CN120036846B - 磁性多针活检胶囊机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁性多针活检胶囊机器人及其控制方法，其胶囊机器人包括胶囊壳体，胶囊壳体两端均开设有端穿孔、中部一侧开设有侧穿孔，胶囊壳体内部分隔有左腔室、中腔室和右舱室；中腔室中设置有：第一活检针；第一永磁体，第一永磁体被配置为在外部磁场驱动下驱使第一活检针自侧穿孔伸出；复位机构，被配置为驱使第一活检针复位；左腔室和右舱室中均设置有：第二活检针；第二永磁体，第二永磁体被配置为在外部旋转磁场驱动下驱使第二活检针自邻近的端穿孔旋转伸出；螺旋结构，被配置为当第二永磁体绕其中轴线转动时，实现第二永磁体沿其轴线移动。本申请能够在单次检查中从多个部位出针获取组织样本，提高了活检的全面性和诊断的准确性。

Description

磁性多针活检胶囊机器人及其控制方法

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种磁性多针活检胶囊机器人及其控制方法。

背景技术

胶囊内窥镜（CE）是近几十年来出现的一种先进的胃肠道疾病诊断技术。然而，就机器人运动而言，它们需要主动的可移动性和多功能，以实现广泛、不受束缚和精确的临床应用。现有CE的主要缺点是仅具有图像采集功能。然而，医生希望CE能够承担更多的临床任务，如活检或给药。活检功能是一个重要的研究方向，因为它可以有效地帮助医生判断患者的病情。近年来，研究致力于将活检工具整合到CE中，如刀片、夹持器、镊子和细针。使用刀片切割目标病变或使用镊子撕裂目标组织可能会造成伤口或不适。

相比之下，细针活检是一种微创活检技术，已广泛应用于肾、肝、甲状腺、乳腺等人体器官的活检。近年来，该技术已成功地引入到CE活检模块的设计中。为了驱动活检工具，可能需要一个执行器。常用的执行机构包括弹簧、电机和永磁体（PM）。然而，使用弹簧执行器的缺点是它只能触发一次，使用电机作为执行器会有空间和能源消耗的问题。因此，PM是一种较为理想的驱动方式。永磁致动器通常与电磁致动（EMA）系统配合使用，驱动动力可由EMA系统远程提供。因此，使用PM致动器不会消耗内置电池的能量。此外，它的空间占用比电机小，这对减少CE的体积非常重要。

目前，现有技术中存在一些用于胃肠道诊断的磁驱动活检胶囊（MABC）机器人，该机器人在外部电磁驱动（EMA）系统的控制下实现运动和活检功能，并且可实现两种类型的主动运动，一种是平面运动，一种是三维运动；平面运动是指机器人在具有旋转均匀磁场的胃肠道表面滚动；三维运动是指机器人在EMA系统的控制下在三维空间中运动。到达目标位置后，可以将活检针弹起取样，然后在梯度磁场下缩回。

但是这些传统的内窥镜虽然能够有效地观察消化道，但在进行活检时往往受到取样位置、数量和组织多样性等因素的限制。虽然提出的机制可以促进内窥镜检查和活检程序，但它在临床应用方面有局限性。由于空间的限制，在不同的目标区域进行多次活检是不可能的。然而，所提出的机制可用于在可疑或异常情况下在同一靶点或沿肠道一段进行多组织活检，例如老年患者，由于不适和副作用，可能难以进行常规内窥镜检查。以及，所提出的胶囊可以很容易地在管状器官（小肠和大肠）中发挥作用，同时也只能取一次样，只能进行单针活检。

发明内容

为了改善现有技术在进行活检时往往受到取样位置、数量和组织多样性等因素的限制，并且由于空间的限制，在不同的目标区域难以进行多次活检的问题，本申请提供一种磁性多针活检胶囊机器人及其控制方法。

第一方面，本申请提供的一种磁性多针活检胶囊机器人，采用如下的技术方案：

一种磁性多针活检胶囊机器人，包括胶囊壳体，所述胶囊壳体两端均开设有端穿孔，所述胶囊壳体中部一侧开设有侧穿孔，所述胶囊壳体内部分隔有左腔室、中腔室和右腔室；

所述中腔室中设置有：

第一活检针，与所述侧穿孔呈对应设置；

第一永磁体，所述第一活检针固定于所述第一永磁体上，所述第一永磁体被配置为在外部磁场驱动下驱使所述第一活检针自所述侧穿孔伸出；以及

复位机构，被配置为驱使所述第一活检针复位；

所述左腔室和所述右腔室中均设置有：

第二活检针，与邻近的所述端穿孔呈对应设置；

第二永磁体，所述第二活检针同轴固定于所述第二永磁体端部，所述第二永磁体被配置为在外部旋转磁场驱动下驱使所述第二活检针自邻近的所述端穿孔旋转伸出；以及

螺旋结构，被配置为当所述第二永磁体绕其中轴线转动时，实现所述第二永磁体沿其轴线移动。

更进一步，所述第一永磁体的两磁极分列其轴向两端，所述第二永磁体的两磁极分列其中轴线两侧；初始状态下，所述第一永磁体和所述第二永磁体同侧的磁极极性相同。

更进一步，所述复位机构包括：

滑轨，设置有两个且分列所述第一永磁体两侧设置，所述滑轨沿所述胶囊壳体径向设置；

滑块，滑动套设于所述滑轨上，所述第一永磁体固接于两个所述滑块之间；

复位弹簧，套设于所述滑轨上，且位于所述第一永磁体和所述侧穿孔之间。

更进一步，所述螺旋结构包括：

螺旋块，包裹于所述第二永磁体外周；

螺旋槽，设置于所述胶囊壳体内周壁上且与所述螺旋块螺纹适配，所述左腔室和所述右腔室均设置有所述螺旋槽。

更进一步，所述左腔室和所述右腔室靠近邻近的所述端穿孔的内腔中还固接有挡板，所述挡板位于所述螺旋槽背离所述第一永磁体的一侧，所述挡板上贯穿开设有供所述第二活检针穿过的过孔。

更进一步，所述左腔室和所述右腔室中的所述螺旋槽的螺旋方向相同。

更进一步，所述第一活检针和所述第二活检针均具有斜口尖端，所述斜口尖端内腔中具有倒刺，所述倒刺朝靠近所述胶囊壳体中部的方向延伸。

更进一步，所述胶囊壳体内固接有两个隔板，两个所述隔板分隔所述胶囊壳体为所述左腔室、所述中腔室和所述右腔室。

第二方面，本申请提供的一种磁性多针活检胶囊机器人控制方法，基于上述一种磁性多针活检胶囊机器人，包括以下步骤：

S1.患者吞咽所述胶囊壳体，通过外部磁场控制吸引所述胶囊壳体，以将所述胶囊壳体移动至病灶；

S2.基于所述第一永磁体和两个所述第二永磁体同侧的磁极极性一致设置，以第一外部磁场对所述胶囊壳体进行固定；

S3.需要所述第一活检针取样时，以第二外部磁场排斥或者吸引所述第一永磁体，使得所述第一永磁体驱使所述第一活检针自所述侧穿孔伸出，其中所述第二外部磁场的磁场强度大于所述第一外部磁场的磁场强度；

S4.需要所述第二活检针取样时，以外部旋转磁场驱使对应的所述第二永磁体在所述胶囊壳体中旋转，借助所述螺旋结构设置，使得所述第二永磁体带动其上的所述第二活检针自相应的所述端穿孔伸出，其中所述外部旋转磁场的磁场强度不小于所述第一外部磁场的磁场强度。

更进一步，控制所述左腔室的所述第二活检针取样时，先将所述第一外部磁场移动至与所述中腔室和所述右腔室对应，再使所述外部旋转磁场对所述左腔室中的所述第二永磁体进行控制；控制所述右腔室的所述第二活检针取样时同理。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.借助外部电磁驱动系统（EMA系统）输出第一外部磁场，可对同侧极性相同的第一永磁体和两个第二永磁体进行同步吸附，以对胶囊壳体进行较为稳定的固定，可以有效规避出针过程中胶囊壳体可能发生的位移、偏转、翻转等现象，能够确保第一活检针以及两个第二活检针的精准对位；

2.当需要第一活检针伸出取样时，可以以第二外部磁场对第一永磁体进行吸附或者排斥，使得第一永磁体驱使第一活检针沿胶囊壳体的径向移动并自侧穿孔中伸出进行取样；当需要第二活检针伸出取样时，比如以左腔室中的第二活检针取样为例，可以以外部旋转磁场施加在左腔室的第二永磁体上，此时第二永磁体在外部旋转磁场的作用下带动第二活检针旋转伸出端穿孔进行取样；由于第二外部磁场和外部旋转磁场的磁场强度均小于第一外部磁场的磁场强度，因此，无论是第一活检针出针还是第二活检针出针都不会对胶囊壳体的稳定性造成影响；

3.本申请的胶囊机器人通过在胶囊壳体内集成多个活检针，能够在单次检查中从多个部位获取组织样本，提高了活检的覆盖面和组织多样性，从而提高了活检的全面性和诊断的准确性，尤其在复杂或病变区域能够得到更多的组织信息；并且采用磁驱动多针活检，无需内部电源即可远程控制，实现多方向精确采样，为临床过程中消化道疾病的精确采样技术奠定了基础；

4.胶囊壳体的微型化设计能够自由通过消化道的复杂弯道或狭窄部位，提供了更广泛的活检机会。同时本申请采用外部电磁驱动（EMA）系统控制活检针的伸缩和运动，这意味着该机器人无需内部电池供电；通过外部磁场作用，能够精准地控制对应永磁体和活检针的运动，避免了电池消耗问题，增加了设备的耐用性和可靠性；而且这种无电池的设计也减少了设备内部电池的潜在风险，避免了电池的老化或泄漏等问题，进一步提高了系统的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是本申请实施例的局部剖视结构示意图；

图3是本申请实施例第一活检针取样时的磁场分布示意图；

图4是本申请实施例第二活检针取样时的磁场分布示意图；

图5是本申请实施例主要用于展示斜口尖端及倒刺的剖视图；

图6是本申请实施例的胶囊机器人对不同病灶组织取样时的演示图；（a）以第一外部磁场控制胶囊机器人接近目标组织；（b）以外部旋转磁场控制第二活检针出针取样；（c）第二活检针取样完成；（d）以第二外部磁场控制第一活检针出针取样；（e）第一活检针取样完成；（f）外部旋转磁场控制第二活检针出针后以第一外部磁场控制胶囊机器人接近目标组织并使第二活检针刺入取样；（g）第二活检针取样完成；

图7是本申请实施例的第一活检针取样时受力分析图；（a）为第二外部磁石和胶囊机器人之间间距与第一永磁体受力Fm的关系图；（b）为第一永磁体移动位移与第二永磁体对第一永磁体作用力Fz的关系图；（c）为复位弹簧被压缩行程与弹力Fk的关系图；（d）为第一永磁体移动位移与Fk、Fz和Fn力之和的关系图；

图8是本申请实施例的第二活检针取样时受力分析图；（a）为第三外部磁石和胶囊机器人之间间距与胶囊机器人受到引力的关系图；（b）为第三外部磁石和胶囊机器人之间间距与第二永磁体磁扭矩的关系图；

图9是本申请实施例的第一外部磁石和胶囊机器人之间间距与胶囊机器人以及第一永磁体受力的关系图。

附图标记：

1、胶囊壳体；11、端穿孔；12、侧穿孔；13、隔板；

21、左腔室；22、中腔室；23、右腔室；

31、第一活检针；32、第二活检针；331、斜口尖端；332、倒刺；

41、第一永磁体；42、第二永磁体；

51、滑轨；52、滑块；53、复位弹簧；54、安装座；

61、螺旋块；62、螺旋槽；63、挡板；631、过孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，本申请实施例公开一种磁性多针活检胶囊机器人，其包括胶囊壳体1，胶囊壳体1两端均开设有端穿孔11，胶囊壳体1中部一侧开设有侧穿孔12，胶囊壳体1内部分隔有左腔室21、中腔室22和右腔室23；具体是，胶囊壳体1内固接有两个隔板13，两个隔板13分隔胶囊壳体1为左腔室21、中腔室22和右腔室23。

中腔室22中设置有：

第一活检针31，沿胶囊壳体1径向设置且与侧穿孔12呈对应设置；

第一永磁体41，第一活检针31固定于第一永磁体41上，第一永磁体41被配置为在外部磁场驱动下驱使第一活检针31自侧穿孔12伸出；以及

复位机构，被配置为驱使第一活检针31伸出侧穿孔12后自主复位。

左腔室21和右腔室23中均设置有：

第二活检针32，沿胶囊壳体1轴向设置且与邻近的端穿孔11呈对应设置；

第二永磁体42，第二活检针32同轴固定于第二永磁体42端部，第二永磁体42被配置为在外部旋转磁场驱动下驱使第二活检针32自邻近的端穿孔11旋转伸出；以及

螺旋结构，被配置为当第二永磁体42绕其中轴线转动时，实现第二永磁体42沿其轴线移动。

并且，在具体配置时，第一永磁体41的两磁极分列其轴向两端，第二永磁体42的两磁极分列其中轴线两侧，第一永磁体41具体是环形磁铁，第二永磁体42具体是径向磁铁；初始状态下，第一永磁体41和第二永磁体42同侧的磁极极性相同。为此，进一步设置为圆柱体状的第二永磁体42与胶囊壳体1在保持轴线平行的基础上呈偏心设置，以降低外部旋转磁场控制第一永磁体41转动时对胶囊壳体1姿态的影响。

由此， 在使用本申请的胶囊机器人时，患者吞咽胶囊壳体1后，借助外部电磁驱动系统（EMA系统）输出外部磁场，定义为第一外部磁场，对第一永磁体41和两个第二永磁体42进行同步吸附，并使胶囊壳体1移动至患者病灶部位，由于第一永磁体41和两个第二永磁体42在初始状态下同侧的极性相同，因此借助第一外部磁场的强磁场可以对三者进行强力吸附，以对胶囊壳体1进行较为稳定的固定，可以有效规避出针过程中胶囊壳体1可能发生的位移、偏转、翻转等现象，能够确保第一活检针31以及两个第二活检针32的精准对位。

当需要第一活检针31伸出取样时，可以以第二外部磁场对第一永磁体41进行吸附或者排斥，使得第一永磁体41驱使第一活检针31沿胶囊壳体1的径向移动并自侧穿孔12中伸出进行取样，而通过将第二外部磁场的磁场强度设置为大于第一外部磁场的磁场强度，此时第一活检针31出针时，并不会对胶囊壳体1的稳定性造成影响，可以确保出针的准确性。当第一活检针31取样完成后，撤掉第二外部磁场，第一活检针31在复位机构的作用下收回至胶囊壳体1内部，可以进行下一步动作，其磁场作用示意图具体可参见图3。

而当需要第二活检针32伸出取样时，比如以左腔室21中的第二活检针32取样为例，可以以外部旋转磁场施加在左腔室21的第二永磁体42上，具体是以外部磁体环绕胶囊壳体1轴线进行旋转，借助外部磁体对第二永磁体42的吸引，使得第二永磁体42跟随外部磁体在胶囊壳体1中旋转；此时第二永磁体42在外部旋转磁场的作用下具有在左腔室21中转动的趋势，而通过将外部旋转磁场的磁场强度设置为不小于第一外部磁场的磁场强度，此时胶囊壳体1相较于外部电磁驱动系统并不会发生移动或转动，因此第二永磁体42可以顺利在胶囊壳体1中独立转动，其磁场作用示意图具体可参见图4。借助螺旋结构的设置，第二永磁体42在左腔室21中旋转时，还会带动第二活检针32沿胶囊壳体1的轴向移动，因此通过控制外部旋转磁场的旋转方向，可使第二活检针32受控伸出左腔室21对应的端穿孔11并进行取样。取样完成后，通过外部旋转磁场控制第二永磁体42在左腔室21中反向旋转，以使第二活检针32收回至胶囊壳体1内部，可以进行下一步动作。

其中，在具体控制时，可以控制第一活检针31和两个第二活检针32在一次检查中依次出针，或者同时出针，或者控制一个第一活检针31和一个第二活检针32出针后，再控制另一第二活检针32出针，出针方式可以根据实际检查要求灵活调整。

由此，本申请的胶囊机器人通过在胶囊壳体1内集成多个活检针，能够在单次检查中从多个部位获取组织样本，提高了活检的覆盖面和组织多样性，从而提高了活检的全面性和诊断的准确性，尤其在复杂或病变区域能够得到更多的组织信息；并且采用磁驱动多针活检，无需内部电源即可远程控制，实现多方向精确采样，为临床过程中消化道疾病的精确采样技术奠定了基础。

而且胶囊壳体1的微型化设计能够自由通过消化道的复杂弯道或狭窄部位，提供了更广泛的活检机会。同时本申请采用外部电磁驱动（EMA）系统控制活检针的伸缩和运动，这意味着该机器人无需内部电池供电；通过外部磁场作用，能够精准地控制对应永磁体和活检针的运动，避免了电池消耗问题，增加了设备的耐用性和可靠性；而且这种无电池的设计也减少了设备内部电池的潜在风险，避免了电池的老化或泄漏等问题，进一步提高了系统的安全性。

具体的，参照图1和图2，上述的复位机构包括：

滑轨51，设置有两个且分列第一永磁体41两侧设置，滑轨51沿胶囊壳体1径向设置；

滑块52，滑动套设于滑轨51上，第一永磁体41固接于两个滑块52之间，具体是两个滑块52之间固接有安装座54，第一永磁体41固接在安装座54上，第一活检针31也穿过第一永磁体41中空部而固接于安装座54上；

复位弹簧53，套设于滑轨51上，且位于第一永磁体41和侧穿孔12之间。

这样，当第二外部磁场施加在第一永磁体41上时，可使第一永磁体41向靠近侧穿孔12的方向移动，使得滑块52在滑轨51上向靠近侧穿孔12的方向滑动，此时复位弹簧53被压缩产生形变；而当取样完成后撤掉第二外部磁场，两个复位弹簧53的弹性形变力则驱使两个滑块52向背离侧穿孔12的方向滑动，进而使得第二永磁体42带动第一活检针31收回至较胶囊壳体1内部，可以实现第一活检针31的自动收针动作。

参照图1和图2，上述的螺旋结构包括：

螺旋块61，包裹于第二永磁体42外周，螺旋块61具体呈筒状且外部设置有螺旋凸起，第二永磁体42同轴固接于螺旋块61的内筒中，固接于第二永磁体42一端的第二活检针32穿出螺旋块61端部设置，第二活检针32具体是固接在螺旋块61的端部。

螺旋槽62，设置于胶囊壳体1内周壁上且与螺旋块61螺纹适配，左腔室21和右腔室均设置有螺旋槽62。且左腔室21和右腔室中的螺旋槽62的螺旋方向相同，使得左腔室21和右腔室中的第二永磁体42在出针状态时所需的外部旋转磁场的旋转方向相反，使得两个第二活检针32的出针和收针不会相互干涉。

并且，左腔室21和右腔室靠近邻近的端穿孔11的内腔中还固接有挡板63，挡板63位于螺旋槽62背离第一永磁体41的一侧，挡板63上贯穿开设有供第二活检针32穿过的过孔631。

这样，当外部旋转磁场施加在第二永磁体42上后，第二永磁体42在外部旋转磁场的带动下带动螺旋块61在胶囊壳体1的螺旋槽62中旋转，可以实现第二永磁体42在胶囊壳体1中的旋转横移，从而以实现第二活检针32的旋转出针和收针。其中挡板63用于限制螺旋块61带动第二活检针32向端穿孔11靠近的最小距离，以避免第二活检针32在取样时过度插入或者螺旋块61自螺旋槽62中脱出。

而且，这种无电池的螺旋机构通过外部磁场的控制，无需电池驱动，降低了设备的复杂度和维护成本。通过精确调节外部旋转磁场，可以实现对第二活检针32的精确控制，使其在胃肠道内进行定位、采集活检样本。

另外，参照图1和图5，为避免取样后的样品自第一活检针31或第二活检针32针头部脱落，第一活检针31和第二活检针32均具有斜口尖端331，斜口尖端331内腔中具有倒刺332，倒刺332朝靠近胶囊壳体1中部的方向延伸。

这样，当第一活检针31和第二活检针32出针取样后，组织样品经斜口尖端331进入第一活检针31或第二活检针32的针筒中，斜口尖端331内腔中的倒刺332可以实现对进入针筒中的组织的勾挂效果，可以有效避免胶囊壳体1在取样完成后移动的过程中取样样品自针筒中滑出，确保了本申请的胶囊机器人的取样质量。

本申请实施例还公开一种磁性多针活检胶囊机器人控制方法，基于上述一种磁性多针活检胶囊机器人，采用如下的技术方案：

一种磁性多针活检胶囊机器人控制方法，参照图1和图2，包括以下步骤：

S1.患者吞咽胶囊壳体1，通过外部磁场控制吸引胶囊壳体1，以将胶囊壳体1移动至病灶。

S2.基于第一永磁体41和两个第二永磁体42同侧的磁极极性一致设置，以第一外部磁场对胶囊壳体1进行固定。

S3.需要第一活检针31取样时，以第二外部磁场排斥或者吸引第一永磁体41，使得第一永磁体41驱使第一活检针31自侧穿孔12伸出刺入病灶组织并进行取样，如图6中（d）和图6中（e）所示；其中第二外部磁场的磁场强度大于第一外部磁场的磁场强度；第一永磁体41取样完成后，两个复位弹簧53的弹性形变力可以实现第一活检针31的自动收针。

S4.需要第二活检针32取样时，以外部旋转磁场驱使对应的第二永磁体42在胶囊壳体1中旋转，借助螺旋结构设置，使得第二永磁体42带动其上的第二活检针32自相应的端穿孔11伸出刺入病灶组织并进行取样，如图6中（a）、图6中（b）和图6中（c）所示；其中外部旋转磁场的磁场强度不小于第一外部磁场的磁场强度。

其中，在控制左腔室21的第二活检针32取样时，先将第一外部磁场移动至与中腔室22和右腔室对应，再使外部旋转磁场对左腔室21中的第二永磁体42进行控制；控制右腔室的第二活检针32取样时同理，先将第一外部磁场移动至与中腔室22和左腔室21对应，再驱使外部旋转磁场对右腔室的第二永磁体42进行控制。由此，通过将磁场强度较大的第一外部磁场与工作中的外部旋转磁场进行分离，可以在一定程度上降低两个磁场之间的相互干扰，同时保证胶囊机器人在出针过程中第一外部磁场对其的固定作用；并且，还可以在一定程度上降低第一外部磁场对工作中第二永磁体42的影响，确保外部旋转磁场能稳定且有效地驱使目标第二永磁体42带动第二活检针32旋转出针。

并且，考虑到病灶部位及组织大小的多样性，在实际取样过程中，还可以先以外部旋转磁场控制第二活检针32旋转出针，而后再以第一外部磁场驱使胶囊壳体1移动，以将出针后的第二活检针32刺入至病灶组织中进行取样，如图6中（f）和图6中（g）所示，取样完成后再移动胶囊壳体1远离病灶组织并通过外部旋转磁场控制第二活检针32旋转收针。能提供更为丰富多样的取样方式。

在一个具体的实例中，如图3和图4所示，设置第一外部磁石（标记为B1）产生第一外部磁场，设置第二外部磁石（标记为B2）产生第二外部磁场，设置第三外部磁石（标记为B3）环绕胶囊壳体1转动以产生外部旋转磁场，其中第二外部磁石面积小于第一外部磁石，但其磁场强度大于第一外部磁石的磁场强度。

当需要第一活检针31出针取样时，通过移动第二外部磁石靠近胶囊壳体1，使得第一永磁体41带动第一活检针31运动5mm并刺入病组织，而其中，第一永磁体41下降2.5mm时，第一永磁体41的磁极分界线和两个第二永磁体42的磁极分界线在同一水平线上；因此，第一永磁体41移动5mm行程的过程中，存在两个受力阶段。

第一阶段：第一永磁体41移动2.5mm的过程中，其所受的力为复位弹簧53反作用力（Fk）、两个第二永磁体42对第一永磁体41的磁力（Fz）、刺入组织的阻力（Fn）以及第二外部磁石施加给第一永磁体41的磁力（Fm），第二外部磁石施加给第一永磁体41的磁力计算如下：

Fm>2Fk+Fz+Fn。

第二阶段：第一永磁体41由2.5mm移动至5mm的过程中，其所受的力为复位弹簧53反作用力（Fk）、两个第二永磁体42对第一永磁体41的磁力（Fz）、刺入组织的阻力（Fn）以及第二外部磁石施加给第一永磁体41的磁力（Fm），第二外部磁石施加给第一永磁体41的磁力计算如下：

Fm+Fz>2Fk+Fn。

而当第一活检针31刺入组织后，移开第二外部磁石，第一永磁体41在复位弹簧53压缩形变力的作用下向靠近第一外部磁石的方向移动，第一活检针31缩回胶囊壳体1内，在这过程中，第一永磁体41在运动的过程中也有两个受力阶段。

第一阶段：第一永磁体41回移2.5mm的过程中，所受的力为复位弹簧53弹力（Fk）、两个第二永磁体42对第一永磁体41的磁力（Fz）、退出组织的阻力（Fn），此时：

2Fk>Fz+Fn。

第二阶段：第一永磁体41由2.5mm回移至5mm的过程中，所受的力为复位弹簧53弹力（Fk）、两个第二永磁体42对第一永磁体41的磁吸力（Fz）、退出组织的阻力（Fn），此时：

2Fk+Fz>Fn。

而做进一步的受力分析可知，如图7中（a），展示了第二外部磁石与胶囊壳体1之间的距离变化时，第一永磁体41上的受力Fm的大小情况；如图7中（b），展示了随着第一永磁体41的移动，两个第二永磁体42对第一永磁体41的作用力Fz的大小情况（正值表示力方向背离侧穿孔12，负值表示力方向指向侧穿孔12）。如图7中（c），展示了单个复位弹簧53的弹力Fk的大小情况。如图7中（d），展示了Fk、Fz和Fn的力之和，最大为3.54N，因此第二外部磁石施加给第一永磁体41的磁力应大于3.54N，即第二外部磁石距离胶囊机器人11mm内可以确保第一活检针31成功伸出并刺入组织。移开第二外部磁石，第一永磁体41只受到Fk、Fz和Fn，从图7中（d）可以看出这三个力之和在第一永磁体41运动过程中都大于0，即第一永磁体41受力的方向总是趋于第一活检针31缩回的，所以移开第二外部磁石，第一活检针31可以在复位弹簧53的作用下缩回胶囊壳体1内。

当需要第二活检针32出针取样时，以胶囊壳体1右侧的第二活检针32为例，控制第三外部磁石靠近胶囊壳体1右端并环绕胶囊壳体1轴线顺时针旋转时，就会产生旋转磁场，在这个磁场的作用下，第二永磁体42上的第二活检针32会旋转出针。然后通过第一外部磁石对胶囊机器人施加推力，使伸出的第二活检针32刺入组织，再用第一外部磁石再次推动胶囊机器人，使第二活检针32离开组织，以保证组织样本的完整性，避免对周围组织造成不必要的损伤。

最后，控制第三外部磁石靠近胶囊壳体1右端，并逆时针旋转，此时磁场的变化会使第二活检针32缩回到胶囊壳体1内。图8中（a）显示了第三外部磁石与胶囊壳体1之间的距离变化时，胶囊机器人上的受力，第三外部磁石对胶囊机器人的引力应小于胶囊机器人的重力，否则胶囊机器人会被吸附在肠壁上方。而胶囊机器人的重力G约为0.072N，所以第三外部磁石离胶囊壳体1的最小距离为8cm。

图8中（b）显示了作用在第二永磁体42上的磁扭矩。经实验测量，能驱使第二永磁体42及螺旋块61旋转的最小磁扭矩为0.218mN·m。当第三外部磁石距离胶囊机器人15cm时，磁扭矩为0.21mN·m，小于第二永磁体42旋转的最小磁扭矩，所以第三外部磁石离胶囊壳体1最远距离控制在14cm，以确保第二活检针32的顺利伸出。最后可以得出当第三外部磁石与胶囊壳体1之间的距离为8cm～14cm范围内时，可以成功出针。

而当第二活检针32伸出后，再由第一外部磁石驱动胶囊机器人使第二活检针32刺入组织，图9显示了第一外部磁石与胶囊壳体1之间的距离变化时，胶囊机器人的受力和第一永磁体41上的受力，可以看出在第二活检针32出针后，当第一外部磁石推动胶囊壳体1运动的时候第一永磁体41上的力很小。胶囊机器人的重量为0.072N，第二活检针32刺入组织的力为0.42N，因此第一外部磁石对胶囊机器人的力应大于0.482N。也就是说，第一外部磁石距离胶囊机器人20mm以外时既可以驱动胶囊机器人运动并刺入组织，还不会让第一永磁体41向下运动。

本申请实施例一种磁性多针活检胶囊机器人的实施原理为：

借助外部电磁驱动系统（EMA系统）输出第一外部磁场，可对同侧极性相同的第一永磁体41和两个第二永磁体42进行同步吸附，以对胶囊壳体1进行较为稳定的固定，可以有效规避出针过程中胶囊壳体1可能发生的位移、偏转、翻转等现象，能够确保第一活检针31以及两个第二活检针32的精准对位。

当需要第一活检针31伸出取样时，可以以第二外部磁场对第一永磁体41进行吸附或者排斥，使得第一永磁体41驱使第一活检针31沿胶囊壳体1的径向移动并自侧穿孔12中伸出进行取样；当需要第二活检针32伸出取样时，比如以左腔室21中的第二活检针32取样为例，可以以外部旋转磁场施加在左腔室21的第二永磁体42上，此时第二永磁体42在外部旋转磁场的作用下带动第二活检针32旋转伸出端穿孔11进行取样；由于第二外部磁场和外部旋转磁场的磁场强度均小于第一外部磁场的磁场强度，因此，无论是第一活检针31出针还是第二活检针32出针都不会对胶囊壳体1的稳定性造成影响。

而且本申请的胶囊机器人通过在胶囊壳体1内集成多个活检针，能够在单次检查中从多个部位获取组织样本，提高了活检的覆盖面和组织多样性，从而提高了活检的全面性和诊断的准确性，尤其在复杂或病变区域能够得到更多的组织信息；并且采用磁驱动多针活检，无需内部电源即可远程控制，实现多方向精确采样，为临床过程中消化道疾病的精确采样技术奠定了基础。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种磁性多针活检胶囊机器人，包括胶囊壳体，其特征在于，所述胶囊壳体两端均开设有端穿孔，所述胶囊壳体中部一侧开设有侧穿孔，所述胶囊壳体内部分隔有左腔室、中腔室和右腔室；

所述中腔室中设置有：

第一活检针，与所述侧穿孔呈对应设置；

第一永磁体，所述第一活检针固定于所述第一永磁体上，所述第一永磁体被配置为在外部磁场驱动下驱使所述第一活检针自所述侧穿孔伸出；以及

复位机构，被配置为驱使所述第一活检针复位；

所述左腔室和所述右腔室中均设置有：

第二活检针，与邻近的所述端穿孔呈对应设置；

第二永磁体，所述第二活检针同轴固定于所述第二永磁体端部，所述第二永磁体被配置为在外部旋转磁场驱动下驱使所述第二活检针自邻近的所述端穿孔旋转伸出；以及

螺旋结构，被配置为当所述第二永磁体绕其中轴线转动时，实现所述第二永磁体沿其轴线移动。

2.根据权利要求1所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述第一永磁体的两磁极分列其轴向两端，所述第二永磁体的两磁极分列其中轴线两侧；初始状态下，所述第一永磁体和所述第二永磁体同侧的磁极极性相同。

3.根据权利要求1所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述复位机构包括：

滑轨，设置有两个且分列所述第一永磁体两侧设置，所述滑轨沿所述胶囊壳体径向设置；

滑块，滑动套设于所述滑轨上，所述第一永磁体固接于两个所述滑块之间；

复位弹簧，套设于所述滑轨上，且位于所述第一永磁体和所述侧穿孔之间。

4.根据权利要求1所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述螺旋结构包括：

螺旋块，包裹于所述第二永磁体外周；

螺旋槽，设置于所述胶囊壳体内周壁上且与所述螺旋块螺纹适配，所述左腔室和所述右腔室均设置有所述螺旋槽。

5.根据权利要求4所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述左腔室和所述右腔室靠近邻近的所述端穿孔的内腔中还固接有挡板，所述挡板位于所述螺旋槽背离所述第一永磁体的一侧，所述挡板上贯穿开设有供所述第二活检针穿过的过孔。

6.根据权利要求4所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述左腔室和所述右腔室中的所述螺旋槽的螺旋方向相同。

7.根据权利要求1所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述第一活检针和所述第二活检针均具有斜口尖端，所述斜口尖端内腔中具有倒刺，所述倒刺朝靠近所述胶囊壳体中部的方向延伸。

8.根据权利要求1所述的磁性多针活检胶囊机器人，其特征在于，所述胶囊壳体内固接有两个隔板，两个所述隔板分隔所述胶囊壳体为所述左腔室、所述中腔室和所述右腔室。