基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜

1.本发明属于医疗器械技术领域。


背景技术：

2.目前，在胃部疾病检查中，医生通常使用内窥镜插入人体内部，通过内窥镜能按顺序清晰地观察食管、胃、十二指肠球部甚至降部的黏膜状态，而且可以进行活体的病理学和细胞学检查。胃镜检查诊断可靠、安全性高。在肠道检查中，医生将内窥镜经肛门循腔插入至回盲部，从黏膜侧观察结肠病变。肠镜检查几乎可以满足全部结肠区域的检查需要。
3.但是在胰腺和胆管等微小器官或组织的检查中，通常采用b超、ct或者ercp等影像技术。其中内镜下逆行胰胆管造影术(ercp)是将内窥镜插入十二指肠降部，寻找胰胆管开口的乳头，再经活检孔插入造影导管，注入碘对比剂进行x线检查的一种方法。上述方法存在观察图像不清晰、容易对患者造成伤害等问题。
4.如果微小器官或组织的检查能够像胃肠检查一样使用内窥镜直接观察，那么既可以提高图像质量，便于医生诊断，还可以减轻患者痛苦，减少对患者的伤害。然而，胰腺管道非常狭窄，直径仅为几毫米，而使用外径约为10毫米的现有内窥镜则是不可能进行的。因此，就需要一种微型内窥镜，然而现有的内窥镜控制方法均不适用于微型内窥镜的驱动和位置控制，现有的内窥镜控制方法应用在微型内窥镜控制中存在控制精度差的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有的微型内窥镜控制中存在控制精度差的问题，提出了一种基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜。
6.本发明所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜，它包括：壳体、导电介质层、镜头、扫描光纤、光纤支架、n个电极片、n个电压源、电压检测装置和控制器；其中，n为整数，且n≥2；
7.壳体为两端开口的筒形结构，所述筒形结构的一端嵌固有镜头，另一端设置有光纤支架，所述光纤支架为中心开孔的圆形结构，扫描光纤的前端穿过圆形结构的中心孔至壳体内部，且扫描光纤的前端临近镜头；所述扫描光纤的表面涂有导电介质层；
8.n个电极片均为矩形，且均贴设在所述壳体的内壁上，所述n个电极片的长边均与壳体的轴线平行；
9.n个电极片分别通过导线与n个电压源的正极一一对应连接，导电介质层同时连接n个电压源的负极；所有电压源的控制信号输入端连接控制器的电压控制信号输出端；
10.电压检测装置用于采集n个电极片与导电介质层之间的电压；
11.控制器用于根据n个电极片中的电流、n个电极片与导电介质层之间的电压和频率计算扫描光纤的偏移量。
12.进一步地，本发明中，控制器还用于根据扫描光纤的偏移量和目标位置，控制电压源的输出电压，直至扫描光纤达到目标位置。
13.进一步地，本发明中，控制器根据n个电极片中的电流、n个电极片与导电介质层之间的电压和频率计算扫描光纤的偏移量的方法为：
14.将n个电极片与导电介质层之间等效为n个电容，利用公式：
15.i＝-2πfc
×
u(t)sin(2πf
×
t)
16.计算获得每个等效电容的电容值，其中，i为电极片中的电流，f为电压源的频率；c为电极片和导电介质层间的等效电容值，u(t)为电极片与导电介质层之间的电压；
17.再利用：
[0018][0019]
计算获得每个电极片与导电介质层间的距离，其中，ε为电极片和导电介质层间的介电常数，s为电极片和导电介质层间的正对面积，d为电极片与导电介质层间的距离；
[0020]
最后，利用n个电极片与导电介质层间的距离，获得扫描光纤的偏移量。
[0021]
本发明结构简单，采用静电力对扫描光纤进行驱动，满足了内窥镜对驱动结构尺寸的要求，且本发明将电极片与导电介质层之间等效为电容，进而获得电极片与导电介质层之间的距离，并根据导电介质层与电极片之间距离求得光纤的偏移量，根据所述偏移量控制光纤位置，实现扫描，该种方式无需大型的驱动结构，只需要改变电压源的输出电压即可实现对光纤的控制，结构简单，且精确度高，可以对扫描光纤的位置进行闭环控制，避免扫描光纤在开环控制下的非线性响应造成图像失真或限制帧速率。
附图说明
[0022]
图1是本发明所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜的结构示意图；
[0023]
图2是本发明所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜初始状态时扫描光纤位置示意图；
[0024]
图3是本发明所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜扫描光纤移动后的位置示意图；
[0025]
图4是本发明所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜的控制原理框图；
[0026]
图5为x轴方向的两个电压源输出的驱动信号；
[0027]
图6为y轴方向的两个电压源输出的驱动信号；
[0028]
图7为扫描光纤移动的轨迹图。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于静电力驱动的光纤扫描内窥镜，包括：壳体2、导电介质层3、镜头4、扫描光纤5、光纤支架6、n个电极片7、
n个电压源8、电压检测装置9和控制器10；其中，n为整数，且n≥2；
[0032]
壳体2为两端开口的筒形结构，所述筒形结构的一端嵌固有镜头4，另一端设置有光纤支架6，所述光纤支架为中心开孔的圆形结构，扫描光纤5的前端穿过圆形结构的中心孔至壳体2内部，且扫描光纤5的前端临近镜头4；所述扫描光纤5的表面涂有导电介质层3；
[0033]
n个电极片7均为矩形，且均贴设在所述壳体2的内壁上，所述n个电极片7的长边均与壳体2的轴线平行；
[0034]
n个电极片7分别通过导线1与n个电压源8的正极一一对应连接，导电介质层3同时连接n个电压源8的负极；所有电压源8的控制信号输入端连接控制器10的电压控制信号输出端；
[0035]
电压检测装置9用于采集n个电极片7与导电介质层3之间的电压；
[0036]
控制器10用于根据n个电极片中的电流、n个电极片7与导电介质层3之间的电压和频率计算扫描光纤5的偏移量。
[0037]
进一步地，本实施方式中，控制器10还用于根据扫描光纤5的偏移量和目标位置，控制电压源8的输出电压，直至扫描光纤5达到目标位置。
[0038]
本发明采用静电力驱动，以镀导电介质的扫描光纤静止位置为中心，四周放置多个(不少于2个，例如4个)电极。如图4所示,中心的扫描光纤镀导电介质后，形成中心电极。在中心电极和四周电极施加电压，中心电极会受到四周电极的静电力作用。通过施加不同的电压，可以驱动中心扫描光纤产生不同的位移。
[0039]
采用等效电容的方法进行检测，四周电极同中心电极具有等效电容。由于电容值同电极等效面积成正比，同电极间等效距离成反比。所以镀导电介质的扫描光纤位于中心时，电容值相等，偏离中心时，电容值不相等。通过对各等效电容进行实时探测，即可通过电容与位置的关系得到镀导电介质的扫描光纤的偏离位置。
[0040]
进一步地，本实施方式中，控制器10根据n个电极片中的电流、n个电极片7与导电介质层3之间的电压和频率计算扫描光纤5的偏移量的方法为：
[0041]
将n个电极片7与导电介质层3之间等效为n个电容，利用公式：
[0042]
i＝-2πfc
×
u(t)sin(2πf
×
t)
[0043]
计算获得每个等效电容的电容值，其中，i为电极片7中的电流，f为电压源8的频率；c为电极片7和导电介质层3间的等效电容值，u(t)为电极片7与导电介质层3之间的电压；
[0044]
再利用：
[0045][0046]
计算获得每个电极片7与导电介质层3间的距离，其中，ε为电极片7和导电介质层3间的介电常数，s为电极片7和导电介质层3间的正对面积，d为电极片7与导电介质层3间的距离；
[0047]
最后，利用n个电极片7与导电介质层3间的距离，获得扫描光纤的偏移量。
[0048]
进一步地，本实施方式中，壳体2为绝缘材料。
[0049]
进一步地，本实施方式中，扫描光纤5位于壳体2内的部分均涂有导电介质层3。
[0050]
进一步地，本实施方式中，电压源电压范围30v～100v。
[0051]
进一步地，本实施方式中，扫描光纤5在壳体2内的初始位置与壳体2的中轴线重合。
[0052]
如附图1所示，为一种基于静电力驱动和等效电容检测的光纤扫描内窥镜的结构示意图。将镀有导电介质的扫描光纤固定在光纤支架上，圆管形壳体中均匀分布4个电极，各个电极之间填充绝缘物质。
[0053]
如附图2所示，初始时刻，镀有导电介质层的扫描光纤位于圆管形的壳体中心位置。
[0054]
如附图3所示，在静电力的作用下，镀有导电介质层3的扫描光纤5会产生位移，施加不同的电压值，可以使镀有导电介质层3的扫描光纤5产生不同的位移，即实现了扫描光纤5的静电力驱动。
[0055]
本发明中可根据实际需要的位移及方向预先设定电压源的输出电压的幅值，实现控制扫描光纤按照设定的轨迹进行扫描。
[0056]
如附图4所示，为一种驱动扫描光纤运动的控制方法框图。通过导线1给导电介质层3和壳体2中的4个电极片施加4个不同的电压v1、v2、v3、v4。如附图5所示，水平方向x的电极片的电压差的幅值以余弦三角波的模式进行调制。如附图6所示，竖直方向y的电极片的电压差的幅值以正弦三角波的模式进行调制。如附图7所示，在水平方向x的静电力和竖直方向y的静电力共同作用下，镀有导电介质层3的扫描光纤5就会形成螺旋扫描轨迹。
[0057]
当扫描光纤5位于壳体中心位置时，壳体2中的4个电极片与导电介质层的等效电容值相等；偏离中心位置时，壳体2中的4个电极片与导电介质层的电容值不相等。因此，在上述水平方向x的电极片和竖直方向y电极片间的电压差产生静电力驱动中心扫描光纤5运动；利用等效电容的大小与扫描光纤5的位置的关系，将位置反馈，利用控制器将反馈线性化，消除非线性影响，避免扫描光纤5在开环控制下的非线性响应造成图像失真或限制帧速率。上述过程构成了闭环控制，保证扫描光纤5在控制下可以做螺旋扫描，并通过镜头4获得检查器官或组织的清晰图像。
[0058]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。