技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种胶囊内窥镜的控制系统及方法。
背景技术
胶囊内窥镜，全称为“智能胶囊消化道内镜系统”，又称“医用无线内镜”。原理是受检者通过口服内置摄像与信号传输装置的智能胶囊，借助消化道蠕动使之在消化道内运动并拍摄图像，医生利用体外的图像记录仪和影像工作站，了解受检者的整个消化道情况，从而对其病情做出诊断。
如果胶囊内窥镜仅靠消化道的蠕动来随机运动，这样会增加漏诊和误诊的概率。现有技术中比较常用的一种控制胶囊内窥镜的方式是采用消化系统外部的磁体带动内置有永磁体的胶囊内窥镜运动。但是目前这种控制方式的控制过程较为繁琐，工作效率低，往往不能够满足医务人员对受检者病情诊断的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种胶囊内窥镜的控制系统，解决了对胶囊内窥镜控制精度低，控制过程繁琐，工作效率低的问题。
本发明的另一目的是提供一种胶囊内窥镜的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种胶囊内窥镜的控制系统，包括：
位于消化腔体外部，用于对位于所述消化腔体内部的胶囊内窥镜施加磁场力的作用，以控制胶囊内窥镜移动至目标位置的磁体；
和所述磁体相连接，用于带动所述磁体在消化腔体外部按照预定规划路径运动的机械臂；
和所述机械臂相连接，用于根据所述胶囊内窥镜的目标位置确定所述磁体的预定规划路径，并控制所述机械臂运动的主机。
其中，所述磁体包括第一磁体和第二磁体，其中，所述消化腔体位于所述第一磁体和第二磁体之间；
还包括底部牵引机构，所述机械臂末端和所述第一磁体相连接，用于带动所述第一磁体移动，所述底部牵引机构和所述第二磁体相连接，用于带动所述第二磁体移动。
其中，所述机械臂上还设有角度传感器，所述角度传感器用于在所述机械臂末端带动所述磁体到达所述预定规划路径上的各个位置点时，获得所述机械臂各个机械关节的转动角度参数；
所述主机还用于根据所述转动角度参数对所述机械臂末端的所在位置进行校正。
其中，所述主机还用于预先创建姿态模型，并根据所述姿态模型和所述角度传感器检测的角度参数创建所述机械臂的3D姿态模型可视图。
其中，所述主机和所述机械臂的伺服电机之间通过网线连接；其中，每对网线均设置有铝箔屏蔽层，且每四对网线设置有公共金属丝网屏蔽层。
本发明还提供了一种胶囊内窥镜的控制方法，包括：
根据胶囊内窥镜的当前位置和目标位置，确定磁体所需要移动的位置；
根据所述磁体所需要移动的位置，确定机械臂末端的预定规划路径；
根据所述预定规划路径控制所述机械臂的末端带动所述磁体按照所述预定规划路径移动，以便所述胶囊内窥镜在所述磁体的磁场力的作用下移动至所述目标位置。
其中，根据所述磁体所需要移动的位置，确定所述机械臂末端的预定规划路径包括：
根据第一磁体的所需要移动的位置，确定机械臂的预定规划路径；
所述根据所述预定规划路径控制所述机械臂的伺服电机运动包括：
根据所述预定规划路径控制所述机械臂的伺服电机运动；
根据所述机械臂的运动状态和虚轴跟随算法，确定底部牵引机构的运动轨迹；
根据所述底部牵引机构的运动轨迹控制所述底部牵引机构带动第二磁体运动。
其中，所述根据所述运动位置控制所述机械臂的伺服电机运动之后，还包括：
实时获取角度传感器检测的所述机械臂各个机械关节的转动角度参数；
当所述机械臂的末端依次经过所述预定规划路径上的各个位置点时，根据所述转动角度参数确定所述机械臂末端的实际位置点；
根据所述实际位置点和所述预定规划路径上的位置点进行对比，对所述机械臂的末端位置进行校正。
其中，在实时获取角度传感器检测的所述机械臂各个机械关节的转动角度参数之后还包括：
根据所述转动角度参数和预先建立的机械臂姿态模型，创建机械臂的可视3D模型图。
其中，在所述根据所述运动位置控制所述机械臂的伺服电机运动之后，还包括：
当所述机械臂末端完成所述预定规划路径的运动时，获取所述机械臂的伺服电机的电机编码器的角度参数，根据所述角度参数确定所述机械臂末端的驱动位置，并根据所述驱动位置校正所述机械臂末端所在位置。
本发明所提供的胶囊内窥镜的控制系统，通过将位于消化腔体外部的磁体固定在机械臂的末端，并通过主机预先运算出机械臂末端的规划路径，再通过主机控制机械臂按照预定的规划路径带动磁体运动，最终运动至使得胶囊内窥镜在磁体的磁场力作用下运动至目标位置，且在实际应用过程中，用户只需输入包含有胶囊内窥镜的所需移动目标位置的指令，主机就能够自动控制机械臂运动，最终使胶囊内窥镜发生移动。
相对于现有技术中通过复杂的机械结构控制位于消化系统外部的磁体运动从而带动胶囊内窥镜发生移动，本发明的控制系统更易操作，对磁体的控制均是由主机自动化完成的，对磁体移动控制的精度更高，无需用户在控制磁体带动胶囊内窥镜过程中反复调试，对用户操控调节设备的要求更低，在很大程度上减少了对胶囊内窥镜所在位置的调控时间，提高了工作效率。
综上所述，本发明中的胶囊内窥镜的控制系统能够更简单快速的控制胶囊内窥镜在消化腔体内部的移动，更加方便用户对设备的操控，提高了对胶囊内窥镜的移动的控制精度和用户的使用体验。本发明中还公开了一种胶囊内窥镜的控制方法，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的胶囊内窥镜的控制系统的结构示意图；
图2为现有技术中磁体对胶囊内窥镜的控制示意图；
图3为本发明实施例提供的磁体对胶囊内窥镜的控制示意图；
图4为本发明实施例提供的底部牵引机构的部分结构示意图；
图5为本发明实施例提供的胶囊内窥镜的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
目前，对胶囊内窥镜比较常规的控制方式是通过一些机械结构带动位于消化系统外部的磁体运动，而胶囊内窥镜中内置有永磁体，使得胶囊内窥镜能够受磁体的磁场力作用发生相应的移动，最终到达目标位置点。
但是如果带动磁体运动机械结构较为简单，往往对磁体控制的精度较低，在控制磁体移动时往往需要经过用户反反复复的调试，才能够是磁体到达准确的目标位置点，而且也要求操作使用者对设备使用掌握达到一定的熟悉程度。而如果要提高对磁体运动控制的精度，就需要设计更为复杂的机械结构，需要分析机械结构各个部件之间的受力情况以及相互配合的作用力。这种结构无论是在设计还是制作方面都十分的繁琐，也就在一定成程度上提高了利用磁体控制胶囊内窥镜的移动的设备的成本。
因此，本发明中提供了一种胶囊内窥镜的控制系统，通过主机运行预先编程好的程序控制机械臂运动，而机械臂带动位于消化腔体外部的磁体运动，使胶囊内窥镜在磁体的磁场力作用下随之运动最终移动至目标位置。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的胶囊内窥镜的控制系统的结构示意图，该胶囊内窥镜的控制系统可以包括：
位于消化腔体外部，用于对位于消化腔体内部的胶囊内窥镜10施加磁场力的作用，以控制胶囊内窥镜10移动至目标位置的磁体；
需要说明的是，胶囊内窥镜10中除了内置有摄像和信号传输装置还内置有永磁体。当胶囊内窥镜10由受检者口服进入消化腔体后，使受检者平躺，将磁体放置在受检者体外，消化腔体的正上方。消化腔体中胶囊内窥镜10的永磁体受磁体的磁场力的作用，当磁体在消化腔体上方运动时，相应的胶囊内窥镜10也会发生运动。
和磁体相连接，用于带动磁体在消化腔体外部按照预定规划路径运动的机械臂11；
和所述机械臂11相连接，用于根据所述胶囊内窥镜10的目标位置确定所述磁体的预定规划路径，并控制所述机械臂11运动的主机。
需要说明的是，在对胶囊内窥镜10的运动进行控制时，一般是由胶囊内窥镜10中的摄像和信号传输装置传输至主机的消化腔体的图片，主机将该图片向医护人员进行显示，医护人员可以根据图片显示的内容，向主机发送带有胶囊内窥镜10移动的目标位置的指令，例如，向左移动0.5cm。那么主机就能够根据医护人员设定的目标位置，对机械臂11的运动路径进行规划，使机械臂11末端带动磁体做相应的运动，最终使得胶囊内窥镜10在磁体的磁场作用下移动至目标位置。并且本发明中还可以将主机上连接操作手柄14等操作设备，便于医护人员输入各种操作指令。
当然，对于目标位置的设定并不只有一种设定方式，还可以根据通常情况下对受检者的消化腔体内部需要检测的点作为目标位置，机械臂11自动带动磁体运动，使磁体带动胶囊内窥镜10依次位于各个目标位置点，对受检者的消化腔体进行拍摄，以便医护人员进行疾病的诊断。
对于现有技术而言，由于是采用各种机械结构控制磁体运动的，例如采用两个相互垂直的滑道，两个滑道分别控制磁体在水平面内两个相互垂直的方向滑动，从而控制磁体可以在水平面内运动。类似于这种的机械结构控制精度较低，需要反复调试，无法完成自动化的调节。因此相对于现有技术而言，本发明中的胶囊内窥镜10的控制系统，能够更简单迅速的控制胶囊内窥镜10的按照预定的目标位置运动。
另外，本发明在控制胶囊内窥镜10的运动时，是按照预先设定的规划路径来运动的，能够避免胶囊内窥镜10在磁体的磁场力作用下，由于过度偏移对消化腔体内壁严重挤压，从而对受检者造成人身伤害的问题。
其次，本发明中的主机具体的可以包括PC主机12以及和PC主机12相连接的嵌入式PC 13，为了降低PC主机12程序编码的复杂程度，可以在PC主机12上编写对机械臂11的运动进行路径规划的程序，并在嵌入式PC 13上编写控制机械臂11按照预定规划路径进行运动的程序。
并且，本发明在实际应用过程中，对于PC主机12和嵌入式PC 13、操作手柄4以及机械臂11之间均通过网线连接，为了保证PC主机12和各个设备之间的通讯能够更快更好的传输，提升网线的抗干扰能力，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地在网线上设置屏蔽层，具体地，可以在每对双绞线上设置铝箔作为屏蔽层，利用铝箔的密闭性和屏蔽性对电磁波干扰进行防护。
在电子设备中，电磁干扰是通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输的，为了满足电磁兼容性的要求，对辐射性耦合则需要采取屏蔽技术加以抑制。因为电磁波为一种电能，而光滑、密闭的金属表面具有反射作用，可以将电磁波干扰反射掉，且铝箔能够更好的对高频电磁波进行屏蔽。对于铝箔的厚度，具体地可以设置为0.1mm-0.2mm。
为了进一步地对低频电磁波进行屏蔽，在实施例中还可以进一步地包括：
每四对网线设置一个公共屏蔽层，该公共屏蔽层具体可以是由金属丝相互交叉织成网孔筛面的金属编织网构成，该公共品屏蔽层能够将电磁波限制于某一区域，对于低频的电磁屏蔽效果较佳。
基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步包括：
磁体包括第一磁体和第二磁体，其中，消化腔体位于第一磁体和第二磁体之间；
还包括底部牵引机构，所述机械臂末端和所述第一磁体相连接，用于带动所述第一磁体移动，所述底部牵引机构和所述第二磁体相连接，用于带动所述第二磁体移动。
目前，对于胶囊内窥镜比较常规的控制方式是在受检者躺下时，在消化腔体的正上方设置一块可带动胶囊内窥镜运动的磁体。但是，由于胶囊内窥镜在消化腔体内部不可视，且消化腔体内的环境也较为复杂，胶囊内窥镜的运动状态很容易受到环境的影响而发生扰动。具体的可参考图2和图3，图2为现有技术中磁体对胶囊内窥镜的控制示意图，图3为本发明实施例提供的磁体对胶囊内窥镜的控制示意图；如图2所示，图2中的虚线22表示磁体21所产生的磁场线，而实线23即表示磁体对胶囊内窥镜10能够控制的范围极限的界线，如果胶囊内窥镜10一旦运动至磁体21的牵引范围之外，就会导致对胶囊内窥镜10的牵引控制失败；如图3所示，图3中的虚线32为第一磁体30和第二磁体31所产生的磁体的磁场线，由图3可知，在第一磁体30和第二磁体31共同形成的磁场中，在胶囊内窥镜的周围的一定区域内磁场线均是近似平行且和第一磁体30、第二磁体31的轴线平行，而对比于图2中仅在磁体21的轴线上的磁场线为直线，而在实际控制过程中，由于胶囊内窥镜在水平方向上不再受其他力的作用，因此胶囊内窥镜在磁体21的轴线方向上的磁场中能够达到更好的受力平衡，所以，将胶囊内窥镜10控制在第一磁体30和第二磁体31之间，在扩大磁体的控制范围的基础上，还能够增强对胶囊内窥镜10控制的稳定性。
需要说明的是，本实施例中仅以受检者为平躺的姿势受检为例进行说明，但是本发明中并不排除受检者保持其他姿势进行检查。但是对于第一磁体30和第二磁体31的设置位置，应当保证消化腔体是位于第一磁体30和第二磁体31之间的，对于类似的设置方式，本发明中不再详细赘述。
本实施例中的机械臂11和底部牵引机构16均具有五个不同的自由度，分别控制上磁体和下磁体在三维空间中的位置、偏转、俯仰等。
对于机械臂11而言，其具有结构轻巧，活动空间大且活动灵活精确等优点，而底部牵引机构16则具有更为简单的部件结构，且成本较低，驱动算法更为简单，但是底部牵引机构16的体积往往较大，质量较重。如果采用类似的牵引机构控制位于人体上方的第一磁体31，整个牵引机构将需要覆盖在人体上方较大的面积区域，会给受检者带来压迫感，且一旦牵引机构的部件固定不稳固，也会对受检者带来损伤。而底部牵引机构16隐藏在受检者平躺的床体的下方，不会给受检者带来压迫感，并且只需要控制第二磁体31跟随第一磁体30运动即可，控制方法简单易行。
具体地，本发明中的底部牵引机构16的牵引原理可参考图4，图4为本发明实施例提供的底部牵引机构的部分结构示意图。图4中电机41转动，驱动通过联轴器42连接的丝杠43转动，带动位于线轨44上的滑块45做来回的直线运动，从而带动第二磁体31的运动，对于整个底部牵引机构16而言，可以设置三个如图4所示的结构，且设置方向两两垂直，那么底部牵引机构16就具有在三维空间中三个相互垂直的方向运动的用于驱动的滑块45，从而实现对第二磁体31空间运动位置的控制。另外底部牵引机构16还包括两个旋转电机，分别控制第二磁体31在偏航角上的转动和俯仰方向。
基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：
机械臂上还设有角度传感器；
角度传感器用于在机械臂末端带动磁体到达预定规划路径上的各个位置点时，获得机械臂的各个机械关节的转动角度参数；
主机还用于根据转动角度参数对机械臂末端的所在位置进行校正。
在本实施例中，机械臂可在5个自由度上控制磁体在空间中运动，具体地，机械臂的3个伺服电机轴是控制胶囊内窥镜的空间位置的变化，1个伺服电机轴是控制胶囊内窥镜的俯仰角度的变化，还有1个伺服电机轴控制胶囊内窥镜在空间中的旋转运动，那么在对应的伺服电机的驱动下，伺服电机轴旋转相应的角度，使得机械臂的机械关节运动至对应的位置，那么根据机械臂的机械关节的转动角度参数，就能够确定机械臂末端带动磁体到达的对应的位置点。
当机械臂末端带动磁体按照预定规划路径运动时，机械臂末端每运动至预定规划路径上的一个位置点时，机械臂上的角度传感器就能够实时的获取到相应机械臂的机械关节的转动角度参数。而机械臂的机械关节转动的角度是直接决定机械末端位置的，主机根据该角度参数就能够确定机械臂末端实际所到达的位置点，将该位置点和按预定规划路径上的位置点进行对比，如果两者不一致，则可以对机械臂的末端进行校正。这在很大程度上提高了机械臂带动磁体运动的精度，也进一步提高了对胶囊内窥镜的运动控制的精度。
基于上述实施例，为了医护人员能够更清晰的了解机械臂带动磁体按照预定轨迹的运动状态，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：
主机还用于预先创建姿态模型，该姿态模型是根据机械臂末端处于不同位置对应的机械臂的姿态而创建的，主机可以根据机械臂的机械关节的转动角度参数，结合姿态模型创建机械臂对应3D姿态模型可视图，同时在主机的显示界面进行显示。
医护人员根据该3D姿态模型可视图，就能够观测该机械臂带动磁体的实时运动状态，如果机械臂带动磁体运动严重偏离了目标位置，也可以重新输入相应的参数指令，对机械臂末端所在位置进行校正。
下面结合附图对胶囊内窥镜的控制方法进行介绍，如图5所示，图5为本发明实施例提供的胶囊内窥镜的控制方法的流程示意图，该胶囊内窥镜的控制方法，具体可以包括：
步骤S501：根据胶囊内窥镜的当前位置和目标位置，确定磁体所需要移动的位置。
如前所述，胶囊内窥镜的目标位置可以是预先设定的，也可以是医护人员输入的参数指令而确定的。根据胶囊内窥镜在磁体的磁场中的受力特性确定胶囊内窥镜和磁体之间的位置对应关系，从而确定出磁体所需要移动的位置。
步骤S502：根据磁体所需要移动的位置，确定机械臂末端的预定规划路径。
步骤S503：根据预定规划路径控制机械臂的末端带动磁体按照预定规划路径移动。
因为预定规划路径使根据胶囊内窥镜的目标位置而设定的，因此当机械臂末端带动磁体依次经过预定规划路径上的各个位置点，并最终运动至磁体所需运动的位置点时，对应的胶囊内窥镜也会相应的到达目标位置点。
本实施例中的各个步骤可以有预先编程好的程序，通过医疗人员输入的指令自动完成，实现了对胶囊内窥镜自动化控制，降低了医疗人员对设备操作熟练程度的要求，同时还提高了医疗人员通过胶囊内窥镜诊断疾病的工作效率。另外，由于预先对磁体的运动路径进行了规划，也就间接的对胶囊内窥镜的运动轨迹进行了规划，避免了胶囊内窥镜在消化腔体内运动时，由于运动路径不合理对消化腔体内壁过度挤压，对受检者造成人身伤害的问题。
基于上述任意实施例，为了能够更稳定的控制胶囊内窥镜在消化腔体内运动，可以采用两个磁体控制胶囊内窥镜运动，使消化腔体位于两个磁体之间，那么步骤S502可以进一步地包括：
根据第一磁体的所需要移动的位置，确定机械臂的预定规划路径。
对应的步骤S503可以进一步包括：
根据预定规划路径控制机械臂的伺服电机运动；
根据机械臂的运动状态和虚轴跟随算法，确定底部牵引机构的运动轨迹；
根据底部牵引机构的运动轨迹控制底部牵引机构带动第二磁体运动。
本实施例中只规划机械臂的运动路径，而以虚轴跟随的方式对应的控制底部牵引机构运动，因此也就无需再对控制底部牵引机构的运动也编程相应的程序，简化了控制胶囊内窥镜运动相应程序的复杂程度。
基于上述任意实施例，为了更精确地控制胶囊内窥镜在消化腔体内的运动，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步地包括：
当机械臂的末端依次经过预定规划路径上的各个位置点时，实时获取机械臂上的角度传感器检测的机械臂的机械关节转动角度参数；根据转动角度参数确定机械臂末端的实际位置点，并根据实际位置点和预定规划路径上的位置点进行对比，对机械臂的末端位置进行校正。
本实施例中在机械臂带动磁体每经过一个预定规划路径上的一个位置点时，均对机械臂末端的位置进行校正，从而提高对磁体运动位置控制的准确度，进而提高对胶囊内窥镜控制的准确度。
另外，如果需要对两个磁体分别进行控制以驱动胶囊内窥镜进行运动，那么相应的机械臂和底部牵引机构上均设置有角度传感器，可以实时的对两个磁体的位置均进行校正，以提高对胶囊内窥镜的运动进行控制的准确度。
基于上述实施例，在获得机械臂的机械臂的机械关节的转动角度参数之后，可以对应的确定机械臂末端对应的位置，为此，在本发明的另一具体实施例中，具体还可以包括：
根据转动角度参数和预先建立的机械臂姿态模型，创建机械臂的可视3D模型图。
基于上述任意实施例，为了进一步提高对胶囊内窥镜运动的控制精度，在本发明的另一具体实施例中，可以进一步包括：
当机械臂末端完成所述预定规划路径的运动时，获取机械臂的伺服电机的电机编码器的角度参数，根据角度参数确定机械臂末端的驱动位置，并根据驱动位置校正机械臂末端所在位置。
当机械臂末端按照预定轨迹运动，到达预定轨迹上最后一个位置点时，也即是到达磁体所需移动的位置点时，可以在伺服电机的电机编码器中读取角度参数，进而确定伺服电机所需要驱动机械臂末端到达的位置，将该位置和机械臂末端的实际位置进行对比，如果两者不相同，则对机械臂末端位置进行校正。
本发明的实施例中提供了多种对机械臂末端的位置进行校正的方式，提高了对胶囊内窥镜控制的精确度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的胶囊内窥镜的控制系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。