用于消化道的電子膠囊及藥物輸送方法與流程

本發明涉及醫療用品，尤其涉及一種用于消化道的電子膠囊及藥物輸送方法。

背景技術：

隨著我國老齡人口以每年新增約1000多萬的數量增長，人口老齡化問題日益突出。老年人疾病多以慢性病為主，其中胃腸道類疾病是其中表現較為突出的一種。此外，現代生活節奏的加快及生活壓力的增加，使慢性消化道疾病的發病率逐年提高。

目前的胃腸道類慢性疾病大多需要服用藥物來進行長期治療，由于口服藥物難以直接到達病灶部位或到達病灶劑量過小，從而導致口服藥物療法不佳或者失效。因此，若能在炎癥、創面、病灶處直接高效地進行靶向給藥治療，既可增強藥物的吸收實現高效治療，并能減小藥物的副作用。

a.nisar等人，f.n.pirmoradi等人研究了基于mems技術的微型泵，將其應用于藥物釋放裝置，包括：儲藥倉、微型泵、閥、管路、流量傳感器、微控制器及相應的信號處理電路等。微型泵作為藥物釋放的動力源，可以精確控制藥物釋放的劑量，但結構復雜，需要占用較大空間，消耗功耗較大。s.murad等人利用形狀記憶合金在一定條件下逆加工過程自動恢復本來形狀的特性，實現藥物釋放。該方案不能實現多次重復釋放，且釋放劑量無法控制。r.groening等人提出了利用氣體反應產生的氣壓作為動力，推動活塞，完成噴藥的動作。噴藥動作采用高頻信號觸發，在膠囊內產生感應電流，激發氣體反應室的氣體開始反應。該方法可實現多次重復藥物釋放，但觸發后等待的時間較長，需要長達數小時。

目前的消化道定點藥物釋放系統，具有如下不足之處：驅動裝置構造復雜，可靠性不足；藥物的釋放速度低，釋藥劑量不可控，無法適應各段消化道的釋藥要求；觸發時間較長，可能導致施藥裝置錯過目標區域；只能完成單次施藥動作。

技術實現要素：

本發明的目的，就是為了提供一種用于消化道內、施藥劑量和施藥速度可控的電子膠囊及藥物輸送方法。

為了達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：一種用于消化道的電子膠囊，包括外殼以及順序設置在外殼內的施藥單向閥、第一永磁體、儲藥囊、薄圓柱片、電磁線圈、第二永磁體、位置跟蹤與驅動控制模塊；其中，第一永磁體設有軸向通孔，該通孔的前后分別與單向閥、儲藥囊連通。

所述第一永磁體和第二永磁體均為沿軸向磁化的圓柱永磁體，并按磁極相反布置，形成梯度磁場。

所述電磁線圈為可動式電磁線圈，電磁線圈的激磁信號由位置跟蹤與驅動控制模塊提供。當在電磁線圈中通以設定方向的電流，即可使第一永磁體吸引電磁線圈而第二永磁體排斥電磁線圈，從而避免了電磁線圈運動行程較大時驅動力隨行程增加導致的迅速衰減，實現了大劑量藥物的釋放。

所述位置跟蹤與驅動控制模塊包括交變磁信號傳感器、可編程放大及濾波電路、均方根拾取電路、采樣及ad轉換電路、姿態角檢測體內電路、信號處理電路、微控制器、體內射頻收發器、天線、激磁時間調節電路、激磁強度調節電路、電池及電源管理電路，其中交變磁信號傳感器、可編程放大及濾波電路、均方根拾取電路、采樣及ad轉換電路、微控制器、體內射頻收發器和天線按順序電信號相連，姿態角檢測體內電路的輸出連接信號處理電路，信號處理電路的輸出連接采樣及ad轉換電路，激磁時間調節電路和激磁強度調節電路的輸入分別連接微控制器；電池及電源管理電路分別與各用電元件電連接。

基于電子膠囊的藥物輸送方法是，在體外設置姿態角檢測體外模塊、位置跟蹤體外模塊、體外射頻收發器和數據處理平臺；電子膠囊的姿態角檢測采用三軸地磁場檢測原理和四元數旋轉理論，電子膠囊的位置跟蹤采用交變磁矢量傳感原理，并結合姿態角檢測，將電子膠囊的運動坐標系旋轉變換至體外的基準坐標系，建立空間磁矢量與膠囊位置的數學模型；由體外射頻收發器無線接收電子膠囊發送的磁矢量信號和姿態角信號，通過數據處理平臺實時求解，實現電子膠囊的位置跟蹤；待電子膠囊達到目標區域，通過射頻信號觸發施藥單向閥將藥物釋放。

設定施藥單向閥的開啟壓力略大于電子膠囊的出藥口豎直向下時受到的總壓力值。一方面可使未施藥狀態下儲藥囊內的藥液不會泄露；另一方面，當需要施藥 時，只需由位置跟蹤與驅動控制模塊控制電磁線圈的激磁強度，使作用于儲藥囊上的驅動力大于單向閥的開啟壓力，即實現了藥物釋放的功能。

數據處理平臺提供了人機交互界面，可設置電子膠囊的施藥次數，以及每次施藥的目標位置、施藥劑量、施藥速度；待數據處理平臺計算到膠囊位置已進入施藥目標區域，先根據當前的姿態角結合四元數旋轉理論，計算施藥所需的臨界驅動力，并結合施藥劑量和施藥速度，求出所需的激磁強度和激磁時間；再由體外射頻收發器給出施藥觸發指令，同時將所需的激磁強度和激磁時間下傳；電子膠囊的微控制器讀取到體內射頻收發器收到的觸發指令和激磁數據后，由激磁時間調節電路、激磁強度調節電路輸出相應時間的激磁電流至電磁線圈，對施藥劑量和速度進行控制；由此實現藥物的多次輸送。

當施藥時間長于1秒的情況下，為避免施藥期間由于膠囊的姿態角改變而引入的施藥劑量和施藥速度的誤差，可每隔特定時間段由數據處理平臺重新獲取膠囊的姿態角信息，以此調整激磁強度和激磁時間。數據刷新間隔時間可由操作者通過數據處理平臺設置。

本發明具有以下優點和特點：

1、采用姿態角檢測與磁矢量傳感相結合的膠囊方位跟蹤方法，結合四元數旋轉變換理論，將基準系的磁矢量模型變換至運動坐標系，減少了跟蹤數學模型的未知量個數，改進了跟蹤方法的快速實時性，提高了求解精度。

2、施藥驅動裝置采用兩個永磁體形成的梯度磁場，在其中放置可動式電磁線圈，作為施藥的執行機構。電磁線圈的激磁信號由數據處理平臺根據設置的施藥劑量和施藥速度、以及電子膠囊的當前姿態角計算得到。當在電磁線圈中通以設定方向的電流，即可使第一永磁體吸引電磁線圈而第二永磁體排斥電磁線圈，從而避免了電磁線圈運動行程較大時驅動力隨行程增加導致的迅速衰減，實現了大劑量藥物的釋放。

3、采用了施藥單向閥的結構，且設置了適宜的開啟壓力，一方面可使在未施藥狀態下，儲藥囊內的藥液不會泄露；另一方面，當需要施藥時，只需由位置跟蹤與驅動控制模塊控制電磁線圈的激磁強度，使作用于儲藥囊上的驅動力大于單向閥的開啟壓力，即實現了藥物釋放的功能。為多次施藥提供了保障。

4、通過數據處理平臺可設置電子膠囊的施藥次數，以及每次施藥的目標位置、施藥劑量、施藥速度。待數據處理平臺計算到膠囊位置已進入施藥目標區域，先根 據當前的姿態角結合四元數旋轉理論，計算施藥所需的臨界驅動力，并結合施藥劑量和施藥速度，求出電磁線圈所需的激磁強度和激磁時間無線下傳至電子膠囊。實現了施藥劑量、施藥速度的可控性，并可實現藥物的多次輸送。當施藥時間長于1秒的情況下，姿態角、激磁強度、激磁時間的刷新時間間隔可由操作者通過數據處理平臺設置。

附圖說明

圖1是本發明中的電子膠囊的結構示意圖。

圖2是本發明中的位置跟蹤與驅動控制模塊的組成框圖。

具體實施方式

參見圖1，本發明用于消化道的電子膠囊，包括外殼1以及順序設置在外殼內的施藥單向閥2、第一永磁體3、儲藥囊4、薄圓柱片5、電磁線圈6、第二永磁體7、位置跟蹤與驅動控制模塊8。其中，第一永磁體3設有軸向通孔，該通孔的前后分別與單向閥、儲藥囊連通。第一永磁體3和第二永磁體7均為沿軸向磁化的圓柱永磁體，并按磁極相反布置，形成梯度磁場。電磁線圈6為可動式電磁線圈，電磁線圈的激磁信號由位置跟蹤與驅動控制模塊8提供。當在電磁線圈中通以設定方向的電流，即可使第一永磁體3吸引電磁線圈而第二永磁體8排斥電磁線圈，從而避免了電磁線圈運動行程較大時驅動力隨行程增加導致的迅速衰減，實現了大劑量藥物的釋放。

參見較2，本發明中的位置跟蹤與驅動控制模塊8包括交變磁信號傳感器81、可編程放大及濾波電路82、均方根拾取電路83、采樣及ad轉換電路84、姿態角檢測體內電路85、信號處理電路86、微控制器87、體內射頻收發器88、天線89、激磁時間調節電路90、激磁強度調節電路91、電池及電源管理電路92。其中交變磁信號傳感器、可編程放大及濾波電路、均方根拾取電路、采樣及ad轉換電路、微控制器、體內射頻收發器和天線按順序電信號相連，姿態角檢測體內電路的輸出連接信號處理電路，信號處理電路的輸出連接采樣及ad轉換電路，激磁時間調節電路和激磁強度調節電路的輸入分別連接微控制器；電池及電源管理電路分別與各用電元件電連接。

本發明基于電子膠囊的藥物輸送方法是，在體外設置姿態角檢測體外模塊、位 置跟蹤體外模塊、體外射頻收發器和數據處理平臺；電子膠囊的姿態角檢測采用三軸地磁場檢測原理和四元數旋轉理論，電子膠囊的位置跟蹤采用交變磁矢量傳感原理，并結合姿態角檢測，將電子膠囊的運動坐標系旋轉變換至體外的基準坐標系，建立空間磁矢量與膠囊位置的數學模型；由體外射頻收發器無線接收電子膠囊發送的磁矢量信號和姿態角信號，通過數據處理平臺實時求解，實現電子膠囊的位置跟蹤；待電子膠囊達到目標區域，通過射頻信號觸發施藥單向閥將藥物釋放。

設定施藥單向閥的開啟壓力略大于電子膠囊的出藥口豎直向下時受到的總壓力值。一方面可使未施藥狀態下儲藥囊內的藥液不會泄露；另一方面，當需要施藥時，只需由位置跟蹤與驅動控制模塊控制電磁線圈的激磁強度，使作用于儲藥囊上的驅動力大于單向閥的開啟壓力，即實現了藥物釋放的功能。

數據處理平臺提供了人機交互界面，可設置電子膠囊的施藥次數，以及每次施藥的目標位置、施藥劑量、施藥速度；待數據處理平臺計算到膠囊位置已進入施藥目標區域，先根據當前的姿態角結合四元數旋轉理論，計算施藥所需的臨界驅動力，并結合施藥劑量和施藥速度，求出所需的激磁強度和激磁時間；再由體外射頻收發器給出施藥觸發指令，同時將所需的激磁強度和激磁時間下傳；電子膠囊的微控制器讀取到體內射頻收發器收到的觸發指令和激磁數據后，由激磁時間調節電路、激磁強度調節電路輸出相應時間的激磁電流至電磁線圈，對施藥劑量和速度進行控制；由此實現藥物的多次輸送。

當施藥時間長于1秒的情況下，為避免施藥期間由于膠囊的姿態角改變而引入的施藥劑量和施藥速度的誤差，可每隔特定時間段由數據處理平臺重新獲取膠囊的姿態角信息，以此調整激磁強度和激磁時間。數據刷新間隔時間可由操作者通過數據處理平臺設置。

本發明的工作過程原理說明如下：

在位置跟蹤體外模塊工作之前，首先由姿態角檢測體外模塊檢測地磁矢量在基準坐標系的分量；同時，在膠囊內的姿態角檢測體內電路檢測地磁矢量在動坐標系的分量，并經由信號處理電路、采樣及ad轉換電路送至微控制器，再通過體內射頻收發器無線發送，由體外無線接收送至數據處理平臺，由此獲得由基準系到動坐標系的旋轉四元數。

設姿態角檢測體外模塊輸出的地磁場矢量的三個坐標分量均平行于基準坐標系o-xyz的三軸，地磁場矢量在基準坐標系的輸出記為：

將電子膠囊內姿態角檢測體內電路輸出的地磁矢量的三個分量方向依次平行于動坐標系o′-x′y′z′三軸，并且，使膠囊的旋轉中心軸平行于o′z′。地磁場矢量在膠囊動坐標系的輸出記為：

引入四元數姿態角原理，將磁場矢量與采用四元數表示：

則旋轉四元數q為：

其中，

隨后，位置跟蹤體外模塊分時對四個磁場源激磁，依次產生交變磁場。由交變磁信號傳感器將磁信號轉換為電信號，經由可編程放大及濾波電路、均方根拾取電路、采樣及ad轉換電路送至微處理器，再通過體內射頻收發器無線傳輸至體外進行處理，獲得膠囊的位置。

待數據處理平臺計算到膠囊位置已進入施藥目標區域，先根據當前的姿態角結合四元數旋轉理論，計算施藥所需克服的阻力。

設初始狀態時，膠囊的旋轉中心軸平行于基準坐標系oz軸，膠囊重力的反方向平行于基準坐標系ox軸，則在基準坐標系中，磁場驅動力沿oz軸正向，藥囊與施藥可動線圈的重力大小為g，沿ox軸負向。若將可動線圈的外徑設計為略小于膠囊外殼的內徑，且在縫隙處涂滿潤滑劑，可忽略施藥可動線圈與膠囊外殼之間的摩擦力。則驅動裝置的驅動力大于單向閥的開啟壓力值fk，則可實現藥物釋放。

當膠囊在體內運動時，膠囊的旋轉中心軸平行于動坐標系o′z′軸；o′x′軸垂直于o′z′軸，且處于膠囊重力與o′z′軸形成的平面內。根據四元數旋轉原理，可得藥囊與施藥可動線圈的重力g在動坐標系的分量為：

因此可得到施藥所需克服的阻力大小為：

fl＝fk-gz′(7)

再根據磁場驅動力fc與激磁電流強度i，可擬合出兩個參數之間的函數關系式：

fc＝g(i)(8)

由施藥阻力，結合設置的施藥劑量q(單位ml)和施藥速度v(單位ml/s)，求出所需的激磁時間t為：

t＝q/v(9)

設膠囊橫截面的半徑為r，施藥可動線圈的加速度a為：

設可動線圈的質量為m，則：

g(i)-(fk-gz′)＝m·a(11)

將式(10)代入式(11)，再根據磁場驅動力與激磁強度的擬合函數關系式，確定所需的激磁強度。

數據處理平臺輸出信號使體外射頻收發器給出施藥觸發指令，同時將求出的激磁時間和激磁強度通過體外射頻收發器下傳；電子膠囊的微處理器讀取到體內射頻收發器收到的觸發指令和激磁數據后，由激磁時間調節電路、激磁強度調節電路輸出相應時間的激磁電流至電磁線圈。

當施藥時間長于1秒的情況下，為避免施藥期間由于膠囊的姿態角改變而引入的施藥劑量和施藥速度的誤差，可每隔特定的數據刷新時間間隔，由數據處理平臺重新獲取膠囊的姿態角信息，以此調整激磁強度和激磁時間。數據刷新時間間隔可由操作者通過數據處理平臺設置。