一种可多次取样的胶囊状活检机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种可多次取样的胶囊状活检机器人。

背景技术

胃肠道疾病作为临床上的常见病，其潜伏周期长，早期症状不明显，严重影响着人们的身体健康和精神健康，其患病率高达74％，我国患病总人数高达3亿，占我国人口总数的21％。由于人体的胃肠道长为8～10米，又由于胃肠道内的疾病隐蔽，难以发现，因此尽早地发现，并在早期采取治疗是成功治疗胃肠道疾病的关键。

目前在临床上，诊查胃肠道疾病的主要设备是传统的插管式内窥镜。作为一种侵入式的诊断检查的方式，传统的内窥镜在诊断过程中会给患者带来痛苦，并且可能会带来一系列的并发症。现阶段，传统的插管式内窥镜已出现了相应的诊查代替方案，例如钡剂灌肠和大便隐血，但这两种代替方案的误检率较高，诊查有效性低。主动运动式的胶囊机器人的成功研制使得患者可通过吞服胶囊机器人进入人体进行活检，精准钳取所需组织成为可能，从而为医生采集相关病理组织，对病灶类型做出准确的诊断，确诊疾病，实现消化道疾病的早发现早治疗，以便对症治疗，提高治疗效果，其不仅操作简便，且属于微创式诊疗方法，大大减轻病人在胃肠道疾病诊断时的不适。因此实现具有活检功能的胶囊机器人，是临床亟需解决的关键技术之一。然而，现有活检功能的胶囊机器人多为一次性活检功能，当人体多个部位或同一部位多处需采样时，需再次吞服，不仅效率低下，而且成本高、时间长，多有不便。因此，迫切需要提出一种一次吞服就具有多次取样功能的胶囊活检机器人，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可多次取样的胶囊状活检机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可多次取样的胶囊状活检机器人，包括形状、尺寸相同的半胶囊状的囊体和囊盖，二者相互拼接形成胶囊状，所述囊体内设有控制盒、摄像系统、定片、万向座、叶轮驱动机构、控向单元、螺旋驱动机构、多工位台座、撞针、孔座、夹钳和多格盒，所述控制盒与叶轮驱动机构、孔座、摄像系统、螺旋驱动机构和控向单元分别连接，所述万向座连接所述叶轮驱动机构，所述控向单元穿过所述定片后连接所述叶轮驱动机构，所述撞针、所述夹钳分别与多工位台座连接，所述撞针与孔座对应设置，所述螺旋驱动机构与所述夹钳连接，所述多格盒与孔座对应设置，并位于夹钳必经路线上。

进一步地，所述定片固定在囊体的一端内部，所述定片的端部设有第一网罩，所述万向座设于所述定片与第一网罩之间，定片上设有多个用以连接控向单元的第一安装孔，所述控向单元的数量与第一安装孔的数量相同。

进一步地，所述叶轮驱动机构包括万向球，连接在万向球后端的方向座，连接在万向球后端的第一电机，以及与第一电机的转动轴连接的叶轮，所述方向座的外侧设有多个支脚，支脚的数量与所述第一安装孔的个数相同，且设定位置相匹配；所述叶轮驱动机构通过万向球活动安装在所述万向座上。

进一步地，各所述控向单元布设在各支脚的下方，各所述控向单元的一端固定在第一安装孔内，另一端与各支脚固定连接。

进一步地，所述控制盒内设有电控板，所述定片上设有接收线圈，所述接收线圈连接所述电控板。

进一步地，所述螺旋驱动机构包括依次连接的第二电机、连轴器、丝杠，所述丝杠连接螺块，所述螺块上设有第二推柱，第二推柱铰接推拉杆的一端，所述夹钳的后方设有推拉孔，所述推拉孔与推拉杆的另一端铰接。

进一步地，所述螺块为六棱柱体结构，六棱柱体结构的前侧面和后侧面均呈六边形，顶面、底面和其余侧面为四边形，顶面的顶部设有所述第二推柱，前侧面和后侧面的中间设有贯穿的用以连接丝杠的螺孔。

进一步地，所述多工位台座为左右对称的类门字型结构，类门字型结构的顶部中央设有向上凸起的第一推柱，类门字型结构的两侧对称设有滑套，所述囊体内设有与所述滑套相配合的轨道，所述滑套的底部设有离合座，所述离合座上设有的第二安装孔。

进一步地，所述孔座设有多个，多个孔座依次安装在囊体的两边内侧，并设于离合座所经位置，各孔座均包括电吸片，所述电吸片设于与离合座相对的一面的端部，所述电吸片的中央设有与撞针相配合的小孔，所述电吸片与所述电控板电连接。

进一步地，所述撞针包括压簧和针杆，所述针杆的一端设有压片，另一端设有磁片，压片与磁片通过导杆连接，所述磁片的外端设有针尖，导杆的尺寸与第二安装孔相配合，并与离合座活动连接，针尖指向小孔，针尖的外形尺寸与小孔的孔形尺寸相配合，压簧设于所述导杆上。

本发明提供的可多次取样的胶囊状活检机器人，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

本发明利用撞针与多个孔座的不同位置处的电控离合，可由第二电机驱动夹钳实现在不同位置处的开合，从而完成夹钳在胶囊内多个不同位置张开(卸料)的动作，并能伸出取样、返回；又利用叶轮驱动胶囊运动，再由控向单元控制胶囊的运动方向；使得本发明能够在一次吞服下，对人体多部位、多次数的取样操作，既节省了时间和成本，又提高了活检效率和成功率，结构简单，易于实现，减小了电机个数，从而减轻了胶囊的体积和重量，使得机构更加小巧、高效。

附图说明

图1为实施例中可多次取样的胶囊状活检机器人的整体结构剖视示意图；

图2为实施例中可多次取样的胶囊状活检机器人的分解结构示意图；

图3为实施例中叶轮、第一电机、方向座与控向单元的连接关系示意图；

图4为实施例中在孔座控制下第二电机驱动夹钳的结构示意图；

图5为实施例中囊体及摄像头的结构示意图；

图6为实施例中囊体及灯罩的结构示意图；

图7为实施例中囊盖的结构示意图；

图8为实施例中叶轮、第一电机及方向座的连接结构示意图；

图9为实施例中螺块的结构示意图；

图10为实施例中夹钳的结构示意图；

图11为实施例中多工位台座的结构示意图；

图12为实施例中撞针与孔座的结构关系示意图；

图13为实施例中撞针中的针杆的结构示意图；

图14为实施例中孔座的结构示意图；

图15为实施例中箱式多格盒的结构示意图；

图16为实施例中敲击部的结构效果图；

图17为实施例中闭合撞针后开始运动时的结构效果图；

图18为实施例中夹钳张开(卸样)时的结构效果图；

图19为实施例中打开撞针后释放多工位台座的效果示意图；

图20为实施例中推出夹钳的结构效果图；

图21为实施例中闭合撞针后夹钳准备闭合取样的结构效果图；

图22为实施例中夹钳已闭合取样后的结构效果图；

图23为实施例中重新打开撞针后释放多工位台座的结构效果图；

图24为实施例中取样结束夹钳回到一个孔座位并打开撞针后的结构效果图；

图中标号所示：

1为叶轮；2为第一电机；

3为方向座，301为万向球，302为支脚；

4为控向单元；5为接收线圈；6为控制盒；

7为囊体，701为第一网罩，702为万向座，703为定片，7031为第一安装孔，704为照明灯，705为摄像头，706为室间板，707为灯罩；

8为撞针，801为压簧，802为针杆，8021为压片，8022为导杆，8023为磁片，8024为针尖；

9为孔座，901为电吸片，902为小孔；

10为多工位台座，1001为第一推柱，1002为离合座，1003为第二安装孔，1004为滑套；

11为轨道；12为枕座；13为多格盒；

14为夹钳，1401为推拉孔，1402为腮孔，1403为夹头，14031为密闭空间，14032为抓齿；

15为推拉杆；16为螺块，1601为螺孔，1602为第二推柱；

17为丝杠；18为连轴器；19为第二电机；

20为囊盖，2001为第二网罩，2002为防护罩；

21为箱式多格盒，2101为格室，2102为导向斜面，2103为防溢缘，2104为挡片；

22为敲击部，2201为限位槽，2202为敲击柱，22011为敲击边。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1～图14所示，本发明涉及一种可多次取样的胶囊状活检机器人，包括囊体7，叶轮1，第一电机2，方向座3，控向单元4，接收线圈5，控制盒6，轨道11、枕座12，多工位台座10，孔座9、撞针8，夹钳14、推拉杆15、螺块16，第二电机19、连轴器18、丝杠17，多格盒13及囊盖20。

囊体7与囊盖20分别为半胶囊状，二者形状、体积相同，通过相互拼接形成胶囊状，即囊体7与囊盖20的纵向截面为胶囊截面的椭圆形，横向截面为半圆形。囊体7的后端内部固定有定片703，定片703的尾部设有第一网罩701，在定片703与第一网罩701之间固定有万向座702。定片703上设有多个第一安装孔7031，第一安装孔7031的数量至少两个。囊体7的前端设有室间板706，室间板706为竖直放置的间隔板，室间板706的头部设有灯罩707，室间板706上设有照明灯704和摄像头705，摄像头705在照明灯704的辅助下对人体胃肠道进行检查和摄像；灯罩707罩在照明灯704、摄像头705上，与室间板706形成密封舱，用于保护摄像头705免受人体体内环境潮湿等影响。

叶轮1、第一电机2、方向座3依次相连并安装在万向座702上，即叶轮1固定在第一电机2的转动轴上，第一电机2固定在方向座3上，方向座3的中部设有万向球301，方向座3通过万向球301活动连接在万向座702上。叶轮1的转动能驱使胶囊(指本发明中的囊体7与囊盖20所包裹起来的空间)反方向运动即胶囊向前运动，使得本发明成为主动运动型胶囊。方向座3的外侧设有多个支脚302，支脚302的数量至少为两个，数量与囊体7上的第一安装孔7031个数相同，且设定位置相匹配。

控向单元4(图3、图8)设有多个，至少两个，也与第一安装孔7031的个数相同，均布设在方向座3的底部位于支脚302的正下方，其一端固定在定片703的第一安装孔7031内，另一端与方向座3的底部的支脚302固连。控向单元4能够电控伸缩改变长度，从而通过依次改变控向单元4可控制方向座3的朝向，即叶轮1的偏摆朝向，进而控制了胶囊的运动方向。在本实施例中，控向单元4为电致伸缩元件，如电活性聚合物料(EAP)、形状记忆合金(SMA)；控向单元4与电控板(未画出)电连接，从而电控板(未画出)可控制控向单元4收缩，从而改变支脚302与定片703之间的距离，进而控制方向座3的偏斜方向，从而控制叶轮1的朝向，最终实现对胶囊运动方向的调控。采用电致伸缩元件能够减轻重量，简化结构连接。进一步地，控向单元4还可为弹簧+电致伸缩元件的形式，弹簧与电致伸缩元件并行连接设置在支脚302与第一安装孔7031之间，以减少通电抖动、增强方向控制的稳定性和断电后快速回复初始位。

接收线圈5(图3)也固定在定片703上，用于接收体外的供电，以给胶囊提供电源。

控制盒6(图1、图2、图5)固定在囊体7的内部，控制盒6的内部设有电控板(未画出)，是整个胶囊的软硬件控制系统，控制盒6的顶端设有密封盖，用于防水防污，保护电控板(未画出)。

轨道11(图5)设有左右两个，二者对称设置，并通过枕座12固定在囊体7内。

多工位台座10(图11)左右对称，呈类门字型结构，其顶部中央设有向上凸起的第一推柱1001，两侧对称设有滑套1004，滑套1004与轨道11相配合滑动相连，从而多工位台座10可沿轨道11在胶囊内沿前后向直线移动，滑套1004的底部设有离合座1002，离合座1002为向下凸起的竖直板结构，离合座1002上设有的第二安装孔1003。

孔座9(图14)至少两对，各孔座的结构相同，各孔座均包括电吸片901及小孔902，多个孔座9依次安装在囊体7的两边内侧，并呈左右对称排布，位于离合座1002所经位置旁，其电吸片901设在与离合座1002相对的一面的端部，电吸片901中央设有与撞针8相配合的小孔902，电吸片901与电控板(未画出)电连接，电吸片901为电磁元件，从而电控板(未画出)对其通电即可控制电吸片901是否带有磁性。

撞针8(图12、图13)包括压簧801及针杆802；针杆802的尾端设有压片8021，前端设有磁片8023，中间通过导杆8022相连，磁片8023的前部还设有针尖8024，导杆8022的尺寸与多工位台座10的第二安装孔1003相配合，从而使得撞针8安装在第二安装孔1003上，并与离合座1002活动相连。针尖8024指向小孔902，针尖8024的外形尺寸与小孔902的孔形尺寸相配合。压簧801设置在离合座1002与压片8021之间的导杆8022上，从而自然状态下压簧801将压向压片8021，使针尖8024远离小孔902；当针尖8024与小孔902相对齐时，可控制电吸片901吸引磁片8023与之相贴合，进而控制针尖8024刺入到小孔902中，从而控制多工位台座10不能沿轨道11前后移动。电吸片901断电时，在压簧801的作用下，将驱动针杆802回复原位，使针尖8024远离小孔902，从而允许多工位台座10沿轨道11前后移动。即通过孔座9的通电和断电，可控制撞针8与之的离合状态，进而控制多工位台座10的游离或驻停。采用针尖刺入小孔的方法能够提高切向阻力，防止因吸力过小，本该锁定却被推动，产生误动作，从而可以设计更加轻便节能的磁片8023和电吸片901，以减轻重量、减少对电吸片901的供电电流。

夹钳14(图4、图10)设有结构左右对称的一对，夹钳14通过中部设有的腮孔1402相互铰接后又与多工位台座10上的第一推柱1001铰接相连；夹钳14后端，即腮孔1402的后方设有推拉孔1401，分别与两个推拉杆15的一端相铰接；夹钳14的头部设有夹头1403，夹头1403上设有互补的抓齿14032，用于切断人体组织；当夹钳14的夹头1403闭合后，抓齿14032交错分布，形成密闭空间14031，用于存放人体组织样品。另外，夹头1403的内表面光滑，且内表面或指密闭空间的下表面具有一定的倾斜度，当张开夹头1403时以方便人体组织的样品跌落进多格盒13。

螺块16(图9)为六棱柱体结构，该结构的前侧面和后侧面均呈六边形，顶面、底面和其余侧面为四边形。顶面的顶部设有第二推柱1602，前侧面和后侧面的中间设有贯穿的螺孔1601；推拉杆15的另一端与螺块16上的第二推柱1602相铰接；从而第二推柱1602与两个推拉杆15组成复合转动副。

丝杠17(图1、图2)外表面设有螺纹，用于与螺孔1601相配合，从而使得丝杠17与螺块16组成螺旋副。

第二电机19、连轴器18、丝杠17依次连接(图1、图2、图4)，即第二电机19的转动轴通过连轴器18与丝杠17固定相连，螺块16又与丝杠17螺纹连接，从而第二电机19的正反转能带动螺块16沿囊体7前后直线移动，进而通过推拉杆15带动夹钳14运动，改变夹钳14的夹角；从而使得本发明能够实现：在第二电机19正反转及孔座9控制的多工位台座10的驻停相结合的联合控制下，完成夹钳14在多个孔座9位置下的或移动、或开合，或两者交替的运动控制。从而驱动夹钳14张开留样、伸出取样、闭合缩回的活检功能，并可重复上述动作。

多格盒13安装在囊体7的内部前端，并位于夹钳14必经路线上，但不阻碍夹钳14运动，多格盒13用于存贮夹钳14所取回的人体样品；多格盒13设有多个格，每格对应于两边的每对孔座9，二者的位置关系由夹钳14的夹头1403与多工位台座10的离合座1002之间的位置关系决定。

囊盖20的尾部设有第二网罩2001(图7)，头部设有防护罩2002，防护罩2002为具有一定硬度的多个薄塑料片依次连接组成，覆盖在囊盖20的头部，用于防止人体软组织进入胶囊机器人内部；囊盖20上设有与囊体7相对应的止口，可与囊体7扣合在一起，组成胶囊状，并把其所包裹的内部空间称为胶囊，把上述部件保护在胶囊内。

进一步地，参见图15，配合参见图1、图2。多格盒13还可为箱式多格盒21，其通过挡片2104分割成多个格室2101，格室2101的个数比孔座9的对数数值上少一，格室2101上设有孔洞，每个格室2101相互独立，用于单独存放每次取样回来的人体组织样品。孔洞周边设有导向斜面2102，用于引导人体组织样品通过孔洞落入格室2101中。导向斜面2012的底部设有防溢缘2103，用于胶囊姿态改变时，阻止人体组织样品从不同格室2101滑落到胶囊内其它空间而混在一起，难以区分每次所取样样品。防溢缘2103与导向斜面2102不在一个平面上，优选地，防溢缘2103为竖直板状结构，导向斜面2102相比于防溢缘2103所在竖直平面具有倾斜角。

参见图16，配合参见图1。本发明还包括敲击部22，用于对夹钳14产生振动敲击及转动限位，敲击部22设有限位槽2201及敲击柱2202，限位槽2201的一端设有敲击边22011，敲击柱2202与限位槽2201相配合，分别设置在两推拉杆15上，靠近铰接处，或设置在夹钳14上，靠近两腮孔1402的铰接处。图16所示为靠近两推拉杆15与螺块16的铰接处，限位槽2201设置在一个推拉杆15的上表面，敲击柱2202设置在另一个推拉杆15的下表面，限位槽2201与敲击柱2202相配合，敲击边22011设置在夹钳14张开到极限位对应的地方，从而当第二电机19运动到敲击柱2202与敲击边22011接触的地方会产生振动传递到夹头1403，从而帮助把所取回的样品卸掉到多格盒13中。

进一步地，作为优选方案，本发明还包括轴承座(未画出)，设置在丝杠17的末端，用于限制丝杠17的位置，避免因多工位台座10的两边受到非对称力造成夹钳14非对称变形。

进一步地，作为优选方案，本发明还包括旋转编码器，安装在丝杠17末端(未画出)，用于检测丝杠17的转速及正反转，进而得知螺块16的所处位置。采用旋转编码器比仅通过第二电机19的上电时间或对其的发送脉计算得到的位移更加准确可靠，以便更精确的掌握螺块16的位置。

综上，本发明利用撞针8与多个孔座9的离合，控制多工位台座10的移动或驻停，又利用第二电机19的正反转通过推拉杆15驱动夹钳14伸缩变形运动，从而实现夹钳14的夹头1403张开、闭合与沿胶囊前后向移动，使得夹钳14能够多位置张开留样、并可伸出取样、缩回胶囊的系列动作，并再循环重复上述动作，从而最终实现患者能在一次性吞服下，多次数对其胃肠多部位完成取样活检的相关操作功能，既节省了时间和成本，又提高了活检效率和每次吞服的活检成功率。另外，又利用叶轮1驱动胶囊运动，再由方向座3动控制胶囊的运动方向，从而使本发明主动、更方便，进行取样操作。而采用针尖刺入小孔的方法能够提高切向阻力，防止因吸力过小，本该锁定却被推动，产生误动作，使整个结构更加轻便节能。

本发明的活检取样操作循环过程如图17至图24所示，解释如下：

步骤一、通电锁定后，开始启动夹头1403张开程序，如图17所示：先通电锁定撞针8，即先对孔座9中的其中一个电吸片901通电，吸引针杆802的磁片8023靠近，从而针尖8024刺入小孔902，锁定撞针8以锁定多工位台座10在轨道11上的前后位置。

之后，第二电机19开始正传，从而螺块16前移，推动推拉杆15进而驱使夹钳14张开夹头1403，张开后的示意图如图18所示。

此时，如果夹头1403中有取样样品，将被放置到多格盒13中的其中一格中，此格为上次根据停放需要所停的位置。

步骤二、断电解锁后，准备把夹钳14的夹头1403推出胶囊外，如图19所示：先断电解锁，即对刚所通电的孔座9的电吸片901断电，从而针尖8024离开小孔902，使多工位台座10浮动，可以在轨道11上自由滑动；

第二电机19继续正转，螺块16继续前移，在达到夹头1403张开极限后，夹钳14将停止变形，此时螺块16将推动夹钳14向前移动，从而被推出胶囊外(夹头露出胶囊)；

图20为夹钳14张开夹头1403并被推出胶囊外的状态示意图，此时撞针8的针尖8024将对准最前端的孔座9。

步骤三、重新通电锁定，开始闭合夹头1403取样，如图21所示：再次通电锁定撞针8，即对最前端的孔座9通电，从而针尖8024再次刺入小孔902，再次锁定多工位台座10使之不能前后移动；

第二电机19开始反转，故螺块16开始后移，由于多工位台座10原地不动，从而拉动推拉杆15进而驱使夹钳14闭合夹头1403，进行取样；

图22为夹钳14完全闭合夹头、取样结束，样品以暂存在夹头1403中的状态示意图。

步骤四、再次断电解锁，缩回胶囊内，如图23所示：开始启动缩回程序，即对刚最前端的孔座9中的电吸片901断电，解锁针杆802，针尖8024暂离小孔902，使得多工位台座10再次释放，可以在轨道11上自由滑动；

第二电机19继续反转，此时因夹头1403闭合，不能再进一步变形了，故螺块16将拉动多工位台座10一起向后移动，最终，夹头1403回到胶囊内，具体停放位置可根据需要放置的多格盒13的哪一格而定。

图24为本发明夹钳14回到胶囊内，闭合的夹头1403停在所需的多格盒13之上的最终状态示意图。

步骤五、如果需要再次取样，重复执行上述步骤即可实现。

本发明利用撞针与多个孔座的不同位置处的电控离合，可由第二电机实现驱动夹钳在不同位置处的开合，从而完成夹钳在胶囊内多个不同位置张开(卸料)的动作，并能伸出取样、返回；又利用叶轮驱动胶囊运动，再由控向单元控制胶囊的运动方向；使得本发明能够在一次吞服下，对人体多部位、多次数的取样操作，既节省了时间和成本，又提高了活检效率和成功率，结构简单，易于实现，减小了电机个数，从而减轻了胶囊的体积和重量，使得机构更加小巧、高效。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。