[发明专利]磁场与视觉相结合的医疗微型机器人体内姿态定位方法

说明书

技术领域

本发明属于医学工程技术领域，涉及一种通过摇杆手柄操作带动倾角传感器分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加以摇杆手柄方位角一致的直流叠加磁场，借助体内微型机器人内嵌磁检测系统与无线视觉传输系统的传输图像相结合的检测方法实现内嵌径向磁化钕铁硼磁体螺旋旋进式医疗微型机器人在体内姿态方位角定位的基本方法。

背景技术

体内医疗微机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其管状柔弹性壁环境组织内形复杂，蜿蜒曲折，空间狭小，复杂非结构化的流体环境给微机器人的主动控制和操作带来了很大难度。为了不对柔弹性软组织造成创伤和进入体内深处，要求微机器人以无电缆驱动方式，通过游动可靠的进入和退出体内深处，并能安全精细地实现诊断、介入治疗等作业。体内医疗机器人无缆驱动技术对提高人类寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤甚至致残具有重要的科学意义，能减轻患者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用，必将对医学工程的发展产生极大的影响。

无缆驱动方式可显著提高体内机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性，因此微机器人无缆驱动已经成为国际上的主要发展趋势。日本K.Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌径向磁化钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进驱动的技术方案，但对如何产生空间旋转磁场并没有介绍，也没有提出机器人的姿态的检测方法。该驱动方法要求外旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线重合，才能有效的驱动机器人旋进行走，因此在弯曲环境内，要求外旋转磁场的轴线可以任意调整，以保证在弯曲柔弹性管内外旋转磁场的旋转轴线始终与机器人的轴线一致，才能实现体内弯曲环境内的驱动。

人体软组织环境蜿蜒曲折，为了适应弯曲环境内的驱动，必须要根据弯曲环境的具体情况，检测出机器人在体内的姿态方位角，并将方位角参数提供给旋转磁场驱动装置，以便产生与机器人姿态方位角一致的外旋转磁场。通过不同弯曲阶段机器人姿态方位角的检测，不断的调整外旋转磁场的轴线位姿，使万向旋转磁场的旋转轴线始终与机器人的轴线方向保持一致，实现体内复杂弯曲环境内的驱动。因此为了实用化，简便、易操作的体内机器人姿态定位技术是必须要解决的关键问题，是实现体内弯曲复杂环境内驱动的必要前提条件。

国外进行了胶囊式机器人相关定位技术的研究，主要针对在体内三维空间位置的定位方法进行了研究，如以色列的胶囊内窥镜系统PillCam采用基于射频信号能量检测的方法进行定位；瑞士和德国的一些研究机构研究了基于永久磁铁磁标记物的方法，这些方法可提供体内目标的大致定位信息，但在定位精度上还存在较大缺陷，尤其是必须借助昂贵的检测设备，操作过程复杂，计算难度大，距离满足临床诊断和治疗要求较远。

国内上海交通大学提出了基于电磁检测原理的定位方法，该方法在体表布置多个电磁发射线圈，通过胶囊内密封的接收线圈检测所在点的磁感应强度，利用检测值，根据磁感应强度和该点位置坐标之间的函数模型反向求解出位置信息。该方法的缺点是要施加交变磁场；同时上海交通大学提出了一种基于体外静磁场检测的胶囊在体内位置连续跟踪的方法，利用胶囊内密封的永久磁铁作磁标记物，在体表布置6个磁场传感器，检测每一采样时刻体表处的磁感应强度，建立磁源和空间磁场分布的对应关系，利用遗传算法求解出胶囊每一时刻的空间位置坐标。上述方法原理复杂，计算量大，可操作性差，尤其是不能检测出机器人的方位角姿态参数。

由于施加的外磁场在人体环境内是均匀的，为了驱动机器人，我们只需要检测出机器人的姿态角即可。针对胶囊机器人在体内方向角姿态检测方法的文献较少，且难度更大。福州大学提出了以磁场方式来测定内窥镜探头在人体内的三维位置及姿态角。根据三个互相正交的圆环线圈在其周围空间任意点产生的三维磁感应强度表达式，以及附着于内窥镜探头上的三个相互正交的磁场传感器在该磁场空间任意点以任意姿态感应磁场时所获得信号的表达式，建立以空间位置与姿态角为未知数的六元非线性方程组，计算出位置与方位角，显然该方法结构过于复杂，计算难度大，可操作性差。