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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

无线胶囊内窥镜（wce）是一种新型的肠道检查医疗技术，它的应用使得医学在许多消化道疾病的诊断中取得了重大突破。其原理是：通过口服胶囊内窥镜，如图1所示，受查者借助胃肠蠕动使得智能胶囊在体内沿消化道运动，胶囊内安置有摄像装置和信号传输系统，通过信号发射，实时地向体外的记录仪传输在消化道中的运动图像，基于此消化道的情况就可以被观察到。根据传送图像，就能对患者的消化道健康状况进行诊断。与现如今常见的插入式的消化道内镜相比，胶囊内镜是不会造成严重得不舒适情况，不需要导线控制，降低伤害，方便使用，对小肠的检测意义重大。

胶囊内镜在肠道诊断方面作用强大，但仍然有一些关键问题限制了其诊断的可能性，例如制动和定位问题，现在市场上的胶囊内窥镜的运动主要取决于肠道蠕动收缩，移动缓慢，运动随机且存在盲区。它无法暂停在某一处进行更细致的检查或操作。同时无法控制其移动的方向和速率，很难详细具体对某一器官部位观察。理论上，胶囊内镜最大视角只有140度，有较短可视距离，难以观察到更大的肠壁病变和全周，反馈的图像也是肠道内的随机获取得到的，缺乏针对性^[2]。此外，胶囊内窥镜主要依靠胃肠器官收缩前进，内窥镜电源只有6-8小时的电池寿命，太慢会使检查时间太长，无法完成小肠完整检查，太快也会使得无法看清楚消化道内情况，使小肠疾病的检出率大大降低，无法对肠道疾病的做出诊断^[2]。由于整个检查的过程中具有的随机性很大，胶囊内窥镜很容易出现漏检情况。胶囊内镜在肠道内移动时，由于肠壁结构的一致性，胶囊的位置定位就会存在不准确的现象。目前，胶囊内窥镜仅能提供消化道局部可视的功能，不能进行活检和内镜下治疗。

因此，约束胶囊内窥镜功能拓展主要原因是找不到合适的被动驱动方式造成的。为了实现外部控制人体内环境中胶囊内窥镜的运动以及具体的医疗操作，国内外的研究人员们在努力研究探索可行的驱动方法。目前这方面还处于一个基础探索阶段。

本研究基于电磁驱动机理，提出基于磁悬浮技术的胶囊内窥镜外部驱动控制机制。由于磁悬浮与支撑点之间存在空隙，不需要直接接触，引起尽可能得减少了二者之间的摩擦力。减少了胶囊检查可能造成的不必要的能量损耗，也减小了对速度的限制。其寿命长，污染小，更加安全可靠。运用磁悬浮技术，通过磁场外部控制驱动胶囊内窥镜，减少内置磁体的胶囊内窥镜被磁场吸引与肠内壁的直接接触。同时使得胶囊内窥镜可以保持贴近胃肠壁进行横向水平运动，以对胃肠壁的各个位置进行细致的拍摄，获得更为清晰全面的图像数据并且不会造成滞留，以进一步提高胶囊内窥镜拍摄的准确定、全面性和可控性。

2. 研究的基本内容

本文基于电磁驱动机理，运用磁悬浮和单片机控制技术，用单片机实现外部控制磁悬浮装置对浮子（模拟胶囊内窥镜）的控制，通过外部修改发送相应的命令，主控制器识别接收外部传送的指令，实现外部控制浮子悬浮和移动的功能。

磁悬浮最小装置通过数字控制驱动电路，实现外部对磁悬浮装置线圈中的电流的控制，通过单片机驱动电路外部对流过线圈的电流大小调节控制，使得线圈所产生的磁场发生改变，配合线圈中部互相垂直的两个霍尔传感器将磁力线强度转化为不同的电压值进行实时闭环反馈，达到控制浮子前后左右上下移动的目的。

以浮子模拟胶囊内窥镜，运用磁悬浮技术控制驱动浮子的平移，来模仿控制带磁铁的胶囊内窥镜在人体内保持悬浮，避免其受磁场的吸引而吸附于肠胃内壁上，同时外部控制使胶囊内窥镜可以保持贴近胃肠壁进行横向水平运动，以模拟实现外部对人体内部胶囊内窥镜的运动控制，从而提高胶囊内窥镜拍摄的准确定、全面性和可控性。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：

为了实现胶囊内窥镜的外部磁悬浮驱动，需要解决的是驱动控制电路如何实现控制胶囊内镜完成指定运动。设计的磁悬浮驱动系统：人体躺在病床上，外部的磁悬浮胶囊内窥镜控制系统的俯仰线圈和水平线圈分别位于人体上下左右方位。如图2所示，借助发动机的驱动，磁悬浮驱动系统可以实现水平位移，使用两对相互垂直的线圈系统组在yz平面上产生变化的电磁场，x平面上的胶囊移动通过平移组合线圈悬浮胶囊系统来实现，从而在两个空间维度上产生变化的磁场，实现胶囊空间三个维度的移动，从而实现对悬浮胶囊指定动作的控制。 磁悬浮系统单元之间是通过总线串口实现通信。本实验选择用线圈组实现单一方位磁悬浮控制系统的实现，以线圈组代替具有相同大小和方向的亥姆霍兹线圈。在线圈组方位分布选择上，我们选择模拟亥姆霍兹线圈分布位置，在线圈间的空间中加强磁场，从而得到更强的驱动磁场。当需要控制外部磁场驱动浮子移动时，则需要通过改变通过系统线圈电流的大小和方向，改变线圈对浮子作用力大小和方向，达到控制浮子移动的效果。通过数字控制电路调节电路中输入给运算放大器部分电路的电压来最终改变流过线圈的电流大小和方向，使得线圈所产生的磁场力发生改变，配合线圈中部互相垂直的两个霍尔传感器将磁力线强度转化为不同的电压值进行实时闭环反馈，达到控制浮子移动的目的。

4. 参考文献

[1]张瑞娟,刘晴.胶囊内窥镜产品发展现状综述[j].生物技术世界,2015(09):221 223.

[2]胡程志. 微型胶囊内窥镜电磁驱动设计与主动控制研究[d].华中科技大学,2010.

[3]胡超,宋霜,阳万安,孟庆虎,李抱朴,曾德文,李萧萧,朱红梅.胶囊内窥镜位置方向磁场定位技术的研究[j].集成技术,2012,1(01):105-113.