具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

参照图1，示出了本申请实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动系统的应用场景示意图。在检查开始前，病人101被要求吞咽一个无线胶囊内窥镜102并躺在检查床103上。

如图2所示，是本申请实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的示意图。无线胶囊内窥镜102内嵌有一环形永磁铁1021，该环形永磁铁1021被胶囊外壳1022包裹。环形永磁铁1021的充磁方向与无线胶囊内窥镜102的轴线方向(即图2中的A₁A₂方向)正交。通常，在无线胶囊内窥镜102内放置磁铁都是为了能够驱动无线胶囊内窥镜102。在现有技术中，无线胶囊内窥镜102内磁铁的充磁方向一般就是无线胶囊内窥镜102的轴线方向，这种处理方式使得在后续工作中能够较为容易地判定无线胶囊内窥镜102的轴线方向，也就是无线胶囊内窥镜102的头部方向。但这也导致了无法沿着轴线旋转无线胶囊内窥镜102。本申请实施例通过使环形永磁铁1021的充磁方向与无线胶囊内窥镜102的轴线方向正交，这样能使无线胶囊内窥镜102在旋转磁场作用下沿着轴线旋转并被驱动。

如图1所示，检查床103上覆盖有一层大型的传感器阵列104，整个传感器阵列104包括有多个按照矩形排布的传感器。在检查过程中，传感器阵列104中的部分或全部传感器将会被激活，用于对无线胶囊内窥镜进行定位。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，检查过程中被激活的传感器可以仅仅是传感器阵列104中的部分传感器，这些被激活的部分传感器可以是与无线胶囊内窥镜102当前所处位置较为接近的传感器。并且，被激活的这些部分传感器可以是传感器阵列104中按照一定方式排布的传感器，在采用这些传感器对无线胶囊内窥镜102进行定位时，不仅可以提高定位频率，还能够获得较高的定位精度。当无线胶囊内窥镜102运动至下一位置时，可以从传感器阵列104中激活另一部分传感器，采用新激活的另一部分传感器来对无线胶囊内窥镜102进行定位。

如图1所示，检查床103旁边安装有一台机械臂105，该机械臂105的末端执行器上安装有一个驱动器106。

如图3所示，是本申请实施例提供的一种驱动器的示意图。驱动器106包含有一个驱动电机1061和一个驱动器磁体1062，该驱动器磁体1062可以是球形永磁铁。球形永磁铁的磁矩方向与驱动电机1061的旋转轴线正交。这样，驱动电机1061旋转时，球形永磁铁的磁矩就会旋转，也就产生了旋转磁场。

图1所示的无线胶囊内窥镜102、检查床103、传感器阵列104、机械臂105、驱动器106等共同构成了本申请实施例的无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动系统。此外，上述往复旋转驱动系统还可以包括与检查床103、传感器阵列104、机械臂105、驱动器106等连接的数据处理计算机(图1中未示出)。数据处理计算机中可以储存有往复旋转驱动算法，以及一些如定位、显示、储存等其他不可缺少的程序或算法。在检查过程中，往复旋转驱动系统通过执行上述往复旋转驱动算法，可以驱动无线胶囊内窥镜102在腹腔腔道内往复旋转，降低因连续旋转运动导致的腹腔腔道扭曲的风险。

在介绍本申请实施例的往复旋转驱动系统的具体应用之前，首先对往复旋转驱动算法作一介绍。

本申请实施例提供的往复旋转驱动系统可以采用往复旋转磁驱动(reciprocallyrotating magnetic actuation，RRMA)模式来驱动无线胶囊内窥镜的运动。采用往复旋转磁驱动模式，驱动器磁体可以在一个往复旋转区间内旋转，产生方向周期性变化的磁力。当产生的方向周期性变化的磁力作用于无线胶囊内窥镜上时，将会使得无线胶囊内窥镜在驱动器磁体往复旋转的一个周期内先后绕旋转轴向不同的方向旋转。例如，在驱动器磁体往复旋转的前半个周期内，驱动器磁体产生的磁力可以使得无线胶囊内窥镜绕旋转轴顺时针旋转；在驱动器磁体往复旋转的后半个周期内，该驱动器磁体产生的磁力则会使得无线胶囊内窥镜绕旋转轴逆时针旋转。或者，在驱动器磁体往复旋转的前半个周期内，驱动器磁体产生的磁力可以使得无线胶囊内窥镜绕旋转轴逆时针旋转；在驱动器磁体往复旋转的后半个周期内，该驱动器磁体产生的磁力则会使得无线胶囊内窥镜绕旋转轴顺时针旋转。通过驱动无线胶囊内窥镜往复旋转，可以有效降低无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内运动过程中可能导致的腔道扭转的风险。

如图4所示，是本申请实施例提供的一种驱动器磁体与无线胶囊内窥镜交互作用的示意图。其中，图4中的(a)和(b)分别为交互作用下无线胶囊内窥镜和驱动器磁体在不同方向上的视图。按照图4所示，无线胶囊内窥镜可以被体外的驱动器磁体驱动，该驱动器磁体为球形永磁铁。无线胶囊内窥镜的期望旋转轴和驱动器磁体的旋转轴可以分别使用和表示。

需要说明的是，在本申请所介绍的各个实施例中，如无特别说明，所有带符号的表达式均表示该表达式对应的物理量的方向。例如，表示驱动器磁体的旋转轴ω_a的方向。

令起始状态时和均与x轴正方向对齐，由于单位向量只有两个自由度，因此可以使用两个角度来表示上述和

示例性地，可以采用θ_cz和θ_cy来表示采用θ_az和θ_ay来表示即：

其中，θ_cz表示绕z轴旋转的角度，θ_cy表示绕y轴旋转的角度，θ_az表示绕z轴旋转的角度，θ_ay表示绕y轴旋转的角度。

令在起始状态时与z轴正方向对齐，θ_ax表示驱动器磁体的磁矩绕驱动器磁体的旋转轴旋转的角度。结合上述角度θ_az和θ_ay，就可以计算出驱动器磁体的磁矩的方向。

在给定无线胶囊内窥镜的期望旋转轴的情况下，为了能够在无线胶囊内窥镜所在的位置以其期望旋转轴为轴产生旋转磁场，驱动器磁体的旋转轴可以采用如下公式计算得到：

其中，r＝P_c-P_a表示无线胶囊内窥镜的中心P_c与驱动器磁体的中心P_a之间的相对位置关系。如图4所示，H为P_a在上的投影；α表示r与P_aH之间的角度，该角度也就是驱动器磁体的驱动角度；β表示由P_a、P_c和H构成的平面U与竖直线之间的夹角。假设无线胶囊内窥镜的中心P_c与驱动器磁体的中心P_a之间的距离为d，则可以计算出无线胶囊内窥镜的中心P_c与驱动器磁体的中心P_a之间的相对位置

在此基础上，可以根据磁偶极子模型下的磁场计算公式，计算出无线胶囊内窥镜所受到的磁场为：

本申请实施例不假设无线胶囊内窥镜的真实磁矩始终与施加的磁场方向对齐，这一假设通常仅在充满液体的膨大容器中成立。在本申请实施例所应用的场景中，如图5所示，无线胶囊内窥镜的运动往往受到狭长管状腔道壁的限制和影响。因此，本申请实施例假定无线胶囊内窥镜的真实磁矩方向由磁场b_c和无线胶囊内窥镜当前的旋转轴共同决定。即无线胶囊内窥镜的真实磁矩方向是磁场与磁场在当前的旋转轴上的投影的差的单位向量。

在本申请实施例中，无线胶囊内窥镜上所受的磁力f可以看作是多个分量的合力。例如，无线胶囊内窥镜上所受的磁力f可以看作是如图6所示的三个分量f_ρ、f_l和f_r的合力。其中，第一个分量f_ρ是沿着无线胶囊内窥镜的期望旋转轴的推进力，第二个分量f_l是垂直于U平面的侧向力，第三个分量f_r是剩余的剩余力，即：f_r＝f-f_ρ-f_l。

图7示出了在驱动器磁体往复旋转一个周期内无线胶囊内窥镜上所受磁力的变化示意图。从图7中可知，推进力f_ρ的大小几乎不随旋转角度的变化而变化，数值非常稳定。当旋转角度处于180°左右时，侧向力f_l几乎为0，而剩余力f_r达到了最大值。并且，当旋转角度处于180°左右时，磁力f的变化也是最慢的。因此，可以选择以180°为中心设计驱动器磁体的往复旋转区间。令θ_ar为驱动器磁体的往复旋转角度，则驱动器磁体的往复旋转区间可以表示为：θ_ax∈[180°-θ_ar，180°+θ_ar]。

通常，θ_ar较小且驱动器磁体往复旋转的频率较快，并且推进力f_ρ才是本申请实施例关注的重点，所以本申请实施例可以采用旋转角度为180°时的磁力来代表一个往复旋转周期内的磁力。

通过仿真发现，不同往复旋转角度将会导致不同的腔道扭曲风险和推进效率。随着往复旋转角度的增大，腔道扭曲或形变的幅度也越大，但同时也会使得腔道向侧向张开的力度越大，这有利于无线胶囊内窥镜的向前推进。因此，本申请实施例可以在腔道扭曲风险和推进效率这二者之间选取一个平衡点，确定最佳往复旋转角度为90°。在驱动器磁体的最佳往复旋转角度为90°时，其对应的往复旋转区间为[90°，270°]。

如图8所示，是本申请实施例提供的一种不同旋转模式下肠道扭曲风险对比示意图。图8展示了在不同旋转模式下，无线胶囊内窥镜对肠壁的作用力，以及可能导致肠道扭曲风险的分析，定性展示了连续旋转磁驱动(continuously rotating magneticactuation，CRMA)模式导致肠道扭曲和本申请实施例提供的RRMA模式可以避免肠道扭曲的原因，并据此验证了最佳的往复旋转角度。其中，图8中的(a)为在CRMA驱动模式下，无线胶囊内窥镜对肠壁的作用力；图8中的(b)为在RRMA驱动模式下，无线胶囊内窥镜对肠壁的作用力。

如图8中的(a)所示，无线胶囊内窥镜被CRMA模式驱动。连续旋转的无线胶囊内窥镜在磁力的作用下，首先会对肠道左侧壁产生压力f_normal，该压力f_normal与无线胶囊内窥镜上的侧向力f_l相等。而且，旋转的无线胶囊内窥镜还会对肠壁产生摩擦力f_friction，这个摩擦力f_frictlon会使得肠壁逆时针运动。随着无线胶囊内窥镜继续旋转，其在侧向力的作用下仍然会对肠道右侧壁产生压力f_normal，也会对肠壁产生摩擦力f_friction。而且，此时的摩擦力f_friction仍然会导致肠壁逆时针运动。如此，在CRMA的整个周期内，无线胶囊内窥镜都可能使得肠壁朝同一个方向扭曲，这就可能导致肠道扭曲。

如图8中的(b)所示，无线胶囊内窥镜被RRMA模式驱动。往复旋转的无线胶囊内窥镜在磁力的作用下，首先也会对肠道左侧壁产生压力f_normal，并对肠壁产生了逆时针的摩擦力f_friction，使得肠壁有逆时针运动的趋势。随着无线胶囊内窥镜被反向旋转驱动，其在侧向力的作用下对右侧壁产生了压力f_normal和摩擦力f_friction。由侧壁上的摩擦力f_friction会使肠道顺时针运动。如此，在RRMA的整个周期内，无线胶囊内窥镜使得肠壁在前半个周期和后半个周期的旋转方向是相反的。也就是说，在前半个周期内即使有肠壁被扭曲，在后半个周期内也能够被复原。所以，应用本申请实施例提供的往复旋转系统驱动无线胶囊内窥镜往复旋转，能够极大地降低肠道等腔道扭曲的风险。

如图8中的(c)所示，展示了在不同的旋转模式下，无线胶囊内窥镜对肠道壁的侧向作用力的示意图。其中，(c.1)展示了在CRMA驱动模式下侧向力的变化情况，(c.1)中的横坐标表示无线胶囊内窥镜连续旋转一个周期所对应的角度，即(c.1)中横坐标所示的依次从0°旋转至360°过程中的角度变化；(c.1)中的纵坐标表示在不同角度时，肠道壁所受的侧向作用力的变化情况。从(c.1)可以看出，在无线胶囊内窥镜连续旋转过程中，肠道壁所受的侧向作用力的大小和方向均在发生变化。(c.2)-(c.6)展示了在采用RRMA驱动模式，不同大小的往复旋转角度所对应的侧向力的变化情况。(c.2)-(c.6)分别展示了在按照不同的往复旋转角度(θ_ar从10°逐渐增大至90°)驱动驱动器磁体的情况下，肠道壁所受的侧向作用力的变化情况。(c.2)-(c.6)各示意图中的横坐标表示不同的往复旋转角度，其中，(c.2)对应的往复旋转角度为10°，(c.3)对应的往复旋转角度为30°，(c.4)对应的往复旋转角度为50°，(c.5)对应的往复旋转角度为70°，(c.6)对应的往复旋转角度为90°，(c.2)-(c.6)各示意图中的纵坐标均表示在按照横坐标所示的往复旋转角度控制驱动器磁体以驱动无线胶囊内窥镜往复旋转时，肠道壁所受的侧向作用力的变化情况。可以观察到，在RRMA驱动模式下，随着往复旋转角度的增大，肠道壁上所受到的侧向力也越来越大。如图8中的(d)所示，展示了在不同的旋转模式下，无线胶囊内窥镜对肠道壁的摩擦力的示意图。其中，(d.1)展示了在CRMA驱动模式下摩擦力的变化情况。(d.2)-(d.6)展示了在采用RRMA驱动模式，不同大小的往复旋转角度所对应的摩擦力的变化情况。可以非常明显地观察到，在CRMA驱动下，肠道壁受到的作用力一直都是同一个方向，这就可能导致较高的肠道扭曲风险。而在RRMA驱动模式下，无论驱动角度为多少度，肠道壁受到的作用力都是周期往复的，降低了肠道扭曲的风险。同时，更大的对肠壁的侧向力有利于肠道的张开，也就更有利于推动无线胶囊内窥镜前进。因此，在保证RRMA驱动的情形下，可以选择较大的往复旋转角度，即可以选择90°作为驱动器磁体的往复旋转角度。

参照图9，示出了本申请实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动流程示意图，具体可以包括如下步骤：

S901、确定驱动器磁体的往复旋转区间。

需要说明的是，图9所示的无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动流程可以是由本申请实施例提供的往复旋转驱动系统通过调用前述介绍的往复旋转驱动算法实现的。对于该往复旋转驱动算法，可以参见前述相关部分的介绍，在此不再赘述。

在本申请实施例中，驱动器磁体的往复旋转区间可以是以目标旋转角度为中心，往复旋转预设角度所形成的角度区间。上述目标旋转角度可以是驱动器磁体的磁矩绕驱动器磁体的旋转轴旋转的角度。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，目标旋转角度可以是180°。因此，驱动器磁体的往复旋转区间可以表示为[180°-θ_ar，180°+θ_ar]；其中，θ_ar为预设角度，该预设角度也就是驱动器磁体的往复旋转角度。

在本申请实施例中，上述往复旋转角度可以根据实际需要具体设定，本申请实施例对此不作限定。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，应用往复旋转驱动模式时，无论驱动角度为多少度，腔道壁受到的作用力都是周期往复的。另一方面，由于更大的对腔道壁的侧向力有利于腔道的张开，也就更有利于推动无线胶囊内窥镜前进。因此，在应用往复旋转驱动模式时，可以选择较大的往复旋转角度，即可以选择90°作为驱动器磁体的往复旋转角度。

S902、控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

在本申请实施例中，在确定驱动器磁体的往复旋转区间后，往复旋转驱动系统可以控制驱动器磁体在该往复旋转区间内往复旋转，产生方向周期性变化的磁力。该磁力作用于无线胶囊内窥镜上后，可以驱动无线胶囊内窥镜在腹腔腔道内往复旋转。

本申请实施例，通过确定驱动器磁体的往复旋转区间，可以控制该驱动器磁体在上述往复旋转区间内往复旋转。驱动器磁体往复旋转所产生的磁力的方向将会周期性地发生变化。当方向周期性变化的磁体作用于无线胶囊内窥镜上后，也可以驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转，降低了无线胶囊内窥镜由于连续旋转运动可能导致腔道扭曲的风险。

参照图10，示出了本申请实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动装置的示意图，该装置具体可以包括确定模块1001和控制模块1002，其中：

确定模块1001，用于确定驱动器磁体的往复旋转区间；

控制模块1002，用于控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

在本申请实施例中，所述往复旋转区间可以是以目标旋转角度为中心，往复旋转预设角度所形成的角度区间，所述目标旋转角度可以为所述驱动器磁体的磁矩绕所述驱动器磁体的旋转轴旋转的角度。

在本申请实施例中，所述目标旋转角度可以为180°，因此，所述往复旋转区间为[180°-θ_ar，180°+θ_ar]；其中，θ_ar为所述预设角度。

在本申请实施例中，所述预设角度可以为90°。

在本申请实施例中，所述驱动器磁体安装于驱动器内，所述驱动器还可以包括有驱动电机，所述驱动电机可以用于驱动所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转。

在本申请实施例中，所述驱动器磁体可以为球形永磁铁，所述球形永磁铁的磁矩方向可以与所述驱动电机的旋转轴线正交。

在本申请实施例中，所述无线胶囊内窥镜可以包括一环形永磁铁，所述环形永磁铁的充磁方向可以与所述无线胶囊内窥镜的轴线方向正交。

在本申请实施例中，所述系统还可以包括传感器阵列，所述传感器阵列可以包括按照矩阵排布的多个传感器，所述多个传感器可以用于对所述无线胶囊内窥镜进行定位。

对于装置实施例而言，由于其与前述图9所对应的实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见前述实施例部分的说明即可。

参照图11，示出了本申请实施例提供的一种无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备的示意图。如图11所示，本申请实施例的无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100包括：处理器1110、存储器1120以及存储在所述存储器1120中并可在所述处理器1110上运行的计算机程序1121。所述处理器1110执行所述计算机程序1121时实现前述往复旋转驱动系统各个实施例中的方法或步骤，例如图9所示的步骤S901至S902。或者，所述处理器1110执行所述计算机程序1121时实现上述往复旋转驱动装置实施例中各模块/单元的功能，例如图10所示模块1001至1002的功能。

示例性的，所述计算机程序1121可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器1120中，并由所述处理器1110执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序1121在所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100中的执行过程。例如，所述计算机程序1121可以被分割成确定模块和控制模块，各模块具体功能如下：

确定模块，用于确定驱动器磁体的往复旋转区间；

控制模块，用于控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100可包括，但不仅限于，处理器1110、存储器1120。本领域技术人员可以理解，图11仅仅是无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的一种示例，并不构成对无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器1110可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器1120可以是所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的内部存储单元，例如无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的硬盘或内存。所述存储器1120也可以是所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的外部存储设备，例如所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等等。进一步地，所述存储器1120还可以既包括所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器1120用于存储所述计算机程序1121以及所述无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备1100所需的其他程序和数据。所述存储器1120还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本申请实施例还公开了一种无线胶囊内窥镜的往复旋转驱动设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法：

确定驱动器磁体的往复旋转区间；

控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：

确定驱动器磁体的往复旋转区间；

控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备可以执行如下方法：

确定驱动器磁体的往复旋转区间；

控制所述驱动器磁体在所述往复旋转区间内往复旋转，以产生方向周期性变化的磁力；其中，所述方向周期性变化的磁力用于驱动无线胶囊内窥镜在人体腹腔腔道内往复旋转。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。