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      主被動(dòng)式腸道微型機(jī)器人研究進(jìn)展*

      2021-07-14 08:33:46遲明路劉榮升鄭華棟周燕飛王元利任沁超錢曉艷任瑞華
      機(jī)電工程技術(shù) 2021年4期
      關(guān)鍵詞:膠囊無線驅(qū)動(dòng)

      遲明路,劉榮升※,鄭華棟,周燕飛,王元利,任沁超,錢曉艷,任瑞華

      (1.河南工學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;2.鄭州輕工業(yè)大學(xué),鄭州 450002;3.河南輕工職業(yè)學(xué)院,鄭州 450002;4.江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司,江蘇蘇州 215121)

      0 引言

      消化道疾病歷來是人類的高發(fā)病癥,胃腸道疾病,特別是位于小腸和結(jié)腸部分的疾病,對(duì)人類健康帶來了較大危害。集機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)成像技術(shù)的無線微型膠囊機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱“膠囊”)的出現(xiàn)是消化道疾病診療領(lǐng)域的重大突破,完全避免了傳統(tǒng)生硬插管檢查的痛苦,相比傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡,膠囊提供了一種全新的無創(chuàng)解決方案[1-3]。醫(yī)生通過攝像頭無線傳輸圖片獲得病變組織信息,進(jìn)行腸道疾病診斷,改變了現(xiàn)有醫(yī)療模式,為體內(nèi)消化道診察提供了嶄新的無創(chuàng)、無痛、診療手段,具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

      目前,國內(nèi)外主要有兩種膠囊:被動(dòng)膠囊與主動(dòng)膠囊。已經(jīng)商業(yè)化使用的被動(dòng)膠囊主要依靠攝像頭傳輸進(jìn)行診斷,主要運(yùn)動(dòng)形式為依靠人體自身胃腸道的蠕動(dòng)力[5],配合膠囊的自身重力進(jìn)行運(yùn)動(dòng),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外醫(yī)院的胃腸道消化科。雖然相比于主動(dòng)膠囊,被動(dòng)膠囊無法主動(dòng)靠近或離開胃腸道內(nèi)部病患檢查區(qū)域,但仍以其原理簡(jiǎn)單、操作方便和成本較低的特點(diǎn),備受胃腸醫(yī)療消費(fèi)市場(chǎng)青睞[6]。

      另一種主動(dòng)膠囊正成為現(xiàn)階段研究人員的熱點(diǎn)探索領(lǐng)域,主動(dòng)膠囊具有行走方向、位置、速度可控的特點(diǎn),能夠與操作醫(yī)師緊密互動(dòng),操作反饋實(shí)時(shí)性好、定向診治靈活[7]。能夠有效提高診療效率,減少非病患區(qū)照片拍攝數(shù)量,降低漏檢率。最重要的是搭載了靶向施藥與微型手術(shù)的主動(dòng)膠囊,可以輕松應(yīng)對(duì)消化道內(nèi)部的病變分析和息肉取樣等操作,具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。本文分別介紹這兩種膠囊的研究進(jìn)展情況。

      1 被動(dòng)膠囊機(jī)器人

      被動(dòng)膠囊最初是由傳統(tǒng)的插管式內(nèi)窺鏡發(fā)展而來,歷經(jīng)直管內(nèi)窺鏡、半可屈式內(nèi)窺鏡、軟式光纖內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡、膠囊機(jī)器人5個(gè)階段。由于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡采用從人體口腔或肛門直插人體的方式,令患者苦不堪言、十分畏懼。而通過口服膠囊的方式進(jìn)入人體,能有效避免直插內(nèi)臟對(duì)人體造成的軟組織身體損傷和心理傷害,且操作簡(jiǎn)單、無痛,因此,各類型的被動(dòng)膠囊應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)外常見的被動(dòng)膠囊利用人體消化道的蠕動(dòng)推力向下運(yùn)動(dòng)[8],依靠無線收發(fā)系統(tǒng)傳輸拍攝圖像,如無其他特殊控制操作,可大量節(jié)約電能消耗,能夠維持長(zhǎng)時(shí)間工作。

      以色列Given Imaging公司在2003年推出了PillCam口服無線膠囊,獲得了當(dāng)年美國食品與藥品管理機(jī)構(gòu)(FDA)的許可,該膠囊專為10~18歲年齡段的青少年開發(fā),用于治療小腸疾病。膠囊隨著腸道的蠕動(dòng)而收縮運(yùn)動(dòng),依靠?jī)?nèi)部的CMOS相機(jī)以每秒2張靜止照片的頻率拍攝腸內(nèi)組織照片,電池壽命約為8 h[9-10]。該公司還研制了PillCam ESO和Pill Cam COLON系列膠囊[11]。目前,國內(nèi)外商業(yè)化應(yīng)用的膠囊公司主要有日本Olympus公司(EndoCapsule)、重慶金山科技公司(OMOM)、韓國Intromedic公司(MiRo capsule)、美國CapsoVision公司(CapsoCam SV1)[12],上述公司的膠囊產(chǎn)品和具體參數(shù)對(duì)比分別如圖1和表1所示。

      圖1 國內(nèi)外被動(dòng)膠囊

      表1 被動(dòng)式膠囊參數(shù)對(duì)比

      上述膠囊產(chǎn)品均已推向全球醫(yī)療市場(chǎng)并成功進(jìn)行臨床應(yīng)用,能夠針對(duì)胃腸道疾病產(chǎn)生一定的治療作用,但仍存在一些問題,例如,拍攝的圖像經(jīng)無線傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟失,圖像拍攝的隨機(jī)性較大等問題。目前大部分膠囊的攝像頭均在兩端,極易受到膠囊姿態(tài)和腸道非光滑內(nèi)壁的影響而無法完整拍攝,會(huì)降低病變檢出率,導(dǎo)致漏檢,圖2所示為膠囊攝像頭安放位置對(duì)比情況。

      圖2 攝像頭安放位置對(duì)比

      因此,美國CapsoVision公司設(shè)計(jì)了CapsoCam Plus膠囊[13],利用4個(gè)CCD鏡頭安裝在膠囊中部形成具有全方位拍攝的功能,拍攝的照片達(dá)到212×896像素,拍攝速率20幀/s,電池續(xù)航能力長(zhǎng)達(dá)15 h,膠囊內(nèi)部集成了閃存盤,拍攝過程中直接存儲(chǔ)照片,無需進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送,消除了無線信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路的干擾,并減少了內(nèi)部體積占用,如圖3所示。Jang等[14]研制出一種類似的超輕無線膠囊系統(tǒng),具有低功耗(<1 mW)、能夠高速傳輸圖像(80 Mb/s)的特點(diǎn),能夠連續(xù)工作8~12 h。

      香港中文大學(xué)Leung等[15]研制了一種充氣止血膠囊。醫(yī)學(xué)上,常通過填塞效應(yīng)減少出血量,人體血小板需要(4.5±1.5)min才能有效凝血。對(duì)胃腸道的內(nèi)出血進(jìn)行止血治療時(shí),借助酸堿吸熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體為氣球充氣,當(dāng)氣球達(dá)到預(yù)算值時(shí),停止充氣并停留在腸道出血部位處。機(jī)器人直徑為14 mm,長(zhǎng)為60 mm,由酸液注射器、氣體發(fā)生器、電路模塊組成,長(zhǎng)度分別為13 mm、35 mm和12 mm,3部分之間由柔性接頭連接,密封在硅膠氣球中。

      Mohammed等[16]提出并設(shè)計(jì)了一種無線熒光膠囊,用于對(duì)人體小腸組織的自體熒光進(jìn)行成像。該機(jī)器人配置468 nm波長(zhǎng)的低照明LED,功率為78μW,所有功率消耗由兩塊1.5 V的紐扣電池維持供電,并在哺乳動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行了熒光成像實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人三維模型分解結(jié)構(gòu)如圖4所示,集成了發(fā)射器和螺旋天線的14 mm PCB板、FPGA控制器和ASIC成像器等。

      圖4 熒光膠囊

      Tortora等[17]研發(fā)了一種光動(dòng)力診療膠囊,該機(jī)器人的治療原理是:利用藍(lán)光殺菌的有效波長(zhǎng)范圍375~425 nm,紅光殺菌波長(zhǎng)范圍625~675 nm,對(duì)細(xì)菌進(jìn)行30 min的輻照殺菌作業(yè)進(jìn)行滅菌。圖5所示為發(fā)射紅光的膠囊樣機(jī)(波長(zhǎng)625 nm),8個(gè)LED為兩端布置,外殼由透明聚碳酸酯構(gòu)成,直徑12 mm,長(zhǎng)27 mm。由3 V/160 mAh的圓柱形鋰電池供電,直徑11.6 mm,長(zhǎng)10.6 mm,可為8個(gè)LED連續(xù)供電1 h左右。

      圖5 光動(dòng)力診療膠囊樣機(jī)

      綜上分析,被動(dòng)膠囊的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用,大部分被動(dòng)膠囊僅由外殼、攝像頭、無線收發(fā)裝置、電池等部分模塊構(gòu)成,甚至還有診療模塊,例如光學(xué)活檢。模塊化的易用設(shè)計(jì)使得被動(dòng)膠囊迅速發(fā)展,有效降低了研發(fā)及生產(chǎn)成本。

      2 主動(dòng)膠囊機(jī)器人

      2.1 電力驅(qū)動(dòng)型

      De Falco等[18-19]研發(fā)了一種電力驅(qū)動(dòng)四螺旋膠囊,主要用于檢查胃內(nèi)較大空間的環(huán)境,如圖6所示。采用4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳在尾部推進(jìn)的方式,選用加拿大Plantraco公司生產(chǎn)的鋰電池為螺旋槳供電,電池容量為50 mAh/3.7 V,能量密度200 Wh/kg,尺寸為13 mm×17 mm×5.7 mm,質(zhì)量為1.5 g,機(jī)器人長(zhǎng)度為32 mm,最大直徑為22 mm,產(chǎn)生的最大推進(jìn)力為25.5 mN。機(jī)器人頭部攝像頭的圖像采樣率為30 fps,視頻采集系統(tǒng)由一臺(tái)CMOS微型照相機(jī)構(gòu)成,經(jīng)過對(duì)比聚焦評(píng)估測(cè)試,能夠感知和區(qū)分不同顏色。在實(shí)驗(yàn)室離體胃組織內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn),機(jī)器人電池供電時(shí)間可維持13 min。

      圖6 四螺旋槳膠囊結(jié)構(gòu)

      Norton等[20]提出一種帶有膨脹收縮臂的輪式微型機(jī)器人。通過電纜為機(jī)器人傳遞電力和控制信號(hào),膨脹機(jī)構(gòu)用于調(diào)整3個(gè)支臂角度,使機(jī)器人能夠主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的尺寸和形狀,提供足夠的牽引力和力矩,每個(gè)支臂末端有一個(gè)球形輪。行走輪機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)3個(gè)球形輪以獲得驅(qū)動(dòng)力,控制機(jī)器人在結(jié)腸內(nèi)的位置和方向,每個(gè)支臂內(nèi)都有一個(gè)長(zhǎng)為6 mm的有刷直流電機(jī)和221∶1的減速箱,運(yùn)動(dòng)速度為3.85 mm/s。

      2.2 磁(電磁)驅(qū)動(dòng)型

      張永順等[21-22]經(jīng)過多年的探索研究,研發(fā)了多種膠囊,圖7所示為扭轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)花瓣型膠囊系統(tǒng)[23],該機(jī)器人能夠以懸浮姿態(tài)在腸道內(nèi)部運(yùn)動(dòng),避免了接觸腸道內(nèi)壁,并提高了轉(zhuǎn)彎游動(dòng)速度,采用三軸方形正交亥姆霍茲線圈作為電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)任意姿態(tài)的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)行走。

      圖7 扭轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)花瓣型膠囊系統(tǒng)

      Ha Le等[24]研制一款能夠釋放藥物微型液壓泵膠囊,由亥姆霍茲線圈和麥克斯韋線圈組成電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)行走時(shí),安裝的2個(gè)軟磁環(huán)被系統(tǒng)磁場(chǎng)沿軸線磁化,相互吸合,連同液壓泵螺旋槳一同旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)膠囊行走;當(dāng)需要釋放藥物時(shí),軟磁環(huán)被消磁而相互遠(yuǎn)離,脫開液壓泵螺旋槳,液壓泵螺旋槳在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)藥倉釋放藥物。

      天津理工大學(xué)Nan Liang等[25]研制出一種對(duì)稱螺旋膠囊,如圖8所示,該膠囊長(zhǎng)70 mm,直徑12 mm,內(nèi)部嵌有永磁體,通過外部磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部永磁體作用耦合力矩而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,Nan Liang分析了不同液體流速下機(jī)器人的游動(dòng)性能,以及膠囊在液體中的浮力和阻力特性。當(dāng)液體流速為26 mL/min時(shí),機(jī)器人動(dòng)態(tài)游動(dòng)性能最佳。水平方向游動(dòng)時(shí),機(jī)器人順流游動(dòng)最大速度為20.44 mm/s,逆流游動(dòng)最大速度為6.49 mm/s;垂直向上游動(dòng)時(shí),機(jī)器人順流和逆流游動(dòng)最大速度分別為10.1 mm/s和1.34 mm/s;垂直向下游動(dòng)時(shí),機(jī)器人順流和逆流游動(dòng)最大速度分別為10.11 mm/s和1.337 mm/s。

      圖8 對(duì)稱螺旋膠囊

      意大利圣安娜高等研究學(xué)院Fontana等[26-27]提出一種球形膠囊,該機(jī)器人直徑為26 mm,質(zhì)量為12.7 g,內(nèi)置圖像與光纖傳感器、控制單元、動(dòng)系統(tǒng)、智能充電電池、智能通電電路和定位模塊,該機(jī)器人通過電磁控制系統(tǒng)產(chǎn)生的磁吸引力作用于機(jī)器人外嵌永磁體,拉動(dòng)機(jī)器人沿所需方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將機(jī)器人放置于充電座上時(shí),可進(jìn)行無線充電,機(jī)器人內(nèi)部線圈與充電座上的線圈通過電磁感應(yīng)原理為機(jī)器人內(nèi)置電池充電,充電時(shí)間約為26 min。

      為精確定位機(jī)器人的角度和位置,保證傳出圖像質(zhì)量,Son等[28-29]設(shè)計(jì)了一種5D定位方法,即通過單軸霍爾傳感器陣列測(cè)量給定位置的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度,定位方法分成兩步:首先,從測(cè)量的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中減去電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng),目的是為了獲得機(jī)器人磁場(chǎng)的精確值;然后,對(duì)減去的磁場(chǎng)二次微分,以減小電磁場(chǎng)在定位過程中產(chǎn)生的影響。該定位方法的位置誤差能達(dá)到(2.1±0.8)mm,角度誤差為6.7°±4.3°。方柱形膠囊的尺寸為6.4 mm×6.4 mm×12.8 mm,材質(zhì)為Nd-Fe-B永磁體,磁矩為0.45 A·m2,采用滾動(dòng)行走方式。

      2.3 氣壓驅(qū)動(dòng)型

      Poon等[30]提出一種仿毛蟲機(jī)器人,如圖9所示。機(jī)器人全長(zhǎng)100 mm,為提高機(jī)器人的移動(dòng)效率和安全性,對(duì)氣囊充氣過程中的壓力、體積和與腸內(nèi)壁的接觸力均進(jìn)行了研究,分別在硬質(zhì)PVC管道、軟質(zhì)PVC管道、多肌肉豬腸和少肌肉豬腸中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在少肌肉腸道內(nèi)機(jī)器人行走時(shí)間最長(zhǎng),在硬質(zhì)管道中行走時(shí)間最短,45 mmHg為腸道內(nèi)最小錨固壓力,雙氣囊內(nèi)的最佳壓力分別為5.4 kPa和5.6 kPa。與之類似,日本中央大學(xué)Adachi等[31]也開發(fā)了一種腸道仿蚯微型機(jī)器人。

      圖9 腸道仿毛蟲微型機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制

      3 結(jié)束語

      本文對(duì)國內(nèi)外主被動(dòng)式腸道微型機(jī)器人的特點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。被動(dòng)膠囊利用消化道自身蠕動(dòng)力進(jìn)行全消化道的遍歷診察,運(yùn)動(dòng)緩慢而無序,無法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)主動(dòng)控制,遇到腸道褶皺堆積還會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間滯留人體的危險(xiǎn)。主動(dòng)膠囊能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人方向和姿態(tài)的主動(dòng)調(diào)整,縮短消化道遍歷時(shí)間,提高診療效率,改善診療安全性。主動(dòng)控制對(duì)擴(kuò)展膠囊功能十分重要,如檢測(cè)胃腸道pH值生理參數(shù),消化道內(nèi)釋放藥物、光動(dòng)力診察、甚至微手術(shù)等。因此,主動(dòng)控制成為當(dāng)前研究熱點(diǎn),磁驅(qū)動(dòng)型膠囊以其供能穩(wěn)定、控制方便、磁場(chǎng)均勻以及方位指向性好等特點(diǎn),成為主動(dòng)膠囊的主流方向,該方式可不受機(jī)器人內(nèi)部體積約束,能高度微型化,降低檢查過程中的不適感與異物感,便于臨床推廣應(yīng)用。目前,許多研究機(jī)構(gòu)已紛紛轉(zhuǎn)向無線磁控膠囊的研究,并認(rèn)為是最有可能應(yīng)用的技術(shù)途徑。隨著科技發(fā)展,人工智能在醫(yī)學(xué)中逐步應(yīng)用,尤其在膠囊診治中,人工智能輔助系統(tǒng)可全面提升檢察效率與診治質(zhì)量,因此,人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與膠囊的融合將是未來消化道疾病診療發(fā)展的趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)膠囊的智能化發(fā)展。

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