到的触发指令和激磁数据后，由激磁时间调节电路、激磁强度调节电路输出相应时间的激磁电流至电磁线圈，对施药剂量和速度进行控制；由此实现药物的多次输送。

当施药时间长于1秒的情况下，为避免施药期间由于胶囊的姿态角改变而引入的施药剂量和施药速度的误差，可每隔特定时间段由数据处理平台重新获取胶囊的姿态角信息，以此调整激磁强度和激磁时间。数据刷新间隔时间可由操作者通过数据处理平台设置。

本发明的工作过程原理说明如下：

在位置跟踪体外模块工作之前，首先由姿态角检测体外模块检测地磁矢量在基准坐标系的分量；同时，在胶囊内的姿态角检测体内电路检测地磁矢量在动坐标系的分量，并经由信号处理电路、采样及ad转换电路送至微控制器，再通过体内射频收发器无线发送，由体外无线接收送至数据处理平台，由此获得由基准系到动坐标系的旋转四元数。

设姿态角检测体外模块输出的地磁场矢量的三个坐标分量均平行于基准坐标系o-xyz的三轴，地磁场矢量在基准坐标系的输出记为：

将电子胶囊内姿态角检测体内电路输出的地磁矢量的三个分量方向依次平行于动坐标系o′-x′y′z′三轴，并且，使胶囊的旋转中心轴平行于o′z′。地磁场矢量在胶囊动坐标系的输出记为：

引入四元数姿态角原理，将磁场矢量与采用四元数表示：

则旋转四元数q为：

其中，

随后，位置跟踪体外模块分时对四个磁场源激磁，依次产生交变磁场。由交变磁信号传感器将磁信号转换为电信号，经由可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及ad转换电路送至微处理器，再通过体内射频收发器无线传输至体外进行处理，获得胶囊的位置。

待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需克服的阻力。

设初始状态时，胶囊的旋转中心轴平行于基准坐标系oz轴，胶囊重力的反方向平行于基准坐标系ox轴，则在基准坐标系中，磁场驱动力沿oz轴正向，药囊与施药可动线圈的重力大小为g，沿ox轴负向。若将可动线圈的外径设计为略小于胶囊外壳的内径，且在缝隙处涂满润滑剂，可忽略施药可动线圈与胶囊外壳之间的摩擦力。则驱动装置的驱动力大于单向阀的开启压力值fk，则可实现药物释放。

当胶囊在体内运动时，胶囊的旋转中心轴平行于动坐标系o′z′轴；o′x′轴垂直于o′z′轴，且处于胶囊重力与o′z′轴形成的平面内。根据四元数旋转原理，可得药囊与施药可动线圈的重力g在动坐标系的分量为：

因此可得到施药所需克服的阻力大小为：

fl＝fk-gz′(7)

再根据磁场驱动力fc与激磁电流强度i，可拟合出两个参数之间的函数关系式：

fc＝g(i)(8)

由施药阻力，结合设置的施药剂量q(单位ml)和施药速度v(单位ml/s)，求出所需的激磁时间t为：

t＝q/v(9)

设胶囊横截面的半径为r，施药可动线圈的加速度a为：

设可动线圈的质量为m，则：

g(i)-(fk-gz′)＝m·a(11)

将式(10)代入式(11)，再根据磁场驱动力与激磁强度的拟合函数关系式，确定所需的激磁强度。

数据处理平台输出信号使体外射频收发器给出施药触发指令，同时将求出的激磁时间和激磁强度通过体外射频收发器下传；电子胶囊的微处理器读取到体内射频收发器收到的触发指令和激磁数据后，由激磁时间调节电路、激磁强度调节电路输出相应时间的激磁电流至电磁线圈。

当施药时间长于1秒的情况下，为避免施药期间由于胶囊的姿态角改变而引入的施药剂量和施药速度的误差，可每隔特定的数据刷新时间间隔，由数据处理平台重新获取胶囊的姿态角信息，以此调整激磁强度和激磁时间。数据刷新时间间隔可由操作者通过数据处理平台设置。