外磁场驱动无线胶囊式内窥镜的动力学模型

叶福丽，史贵连

外磁场驱动无线胶囊式内窥镜的动力学模型

叶福丽，史贵连

目的：建立外磁场驱动无线胶囊式内窥镜驱动力的动力学模型，并对模型进行仿真与实验。方法：磁场随线圈组中电流大小以及方向的改变而改变，利用磁场的改变控制无线胶囊式内窥镜的运动。结果：开发了OV7930外围电路PCB，并按设计组装成磁控无线胶囊式内窥镜胶囊。结论：实验中采集到清晰的图像，证明了该模型设计的可行性

内窥镜；驱动力；线圈；电流

AbstractObjectiveTo set up the dynamics model of wireless capsule endoscopy driven by external magneticfield and perform some experiments and emulations.MethodsThe magneticfield changed with the amount and direction of circuit in the coils.The change of magneticfield led to the moving of wireless capsule endoscopy.ResultsThe peripheral circuit of OV7930 was developed，and a magnetic controlled wireless capsule endoscopy MEMS system was assembled according to the design.ConclusionThe clear image is captured in experiments,which proves the feasibility of model design.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：21-23]

Key wordsendoscopy;driving force;coil;electric current

1 引言

无线内窥镜的优点是显而易见的。它可以携带，操作简单，检查期间不影响患者行走和日常生活，且无任何不适，无操作导致的并发症，不需要住院，可以实现全消化道的检查。对于小肠的检查优于任何传统的检查方式，包括CT、X射线和传统内窥镜，图像资料也可以反复分析[1-2]。但是，由于目前的技术水平限制，它也存在很多的不足，最大的问题是动力系统的问题——运动机械而且单一。这也正是我们需要解决的问题。

当前，主流无线内窥镜的驱动系统纯粹依靠肠道的蠕动来带动无线内窥镜在体内的运动，这种方式是最为常见的驱动形式。这种系统不需要考虑驱动问题，可以把胶囊做得很小，不足的是这种方式较难对准病灶，有时会导致检查失败。另外一种就是胶囊内部有驱动装置可以带动胶囊在体内做前后的螺旋推动运动，常见的就是带螺旋槽圆柱旋转推进器的无线内窥镜[3-4]，缺点是运动机械而且单一。

如果用外磁场驱动无线胶囊式内窥镜，就可以使患者吞服的无线肠胃内窥镜在医生的控制下做多自由度的移动，使内窥镜的摄像头直接在可疑区域做有针对性的检查。这样大大增加了检查的成功率，同时也减少了医生的检查时间，很大程度上提高了医生的工作效率。

2 力学假设

我们假设如下力学模型[5]：

（1）带有磁性材料的胶囊在力学上定义为通以一定电流的螺线管。

（2）带有磁性材料的胶囊的磁场分布与螺线管的磁场分布完全相同，并且人体以及其他的装置对于外磁场的分布没有影响。

根据以上的力学假设，我们可以建立一个模型，这个模型可以模拟带有磁性材料的胶囊在人体内受到外磁场力以及受磁场力影响进而发生动作的真实情况。在这个力学假设之中，有以下几点需要特别注意：螺线管的受力符合力的合成原则，不需要考虑螺线管的支撑、稳定以及固定的问题。

3 模型建立

如图1所示，建立相关模型[6]。黑色的圆为线圈，线圈采用多匝纯铜线圈。形状为正圆形，有利于产生均匀的磁场，并且磁场分布也较为规律，有利于以后的控制。立方体内充满液体，这样设计是因为人体内也是充满体液的。尽可能地模拟人体内的情况，以达到要求。并且，模型中的液体对于磁场的分布是没有重大影响的。人体处在磁场中时，可能会受到磁场的影响而对处在其中的胶囊内窥镜有所影响，根据已有的资料，这点影响可以不加以考虑。

模型的详细情况如图1所示。

图1 力学模型

（1）立方体为一个容器，容器中的柱体为螺线管，对螺线管通一定大小、方向的电流，产生磁场B。

作者单位：437100 湖北咸宁 咸宁学院生物医学工程学院（叶福丽、史贵连）

（2）螺线管浸泡在一定黏度系数的液体中，这种液体可以模拟人体器官以及体液等对胶囊运动的阻力作用，同样的，这种黏滞力也可以看作是维持胶囊平衡的力。

（3）在立方体容器的3个面上贴有3个大线圈，这3组线圈可以提供外磁场，分别位于立方体的A、B、C等3个面，如图1中的圆所示，产生的磁场分别为B1、B2、B3。

秦铁崖来京城之前，翻阅旧案卷宗，去了趟证物库房，翻出这个烟花筒带在身边。秦铁崖道：“你不叫乔十二郎，你是陆枫桥。”

（4）B1、B2、B3等 3 个磁场可以分别启动，也可以叠加使用，并且B1、B2、B3的磁场在立方体的空间内可以看作是均匀磁场[7]。

（5）B1、B2、B3对螺线管的作用力符合力的合成作用，也就是说螺线管受到B1、B2同时使用时的作用力F合与单独使用B1与B2时的作用力F1与F2的叠加F的效果是完全相同的。

4 模型仿真与实验

在实验室环境中，可以近似地模拟出以上的力学模型，做法如下：使用玻璃缸盛放一定量的黏度系数稳定的液体，这种液体对于螺线管的阻力可以近似地模拟出带磁性材料的胶囊在人体内受到的阻力，使用3组大的线圈分别如图1中的位置放置，通以一定的电流就可以产生类似于B1、B2、B3的均匀磁场。对于浸泡在液体中的螺线管，可以利用细线加以适量的束缚，这对模拟实际情况下的胶囊状态影响不大，因为在人体内，胶囊也是不可能悬浮的，总是会有一个支撑点来支撑胶囊。

线圈A、线圈B、线圈C和螺线管的电流方向如图2所示，产生的磁场方向如图2中所示，线圈A中通以图中电流方向时，产生的磁场方向为X轴负向，令线圈A中的电流方向为正向。线圈B中通以图中电流方向时，产生的磁场方向为Y轴负向，令此时线圈B中的电流方向为正向。线圈C中通以图中电流方向时，产生的磁场方向为Z轴负向，令此时线圈C中的电流方向为正向。当螺线管以竖直或者水平与Y轴放置时，电流方向如图中所示，产生的磁场方向为Z轴正向。

图2 线圈内的模型

5 可行性分析

根据图2中的电流方向进行分析，可以得出以下几点结论：

（1）当线圈A通以正向电流，线圈B和线圈C不通电，螺线管垂直放置，此时，线圈A对螺线管的作用力为X轴负向。

（2）当线圈B通以正向电流，线圈A和线圈C不通电，螺线管垂直放置，此时，线圈B对螺线管的作用力为Y轴负向。

（3）当线圈A、线圈C通以正向电流，线圈 B不通电，螺线管不是处于竖直状态，此时，线圈A和线圈C对螺线管的作用力为X轴负向。

（4）当线圈B、线圈C通以正向电流，线圈 A不通电，螺线管不是处于竖直状态，此时，线圈B和线圈C对螺线管的作用力为Y轴负向。

（5）当线圈C通以正向电流时，线圈A和线圈B不通电，螺线管处于竖直状态，线圈C对螺线管的作用力为Z轴正向。

（6）当线圈A、线圈B通以正向电流时，线圈C不通电，螺线管处于水平面时，线圈A和线圈B对螺线管的作用力为向Y轴负向的转动力。

以上6种情况是线圈A、线圈B、线圈C、螺线管在假定的正向电流的情况下得出的。根据磁场力的基本原理，很容易就得到线圈A、线圈B、线圈C、螺线管在其他的电流方向的情况下螺线管的受力情况。部分情况如表1所示。

表1 螺线管受力方向与螺线管磁场指向和线圈阵列电流方向的关系

线圈A、线圈B、线圈C可以独立启动操作，因此总共有27种组合方式，这对于处于任何状态的螺线管都可以进行操作。表1列举了其中的8种情况，对于螺线管的其他的电流方向和位置，通过3个线圈的不同电流方向和通断的搭配可以产生出相对应的磁场来改变螺线管周围的磁场，进而使其向着我们所需要的方向运动。

6 实验验证及结果分析

基于目前国际最新的微型CMOS图像传感器OV7930，对人体无线胶囊内窥镜胶囊进行了设计和实验研究开发了OV7930外围电路PCB，并按设计组装成磁控无线胶囊式内窥镜胶囊。无线内窥镜主要由微处理模块、照明模块、图像采集模块和图像传输模块构成，体外主要有图像接收和处理模块以及控制系统组成。其中，微处理模块主要负责协调“胶囊”各部分的工作、接受指令、控制照明等工作。图像采集模块负责采集图像数据并传送至传输模块，图像传输模块则负责将收集到的图像通过无线的方式传输至体外的接收机上。各个部分都在微处理模块的控制下协同工作，完成体内图像的采集工作。

为了减小“胶囊”的整体体积，采用尺寸比较小的环形天线[8-9]，分别使用不同的频率发送和接收信号，一个用于图像信号的传输，一个用于控制信号的接收，如图3所示。

图3 图像信号发射电路

图4 控制信号接收电路

图像传感器完成图像采集之后，将图像传输到图像传输模块并转化为电信号，经过发送电路处理、调制然后经由发射天线发送[10-11]。

如图4所示，控制天线接收到外部发送的控制信号之后，经过放大、调制、解码之后就会对受控设备进行控制，例如控制照明模块的开关、胶囊的动作等。成像试验验证该系统能采集到清晰的图样，证明了该系统设计的可行性。

7 实验改进

在实际应用中，除了3组线圈之外，还可以增加几组线圈，这样或许更容易实现，改进图如图5所示。模型仍然采用正方体来表示，其中一共采用14个线圈组。具体分布情况如下：

图5 改进型的线圈阵列

（1）正方体的6个面每个面都有一个线圈，并且相互对应的面上的2个线圈为一组，由一个控制开关控制，共计3组线圈。

（2）正方体的8个对顶角上，每2个相对的对顶角都有线圈，总共为8个线圈。每2个相对的对顶角上的2个线圈也是一组，并且由一个控制开关控制，共计4组线圈。

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（ 收稿：2010-08-04 修回：2010－10－21）

Dynamics Model of Wireless Endoscopy Driven by External Magneticfield

YE Fu-li，SHI Gui-lian
（Biomedical Engineering College of Xianning Institute,Xianning,Hubei Province 437100,China）

TH773

A

1003-8868（2011）02-0021-03

叶福丽（1977-），女，湖北京山人，硕士，讲师，主要从事生物医学工程方面的教学与研究工作；史贵连（1978-），男，湖北汉川人，硕士，讲师，主要从事生物医学工程方面的研究工作。

史贵连，E-mail：swillen@sohu.com