阅读说明：本技术 一种磁控非接触式胃肠镜胶囊 (Magnetic control non-contact gastrointestinal endoscope capsule ) 是由 支闻达 李伟祥 马筱旭 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁控非接触式胃肠镜胶囊,包括软管和包含有药物的胶囊,胶囊的一端设置有三个磁体,三个磁体均通过硅胶与胶囊连接,病患体外设置有与磁体个数相同的三个线圈,线圈用于产生梯度磁场和匀强旋转磁场,通过梯度磁场和匀强旋转磁场控制三个磁体的运动方向,其中一个磁体控制胶囊运动,另外两个磁体用于带动胶囊旋转并挤破胶囊实现给药。本发明特别适用于消化系统疾病的检查,利用匀强旋转磁场来控制病患体内安装在胶囊胃肠镜中的多个小磁体,从而改变胶囊胃肠镜的前进方向和姿态以达到胶囊胃镜运行方向可控和靶向药物治疗的目的。(The invention discloses a magnetic control non-contact gastrointestinal endoscope capsule, which comprises a hose and a capsule containing medicines, wherein one end of the capsule is provided with three magnets, the three magnets are connected with the capsule through silica gel, three coils with the same number as the magnets are arranged outside a patient body, the coils are used for generating a gradient magnetic field and a uniform rotating magnetic field, the moving directions of the three magnets are controlled through the gradient magnetic field and the uniform rotating magnetic field, one magnet controls the movement of the capsule, and the other two magnets are used for driving the capsule to rotate and break the capsule to realize medicine administration. The invention is particularly suitable for the examination of digestive system diseases, and controls a plurality of small magnets arranged in the capsule enteroscope in a patient body by utilizing a uniform rotating magnetic field, thereby changing the advancing direction and the posture of the capsule enteroscope to achieve the purposes of controllable running direction of the capsule enteroscope and targeted drug therapy.)

一种磁控非接触式胃肠镜胶囊

技术领域

本发明涉及医疗器械的技术领域，特别是一种磁控非接触式胃肠镜胶囊。

背景技术

随着生活水平的提高，随着社会环境的改变，随着饮食结构的变化，人类所患的疾病种类也越来越多，消化系统疾病更是多种多样。目前，对于消化系统疾病的诊断，传统的临床体内检查设备有胃镜和肠镜。其中，传统胃镜是通过长的金属管和末端装的镜子配合伸进胃部，然后在胃镜的行进路径上，医生可以观察到食道、胃、十二指肠等部位的患病情况，但是镜子在行进过程中，容易戳破患者体内的身体部位，所以被废弃了。后期，则普遍采用胶囊式的胃镜和肠镜，通过软管连接有相应的***机，可以直观的观察相应病变的部位。

但是，传统胶囊式的胃镜和肠镜，也仅仅限于能清晰、准确、安全地检查。随着医疗技术的发展，出现了一些体内微机器人技术，例如：公开日为2006年10月11日，公开号为CN1843284，发明名称为一种体内微机器人的外磁场驱动系统的中国发明专利文献，该文献中公开了这种外磁场驱动系统包括机器人及其内嵌磁性体、处理中心、诊疗操作器和外部驱动装置。利用组合线圈系统构造空间意义上较为均匀的梯度磁场，通过调整加载电流以及部分线圈对于人体的相对运动共同控制梯度大小与方向，作用于机器人的内置磁性体以获得期望的空间矢量力，进而实现期望的运动。外磁场驱动不依赖微机器人与人体组织之间的摩擦行进，而且均匀梯度避免了磁场作用下由于微机器人位移造成的受力突变，提出的驱动系统具有良好的安全性与可控性。该技术方案提出了驱动系统，但是不能实现靶向药物释放。

因此，随着人类疾病的多样化，研究人员希望能通过相应的检查胶囊不仅能检查，还能同时实现靶向药物释放，达到精确用药的目的。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种磁控非接触式胃肠镜胶囊，适用于消化系统疾病的检查，利用匀强旋转磁场来控制病患体内安装在胶囊胃肠镜中的多个小磁体，从而改变胶囊胃肠镜的前进方向和姿态以达到胶囊胃镜运行方向可控和靶向药物治疗的目的。

本发明的技术效果如下：

一种磁控非接触式胃肠镜胶囊，其特征在于：包括软管和包含有药物的胶囊，胶囊的一端设置有三个磁体，所述三个磁体均通过硅胶与胶囊连接，病患体外设置有与磁体个数相同的三个线圈，线圈用于产生梯度磁场和匀强旋转磁场，通过梯度磁场和匀强旋转磁场控制三个磁体的运动方向，其中一个磁体控制胶囊运动，另外两个磁体用于带动胶囊旋转并挤破胶囊实现给药，从而达到胶囊胃肠镜运行方向可控和靶向药物治疗的目的。

所述三个磁体包括磁体一、磁体二和磁体三，磁体一连接于胶囊的端部，磁体二和磁体三以磁体一为中心对称布置于磁体一的两侧，所述磁体一、磁体二和磁体三均位于胶囊的同一端部。

所述磁体一、磁体二和磁体三均采用微磁铁，其中三个磁体的具体布置如下：

(1)磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的S极朝向胶囊，磁体一的N极相对S极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的N极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的S极相对N极远离荧光物质。

(2)磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的S极朝向胶囊，磁体一的N极相对S极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的S极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的N极相对S极远离荧光物质。

(3)磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的N极朝向胶囊，磁体一的S极相对N极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的S极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的N极相对S极远离荧光物质。

所述硅胶条一、硅胶条二和硅胶条三形成一个硅胶整体，在硅胶整体上分别设置用于放置胶囊、磁体一、磁体二和磁体三的凹槽，胶囊、磁体一、磁体二和磁体三均粘接固定于凹槽内。

本发明中设计三个磁体的原因是，通过至少一个磁体可以实现移动自由度，但是旋转自由度需要考虑对称性，所以还需要设置两个对称的磁体，用于驱动针尖刺破胶囊实现药物释放。

本发明中，通过在公式(1)到公式(7)中，可获得相应梯度磁场和匀强旋转磁场的数据：

G＝κI_G；B＝Gp+λI_B (5)

VκI(C^TM)＝C^TF (6)

VM×[C(κI_Gp+λI_B)]＝T (7)

(1)由于磁体较小，因而认为场强及其梯度在胃肠镜胶囊内部均匀分布，通过磁场作用力与转矩公式，如公式(1)所示，其中F为磁力；T为磁转矩，V为内嵌磁体体积；M为内嵌磁体的磁化强度；B为外部磁场磁感应强度。

(2)如公式(2)所示，可得到磁场梯度张量：G为磁场梯度张量，a、b取x、y、z中任意值；令磁场梯度张量G＝0，即可形成匀强磁场，当张量G不为0时，可根据需要形成不同的梯度场。

(3)如公式(3)所示，仅考虑外部驱动线圈磁场，依据Maxwell静磁场方程得到线圈磁场梯度张量各分量有较高相关性，由该式表示的这一相关性导致静态线圈难以获得任意方向的磁力，因此设计了线圈相对人体(病床)运动的驱动方案，考虑到人体结构，将这一运动设计为绕人体(病床)旋转。

(4)如公式(4)所示，为线圈绕人体(病床)旋转的旋转矩阵，其中γ为旋转角度，其转轴沿病床轴线，设定以顺时针为正。

(5)如公式(5)所示，为与加载电流相关系的磁场描述方程，其中：p为胃肠镜胶囊所在位置P高开驱动线圈中心的位置矢量；G为各线圈在P点的梯度张量之和；B为P点处的磁感应强度；k、λ分别为与梯度线圈和匀场线圈自身参数相关的常量，其中k为三阶常数矩阵，λ为常向量IG与IB分别为气度线圈与匀场线圈的各部分加载电流组成的向量。

(6)如公式(6)所示，为与加载电流相关系的磁力描述方程，显示可用旋转矩阵C及梯度线圈加载电流IG控制磁力大小。

(7)如公式(7)所示，为与加载电流相关系的磁转矩描述方程。当各线圈设计做成一体共同旋转时，显示可用旋转矩阵C、病床平移(影响p)及梯度线圈加载电流IG控制磁转矩大小。

本发明具体实施时，当所述胃肠镜胶囊进入病患体内时，三个线圈开始工作，梯度磁场产生时序是从胃肠镜胶囊进入人体到靶点之间，匀强旋转磁场的产生点是从胃肠镜胶囊在靶点时开始产生；然后，根据公式(6)、(7)，可以通过控制外界的梯度磁场和匀强旋转磁场控制上力与力矩的大小和方向，从而改变胃肠镜胶囊的运动位置。

在本发明中：当匀强旋转磁场的强度为0.6T-1T时，则为较强匀强旋转磁场；当匀强旋转磁场的强度小于0.6T时，则为较弱匀强旋转磁场。

本发明的有益效果如下：

本发明适用于消化系统疾病的检查和靶向给药，设计了三个线圈，其中一个产生梯度磁场，另两个用于产生匀强磁场，从而分别控制胶囊胃肠镜中的小磁体，通过对应的小磁体分别实现控制胶囊胃肠镜的前进方向，靶向给药的方向和位置，从而达到精准给药的效果。

附图说明

图1为实施例3中，磁体和胶囊的布置示意图。

图2为实施例4中，磁体和胶囊的布置示意图。

图3为实施例5中，磁体和胶囊的布置示意图。

图4为本发明中无磁场和产生梯度磁场对胃肠镜胶囊形成移动的示意图。

图5为本发明中无磁场、较弱匀强磁场到较强匀强磁场对磁体形成控制的示意图。

具体实施方式

实施例1

一种磁控非接触式胃肠镜胶囊，包括软管和包含有药物的胶囊，胶囊的一端设置有三个磁体，所述三个磁体均通过硅胶与胶囊连接，病患体外设置有与磁体个数相同的三个线圈，线圈用于产生梯度磁场和匀强旋转磁场，通过梯度磁场和匀强旋转磁场控制三个磁体的运动方向，其中一个磁体控制胶囊运动，另外两个磁体用于刺破胶囊实现给药，从而达到胶囊胃肠镜运行方向可控和靶向药物治疗的目的。

本发明中设计三个磁体的原因是，通过至少一个磁体可以实现移动自由度，但是旋转自由度需要考虑对称性，所以还需要设置两个对称的磁体，用于驱动针尖刺破胶囊实现药物释放。

实施例2

基于实施例1的设计原理，其中，所述三个磁体包括磁体一、磁体二和磁体三，磁体一连接于胶囊的端部，磁体二和磁体三以磁体一为中心对称布置于磁体一的两侧，所述磁体一、磁体二和磁体三均位于胶囊的同一端部。

实施例3

基于实施例2的设计原理，所述磁体一、磁体二和磁体三均采用微磁铁，其中三个磁体的具体布置如下：

如图1所示，磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的S极朝向胶囊，磁体一的N极相对S极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的N极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的S极相对N极远离荧光物质。

实施例4

基于实施例2的设计原理，所述磁体一、磁体二和磁体三均采用微磁铁，其中三个磁体的具体布置如下：

如图2所示，磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的S极朝向胶囊，磁体一的N极相对S极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的S极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的N极相对S极远离荧光物质。

实施例5

基于实施例2的设计原理，所述磁体一、磁体二和磁体三均采用微磁铁，其中三个磁体的具体布置如下：

如图3所示，磁体二和磁体三呈180°布置于硅胶条一的两端，硅胶条一的中间布置有荧光物质；硅胶条二垂直于硅胶条一，硅胶条二上布置磁体一；硅胶条三也垂直于硅胶条一，硅胶条三上布置有胶囊；磁体二和磁体三上设置有与胶囊同向的针尖。

磁体一的N极朝向胶囊，磁体一的S极相对N极远离胶囊；磁体二和磁体三磁极相对，即磁体二和磁体三的S极朝向荧光物质，磁体二和磁体三的N极相对S极远离荧光物质。

所述硅胶条一、硅胶条二和硅胶条三形成一个硅胶整体，在硅胶整体上分别设置用于放置胶囊、磁体一、磁体二和磁体三的凹槽，胶囊、磁体一、磁体二和磁体三均粘接固定于凹槽内。

实施例6

基于实施例3-5的具体布置设计，所述胃肠镜胶囊整体，长度大概为1-2mm，宽度大概也为1-2mm。

本发明具体实施时，当所述胃肠镜胶囊进入病患体内时，三个线圈开始工作，梯度磁场产生时序是从胃肠镜胶囊进入人体到靶点之间，匀强旋转磁场的产生点是从胃肠镜胶囊在靶点时开始产生；然后，根据公式(6)、(7)，可以通过控制外界的梯度磁场和匀强旋转磁场控制上力与力矩的大小和方向，从而改变胃肠镜胶囊的运动位置。

在本发明中，梯度磁场和匀强旋转磁场交替进行。其中：

如图4所示，当无磁场时，磁体一和胶囊均不移动，当产生梯度磁场时，磁体一带动胶囊整体移动。

如图5所示，产生匀强旋转磁场的过程如下：

当三个线圈不工作时，即无磁场；

然后，三个线圈开始工作，产生较弱匀强旋转磁场，此时，带针尖的磁体二、磁体三转动，将针尖分别向胶囊转动；

三个线圈继续工作，当达到较强匀强旋转磁场时，磁体二、磁体三的针尖则夹住胶囊旋转，到达病变位置后，磁体二、磁体三的针尖进一步改变姿态，释放药物，实现靶向。

在本发明中：当匀强旋转磁场的强度为0.6T-1T时，则为较强匀强旋转磁场；当匀强旋转磁场的强度小于0.6T时，则为较弱匀强旋转磁场。