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基于机器人胶囊内窥镜的无线供能系统
摘要：将胶囊内窥镜从一种仅用来被动筛查的工具扩展到多用途机器人，电池能量往往不充足。无线供能克服了电能不足的问题，能够满足集成大功率模块的能量需求。本文主要研究无线感应功率传输及其在尺寸、材料和效率方面的技术优化。一种用户友好和稳定的外部装置已经可以支持通过下行链路来传输能量和数据的开发（从外部世界到胶囊）。研究了在一次侧使用亥姆霍兹线圈是否可行，并且已经做了初步设计实施。通过引入激光加工铁氧体磁芯来提高有功功率，进一步完善了3D线圈几何结构的持续发展。它证实了在0.48立方厘米体积下，可以在所有可能的方向下为胶囊装置提供330mW的功率。
1,介绍
肠胃病学对胶囊内窥镜的关注正在迅速地上升[1-3]。但是，它从一种被动筛选的工具转变为一种面向多用途机器人远不是那么简单的[1,2]。影响所有商用胶囊的瓶颈是 电池可用能量，一般电池通常提供6-8小时的25mW/h的电量[2]。这种程度的功率甚至难以有效的以较低的数据速率传输低分辨率的图像，当然也不足以为执行机构供能，比如运动机构或其他高耗能模块。电磁感应是电池的有效替代品，因为它显著地将可用功率提高了一个数量级，而且对运行时间没有限制[4,5]。对两种多维接收线圈的解决方案进行了评估：一组正交压缩空气线圈和一组相似正交铁氧体线圈。Lenarts和Puers在之前的一项工作中描述了空气线圈解决方案，并证明了在与大多数商业药片中使用的电池相同的容量下，它可提供高达150 mW的功率[5]。不过，这对于配备先进诊断工具和主动运动的胶囊来说还是不够的。
在目前的工作中，在相同的外部条件下，铁氧体线圈接收器把可用功率提高到了330mW，体积缩小了52%，功率/体积比增加了3个因子。图1描述了整个系统的框图。磁场源，发送器/接收器模块和PC接口单元都位于患者身体外部。在Vector[6]的构想下，一个高度先进的胶囊机器人正在开发中，这是一个欧盟资助的项目，历时四年。它拥有工业界和学术界的研究小组，也有临床医生、医学和健康经济科学家的参与。与当前可获得的胶囊相比，此设备进一步增加了嵌入式附加功能。除了视觉模块，还提供VGA图像[7,8]和高带宽发送器，并且支持高达2 Mbps的数据速率[9]，预期开发还包括一个专用的运动单元和执行器，用来执行活检或释放药物[3,10]。
根据所研究的胃肠道部分，已开发出相应的运动模块：一种针对食道的制动机构[11]，一个研究充满水的胃[12–14]的螺旋桨装置，它有适用于结肠的带腿的运动装置。振动装置[16]和磁转向[17]有助于防止胶囊滞留。 尽管主动运动在小肠中并不重要[1-3]，但在该地区进行非侵入性活检的可能性不在任何商业设备的覆盖范围内，并且对于诸如腹腔疾病的病理学诊断可能极其重要[18]。
在过去的几年中，已经开发出了几种胶囊专用驱动系统，并在文献中进行了阐述。参考文献[10]中描述了一种夹子释放机制，可用于防止肠粘膜出血。参考文献[19]中介绍了弹簧驱动活检工具，而参考文献[20]中描述了旋转式微型活检装置。这两个模块都可以获取和存储尚待进一步分析的小组织样本。
无线能量接收器、专用控制单元[21]和一个基于LED的照明系统构成了嵌入式模块的列表。图1描绘了在矢量项目框架内开发的两个机器人胶囊的理想效果[6]。本文重点介绍了一种专用的无线供能系统，该系统能够完全享有上述额外功能，拥有新一代胶囊内窥镜的特征。
2.系统设计
图2（左）是描述多维接收线圈感应环节的方框图。在初级侧，一个专用的线圈驱动器产生了流过缠绕在患者胸部的外部线圈的正弦电流，从而产生一个交变磁场， 并被植入入在人体内部胶囊的三维正交线圈所感应。为了最大限度地提高接收功率，对三个线圈进行了调谐处理，使他们以载波频率发生共振。在整流之后它们各自的功率获得了增加 以避免移相问题。在线性调节后，为嵌入式模块提供两条3.3和1.8 V的直流线路这些值仅由胶囊中嵌入的特定应用程序决定，如果要嵌入其他操作单元，这些值可能会有所不同。 功率模块的设计可以用来满足在最低耦合情况下最高功率需求，同时仍然达到人体交变电磁场的安全规范〔22〕。能量预支的确定对于保证胶囊正确运行并避免发生任何危险情况是十分关键的（例如，由于缺乏能量，运动系统的伸出部分可能被堵塞在胶囊外壳外）。表1概述了临床研究期间最为关键的胶囊模块所需的功率及其预计操作所需时间。耗电量最高的模块当然是机电模块。一个小型的直流电机在启动时可以很容易地达到超过100 mA的电流[12,14]。这项工作目的在于改善Lenaerts和Puers[5]在有限胶囊体积内（通常为_11 mmtimes;22 mm）所进行的功率传输。事实证明，与空气线圈相比，接收装置中的铁氧体磁芯大大增加了功率传输效率：磁场局部致密，提高了发射线圈和接收线圈之间的耦合[14,23,24]。在确定的磁场分布情况和接收线圈的固定尺寸下，有限元（FE）模拟表明，铁氧体线圈内的磁通量比双空气方案高出133%，从而增强了与外部磁场源的耦合（图3）。在模拟模型中，外部线圈（图中不可见）的半径为22 cm，长度为30 cm，而接收线圈的半径为5 mm，长度为5 mm。各绕组横截面用Ll1、L2air和L2ferrite（r=1000，3F4铁氧体）表示。 是均匀的外部电流通过L1绕组以便绘制磁通密度的变化情况。磁通密度增量变化仅限于铁氧体接收器及其附近，但在初级线圈和次级线圈之间的区域没有明显变化。铁氧体内部磁力线的部分偏转不会影响系统效率，因为在同一磁芯周围有三个正交线圈。一个线圈漏掉的磁场线会被另外两个线圈所接收，即使它们与外部线圈磁场线不匹配〔14〕。线圈框架是用经过激光加工的3F4（铁氧体）铁氧体薄片材料制成的，这种材料确保在1兆赫工作频率下实现低损耗效果。多个样机现在已经完成，并对其性能进行了客观分析和评价。表2恢复了最重要的接收器特性。Copper用横截面为0.10 mm和0.08 mm的单丝铜缠绕样品，绕组数量在可用空间和匹配负载阻抗之间达到折中解决的效果。9 mm无芯线圈组使用与铁氧体相同尺寸的PVC支架。图2右侧描绘了9 mm铁氧体线圈接收器的装配：图上展现了线圈组和功率转换板，并将其尺寸大小与1美元和1厘米的刻度进行了比较。转换电子器件安装在双层0.65 mm厚的陶瓷基板上。综合考虑性能和占地面积，从最小的现成可用组件中选择了组件。使用两个未封装的线性调节器（国家半导体公司LP2985，1168 mtimes;991 m）可以简化转换电路（由于其输入动态范围大，无需过电压保护），并大幅降低所占用面积。所有组件都位于顶层的基板上。这导致接收模块的体积与先前报告的9mm铁氧体线圈模块相比减少了20%〔24〕。
虽然非常适合实验室测试的要求，但是Lenarts和Puers[4]开发的外部装置不完全适合医疗环境。该设备很不便于用户使用，而且对设置环境的变化非常敏感（例如操作员 接近初级线圈）。此外，最初的实验室设置需要大量的外部运行设备（两个电源，一个函数发生器，还有一个示波器）。为了在医院环境中系统更加实用，设计了一个新的外部单元。
如参考文献[4]所述，对寄生外部影响（如第三人的接近）的敏感度是改进后的E类配置固有的。虽然这种方法表面上可以获得更高的效率，但也会导致驱动器对地耦合过分敏感，从而影响功率传输。为了提高输出稳定性，新模块应选标准E级配置。外部装置的示意图如图4（顶部）所示。在驱动器旁边，为了达到初级线圈中所需的高电流，电路板包含一组用于配电和数据通信的子模块。所有所需的直流电压线都是从一个外部电源所产生的。时钟的产生和数据调制由FPGA处理，而PC接口通过串行端口提供。外部线圈考虑了两种不同的构造：环绕于患者胸部的电磁线圈（图1）和允许患者处在两个线圈之间的亥姆霍兹线圈（图4）。后一种解决方案是很有前景的，因为它有几个优点。首先，磁场将分布在装置主干上，能达到更高的磁场强度，高达10W/kg[22]。其次，亥姆霍兹线圈感应的磁场比具有相同磁动势（MMF）的螺线管感应的磁场更均匀。第三，系统在临床上的实现将更加容易（即集成在手术床上）。图5示出了一个轴对称的有限元模拟，模拟了相同尺寸和相同电流分布的螺线管和亥姆霍兹线圈产生的磁场分布情况。
如右下角图4所示，初步设置的包括2times;10个绕组，直径30 cm且带驱动板的Helmholtz线圈目前正在分析评估当中。
3.结果和讨论
把空气线圈[4]和两种不同型号的直径分别为9mm和14 mm铁氧体线圈，和9 mm无芯线圈的性能相比较。初步试验是用一个14毫米的接收器测试的，成功地把它集成在一个自我推进和可操纵的胃镜检查胶囊中[13,14]。虽然它的尺寸不适合集成在标准胶囊中，但这项研究使小型化版本的研发成为可能。图6（左）显示了9mm铁氧体线圈和空气线圈之间占用体积上的比较，突出了它们在尺寸上的显著差异。
磁场产生于频率为1兆赫兹，130匝的E类线圈驱动器[4]。PVC结构允许配置第二层 线圈于初级线圈L1的中心。接收器组固定在一个可旋转的圆盘上，该盘可以从横向和纵向上调整方向，如图6（右）所示。记录绕X轴执行180度旋转且步长为10度的操作时的接收功率。图7描述了68 匝的相同外部磁动势的不同线圈组接收功率结果的比较。使用三种测试结构来测试多维线圈组的性能。如图7（底部）所示，在起始位置，L2Z和L1是同轴的，Z轴是它们的共轴（图6）。在这些条件下，L2X和L2Y与l1正交，因此不会叠加在一起。在图7的前两种情况下，接收组的横向方向使得围绕X轴（图6）的90°旋转分别隔离L2X和L2Y的接收作用，而其他两个线圈与L1正交。
除上述情况及其对称对边以外，三个接收线圈共同接收功率，它们的实际接收到的功率之和取决于它们相对于L1的位置。由于空气线圈是一个线圈内配置另一个线圈，L2Y的横截面会比L2X小，因此从第一个线圈（案例1和案例2）开始，第二个的接收作用会稍弱于第一个。铁氧体和无芯线圈组并非如此，因为L2X和L2Y在结构上横截面相同。在一般情况下，最可能的情况是图7中描述的第三种情况：对于90°旋转，L2x和L2y与Z轴形成45°角。在这里，铁氧体磁芯的增益作用得到了进一步证明：因为L2X和L2Y都没有与L1完全耦合，测量功率最小的为空气线圈和无芯线圈，测量功率最大的为铁氧体线圈。由于磁芯的作用，磁通量的密度在局部更大，磁场线被两个接收线圈包围的更多。
铁氧体线圈与空气线圈性能的直观比较结果表明，在所有测试条件下，接收功率都增加了一倍以上，同时体积减少了52%。与9mm无芯线圈相比，改进更为显著：接收功率比其先进了十多年。
4.结论
对于给定的接收器可以证明铁氧体磁芯的接收功率增加约1500%。另一方面，该策略也使体积减少了52%，同时将功率增加120%。这是胶囊内窥镜设计上的一大突破。因此的供能模块可提供足够的能量来操来操作先进的诊疗系统，而用其他技术是难以达成的。未来的工作将集中在额外的集成测试和简化外磁场源的工作特性上。
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