消化道磁悬浮胶囊机器人模型及控制系统

医疗装备 2019年9月第32卷第17期 Medical Equipment, September. 2019,Vol. 32, No.17

目前我国慢性消化系统疾病发病率为24.9%，其中消化道肿瘤是高发病种。《柳叶刀》上的报告显示2010—2014年中、日、韩3国胃癌患者5年生存率分别为35.9%、60.3%、68.9%，我国胃癌患者5年生存率远低于周边国家。消化系统疾病的筛查工作不便开展，其主要因素是传统插管式胃镜检查让患者痛苦不堪。胶囊内窥镜可大幅度减少消化道检查引起的不适感，但普通胶囊内窥镜不适用于胃部检查，漏检率较高。本研究设计的磁悬浮微型机器人定点释药导航系统适用于胃部、小肠等消化道疾病的检查及治疗。

1?研究现状

2000年在美国加利福尼亚圣地亚哥的消化疾病周会议上，来自以色列的Given Imaging公司，宣布研制了世界上第一个无创可吞咽胶囊式肠镜拍摄检查系统“M2A” [1]，可实现小肠 “无痛”检查。但是胃肠道梗阻患者使用该胶囊内窥镜时存在胶囊滞留现象。胶囊滞留是指胶囊在胃肠道内滞留时间长达2周以上[2]，小肠胶囊内窥镜的滞留率为1.4%~2.6%[3]。因此Given Imaging公司开发了一种能够自我分解的胶囊AgileTM Patency System用于小肠检测[4]。2004年重庆金山科技集团开发出国内第一款小肠胶囊内窥镜“OMOM”，并于2005年3月获得原国家食品药品监督管理局颁发的医疗器械注册证。2006年日本奥林巴斯公司发布了一款小肠胶囊内窥镜，具有0~20 mm的景深和自动照明亮度控制功能，可持续工作8 h，每秒可实时发送2张图像到体外采集器上。SmartPill公司推出一款可检测pH、温度和压力的胶囊内窥镜，并于2006年获得美国食品药品管理局（U.S. Food and Drug Administration，FDA）批准上市。2009年杭州华冲科技有限公司在国家“863计划”的支持下，用自主知识产权专用芯片开发出胶囊内窥镜，并于2011年获得原国家食品药品监督管理局颁发的医疗器械注册证。图1为目前市场常见的几种胶囊内窥镜，主要分为可控和不可控两大类。胶囊内窥镜可一次拍摄几万张消化道照片，医师需花费大量时间仔细对比，查找可疑病灶图像，严重影响工作效率，导致检查的时间成本增加，且与传统软管式胃肠镜对比，胶囊内窥镜无法进行活检取样等操作。

图1　市场常见的几种胶囊内窥镜

当前，胶囊内窥镜的智能驱动已经成为一个热门研究课题。2003年日本东北大学Sendoh和Ishiyama[5]提出一种类似三轴亥姆霍兹线圈提供旋转空间磁场，使胶囊能够旋转起来，依靠胶囊表面设计的螺旋纹结构推动旋进。2004年奥林巴斯公司提出由3对电磁铁构建一个均匀的电磁场驱动胶囊内窥镜旋转，借助外表面螺纹结构，实现胶囊的前进后退，同时内置了无线能量传输技术[6]。日本长野县RF SYSTEM实验室的Norika团队提出一款具有无线充电、活检采样仓、定点释药仓、无线图像传输、可变波长发光二极管（LED）等技术的磁控胶囊，外部3个方向的磁场变化可带动胶囊做类似电机内转子的旋转运动，实现胶囊的旋转运动[7]，目前该方案仅是构想，未实现商业化。2010年Gao等[8]设计、构造了一种多自由度磁场驱动胶囊内窥镜推进系统，采用一个永磁铁柱状外壳包覆胶囊表面，通过两组钕铁硼永磁铁提供的磁场驱动胶囊内窥镜，每组包含1个矩形和1个圆柱形永磁铁，应用有限元方法仿真磁场分布和力学特性，并通过试验模拟胶囊在肠道内运动，表明了该方法的可行性。安翰科技（武汉）股份有限公司开发出一款Navicam磁控胶囊胃镜检查系统，可通过控制C型机械臂实现胶囊旋转、翻转[9-10]，并于2013年获得原国家

消化道磁悬浮胶囊机器人模型及控制系统

郑齐1，2，冯久奎3

1　福州大学至诚学院　（福建福州　350002）；2　福州大学物理与信息工程学院　（福建福州　350108）； 3 锐捷网络股份有限公司　（福建福州　350002）

〔摘　要〕通过分析现有胶囊内窥镜的功能及工作方式，发现传统胶囊内窥镜存在可控性差、图像分析

工作量大、运动模式及功能单一等缺点。本研究提出一种基于磁悬浮控制技术的胶囊机器人，并介绍配套的

检测平台模型，该模型能够实现胶囊机器人悬浮于设定高度并可调整角度。该胶囊机器人有望应用于人体消

化道图像筛查、病变部位活检取样、小剂量针对性定点释药等。

〔关键词〕磁悬浮；导航；胶囊机器人；活检取样；定点释药

〔中图分类号〕TP242 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1002-2376（2019）17-0011-03

基金项目：福建省教育厅中青年教师教育科研（科技类）项目

（JAT170848）

收稿日期：2019-06-11

·医学工程·

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