胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统及控制方法

摘要

胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统包括：胶囊内窥镜，设有第一微处理器和与之电连接的霍尔传感器、射频调制芯片，通过霍尔传感器记录下其在体内运行时的磁感应强度值，传输至射频调制芯片进行信号发送；速度控制装置，置于体外，包括电性连接的接收控制模块和电磁线圈；接收控制模块包括第二微控制器和电磁铁电源控制模块、射频解调芯片，电磁铁电源控制模块与电磁线圈电连接；当通电产生电磁场，体内的胶囊内窥镜逐渐靠近肠胃内壁，并将运行磁感应强度值经由射频调制芯片发送至射频解调芯片，第二微控制器驱动电磁铁电源控制模块控制电磁线圈调整电磁场的大小，以根据所反馈的磁感应强度值的变化来控制胶囊内窥镜在肠胃内的运动速度。

说明书

技术领域

本发明涉及胶囊内窥镜，特别是指一种通过检测磁感应强度采用负反馈机制对胶囊内窥 镜的速度进行实时调整的控制系统和控制方法。

背景技术

胶囊式内窥镜是医学发展的科技新产品，其日渐被广泛应用于医学上各种病症的临床诊 断，采用无痛无创伤的监测诊断，口服后进入人体胃或肠道中，通过其镜头组件近距离拍摄 其内部的胃或肠壁状况，以进行临床诊断，减轻患者的临床痛苦。

由于胶囊内窥镜内部的视频传感器单张图片的采集时间约为30ms，单张图片的采集时间 过长，如果胶囊在体内运行速度过快，极易造成采集下来的图片模糊不清的情况，因此有效 控制胶囊运行速度变得有意义。

因此，有必要提供可对胶囊内窥镜在体内运行速度进行控制的控制系统和控制方法。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种通过检测磁感应强度对胶囊内窥 镜在体内运行速度进行控制的控制系统和控制方法，以控制其在肠胃中保持匀速运行，获得 清晰的图像。

本发明提供了胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统，其包括：

胶囊内窥镜，其设有第一微处理器以及与之电连接的霍尔传感器、射频调制芯片，通过 霍尔传感器实时记录下胶囊内窥镜所在位置的磁感应强度，传输至射频调制芯片进行信号发 送；

速度控制装置，置于体外，包括电性连接的接收控制模块和电磁线圈；

其中，接收控制模块包括第二微控制器和与之电连接的电磁铁电源控制模块、射频解调 芯片，电磁铁电源控制模块与电磁线圈电连接；

当电磁铁电源控制模块驱动电磁线圈通电产生电磁场，体内的胶囊内窥镜受磁力作用而 逐渐靠近肠胃内壁，并通过霍尔传感器记录胶囊内窥镜所在位置的磁感应强度，经由射频调 制芯片发送至接收控制模块的射频解调芯片，并由射频解调芯片传输至第二微控制器，第二 微控制器根据设定要求驱动电磁铁电源控制模块控制电磁线圈调整电磁场的大小，以根据所 反馈的磁感应强度的变化来控制胶囊内窥镜在肠胃内的运动速度。

在第二微控制器中，当射频解调芯片所传输的磁感应强度值大于设定磁感应强度值时， 则发送减速信号至电磁铁电源控制模块，驱动其降低电流输出，以降低电磁线圈的电磁力； 反之，当射频解调芯片所传输的磁感应强度值小于设定磁感应强度值时，则发送加速信号至 电磁铁电源控制模块，驱动其提高电流，以提高电磁线圈的电磁力。

优选地，所述电磁铁电源控制模块的电流馈电档位分为4档：0A、10A、20A和30A，当 磁感应强度B<60Gs时，启动电流馈电输出为30A，当磁感应强度为60Gs<B<80Gs时，启动电 流馈电输出为20A，当磁感应强度为80Gs<B<90Gs时，启动电流馈电输出为10A，当磁感应 强度为B>100Gs时，电磁铁电源控制模块关闭电流输出，电流馈电输出为0A。速度控制装置 根据胶囊内窥镜的霍尔传感器所反馈的磁感应强度的变化来调整其在肠胃中的运行速度，使 其保持低速运行。

本发明还提供了一种胶囊内窥镜体内运行速度的控制方法，其包括以下步骤：

步骤1）启动电磁铁电源控制模块，电磁线圈通电而产生电磁场；

步骤2）人体靠近电磁线圈，肠胃中的胶囊内窥镜受磁力吸引而向肠胃壁运动，并将霍尔 传感器所记录其所在位置的磁感应强度发送至速度控制装置；

步骤3）速度控制装置根据胶囊内窥镜所反馈的磁感应强度的变化以控制其的运行速度。

优选地，还可进一步包括以下步骤：

步骤4）根据霍尔传感器所记录的磁感应强度计算得出胶囊内窥镜的运行加速度；

步骤5）根据霍尔传感器所记录的磁感应强度和当前电磁线圈的馈电电流值，计算得出胶 囊当前所在位置。

与现有技术相比，本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统，通过霍尔传感器记录并 向速度控制装置反馈磁感应强度值，根据所反馈的磁感应强度值驱动电磁铁电源控制模块调 整馈电电流的幅度，通过负反馈机制调整电磁吸引力的大小，由此，调整内窥镜的运行速度， 避免了其速度过快导致所摄图像不清晰，以获得清晰的图像或影像，提高了拍摄的质量，进 而提高了诊断的准确性和精确度，对其诊疗具有很大的实践意义。同时，在操作设备上，采 用负反馈机制进行检测并控制，结合电磁场场强变化特点对内窥镜运行的影响，通过改变场 强强度来实现对内窥镜速度的调整，设备简单，操作方便，可靠性强，调整应变灵活。另外， 还可通过所反馈的磁感应强度来计算得出胶囊内窥镜的运行加速度、其所在当前位置以及运 行速度等各参数，对医学诊断具有很大意义。

附图说明

图1为本发明胶囊内窥镜的结构示意图；

图2为本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统的控制示意图；

图3为本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统的系统框图；

图4为本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统的电磁场曲线图；

图5为本发明胶囊内窥镜的电流控制示意图；

图6为本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统的测距示意图；

图7为本发明胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统的电磁铁电源控制模块的原理示意图；

图8为本发明胶囊内窥镜的图像数据中加速度的标示示意图。

具体实施方式

参照图1和图2所示，本发明提供了一种胶囊内窥镜体内运行速度的控制系统，其包括 胶囊内窥镜100和速度控制装置200，速度控制装置200通过胶囊内窥镜100所反馈的磁感 应强度值的变化，对其进行负反馈控制，以调整胶囊内窥镜100在肠胃内的运行速度。

其中，所述胶囊内窥镜100包括胶囊壳体1以及封装于其中的光源2、镜头3、天线4、 电源5、主控电路6、导磁模块7，镜头3设置于电源5的一端或两端，光源2装设于镜头3 旁，天线4套设于镜头3上，主控电路6和电源5分别与各模块电连接，所述导磁模块7套 设于电源5外周，起配重并受磁力吸引牵引作用。

所述主控电路6上设有第一微处理器60和与之电连接的霍尔传感器61和视频传感器62， 所述视频传感器62与射频调制芯片63电连接，其中，所述霍尔传感器61设于导磁模块7的 一侧，并贴附于电源5上，用于采集胶囊内窥镜在肠胃中的当前磁感应强度并传输至第一微 处理器60；所述第一微处理器60将磁感应强度值附于视频传感器62所采集的图像数据上， 传输至射频调制芯片63，经射频调制芯片63反馈至速度控制装置200，所述视频传感器62 用于拍摄肠胃壁的图像，并通过天线发送至图像处理模块进行记录并分析。

所述速度控制装置200包括电连接的接收控制模块201和电磁线圈202，其中，接收控 制模块201包括第二微控制器201a以及与之电连接的电磁铁电源控制模块201c和图像处理 模块201d，射频解调芯片201b与图像处理模块201d电连接，其中，射频解调芯片201b接 收胶囊内窥镜100所反馈的磁感应强度，对其进行解调后传输至图像处理模块201d，所述图 像数据发送至第二微控制器201a，经第二微控制器201a对图像数据进行解析，提取出图像 数据中的磁感应强度值，第二微控制器201a根据磁感应强度值的变化值控制电磁铁电源控制 模块201c对其输出电流进行实时调整，实现电磁线圈的磁场大小调整，以改变磁场对胶囊内 窥镜100的磁场吸引力，进而改变胶囊内窥镜在肠胃中的运行速度。

胶囊内窥镜在体液中，受浮力、重力和电磁吸引力的合力作用，其浮力和重力为稳定值， 因此，电磁吸引力决定其合力大小和方向，而电磁吸引力与磁感应强度成正比例关系，因此， 磁感应强度决定胶囊运行加速度的大小和方向。电磁线圈在通电状态产生磁场，对含有导磁 模块的胶囊内窥镜产生吸引力，进而控制胶囊在人体内的行进路线和位置。

当电磁线圈吸引胶囊内窥镜靠近时，距离越远，磁力增加越慢；距离越近，磁力增加越 快。因此，当电磁线圈通电启动时，吸引胶囊内窥镜的时候，由于胶囊内窥镜距离磁铁越来 越近，电磁吸引力随曲线急剧增大，导致加速度越来越大，胶囊运行速度也急剧增大，由于 胶囊内窥镜图像采集速度的限制，胶囊运行速度过快，对于采集到清晰图像是非常不利的， 因此需要对其加速度进行控制，以获得清晰的图像数据。由于，磁感应强度正比于电磁铁馈 电电流的幅度，控制电磁铁的电流，即可控制胶囊内窥镜的瞬时加速度。

参照图3所示，从以上电磁线圈磁感应强度分布曲线可以看出，磁感应强度距离不是均 匀分布的，其计算公式为磁感应强度随距离以约为形式分布，可计算 出胶囊所在位置、运行的加速度值和当前速度。设定一定电流值，通过霍尔传感器可测得出 附近区域各位置的磁感应强度，改变电流值，测得不同的磁感应强度值，记录下不同档位的 电流时的磁感应强度值。由此可知，在已知的电流值时，根据霍尔传感器所反馈的磁感应强 度值，结合磁感应强度分布曲线，可计算得出胶囊内窥镜所在的位置，有助于帮助各图像的 定位观测。由于胶囊内窥镜所受的电磁吸引力与磁感应强度值成正比关系，磁感应强度直接 决定了其电磁吸引力，而电磁吸引力又直接决定了胶囊内窥镜所受的合力，根据霍尔传感器 传出的磁感应强度值，可以实时推算出胶囊内窥镜的加速度值。根据霍尔传感器所测的磁感 应强度，可计算得出胶囊内窥镜的所在位置和加速度值，在电磁线圈馈电电流恒定的情况下， 计算磁感应强度变化速度，可大致推算出其运动速度。

在本发明的优选实施例中，通过霍尔传感器记录各个时间下的胶囊内窥镜的磁感应强度 值，在第二微控制器中，当射频解调芯片所传输的磁感应强度值大于设定磁感应强度值时， 则发送减速信号至电磁铁电源控制模块，驱动其降低电流输出，以降低电磁线圈的电磁力； 反之，当射频解调芯片所传输的磁感应强度值小于设定磁感应强度值时，则发送加速信号至 电磁铁电源控制模块，驱动其提高电流，以提高电磁线圈的电磁力，则提升胶囊内窥镜在肠 胃中的运行速度。胶囊内窥镜在肠胃内处于游离状态，根据所反馈的磁感应强度的大小，来 实时地调整其的运行速度。

为了更精确地对胶囊内窥镜的运行速度进行控制，对加速度值的变化进行定量控制。当 启动电磁线圈时，胶囊内窥镜距离肠胃壁最远，设定最大的电流输出，这时，胶囊内窥镜受 磁场吸引力逐渐靠近肠胃壁，随着胶囊内窥镜与肠胃壁之间的距离缩短，按图4所示的磁感 应强度变化曲线所示，磁感应强度随胶囊内窥镜与肠胃壁之间的距离逐渐缩小而增大。

参照图5所示，所述电磁铁电源控制模块的电流馈电档位分为4档：0A、10A、20A和30A， 当磁感应强度B<60Gs时，启动电流馈电输出为30A，当磁感应强度为60Gs<B<80Gs时，启动 电流馈电输出为20A，当磁感应强度为80Gs<B<90Gs时，启动电流馈电输出为10A，当磁感应 强度为B>100Gs时，电磁铁电源控制模块关闭电流输出，电流馈电输出为0A。当磁感应强度 较弱时，开启最大馈电输出，使得胶囊内窥镜受力最大，提升其运行的速度；随着胶囊内窥 镜逐渐向肠胃壁靠近，其磁感应强度逐渐增强，当磁感应强度达到一定值时，表明胶囊胃窥 镜进入某磁场范围区域，降低馈电幅度，下降一个档位，即可将其加速度减小，随之运行速 度下降；当磁感应强度增大到一定强度时，为了控制胶囊内窥镜的运行速度，第二微控制器 发送停止信号至电磁铁电源控制模块，由其控制电磁线圈停止电流输出，使得胶囊内窥镜不 受磁吸引力，其靠惯性缓慢向肠胃壁靠近，使其保持低速运行，以获得清晰的拍摄图像并传 输至接收控制模块的图像处理模块中进行处理分析。

参照图6所示，通过本运行速度的控制系统，不仅可以实时检测胶囊内窥镜的磁感应强 度，通过负反馈机制，调整电磁线圈的馈电电流，来调整其运行速度。另一方面，通过对磁 感应强度的检测，获知胶囊内窥镜在肠胃中的大致位置。距离电磁中心面50cm处为基准线， 以馈电电流为20A为例，胶囊内窥镜在40cm－50cm之间时，磁感应强度为60GS－100GS；在 30cm－40cm之间时，磁感应强度为100GS－160GS；在20cm－30cm之间时，磁感应强度为160GS －300GS。若调整馈电电流为10A时，当霍尔传感器所测得的磁感应强度为30GS－60GS时， 可推测胶囊内窥镜在40cm－50cm之间，当所测得的磁感应强度为50GS－80GS时，可推测胶 囊内窥镜在30cm－40cm之间，当所测得的磁感应强度为80GS－150GS时，可推测胶囊内窥镜 在20cm－30cm之间。以此类推，在已知馈电幅度的情况下，根据磁感应强度，可计算出胶囊 内窥镜与肠胃壁之间的间距，由此获知其位置，帮助其推测所拍摄图像的大致位置。

参照图7所示，在电磁铁电源控制模块201c中，包括电连接的交直流转换控制模块202a、 反向电流抑制模块202b和防雷保护模块202c，交直流转换控制模块202a与第二微控制器电 连接，反向电流抑制模块202b与电磁线圈202电连接，当交流电源接入交直流转换控制模块 202a，防雷保护模块202c与报警模块电连接，交流电源由交直流转换控制模块202a接入， 当收到第二微控制器所发出的调整电压信号时，根据所述信号指令控制，采用小信号控制输 出的直流幅值，经过交直流转换后，输出所需大小电流，所述防雷保护模块202c起到防雷击 及电流浪涌的作用，反向电流抑制模块对反向电流起到泄放和抑制作用，使得电压保持正向， 经电流抑制和调整后，输出至电磁线圈202，使其产生相应大小的磁场。

参照图8所示，为提高图像质量，胶囊内窥镜图像传输采用模拟信号形式，直接通过模 拟FM调制芯片输出，因此，磁感应强度值无法通过数字形式打包输出。为了解决数据的传 输问题，所述磁感应强度值嵌入图像数据中，以图像数据中的填色像素格作为标记，与图像 数据一并发送至接收控制模块，通过视频传感器的OSD功能，当第一微控制器采集到磁感应 强度值后，通过OSD功能，控制特定区域输出图像像素排列，以像素排列数表示磁感应强度 值，以此将磁感应强度值输出给外部接收端。OSD是on-screen display的简称，即屏幕菜单 式调节方式。一般是按Menu键后屏幕弹出的显示器各项调节项目信息的矩形菜单，可通过 该菜单对显示器各项工作指标包括色彩、模式、几何形状等进行调整，从而达到最佳的使用 状态。另外，在OSD选项里还可以调整显示的位置、无动作关闭显示的时间。例如：我们将 图像屏幕最后一列像素排列作为磁感应强度值输出表示列：从上之下，每一位像素显红色， 表示磁感应强度值为10Gs；如磁感应强度值为80Gs时，则从上至下显示8格红色，同列其 余格像素显示蓝色；以此类推，接收端根据所接收屏幕信息最后一列的像素颜色排列和数量， 即可即使得到磁感应强度值。

本发明还提供了一种胶囊内窥镜体内运行速度的控制方法，其包括以下步骤：

步骤1）启动电磁铁电源控制模块，电磁线圈通电而产生电磁场；

步骤2）人体靠近电磁线圈，肠胃中的胶囊内窥镜受磁力吸引而向肠胃壁运动，并将霍尔 传感器所记录其所在位置的磁感应强度发送至速度控制装置；

步骤3）速度控制装置根据胶囊内窥镜所反馈的磁感应强度的变化以控制其的运行速度。

在本发明的优选实施例中，还可以通过所反馈的磁感应强度值计算得出胶囊内窥镜的运 行加速度和其当前所在位置，具体包括以下步骤：

步骤4）根据霍尔传感器所记录的磁感应强度计算得出胶囊内窥镜的运行加速度。 F_合力=G+F_浮力+F_磁力=ma，其中，重力G_浮力，浮力F_浮力可以测得，磁力F_磁力可以根据霍尔传感器 所传输的磁感应强度值计算可得，已知胶囊内窥镜的质量m，因此即可实时计算出加速度；

步骤5）根据霍尔传感器所记录的磁感应强度和当前电磁线圈的馈电电流值，计算得出胶 囊当前所在位置。依据测试所得磁感应强度B，馈电电流值I，磁导率 u0,线圈匝数N1,线圈半径a，均已知，根据公式即可测试胶囊内窥镜目前所在位置r（胶 囊内窥镜与电磁线圈中心之间的距离）。

其中，在步骤2）中，胶囊内窥镜中霍尔传感器采集其所在位置的磁感应强度，经由射频 调制芯片发送至速度控制装置，速度控制装置的接收控制模块的射频解调芯片接收所述磁感 应强度信号后，传输至第二微处理器中进行信号比对，当射频解调芯片所传输的第二磁感应 强度大于第一磁感应强度时，则发送减速信号至电磁铁电源控制模块，驱动其降低电流，以 降低电磁线圈的电磁力；反之，当射频解调芯片所传输的第二磁感应强度小于第一磁感应强 度时，则发送加速信号至电磁铁电源控制模块，驱动其提高电流，以提高电磁线圈的电磁力。 经过磁感应强度的测量和比对，根据比对结果，改变电磁线圈的馈电输出，来实时调整胶囊 内窥镜的运行速度。

优选地，所述电磁铁电源控制模块的电流馈电档位分为4档：0A、10A、20A和30A，当 磁感应强度B<60Gs时，启动电流馈电输出为30A，当磁感应强度为60Gs<B<80Gs时，启动电 流馈电输出为20A，当磁感应强度为80Gs<B<90Gs时，启动电流馈电输出为10A，当磁感应 强度为B>100Gs时，电磁铁电源控制模块关闭电流输出，电流馈电输出为0A。速度控制装置 根据胶囊内窥镜的霍尔传感器所反馈的磁感应强度的变化来调整其在肠胃中的运行速度，使 其保持低速运行。可以理解，电流馈电可分为若干档位，亦可根据不同的需求进行馈电档位 的调整，以实时调整胶囊内窥镜的所受的磁场吸引力，进而调整其实时加速度。

刚启动电磁线圈时，由于胶囊内窥镜距离电磁线圈的相对距离较远，吸引力较弱，这时， 设定电磁线圈以最大电流进行工作，以吸引和牵动胶囊内窥镜；当胶囊内窥镜受到电磁线圈 的电磁吸引力，开始向肠胃壁方向运行，由于其相互之间距离的拉近，电磁吸引力根据其磁 感应强度分布曲线，开始逐渐加强，胶囊内窥镜运行加速度越来越大；当外部的接收控制模 块接收到胶囊内窥镜的磁感应强度值急剧增大时，立即通过电磁铁电源控制模块，通过负反 馈的方式实时降低电磁线圈的馈电电流，从而降低电磁吸引力，降低胶囊内窥镜的运行加速 度，从而保证其运行速度不至于过快，保证输出图像的清晰度，有利于图像数据的分析。通 过上述控制系统，不仅可以实时控制调整胶囊内窥镜的运行速度，而且可以计算得出胶囊内 窥镜与肠胃壁之间的间距和其运行加速度值。