专利名称：基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种基于无线供能体外磁 控制取样胶囊系统。
背景技术：
现代人由于工作节奏加快、饮食不均、导致消化道疾病的发病率日趋升高，消化道 疾病成为影响现代人健康的常见的一种疾病，据统计分析发现，消化道疾病正在向低龄化 和隐蔽化方向发展。消化道疾病的可视化检测对于消化道疾病的预防和诊疗具有非常重要 的作用，而人体全消化道总长9米，由于消化道形状属于细长管道，分布于人体躯干各个器 官之间，全消化道结构的不规则封闭性，给临床上消化道疾病的检测和取样带来很大的挑 战。临床上实施的消化道疾病的可视化检测主要有两种胃肠、肠镜和胶囊内窥镜两 大类。胃镜、肠镜检测属于主动检测，能够实现对全消化道疾病“定点”诊断，但胃镜、肠镜 检测过程中可能存在导致胃创伤、肠创伤的风险，检测过程中会给病人带来巨大的痛苦。胶 囊内窥镜检测属于无创检测方法，患者口服胶囊内窥镜后即可实施消化道疾病的检测，不 会给患者带来不适或痛苦的感觉，但胶囊内窥镜在患者消化道内只能跟随消化道的蠕动开 展诊断，胶囊内窥镜的运动完全属于被动运动方式，胶囊内镜对于消化道疾病的诊断也属 于“局部性”和“随机性”诊断，不能对消化道疾病实施主动“定点”诊断，胶囊内窥镜诊断全 过程存在很大的盲区，极大限制了胶囊内窥镜在全消化道疾病可视化诊断中的临床应用。另一方面，通过胶囊图像发现有疾病病灶，进一步确定疾病类型时，需要通过消化 道疾病周围的生物组织取样分析确定疾病类型，实现消化道疾病组织的取样要求，对于胃 部以上消化道和结肠以下消化道在胃镜和肠镜的视频图像导航下可完成取样工作，但在取 样过程中仍然存在导致胃创伤、肠创伤的风险，取样过程中患者需要承受巨大痛苦。对于小 肠所在的消化道存在的病理组织取样，无法采用传统的胃镜和肠镜，需要通过手术方法实 现病理组织取样，这对于患者而言造成的痛苦是可想而知的。现有胶囊内窥镜仅仅具备消 化道图像的拍摄功能，完全不具备消化道道理组织的取样功能，无法利用胶囊内窥镜开展 消化道病理组织的取样工作。经对现有技术检索发现，《机电工程技术》2006年第35卷第8期上的论文“新型胶 囊式胃肠道取样微机电系统的设计与试验研究，公布了一种消化道胃液的取样胶囊系统， 该系统利用体外磁场来操作和控制取样驱动机构，但该系统存在至少两个缺点，首先没有 图像导航装置，取样胶囊系统进入消化道后，无法确定取样胶囊系统接近目标位置；其次体 外操作者无法主动控制取样胶囊系统的姿态和位置，无法对取样胶囊系统开展主动的取样 操作控制，因此论文公布的取样胶囊系统不能应用于临床。现有胶囊内窥镜系统受限于运动方式、供电方式等限制，还远远达不到体外主动 控制胶囊内窥镜诊断疾病并实现病理组织取样的要求。虽然胃镜和肠镜具备在上消化道和 结肠以下消化道诊断疾病并开展病理取样的功能，但在诊断和取样过程存在创伤和给患者带来很大痛苦，同时不具备诊断小肠疾病和在小肠病理取样的功能。因此现有技术无法满 足临床无创或微创诊断的实际需求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于无线供能体外磁控制取样胶 囊系统，实现体外操作控制者对取样胶囊的姿态和位置的主动控制。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括取样胶囊、体外磁驱动装置、体 外取样操作控制装置、体外无线供能装置和体外图像实时处理装置，其中取样胶囊位于消 化道内并采集消化道环境信息，体外取样操作控制装置与取样胶囊以无线方式连接并传输 取样控制信息，体外图像实时处理装置与取样胶囊以无线方式连接并传输胶囊视频信息并 以图形方式输出，体外无线供能装置向取样胶囊以交变磁场方式提供能量，体外磁驱动装 置与取样胶囊的永磁装置通过同极性永久磁场相互排斥的方式实现体外磁驱动装置改变 和调节取样胶囊姿态和位置。所述的取样胶囊包括模拟图像传感器、照明系统和取样装置以及外壳及设置于 其内部的主控制系统、图像无线发送装置、数字信号无线收发装置、整流装置、无线能量接 收线圈、存储器和永磁装置，其中模拟图像传感器和照明系统安装在外壳的外侧端部，取 样装置安装在取样胶囊外壳的外表面，存储器安装在取样胶囊外壳与永磁装置之间，无线 能量接收线圈接收由体外无线供能装置发送的交变磁场并转化为交流电动势，整流装置与 无线能量接收线圈相连并将交流电动势转化为直流电压，整流装置分别与模拟图像传感 器、照明系统、主控制系统、图像无线发送装置、取样装置相连并提供直流电源，图像无线发 送装置将模拟图像传感器采集到的视频图像转化为电磁波直接传送到患者体外，主控制系 统实现对模拟图像传感器的成像参数调节，主控制系统根据接收到的体外取样控制指令， 控制取样装置对病灶组织开展取样，取样获得的病理组织保存到存储器。取样胶囊的永磁 装置与取样胶囊的其它部分没有任何电气联接，永磁装置形成的永久磁场直接与体外磁驱 动装置的永久磁场相互作用，根据永久磁场相互作用原理同极性相斥，异极性相吸，从而 保证体外磁驱动装置对取样胶囊姿态和位置的控制。所述的外壳为胶囊体状，两端部接近光滑球头状。所述的体外磁驱动装置为具有永磁体的磁驱动控制装置，其中磁驱动控制装置 通过调节永磁体与取样胶囊之间的位移和方向实现对取样胶囊姿态和位置的调整。所述的体外取样操作控制装置为具有无线单元的取样控制装置，其中取样控制 装置生成取样控制信号并由无线单元输出至取样胶囊。所述的体外无线供能装置包括体外无线能量发射线圈和电源控制器，其中电 源控制器与直流或交流电源相连并输出具有时序的控制信号至体外无线能量发射线圈，体 外无线能量发射线圈将控制信号转变为交变电磁场并输出至取样胶囊。所述的体外图像实时处理装置包括体外图像实时接收模块和计算机工作站，其 中体外图像实时接收模块实时接收由取样胶囊发送到体外的拍摄图像并传送到计算机工 作站，计算机工作将图像显示在计算机屏幕上，为操作控制者实现取样胶囊姿态、位置控制 和取样操作提供图像导航功能。本发明与现有技术相比，实现体外操作控制者对取样胶囊的姿态和位置的主动控制，可以完成消化道图像的“定点”诊断，为取样操作实现“定点”操作控制，同时体外主动 控制取样胶囊姿态和位置的操作均在取样胶囊视频图像导航下进行，目前没有发现利用胶 囊视频图像导航开展取样胶囊本身姿态、位置调整和取样工作的技术，在本专利成果帮助 下，实现真正意义上的图像导航下的消化道疾病的图像诊断和病理组织取样。相比于现有 胃镜、肠镜和单一功能图像胶囊，具有明显的优点。本发明在消化道疾病诊断和病理组织取 样方面具有非常重要的实际应用价值。
图1为本发明工作原理示意图。图2为取样胶囊结构示意图。图3为体外磁驱动结构示意图。图4体外取样操作控制装置结构示意图。图5为体外无线供能装置示意图。图6为体外图像实时处理装置示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施包括取样胶囊1、体外磁驱动装置2、体外取样操作控制装置 3、体外无线供能装置4和体外图像实时处理装置5，其中取样胶囊1位于消化道内并采集 消化道环境信息，体外取样操作控制装置3与取样胶囊1以无线方式连接并传输取样控制 信息，体外图像实时处理装置5与取样胶囊1以无线方式连接并传输取样胶囊视频信息并 以图形方式输出，体外无线供能装置4向取样胶囊1以交变磁场方式提供能量，体外磁驱动 装置2与取样胶囊1根据永久磁场相互作用原理开展工作，即同极性永久磁场相斥，异极性 永久磁场相吸，且永久磁场间相互作用力与其距离有关，通过改变体外磁驱动装置的永久 磁场极性与取样胶囊永久磁场之间的距离和极性，从而保证体外磁驱动装置对取样胶囊姿 态和位置的控制。所述的取样胶囊1包括模拟图像传感器6、照明系统7和取样装置8以及外壳9 及设置于其内部的主控制系统10、图像无线发送装置11、数字信号无线收发装置12、整流 装置13、无线能量接收线圈14、存储器15和永磁装置16，其中模拟图像传感器6和照明 系统7安装在外壳9的外侧端部，取样装置8安装在取样胶囊1外壳9的外表面，存储器15 安装在取样胶囊1外壳9与永磁装置16之间，无线能量接收线圈14接收由体外无线供能 装置4发送的交变磁场并转化为交流电动势，整流装置13与无线能量接收线圈14相连并 将交流电动势转化为直流电压，整流装置13分别与模拟图像传感器6、照明系统7、主控制 系统10、图像无线发送装置11、取样装置8相连并提供直流电源，图像无线发送装置11直 接将模拟图像传感器6采集到的模拟视频传送到体外，主控制系统10可以对模拟图像传感 器6进行成像参数的调节，永磁装置16与其它部分不产生任何电气联接，永磁装置16形成 的永久磁场与体外磁驱动装置2的永久磁场遵循同极性永久磁场相互排斥、异极性永久磁场相互吸引原理，实现体外磁驱动装置2对取样胶囊1的永磁装置16的姿态和位置调节， 主控制系统10控制取样装置8开展病理组织取样，取样装置8与存储器15相连输出病理 组织样本。所述的外壳9为胶囊体状，两端部接近光滑球头状。本实施例中该体外磁驱动装置2通过与取样胶囊1内的永磁装置16形成的同极 性永久磁场相互吸引，异极性永久磁场相互吸引的原理以实现控制取样胶囊1的姿态和位置。本实施例中该无线能量接收线圈14通过接收到体外无线供能装置4产生的交变 电磁场，并将交变电磁场转化为交变电动势，从而接收体外发送的能量。本实施例中该数字信号无线收发装置12接收体外取样操作控制装置3发送的取 样控制信号，将取样控制信号传送到主控制系统10，主控制系统10根据取样控制信号控制 启动取样装置8开展病理组织取样，取样获得的病理组织传送到存储器15保存。本实施例中该无线能量接收线圈14接收到体外无线供能装置4发送的交变电磁 场，将交变电磁场转化为交变电动势，整流装置13将交变电动势转化为适合的直流电源， 该直流电源供给模拟图像传感器6、照明系统7、取样装置8以及外壳9及设置于其内部的 主控制系统10、图像无线发送装置11、数字信号无线收发装置12、整流装置13、无线能量接 收线圈14、存储器15和永磁装置16，本实施例中该永磁装置16产生的永久磁场与体外磁驱动装置2的永磁装置18产 生的永久磁场遵循同极性永久磁场相互排斥、异极性永久磁场相互排斥的原理，当永磁装 置18产生的永久磁场极性与取样胶囊1的永磁装置16形成的永久磁场极性相同，并且永 磁装置18靠近人体时，根据同极性磁场相互排斥原理，消化道内的取样胶囊1就会远离永 磁装置18，而当永磁装置18产生的永久磁场极性与取样胶囊1的永磁装置16形成的永久 磁场极性异性，并且永磁装置18靠近人体时，根据异极性磁场相互吸引原理，消化道内的 取样胶囊1会靠近永磁装置18，通过不断调节永磁装置18的永久磁场极性、位置和方向，可 以实现控制消化道内的取样胶囊1的姿态和位置。所述的体外磁驱动装置2为具有永磁装置18的磁驱动控制装置17，其中磁驱动 控制装置17通过调节永磁装置18与取样胶囊1之间的距离和方向实现对取样胶囊1姿态 和位置的调整。本实施例中体外取样操作控制装置3包括无线单元19和取样控制装置20，取样 控制装置20生成的取样控制信号通过无线单元19发送到消化道内的取样胶囊1，由取样胶 囊1的数字信号无线收发装置12接收，并传送给主控制系统10，主控制10根据取样控制信 号，控制取样装置8开展病理组织取样，取样获得的病理组织被送入存储器15保存。所述的体外无线供能装置4包括体外无线能量发射线圈19和电源控制器20，其 中电源控制器20与直流或交流电源相连并输出具有时序的控制信号至体外无线能量发 射线圈21，体外无线能量发射线圈21将控制信号转变为交变电磁场并输出至取样胶囊1。所述的体外图像实时处理装置5包括体外图像实时接收模块23和计算机工作站 M，其中体外图像实时接收模块23实时接收由取样胶囊1发送到体外的拍摄图像并传送 到计算机工作站24，计算机工作站M将图像显示在计算机屏幕上，为操作控制者实现取样 胶囊1姿态、位置控制和取样操作提供图像导航功能。
本装置通过以下方式进行工作患者通过吞服取样胶囊1，体外无线供能装置4开 始工作，电源控制器22将直流电源转变为一定频率的交变信号并传送到体外无线能量发 射线圈21，体外无线能量发射线圈21将电能转变为一定频率的交变磁场，该交变磁场被体 内取样胶囊1里的无线能量接收线圈14接收，在线圈内部产生交变电动势，该交变电动势 被整流装置13进行滤波整流后生成直流电源，该直流电源给照明系统7、取样装置8、模拟 图像传感器6、主控制系统10、图像无线发送装置11、数字信号无线收发装置12提供电源。 照明系统7、图像传感器3、主控制系统10和图像无线发送装置11即开始工作。模拟图像 传感器6将消化道壁的图像通过图像无线传送装置11传送到体外，由体外图像实时接收模 块23接收并传送到计算机工作站24，计算机工作站M将图像显示在屏幕上，操作者根据 图像，控制磁驱动控制装置17改变永磁装置18的位置和方向，体内取样胶囊1的永磁装置 16跟随体外永磁装置18的位置和姿态发生改变，改变了取样胶囊1在消化道内的姿态和位 置，模拟图像传感器6可以检测不同位置和姿态情况下消化道壁的图像并传送到体外，从 而确保操作者在图像导航下对消化道开展“定点”和“定向”的诊断。在诊断过程中，当发 现有消化道疾病时，在胶囊图像导航帮助下，操作者控制取样胶囊1靠近病灶病理组织，使 取样胶囊1的取样装置8紧贴病理组织，操作者利用体外取样操作控制装置3的取样操作 装置20发出取样操作控制信号，该控制信号通过无线单元19传送取样胶囊1，由数字信号 无线收发装置12接收并传送到主控制系统10，主控制系统10启动取样装置8工作，取样装 置8对病理组织取样，并将取样获得的病理组织样本送入存储器15保存。在取样过程中， 操作者可以操作体外磁驱动装置2改变取样胶囊1的姿态和位置，借助于计算机工作站M 上的图像导航，以实现在图像导航下对病理组织的取样操作。
权利要求
1.一种基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征在于，包括取样胶囊、体外磁 驱动装置、体外取样操作控制装置、体外无线供能装置和体外图像实时处理装置，其中取 样胶囊位于消化道内并采集消化道环境信息，体外取样操作控制装置与取样胶囊以无线方 式连接并传输取样控制信息，体外图像实时处理装置与取样胶囊以无线方式连接并传输胶 囊视频信息并以图形方式输出，体外无线供能装置向取样胶囊以交变磁场方式提供能量， 体外磁驱动装置与取样胶囊的永磁装置通过同极性永久磁场相互排斥的方式实现体外磁 驱动装置改变和调节取样胶囊姿态和位置。
2.根据权利要求1所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 取样胶囊包括模拟图像传感器、照明系统和取样装置以及外壳及设置于其内部的主控制 系统、图像无线发送装置、数字信号无线收发装置、整流装置、无线能量接收线圈、存储器和 永磁装置，其中模拟图像传感器和照明系统安装在外壳的外侧端部，取样装置安装在取样 胶囊外壳的外表面，存储器安装在取样胶囊外壳与永磁装置之间，无线能量接收线圈接收 由体外无线供能装置发送的交变磁场并转化为交流电动势，整流装置与无线能量接收线圈 相连并将交流电动势转化为直流电压，整流装置分别与模拟图像传感器、照明系统、主控制 系统、图像无线发送装置、取样装置相连并提供直流电源，图像无线发送装置直接将模拟图 像传感器采集到的图像传送到体外，主控制系统实现对模拟图像传感器成像参数的调节， 主控制系统控制取样装置对病理组织开展取样，取样装置与存储器相连输出病理组织样 本。
3.根据权利要求2所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 外壳为胶囊体状，两端部接近光滑球头状。
4.根据权利要求2所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 体外磁驱动装置为具有永磁体的磁驱动控制装置，其中磁驱动控制装置通过调节永磁体 与取样胶囊之间的位移和方向实现对取样胶囊姿态和位置的调整。
5.根据权利要求2所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 体外取样操作控制装置为具有无线单元的取样控制装置，其中取样控制装置生成取样控 制信号并由无线单元输出至取样胶囊。
6.根据权利要求1所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 体外无线供能装置包括体外无线能量发射线圈和电源控制器，其中电源控制器与直流 或交流电源相连并输出具有时序的控制信号至体外无线能量发射线圈，体外无线能量发射 线圈将控制信号转变为交变电磁场并输出至取样胶囊。
7.根据权利要求1所述的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，其特征是，所述的 体外图像实时处理装置包括体外图像实时接收模块和计算机工作站，其中体外图像实 时接收模块实时接收由取样胶囊发送到体外的拍摄图像并传送到计算机工作站，计算机工 作将图像显示在计算机屏幕上，为操作控制者实现取样胶囊姿态、位置控制和取样操作提 供图像导航功能。
全文摘要
一种医疗器械技术领域的基于无线供能体外磁控制取样胶囊系统，包括取样胶囊、体外磁驱动装置、体外取样操作控制装置、体外无线供能装置和体外图像实时处理装置，取样胶囊位于消化道内并采集消化道环境信息，体外取样操作控制装置与取样胶囊以无线方式连接并传输取样控制信息，体外图像实时处理装置与取样胶囊以无线方式连接并传输胶囊视频信息并以图形方式输出，体外无线供能装置向取样胶囊以交变磁场方式提供能量，体外磁驱动装置与取样胶囊的永磁装置通过同极性永久磁场相互排斥的方式实现体外磁驱动装置改变和调节取样胶囊姿态和位置。本发明实现体外操作控制者对取样胶囊的姿态和位置的主动控制。
文档编号A61B1/045GK102085084SQ20111004916
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者刘华, 姜萍萍, 王志武, 颜国正 申请人:上海交通大学