基于超聲電機的腸道膠囊內窺鏡的設計

田壯 黃俊華

摘 要：隨著醫療器械的不斷發展，目前固定式鏡頭膠囊內窺鏡視野非常有限，同時腸道崎嶇多變、蠕動和腸液也會導致鏡頭視野局限，無法精確定位，很難準確捕捉病灶部位。本文設計了一種基于多自由度超聲電機的膠囊內窺鏡，具體來說是一種以多自由度超聲電機為致動器，驅動膠囊內窺鏡鏡頭實現多自由度擺動和精準定位的新型智能膠囊內窺鏡。本文闡述了該膠囊內窺鏡的結構特點與工作過程，并分析了其工作特點，為膠囊內窺鏡的智能化設計提供了新的思路。

關鍵詞：超聲電機;膠囊內窺鏡;醫療器械

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

0 引言

在醫學診斷中，傳統的腸鏡檢查往往使人痛苦不堪，而且檢查時腸道崎嶇多變、蠕動和腸液也會導致鏡頭視野局限，無法精確定位，很難準確捕捉病灶部位。腸道膠囊內窺鏡可以口服，并且結構小巧，不會使人感到疼痛。因此膠囊內鏡被醫學界譽為21世紀內窺鏡發展的革命與方向[1]。

超聲電機是一種利用壓電材料的逆壓電效應和超聲振動獲得運動和力（矩）的驅動器。其結構緊湊，轉矩性能好，響應快，斷電自鎖能力強，并且其形狀可以多樣化，而且不受外界磁場干擾，具有良好的穩定性，常常用于航空航天行業以及各種精密儀器中[2]。

本文重點介紹一種基于球面接觸副的多自由度超聲電機直驅的鏡頭可擺動的膠囊內窺鏡系統及其操作方法。該設計采用超聲電機結構簡單，反應靈敏，便于二次開發。以其為基礎搭建的多自由度超聲電機直驅的膠囊內窺鏡鏡頭擺動系統徹底解決了目前膠囊內窺鏡鏡頭無法擺動，視角小，膠囊系統傳動機構復雜等諸多問題，實現結構緊湊、傳動環節少、體積小、重量輕，靈敏度高，分辨率高的特點。本文將重點介紹該膠囊內窺鏡的結構特點與工作過程，為膠囊內窺鏡的智能化設計提供了新的思路。

1 基于超聲電機的腸道膠囊內窺鏡的機械結構

（1）如圖1所示，基于超聲電機的腸道膠囊內窺鏡由攝像頭、膠囊頭部、頭部擺動系統、柔性包覆材料、紐扣電池盒、arduino微型控制板和膠囊本體組成。其中攝像頭與膠囊頭部固定連接，膠囊頭部與頭部擺動系統固定連接，頭部擺動系統與膠囊本體固定連接，紐扣電池盒嵌入微型單片機控制板中為整個系統供電，arduino微型控制板與膠囊本體固定連接。

（2）如圖2所示，頭部擺動系統包括底座固定架、三個定子、三個壓電陶瓷組成。其中底座固定架分別與三個柔性底座固定連接，三者之間呈120度分布;其中三個柔性底座與三個定子之間通過螺紋連接。將三個定子分別記為第一定子、第二定子、第三定子，與其螺紋連接的柔性底座分別記為第一柔性底座、第二柔性底座、第三柔性底座;與其所接觸的壓電陶瓷分別記為第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷，第三壓電陶瓷。

2 基于超聲電機的腸道膠囊內窺鏡的工作過程

（1）用arduino微型控制板來控制各定子的通斷電，當第一定子通電，第二定子和第三定子不通電時，膠囊頭部可繞第一定子的定軸實現擺動;當第二定子通電，第一定子和第三定子不通電時，膠囊頭部可繞第二定子的定軸實現擺動。當第三定子通電，第一定子和第二定子不通電時，膠囊頭部可繞第三定子的定軸實現擺動。

（2）當第一定子和第二定子上的壓電陶瓷片同時通電，且電參數相同時，通過速度合成，球轉子會沿著兩個定子軸線夾角的角平分線產生旋轉運動。通過改變兩個定子電參數的不同會調整組合運動的方向產生變化。

（3）同理當第二定子和第三定子上的壓電陶瓷片同時通電，且電參數相同時，通過速度合成，球轉子會沿著兩個定子軸線夾角的角平分線產生旋轉運動。通過改變兩個定子電參數的不同會調整組合運動的方向產生變化。

（4）當第一定子和第三定子上的壓電陶瓷片同時通電，且電參數相同時，通過速度合成，球轉子會沿著兩個定子軸線夾角的角平分產生旋轉運動。通過改變兩個定子電參數的不同會調整組合運動的方向產生變化。

3 工作特點分析

這種緊湊的并聯結構形式應用于膠囊內窺鏡系統內可減少傳動鏈，縮小機構體積，增加機械系統精度。同時，本系統采用超聲電機，其結構簡單，反應靈敏，便于二次開發。以其為基礎搭建的多自由度超聲電機直驅的膠囊內窺鏡鏡頭擺動系統徹底解決了目前膠囊內窺鏡鏡頭無法擺動，視角小，膠囊系統傳動機構復雜等諸多問題，實現結構緊湊、傳動環節少、體積小、重量輕，靈敏度高，分辨率高的特點[3]。

4 總結

本文闡述了一種基于超聲電機的腸道膠囊內窺鏡的結構特點與工作過程，并分析了其工作特點。本文詳細地描述了該膠囊內窺鏡各零件的配合方式，并且詳細地描述了其不同定子與轉子相互運動時鏡頭的移動情況，充分體現出了超聲電機在腸道膠囊內窺鏡中所發揮的優勢，為膠囊內窺鏡的智能化設計提供了新的思路。

參考文獻：

[1]高鵬，顏國正，王志武等.腸道微機器人柔性運動系統[J].光學精密工程，2012，20（03）：541-549.

[2]王皆宸，邢曉紅，蔣建，韓宇航.基于超聲電機的膠囊內窺鏡調焦機構研究[J].科技視界，2018（12）：93-94.

[3]胡程志.微型膠囊內窺鏡電磁驅動設計與主動控制研究[D].華中科技大學，2010.