基于超声电机的肠道胶囊内窥镜的设计

田壮 黄俊华

摘 要：随着医疗器械的不断发展，目前固定式镜头胶囊内窥镜视野非常有限，同时肠道崎岖多变、蠕动和肠液也会导致镜头视野局限，无法精确定位，很难准确捕捉病灶部位。本文设计了一种基于多自由度超声电机的胶囊内窥镜，具体来说是一种以多自由度超声电机为致动器，驱动胶囊内窥镜镜头实现多自由度摆动和精准定位的新型智能胶囊内窥镜。本文阐述了该胶囊内窥镜的结构特点与工作过程，并分析了其工作特点，为胶囊内窥镜的智能化设计提供了新的思路。

关键词：超声电机;胶囊内窥镜;医疗器械

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.186

0 引言

在医学诊断中，传统的肠镜检查往往使人痛苦不堪，而且检查时肠道崎岖多变、蠕动和肠液也会导致镜头视野局限，无法精确定位，很难准确捕捉病灶部位。肠道胶囊内窥镜可以口服，并且结构小巧，不会使人感到疼痛。因此胶囊内镜被医学界誉为21世纪内窥镜发展的革命与方向[1]。

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应和超声振动获得运动和力（矩）的驱动器。其结构紧凑，转矩性能好，响应快，断电自锁能力强，并且其形状可以多样化，而且不受外界磁场干扰，具有良好的稳定性，常常用于航空航天行业以及各种精密仪器中[2]。

本文重点介绍一种基于球面接触副的多自由度超声电机直驱的镜头可摆动的胶囊内窥镜系统及其操作方法。该设计采用超声电机结构简单，反应灵敏，便于二次开发。以其为基础搭建的多自由度超声电机直驱的胶囊内窥镜镜头摆动系统彻底解决了目前胶囊内窥镜镜头无法摆动，视角小，胶囊系统传动机构复杂等诸多问题，实现结构紧凑、传动环节少、体积小、重量轻，灵敏度高，分辨率高的特点。本文将重点介绍该胶囊内窥镜的结构特点与工作过程，为胶囊内窥镜的智能化设计提供了新的思路。

1 基于超声电机的肠道胶囊内窥镜的机械结构

（1）如图1所示，基于超声电机的肠道胶囊内窥镜由摄像头、胶囊头部、头部摆动系统、柔性包覆材料、纽扣电池盒、arduino微型控制板和胶囊本体组成。其中摄像头与胶囊头部固定连接，胶囊头部与头部摆动系统固定连接，头部摆动系统与胶囊本体固定连接，纽扣电池盒嵌入微型单片机控制板中为整个系统供电，arduino微型控制板与胶囊本体固定连接。

（2）如图2所示，头部摆动系统包括底座固定架、三个定子、三个压电陶瓷组成。其中底座固定架分别与三个柔性底座固定连接，三者之间呈120度分布;其中三个柔性底座与三个定子之间通过螺纹连接。将三个定子分别记为第一定子、第二定子、第三定子，与其螺纹连接的柔性底座分别记为第一柔性底座、第二柔性底座、第三柔性底座;与其所接触的压电陶瓷分别记为第一压电陶瓷、第二压电陶瓷，第三压电陶瓷。

2 基于超声电机的肠道胶囊内窥镜的工作过程

（1）用arduino微型控制板来控制各定子的通断电，当第一定子通电，第二定子和第三定子不通电时，胶囊头部可绕第一定子的定轴实现摆动;当第二定子通电，第一定子和第三定子不通电时，胶囊头部可绕第二定子的定轴实现摆动。当第三定子通电，第一定子和第二定子不通电时，胶囊头部可绕第三定子的定轴实现摆动。

（2）当第一定子和第二定子上的压电陶瓷片同时通电，且电参数相同时，通过速度合成，球转子会沿着两个定子轴线夹角的角平分线产生旋转运动。通过改变两个定子电参数的不同会调整组合运动的方向产生变化。

（3）同理当第二定子和第三定子上的压电陶瓷片同时通电，且电参数相同时，通过速度合成，球转子会沿着两个定子轴线夹角的角平分线产生旋转运动。通過改变两个定子电参数的不同会调整组合运动的方向产生变化。

（4）当第一定子和第三定子上的压电陶瓷片同时通电，且电参数相同时，通过速度合成，球转子会沿着两个定子轴线夹角的角平分产生旋转运动。通过改变两个定子电参数的不同会调整组合运动的方向产生变化。

3 工作特点分析

这种紧凑的并联结构形式应用于胶囊内窥镜系统内可减少传动链，缩小机构体积，增加机械系统精度。同时，本系统采用超声电机，其结构简单，反应灵敏，便于二次开发。以其为基础搭建的多自由度超声电机直驱的胶囊内窥镜镜头摆动系统彻底解决了目前胶囊内窥镜镜头无法摆动，视角小，胶囊系统传动机构复杂等诸多问题，实现结构紧凑、传动环节少、体积小、重量轻，灵敏度高，分辨率高的特点[3]。

4 总结

本文阐述了一种基于超声电机的肠道胶囊内窥镜的结构特点与工作过程，并分析了其工作特点。本文详细地描述了该胶囊内窥镜各零件的配合方式，并且详细地描述了其不同定子与转子相互运动时镜头的移动情况，充分体现出了超声电机在肠道胶囊内窥镜中所发挥的优势，为胶囊内窥镜的智能化设计提供了新的思路。

参考文献：

[1]高鹏，颜国正，王志武等.肠道微机器人柔性运动系统[J].光学精密工程，2012，20（03）：541-549.

[2]王皆宸，邢晓红，蒋建，韩宇航.基于超声电机的胶囊内窥镜调焦机构研究[J].科技视界，2018（12）：93-94.

[3]胡程志.微型胶囊内窥镜电磁驱动设计与主动控制研究[D].华中科技大学，2010.