本實用新型屬于醫(yī)學(xué)微機器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要適用于人體胃腸道疾病的遠(yuǎn)程診療及后續(xù)相關(guān)醫(yī)學(xué)作業(yè)。

(二)

背景技術(shù)：
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中國是胃癌大國，全世界約有35％的胃癌病例發(fā)生在中國。胃腸道疾病，如出血、腫瘤和潰瘍等是影響人民生命健康的常見病和多發(fā)病，其發(fā)病率和死亡率也相對較高。傳統(tǒng)內(nèi)鏡檢查過程中患者痛苦較大，約0.075％的患者會并發(fā)胃腸穿孔，極少數(shù)患者甚至出現(xiàn)心臟驟停，因而無法被患者廣泛接受。

醫(yī)用微機器人是一個綜合了醫(yī)學(xué)、機械學(xué)、電子技術(shù)、信息技術(shù)等多個學(xué)科的機電系統(tǒng)，能夠進入人體胃腸道等組織器官，對相應(yīng)病變位置進行觀測，具有無創(chuàng)、無痛、檢查方便并且無術(shù)后并發(fā)癥，術(shù)后恢復(fù)快，住院時間短等優(yōu)點，該研究對提高人類的壽命和生活質(zhì)量，避免外部手術(shù)對人體造成的創(chuàng)傷甚至致殘具有重要的科學(xué)意義，也必將對醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。

但是臨床應(yīng)用的醫(yī)用微機器人是依靠胃腸道的生理蠕動力實現(xiàn)被動移動的，無法實現(xiàn)加速、停止、后退等運動形式，限制了其對胃腸道疾病的全面診療。同時對醫(yī)用微機器人的控制為本地醫(yī)生直接操控，對操作醫(yī)生的要求高，難以滿足個性化治療和遠(yuǎn)程醫(yī)療的需要。另外醫(yī)用微機器人本體上缺乏醫(yī)學(xué)作業(yè)的有關(guān)裝置，功能性單一。最后當(dāng)醫(yī)用微機器人處于胃腸道環(huán)境中時，外界無法精準(zhǔn)確定醫(yī)用微機器人的位置等信息，在臨床應(yīng)用中存在安全隱患。以上這些問題嚴(yán)重限制了醫(yī)用微機器人的臨床化。

醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中利用外磁場驅(qū)動醫(yī)用球形微機器人運動，實現(xiàn)了醫(yī)用球形微機器人的主動、無線控制，顯著提高了醫(yī)用球形微機器人運動的靈活性和安全性。外磁場產(chǎn)生的控制信號是通過上位機發(fā)送，通過網(wǎng)絡(luò)便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。整個控制系統(tǒng)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn)，同時系統(tǒng)在反饋方面的可擴展性強，有助于提高控制的精度和對醫(yī)用球形微機器人位姿信息的監(jiān)控。醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有效實現(xiàn)了對胃腸道疾病的診療。

(三)

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本實用新型的目的在于設(shè)計一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，是一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，人機對話機能強的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過醫(yī)生與患者之間的交流，不僅可以達(dá)到有效治療胃腸道疾病的目的，還可以緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)專業(yè)醫(yī)生不足的現(xiàn)實問題。

本實用新型的技術(shù)方案：一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其特征在于它包括上位機控制信號發(fā)送單元、射頻接收單元、控制信號發(fā)生單元、狀態(tài)顯示單元和三軸外磁場發(fā)生單元；其中，所述射頻接收單元的輸入端接收上位機控制信號發(fā)送單元輸出的控制信號，射頻接收單元的輸出端與控制信號發(fā)生單元連接；所述控制信號發(fā)生單元可以輸出正弦電流信號，作為三軸外磁場發(fā)生單元的輸入信號；所述三軸外磁場發(fā)生單元可以產(chǎn)生空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場，作為驅(qū)動醫(yī)用球形微機器人的外部驅(qū)動源；所述狀態(tài)顯示單元可以實時顯示控制信號發(fā)生單元輸出的正弦電流信號的頻率參數(shù)。

所述上位機控制信號發(fā)送單元是帶S鍵、A鍵和D鍵的鍵盤；其中，所述S鍵是移位/選位按鍵；所述A鍵是頻率增加按鍵；所述D鍵是頻率減小按鍵；通過按下不同的鍵可以發(fā)出不同的控制信號。

所述射頻接收單元由穩(wěn)壓電路和NRF24l01射頻電路構(gòu)成；所述穩(wěn)壓電路輸入端接收5V電壓信號，輸出端OUT+引腳將電壓穩(wěn)定到3.3V；所述穩(wěn)壓電路的OUT+引腳和OUT-引腳分別與NRF24l01射頻電路的VCC引腳和GND引腳連接，為NRF24l01射頻電路提供有效的工作電源；所述NRF24l01射頻電路的IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE引腳依次與STC89C52RC單片機的P1^2～P1^7引腳連接。

所述控制信號發(fā)生單元是由AD9959正弦信號發(fā)生電路和PA93功率放大電路構(gòu)成，兩者均為常規(guī)電路連接；AD9959正弦信號發(fā)生電路可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號，并通過CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、CH3_IOUT、引腳輸出；一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中使用到了CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、引腳輸出的三路正弦電流信號，并將其依次通入三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸；PA93功率放大電路將AD9959正弦信號發(fā)生電路輸出的正弦電流信號放大，其中一路PA93功率放大電路的輸入引腳-IN、+IN分別與AD9959正弦信號發(fā)生電路的CH0_IOUT、連接。

所述三軸外磁場發(fā)生單元使用的是三軸正交圓形亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，所述三軸外磁場發(fā)生單元產(chǎn)生的強度、方向可控的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場與醫(yī)用球形微機器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場發(fā)生磁耦合產(chǎn)生磁力，可以有效實現(xiàn)醫(yī)用球形微機器人水平前進、后退以及轉(zhuǎn)彎運動。

所述狀態(tài)顯示單元由三個數(shù)碼管、74HC573芯片和74HC138芯片構(gòu)成，其連接為常規(guī)連接；所述74HC573芯片連接STC89C52RC單片機的P0口與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接STC89C52RC單片機的P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的位選控制；三個數(shù)碼管依次顯示的是控制信號發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)。

本實用新型的工作方法：

(1)患者口服下醫(yī)用球形微機器人，在胃腸道生理蠕動的作用下，醫(yī)用球形微機器人到達(dá)三軸外磁場發(fā)生單元所作用的控制范圍內(nèi)。

(2)醫(yī)生根據(jù)事先推導(dǎo)的控制信號發(fā)生單元輸出的正弦電流信號的頻率參數(shù)與三軸外磁場發(fā)生單元產(chǎn)生的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場的對應(yīng)關(guān)系，通過上位機控制信號發(fā)送單元的S、A、D三個按鍵對控制信號發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)，其中S鍵，代表shift，實現(xiàn)移位/選位功能；A鍵，代表add，實現(xiàn)頻率增加功能；D鍵，代表decrease，實現(xiàn)頻率減小功能。

(3)操作時，醫(yī)生首先按下上位機控制信號發(fā)送單元的S鍵來選擇要改變的是作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸或Y軸或Z軸，哪一軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)，默認(rèn)選擇的是要改變作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)，按一次上位機控制信號發(fā)送單元的S鍵，就選擇了三軸外磁場發(fā)生單元的Y軸，再按一次，就選擇了三軸外磁場發(fā)生單元的Z軸，如果此后再按下上位機控制信號發(fā)送單元的S鍵就會重復(fù)上述選擇過程。

(4)當(dāng)醫(yī)生完成了上述選擇過程，以選擇了三軸外磁場發(fā)生單元的X軸為例，此時按下上位機控制信號發(fā)送單元的A鍵或D鍵，將改變作用于三軸外磁場發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)，每按一次上位機控制信號發(fā)送單元的A鍵，作用于三軸外磁場發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)增加一個單位量度1，每按一次上位機控制信號發(fā)送單元的D鍵，作用于三軸外磁場發(fā)生單元的X軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)減小一個單位量度1；在此過程中，醫(yī)生仍可以隨時按下上位機控制信號發(fā)送單元的S鍵來重新選擇要改變的是作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸或Y軸或Z軸，哪一軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)。

(5)狀態(tài)顯示單元的三個數(shù)碼管對應(yīng)顯示的是作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)的數(shù)值，同時通過上位機控制信號發(fā)送單元的S鍵選定的三軸外磁場發(fā)生單元的某軸對應(yīng)的數(shù)碼管將呈現(xiàn)高亮顯示；其中利用74HC573芯片連接主控制器的P0口與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接主控制器P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的位選控制。

(6)上位機控制信號發(fā)送單元發(fā)送的控制信號通過射頻向外傳輸，被射頻接收單元接收，進一步使控制信號發(fā)生單元輸出滿足要求的三路正弦電流信號，并將其依次通入三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸，以產(chǎn)生強度、方向可控的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場，與醫(yī)用球形微機器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場發(fā)生耦合產(chǎn)生磁力，有效實現(xiàn)醫(yī)用球形微機器人水平前進、后退以及轉(zhuǎn)彎運動。

本實用新型的工作原理：NRF24l01射頻電路可以軟件設(shè)地址，硬件連接簡單，編程也非常方便，利用USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動，方便實現(xiàn)與上位機的聯(lián)系，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過與上位機的地址匹配接收來自上位機的控制信號，使用的地址是{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF}。

基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的AD9959正弦信號發(fā)生電路，在參考時鐘脈沖的控制下，經(jīng)過相位累加器、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號，是三軸正交圓形亥姆霍茲線圈的最佳驅(qū)動源之一。

三軸正交圓形亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，當(dāng)向其中通入頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的三路正弦電流信號時，它可以在中央一定區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，并且通過調(diào)節(jié)三路正弦電流的頻率可以得到沿空間任意方向的旋轉(zhuǎn)磁場。三軸正交圓形亥姆霍茲線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的外磁場與醫(yī)用球形微機器人內(nèi)嵌的永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場耦合產(chǎn)生的磁力可以有效地驅(qū)動醫(yī)用球形微機器人實現(xiàn)多種運動形式，如水平前進、后退以及轉(zhuǎn)彎運動。

本實用新型的優(yōu)越性在于：(1)實現(xiàn)了對磁場驅(qū)動的醫(yī)用球形微機器人的上位機遠(yuǎn)程控制，并實現(xiàn)對醫(yī)用球形微機器人的主動、無線運動控制，提高了醫(yī)用球形微機器人運動的靈活性，增強了系統(tǒng)臨床化應(yīng)用的潛能，遠(yuǎn)程控制主要用于緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)專業(yè)醫(yī)生不足的現(xiàn)實問題，同時還可以降低輻射對操作醫(yī)生造成的潛在威脅；(2)本控制系統(tǒng)的成本低、攜帶方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)；(3)本控制系統(tǒng)的可擴展性強，在上位機發(fā)送上，可以設(shè)置更多的按鍵指令來控制醫(yī)用球形微機器人的運動形式。

(四)附圖說明：

圖1為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中射頻接收單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中AD9959正弦信號發(fā)生電路的電路結(jié)構(gòu)意圖。

圖4為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中PA93功率放大電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中三軸外磁場發(fā)生單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實用新型所涉一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中狀態(tài)顯示單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

(五)具體實施方式：

實施例：一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(見圖1)，其特征在于它包括上位機控制信號發(fā)送單元、射頻接收單元、控制信號發(fā)生單元、狀態(tài)顯示單元和三軸外磁場發(fā)生單元；其中，所述射頻接收單元的輸入端接收上位機控制信號發(fā)送單元輸出的控制信號，射頻接收單元的輸出端與控制信號發(fā)生單元連接；所述控制信號發(fā)生單元可以輸出正弦電流信號，作為三軸外磁場發(fā)生單元的輸入信號；所述三軸外磁場發(fā)生單元可以產(chǎn)生空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場，作為驅(qū)動醫(yī)用球形微機器人的外部驅(qū)動源；所述狀態(tài)顯示單元可以實時顯示控制信號發(fā)生單元輸出的正弦電流信號的頻率參數(shù)。

所述上位機控制信號發(fā)送單元(見圖1)是帶S鍵、A鍵和D鍵的鍵盤；其中，所述S鍵是移位/選位按鍵；所述A鍵是頻率增加按鍵；所述D鍵是頻率減小按鍵；通過按下不同的鍵可以發(fā)出不同的控制信號。

所述射頻接收單元(見圖2)由穩(wěn)壓電路和NRF24l01射頻電路構(gòu)成；所述穩(wěn)壓電路輸入端接收5V電壓信號，輸出端OUT+引腳將電壓穩(wěn)定到3.3V；所述穩(wěn)壓電路的OUT+引腳和OUT-引腳分別與NRF24l01射頻電路的VCC引腳和GND引腳連接，為NRF24l01射頻電路提供有效的工作電源；所述NRF24l01射頻電路的IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE引腳依次與STC89C52RC單片機的P1^2～P1^7引腳連接。

所述控制信號發(fā)生單元是由AD9959正弦信號發(fā)生電路(見圖3)和PA93功率放大電路(見圖4)構(gòu)成，兩者均為常規(guī)電路連接；AD9959正弦信號發(fā)生電路可以輸出頻率、相位、幅值參數(shù)可以獨立調(diào)節(jié)的四路正弦電流信號，并通過CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、CH3_IOUT、引腳輸出；一種醫(yī)用球形微機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中使用到了CH0_IOUT、CH1_IOUT、CH2_IOUT、引腳輸出的三路正弦電流信號，并將其依次通入三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸(見圖1)；PA93功率放大電路將AD9959正弦信號發(fā)生電路輸出的正弦電流信號放大，其中一路PA93功率放大電路的輸入引腳-IN、+IN分別與AD9959正弦信號發(fā)生電路的CH0_IOUT、連接。

所述三軸外磁場發(fā)生單元(見圖5)使用的是三軸正交圓形亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，所述三軸外磁場發(fā)生單元產(chǎn)生的強度、方向可控的空間萬向旋轉(zhuǎn)磁場與醫(yī)用球形微機器人內(nèi)嵌永磁體產(chǎn)生的內(nèi)磁場發(fā)生磁耦合產(chǎn)生磁力，可以有效實現(xiàn)醫(yī)用球形微機器人水平前進、后退以及轉(zhuǎn)彎運動。

所述狀態(tài)顯示單元(見圖6)由三個數(shù)碼管、74HC573芯片和74HC138芯片構(gòu)成，其連接為常規(guī)連接；所述74HC573芯片連接STC89C52RC單片機的P0口與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的段選操作；利用74HC138芯片連接STC89C52RC單片機的P2^0，P2^1，P2^2與數(shù)碼管引腳，實現(xiàn)對數(shù)碼管的位選控制；三個數(shù)碼管依次顯示的是控制信號發(fā)生單元輸出的三路正弦電流信號的頻率參數(shù)，即作用在三軸外磁場發(fā)生單元的X軸、Y軸和Z軸上的正弦電流信號的頻率參數(shù)。