葉波，孫珍軍，鄧超，程興國，彭菊紅，張鴻海，劉勝

（1．華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武 漢430074；2．湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北 武 漢430062）

0 引言

膠囊內(nèi)窺鏡［1］用于檢查消化道具有操作簡單、檢查方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染等優(yōu)點，填補了胃鏡、腸鏡檢查的盲區(qū)，擴展了醫(yī)生的消化道檢查視野，尤其對人的可疑小腸病變具有很高的診斷價值，被醫(yī)學(xué)界譽為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向．但膠囊內(nèi)窺鏡的移動是被動地由胃腸道自然蠕動實現(xiàn)，不能受醫(yī)生控制，不能對疑似病癥反復(fù)進(jìn)行觀察，漏檢率高，因此亟需解決膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)的主動控制問題．

目前已經(jīng)有不少用于膠囊內(nèi)窺鏡的主動控制技術(shù)．電刺激法通過刺激肌肉收縮的方式推進(jìn)膠囊內(nèi)窺鏡的行進(jìn)［2］，但電刺激對腸道的損傷是未知的．Swain P等人利用手持式外部永磁體控制膠囊內(nèi)窺鏡在人體食管和胃中的運動［3］，但不能精確和反復(fù)控制膠囊內(nèi)窺鏡檢測特定區(qū)域．有學(xué)者提出利用帶有永磁體的機械手來控制帶有磁殼的膠囊內(nèi)窺鏡的自由運動［4－5］，但設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，不利于推廣．也有學(xué)者提出用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場主動控制膠囊內(nèi)窺鏡［6］，但亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的電磁輻射對人體會產(chǎn)生傷害．還有學(xué)者提出將形狀記憶合金（SMA）的蚯蚓狀微型機器人用于主動式膠囊內(nèi)窺鏡中［7］，但SMA裝置在使用時需要頻繁加熱和冷卻，臨床應(yīng)用時，由于胃腸道是封閉的，該裝置的冷卻速度將非常慢．另一種用于膠囊內(nèi)窺鏡的仿生機器人是以無線供電方式驅(qū)動的槳狀微型機器人［8］，盡管已開發(fā)了多種無線供電系統(tǒng)并取得了一些進(jìn)展［9－11］，但無線供電仍是主動控制式膠囊內(nèi)窺鏡未來發(fā)展的技術(shù)瓶頸．另外，仿生機器人的尺寸在人體胃腸道中顯得較大．

本文中分析了前人的主動控制技術(shù)，在磁導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的基于單片機的手持式機構(gòu)主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的方法，介紹其工作原理、組成結(jié)構(gòu)、軟件流程及其在豬小腸內(nèi)的離體實驗．

1 基于單片機的手持式機構(gòu)對磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的主動控制

磁導(dǎo)航技術(shù)可對膠囊內(nèi)窺鏡提供簡單、可靠和無線的主動控制方式，本文中結(jié)合手持式磁導(dǎo)航技術(shù)和旋轉(zhuǎn)磁場控制表面有螺旋結(jié)構(gòu)的膠囊內(nèi)窺鏡的優(yōu)點，提出了一種新的基于單片機控制的手持式控制機構(gòu)主動控制表面有螺旋結(jié)構(gòu)的磁性膠囊內(nèi)窺鏡．

1．1 手持式機構(gòu)原理 圖1為手持式機構(gòu)主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運動的原理示意圖．該機構(gòu)由步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅(qū)動電路、單片機和外圍輸入輸出電路以及連在步進(jìn)電機上的永磁體組成，永磁體為軸向充磁．磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡包含一個商用膠囊內(nèi)窺鏡、一個圓柱狀磁殼和表面螺旋結(jié)構(gòu)．由于磁殼為徑向充磁，因此磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡將隨著由手持式機構(gòu)上的永磁體所產(chǎn)生的外部旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，如圖2所示．磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向的不同而產(chǎn)生前進(jìn)或后退的運動．

圖1 手持式機構(gòu)主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運動的原理示意圖

圖2 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡與永磁體同步旋轉(zhuǎn)示意圖

1．2 手持式機構(gòu)的組成 圖3為手持式機構(gòu)的實物圖，圖4為該機構(gòu)的組成框圖．手持式機構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)永磁體（銣鐵硼材料，表面最高磁感應(yīng)強度約為4 490G，軸向充磁，尺寸為50mm×50mm×25mm的立方體）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)永磁體通過鋁制夾具安裝在步進(jìn)電機的軸上．單片機（AT89C52）控制步進(jìn)電機的啟動／停止和旋轉(zhuǎn)速度，通過切換驅(qū)動電路方向控制端的高低電平控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向，步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度在0．1～10．0r／s范圍內(nèi)變化，旋轉(zhuǎn)速度值由LED數(shù)碼管顯示，4個控制按鈕分別控制步進(jìn)電機的啟動／停止、加速、減速、順時針／逆時針旋轉(zhuǎn)．單片機的程序代碼在Keil上進(jìn)行調(diào)試，程序流程圖如圖5所示，所有硬件電路在制備前均在Proteus上進(jìn)行了仿真．

圖3 手持式機構(gòu)實物圖

圖4 手持式機構(gòu)組成框圖

1．3 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡 圖6為磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的實物圖．它包含一個商用膠囊內(nèi)窺鏡（杭州華沖科技有限公司制造，長28．0mm，直徑為13．4mm）．膠囊內(nèi)窺鏡表面的磁殼為銣鐵硼永磁體（徑向充磁，等級：N52）．磁殼表面的螺旋結(jié)構(gòu)由黃銅絲繞制而成，黃銅絲直徑為1mm，螺旋線螺距為15mm．

圖5 單片機程序流程圖

1．4 豬小腸內(nèi)的離體實驗 圖7為豬小腸內(nèi)的離體實驗現(xiàn)場圖，實驗中磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡被置于一段新鮮的豬小腸中，豬小腸放置在一個托盤中，腸內(nèi)的食物殘渣在實驗前已經(jīng)用水清理干凈．實驗檢測了磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡在手持式機構(gòu)控制下在豬小腸內(nèi)的直線運動速度．圖8為磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運動速度與步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系曲線圖．橫坐標(biāo)vs表示手持式機構(gòu)中步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度，縱坐標(biāo)vc表示磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的運動速度．從圖中可以看出兩者基本呈正比關(guān)系，這說明可以通過改變步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度來控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的運動速度．

圖7 實驗現(xiàn)場圖

圖8 磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運動速度與步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系曲線圖

實驗結(jié)果表明，該手持式機構(gòu)能自如地控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡在豬小腸內(nèi)快速的前進(jìn)／后退運動，且控制距離超過170mm．該機構(gòu)采用的是單邊控制方式，與其他已有的磁導(dǎo)航系統(tǒng)相比，該手持式機構(gòu)操作簡單，性價比高．另外，磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的制備簡單，且不需要改變已有商用膠囊內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．

2 結(jié)束語

本文中提出一種新的基于單片機的手持式機構(gòu)，用于主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡，并介紹了利用該機構(gòu)主動控制膠囊內(nèi)窺鏡在豬小腸內(nèi)運動的離體實驗．實驗結(jié)果表明，該手持式機構(gòu)主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡的性能良好，基于單片機的手持式機構(gòu)主動控制磁性螺旋型膠囊內(nèi)窺鏡運動的方法新穎獨特，相比于其他現(xiàn)有的方法具有操作簡單、性價比更高的優(yōu)點，該手持式機構(gòu)有望用于未來的實際臨床應(yīng)用中．

［1］Iddan G，Meron G，Glukhovsky A，et al．Wireless capsule endoscopy［J］．Nature，2000，405：417．

［2］Mosse C A，Mills T N，Appleyard M N，et al．Electrical stimulation for propelling endoscopes［J］．Gastrointest Endosc，2001，54：79－83．

［3］Swain P，Toor A，Volke F，et al．Remote magnetic manipulation of a wireless capsule endoscope in the esophagus and stomach of humans（with videos）［J］．Gastrointest Endosc，2010，71：1290－1293．

［4］Carpi F，Pappone C．Magnetic maneuvering of endoscopic capsules by means of a robotic navigation system［J］．IEEE Trans Biomed Eng，2009，56：1482－1490．

［5］Gao M，Hu C，Chen Z，et al．Design and fabrication of a magnetic propulsion system for self－propelled capsule endoscope［J］．IEEE Trans Biomed Eng，2010，57：2891－2902．

［6］Sendoh M，Ishiyama K，Arai K I．Fabrication of magnetic actuator for use in a capsule endoscope［J］．IEEE Trans Magn，2003，39：3232－3234．

［7］Kim B，Lee M G，Lee Y P，et al．An earthworm－like micro robot using shape memory alloy actuator［J］．Sensors and Actuators，A：Physical，2006，125：429－437．

［8］Kim H M，Yang S，Kim J，et al．Active locomotion of a paddling－based capsule endoscope in an in vitro and in vivo experiment［J］．Gastrointest Endosc，2010，72：381－387．

［9］Pan G，Xin W，Yan G，et al．A video wireless capsule endoscopy system powered wirelessly：design，analysis and experiment［J］．Measurement Science and Technology，2011，22：1－9．

［10］Miura H，Arai S，Kakubari Y，et al．Improvement of the transcutaneous energy transmission system utilizing ferrite cored coils for artificial hearts［J］．IEEE Trans Magn，2006，42：3578－3580．

［11］Ryu M，Kim J D，Chin H U，et al．Three－dimensional power receiver for in vivo robotic capsules［J］．Medical and Biological Engineering and Computing，2007，45：997－1002．