提示：

膠囊微型機(jī)器人，是一種能進(jìn)入人體胃腸道進(jìn)行醫(yī)學(xué)探查和治療的智能化微型工具，是體內(nèi)介入檢查與治療醫(yī)學(xué)技術(shù)的新突破。人們研制出的微型消化道膠囊內(nèi)窺鏡是利用消化道蠕動(dòng)進(jìn)行整個(gè)區(qū)域檢查，由內(nèi)嵌CMOS微型攝像機(jī)以無線方式傳輸檢查圖像。

膠囊微型機(jī)器人在人體腸胃中進(jìn)行無創(chuàng)檢查和小損傷手術(shù)，對于減輕病人痛苦、提高檢查和手術(shù)的安全性和降低醫(yī)療費(fèi)用都具有重要意義?，F(xiàn)在國內(nèi)治療腸胃病的一般方法是用內(nèi)窺鏡透視、放射造影或手術(shù)檢查，不但費(fèi)用高而且病人比較痛苦。而微型機(jī)器人不但成本低、節(jié)省時(shí)間，而且治療起來并不會給病人帶來痛苦。

相比傳統(tǒng)胃鏡給人帶來的不適，借助安翰磁控膠囊胃鏡機(jī)器人，受檢人無需插管，喝一口水、吞一顆膠囊，躺15分鐘就能完成無痛、無創(chuàng)、無麻醉的胃部檢查。

但是，現(xiàn)有膠囊內(nèi)窺鏡靠腸道蠕動(dòng)或者重力行走，速度及姿態(tài)具有偶然性，臨床研究表明膠囊內(nèi)窺鏡在小腸內(nèi)的診斷效果最好，但在食管、胃部和結(jié)腸等三維寬裕環(huán)境內(nèi)的診斷效果較差，存在視覺盲區(qū)和漏檢高等問題。原因是在腸道蠕動(dòng)與重力作用下，膠囊姿態(tài)更容易翻滾。事實(shí)上，研究寬裕環(huán)境內(nèi)膠囊調(diào)姿與行走的主動(dòng)控制更有實(shí)用價(jià)值。臨床分析表明腸道寬裕環(huán)境內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡漏檢率高的原因是沒有根本解決定點(diǎn)調(diào)姿問題：例如，結(jié)腸檢查技術(shù)尚屬空白；定向介入施藥、取樣、光動(dòng)等診療等作業(yè)依然受限于定點(diǎn)調(diào)姿功能。因此，研制三維寬裕環(huán)境內(nèi)姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)可主動(dòng)控制的膠囊內(nèi)窺鏡迫在眉睫。

主動(dòng)控制可望實(shí)現(xiàn)膠囊姿態(tài)調(diào)整，避開視覺盲區(qū)，提高診斷效果。主要存在兩個(gè)技術(shù)瓶頸：第一個(gè)是要解決無纜驅(qū)動(dòng)問題；第二個(gè)是適于胃腸道三維寬裕環(huán)境內(nèi)新型驅(qū)動(dòng)原理的研究。

首先，磁驅(qū)動(dòng)為解決能源供給問題提供了新途徑，主要有磁力與磁矩兩種操作方式：磁力操作主要通過體外永磁體向膠囊施加磁力實(shí)現(xiàn)腸道內(nèi)翻滾、移動(dòng)，但梯度磁場的磁力使機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整與運(yùn)動(dòng)的靈活性受限，姿態(tài)可控性差，位移控制精度低，甚至?xí)?dǎo)致膠囊沖擊腸壁等危險(xiǎn)；磁矩操作有兩種方法，一種是采用旋轉(zhuǎn)磁鐵靜態(tài)磁矩操縱膠囊在胃表面滾動(dòng)與定位，但梯度磁場下磁矩與磁力耦合，影響調(diào)姿與行走控制的靈活性，不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌徑向磁化磁體膠囊姿態(tài)的唯一性控制，另一種操作方法是采用線圈電流激勵(lì)耦合動(dòng)態(tài)磁矩驅(qū)動(dòng)，電流操作可產(chǎn)生方位、旋向和強(qiáng)度可控旋轉(zhuǎn)磁場，靈活性等優(yōu)勢比磁鐵明顯，如NORIKA等采用三軸亥氏線圈磁場激勵(lì)內(nèi)嵌磁體膠囊裝置實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退，但未解決旋轉(zhuǎn)磁場軸線方位任意控制問題。

磁力改變位移，磁矩改變姿態(tài)，均勻磁場可消除磁矩與磁力耦合，只有純磁矩操作才能保證膠囊姿態(tài)準(zhǔn)確控制。純磁矩操作方式有兩種：一是兩塊平行磁鐵間的均勻磁場；二是線圈電流激勵(lì)均勻萬向旋轉(zhuǎn)磁場。前者體積龐大笨重，磁場方位控制不靈活，旋轉(zhuǎn)操作不便利，因此，以磁鐵驅(qū)動(dòng)方式實(shí)施磁力或磁矩操作不能實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)膠囊姿態(tài)的唯一性控制。本課題組突破了空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磁矢量方位、旋向、轉(zhuǎn)速等數(shù)字化控制，解決了膠囊前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)等難題?？臻g萬向旋轉(zhuǎn)磁場分布均勻，消除了梯度磁場磁力對姿態(tài)控制靈活性的限制，為姿態(tài)的唯一性控制奠定了基礎(chǔ)。

其次，第二個(gè)技術(shù)瓶頸是胃腸道寬裕環(huán)境內(nèi)調(diào)姿與行走可分離的高效驅(qū)動(dòng)原理的研究。只有實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿，才能避免膠囊滾動(dòng)而錯(cuò)過待檢區(qū)域，消除調(diào)姿與行走耦合影響，完成體內(nèi)診療作業(yè)。典型主動(dòng)式膠囊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括劃槳式、腿式、螺旋槳式、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)式，微電機(jī)驅(qū)動(dòng)式和仿生式，上述驅(qū)動(dòng)方式受自載電源的限制有礙于應(yīng)用，且機(jī)器人均與腸道內(nèi)壁接觸，易導(dǎo)致腸道損傷。我們研制了一種花瓣廓形膠囊機(jī)器人，多楔形效應(yīng)可有效避免腸道受損。盡管膠囊機(jī)器人已有三十余年的研究歷程，典型載體結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)原理并沒有根本解決膠囊調(diào)姿問題：理論上，只有失重自由狀態(tài)下，整體結(jié)構(gòu)膠囊才能實(shí)現(xiàn)調(diào)姿與行走的分離；實(shí)踐上，磁操作不能實(shí)現(xiàn)重力場下整體結(jié)構(gòu)膠囊調(diào)姿與行走的獨(dú)立控制。可見，三維寬裕環(huán)境定點(diǎn)調(diào)姿與行走雙重模式轉(zhuǎn)換的研究更具有挑戰(zhàn)性。只有多剛體結(jié)構(gòu)膠囊才能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿。

大連理工大學(xué)的張永順教授團(tuán)隊(duì)提出了一種主被動(dòng)雙半球膠囊機(jī)器人和定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿概念，突破了雙半球膠囊調(diào)姿與滾動(dòng)行走雙重模態(tài)分離與轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)：主動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)行走；被動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿。定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿是實(shí)現(xiàn)膠囊姿態(tài)準(zhǔn)確控制的唯一手段。本文利用拉格朗日方程建立了定點(diǎn)“懸?！闭{(diào)姿動(dòng)力學(xué)模型，確定了“懸停”穩(wěn)定性條件，試驗(yàn)表明膠囊機(jī)器人姿態(tài)控制穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了雙重工作模式轉(zhuǎn)換與姿態(tài)的唯一性控制，定點(diǎn)“懸停”調(diào)姿為腸道內(nèi)取樣、定點(diǎn)靶向治療等臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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該項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2017年15期，對本文感興趣的朋友可以在我們微信公眾平臺回復(fù)“20170821”免費(fèi)下載全文閱讀！拿走不謝！

雙半球膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)系統(tǒng)

膠囊機(jī)器人在腸壁表面的雙模態(tài)試驗(yàn)

論文梗概

課題組特色