用于消化道的电子胶囊及药物输送方法技术

一种用于消化道的电子胶囊，包括外壳以及顺序设置在外壳内的施药单向阀、第一永磁体、储药囊、薄圆柱片、电磁线圈、第二永磁体、位置跟踪与驱动控制模块。基于上述电子胶囊的药物输送方法是，采用三轴地磁场检测原理和四元数旋转理论以及交变磁矢量传感原理，结合姿态角检测，由体外射频收发器无线接收电子胶囊发送的磁矢量信号和姿态角信号，通过数据处理平台实时求解，实现电子胶囊的位置跟踪；待电子胶囊达到目标区域，通过射频信号触发施药单向阀将药物释放。本发明专利技术实现了施药的可靠性、快速性、药物释放剂量和速度的可控性，且实现了多次药物释放动作。

Electronic capsule for digestive tract and drug delivery method

An electronic capsule for the digestive tract, including the application of one-way valve, the shell and the order is arranged in the casing of the first permanent magnet, reservoir, thin cylindrical piece, an electromagnetic coil, second permanent magnets, tracking and driving control module. The drug delivery method is based on the electronic capsule, using three axis magnetic field detection principle and the theory of rotation of four yuan and the number of alternating magnetic vector sensor principle, combined with the attitude angle detection, by in vitro RF transceiver wireless receiving sending electronic capsule magnetic vector signal and angle signal, through the data processing platform for real-time implementation, electronic capsule the position tracking to reach the target area; electronic capsule, the drug release through the radio frequency signal to trigger the application of one-way valve. The invention realizes the reliability, rapidity of drug application, controllability of dosage and speed of drug release, and realizes the multiple drug releasing action.

【技术实现步骤摘要】
用于消化道的电子胶囊及药物输送方法
本专利技术涉及医疗用品，尤其涉及一种用于消化道的电子胶囊及药物输送方法。
技术介绍
随着我国老龄人口以每年新增约1000多万的数量增长，人口老龄化问题日益突出。老年人疾病多以慢性病为主，其中胃肠道类疾病是其中表现较为突出的一种。此外，现代生活节奏的加快及生活压力的增加，使慢性消化道疾病的发病率逐年提高。目前的胃肠道类慢性疾病大多需要服用药物来进行长期治疗，由于口服药物难以直接到达病灶部位或到达病灶剂量过小，从而导致口服药物疗法不佳或者失效。因此，若能在炎症、创面、病灶处直接高效地进行靶向给药治疗，既可增强药物的吸收实现高效治疗，并能减小药物的副作用。A.Nisar等人，F.N.Pirmoradi等人研究了基于MEMS技术的微型泵，将其应用于药物释放装置，包括：储药仓、微型泵、阀、管路、流量传感器、微控制器及相应的信号处理电路等。微型泵作为药物释放的动力源，可以精确控制药物释放的剂量，但结构复杂，需要占用较大空间，消耗功耗较大。S.Murad等人利用形状记忆合金在一定条件下逆加工过程自动恢复本来形状的特性，实现药物释放。该方案不能实现多次重复释放，且释放剂量无法控制。R.Groening等人提出了利用气体反应产生的气压作为动力，推动活塞，完成喷药的动作。喷药动作采用高频信号触发，在胶囊内产生感应电流，激发气体反应室的气体开始反应。该方法可实现多次重复药物释放，但触发后等待的时间较长，需要长达数小时。目前的消化道定点药物释放系统，具有如下不足之处：驱动装置构造复杂，可靠性不足；药物的释放速度低，释药剂量不可控，无法适应各段消化道的释药要求；触发时间较长，可能导致施药装置错过目标区域；只能完成单次施药动作。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是为了提供一种用于消化道内、施药剂量和施药速度可控的电子胶囊及药物输送方法。为了达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种用于消化道的电子胶囊，包括外壳以及顺序设置在外壳内的施药单向阀、第一永磁体、储药囊、薄圆柱片、电磁线圈、第二永磁体、位置跟踪与驱动控制模块；其中，第一永磁体设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。所述第一永磁体和第二永磁体均为沿轴向磁化的圆柱永磁体，并按磁极相反布置，形成梯度磁场。所述电磁线圈为可动式电磁线圈，电磁线圈的激磁信号由位置跟踪与驱动控制模块提供。当在电磁线圈中通以设定方向的电流，即可使第一永磁体吸引电磁线圈而第二永磁体排斥电磁线圈，从而避免了电磁线圈运动行程较大时驱动力随行程增加导致的迅速衰减，实现了大剂量药物的释放。所述位置跟踪与驱动控制模块包括交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及AD转换电路、姿态角检测体内电路、信号处理电路、微控制器、体内射频收发器、天线、激磁时间调节电路、激磁强度调节电路、电池及电源管理电路，其中交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及AD转换电路、微控制器、体内射频收发器和天线按顺序电信号相连，姿态角检测体内电路的输出连接信号处理电路，信号处理电路的输出连接采样及AD转换电路，激磁时间调节电路和激磁强度调节电路的输入分别连接微控制器；电池及电源管理电路分别与各用电元件电连接。基于电子胶囊的药物输送方法是，在体外设置姿态角检测体外模块、位置跟踪体外模块、体外射频收发器和数据处理平台；电子胶囊的姿态角检测采用三轴地磁场检测原理和四元数旋转理论，电子胶囊的位置跟踪采用交变磁矢量传感原理，并结合姿态角检测，将电子胶囊的运动坐标系旋转变换至体外的基准坐标系，建立空间磁矢量与胶囊位置的数学模型；由体外射频收发器无线接收电子胶囊发送的磁矢量信号和姿态角信号，通过数据处理平台实时求解，实现电子胶囊的位置跟踪；待电子胶囊达到目标区域，通过射频信号触发施药单向阀将药物释放。设定施药单向阀的开启压力略大于电子胶囊的出药口竖直向下时受到的总压力值。一方面可使未施药状态下储药囊内的药液不会泄露；另一方面，当需要施药时，只需由位置跟踪与驱动控制模块控制电磁线圈的激磁强度，使作用于储药囊上的驱动力大于单向阀的开启压力，即实现了药物释放的功能。数据处理平台提供了人机交互界面，可设置电子胶囊的施药次数，以及每次施药的目标位置、施药剂量、施药速度；待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需的临界驱动力，并结合施药剂量和施药速度，求出所需的激磁强度和激磁时间；再由体外射频收发器给出施药触发指令，同时将所需的激磁强度和激磁时间下传；电子胶囊的微控制器读取到体内射频收发器收到的触发指令和激磁数据后，由激磁时间调节电路、激磁强度调节电路输出相应时间的激磁电流至电磁线圈，对施药剂量和速度进行控制；由此实现药物的多次输送。当施药时间长于1秒的情况下，为避免施药期间由于胶囊的姿态角改变而引入的施药剂量和施药速度的误差，可每隔特定时间段由数据处理平台重新获取胶囊的姿态角信息，以此调整激磁强度和激磁时间。数据刷新间隔时间可由操作者通过数据处理平台设置。本专利技术具有以下优点和特点：1、采用姿态角检测与磁矢量传感相结合的胶囊方位跟踪方法，结合四元数旋转变换理论，将基准系的磁矢量模型变换至运动坐标系，减少了跟踪数学模型的未知量个数，改进了跟踪方法的快速实时性，提高了求解精度。2、施药驱动装置采用两个永磁体形成的梯度磁场，在其中放置可动式电磁线圈，作为施药的执行机构。电磁线圈的激磁信号由数据处理平台根据设置的施药剂量和施药速度、以及电子胶囊的当前姿态角计算得到。当在电磁线圈中通以设定方向的电流，即可使第一永磁体吸引电磁线圈而第二永磁体排斥电磁线圈，从而避免了电磁线圈运动行程较大时驱动力随行程增加导致的迅速衰减，实现了大剂量药物的释放。3、采用了施药单向阀的结构，且设置了适宜的开启压力，一方面可使在未施药状态下，储药囊内的药液不会泄露；另一方面，当需要施药时，只需由位置跟踪与驱动控制模块控制电磁线圈的激磁强度，使作用于储药囊上的驱动力大于单向阀的开启压力，即实现了药物释放的功能。为多次施药提供了保障。4、通过数据处理平台可设置电子胶囊的施药次数，以及每次施药的目标位置、施药剂量、施药速度。待数据处理平台计算到胶囊位置已进入施药目标区域，先根据当前的姿态角结合四元数旋转理论，计算施药所需的临界驱动力，并结合施药剂量和施药速度，求出电磁线圈所需的激磁强度和激磁时间无线下传至电子胶囊。实现了施药剂量、施药速度的可控性，并可实现药物的多次输送。当施药时间长于1秒的情况下，姿态角、激磁强度、激磁时间的刷新时间间隔可由操作者通过数据处理平台设置。附图说明图1是本专利技术中的电子胶囊的结构示意图。图2是本专利技术中的位置跟踪与驱动控制模块的组成框图。具体实施方式参见图1，本专利技术用于消化道的电子胶囊，包括外壳1以及顺序设置在外壳内的施药单向阀2、第一永磁体3、储药囊4、薄圆柱片5、电磁线圈6、第二永磁体7、位置跟踪与驱动控制模块8。其中，第一永磁体3设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。第一永磁体3和第二永磁体7均为沿轴向磁化的圆柱永磁体，并按磁极相反布置，形成梯度磁场。电磁线圈6为可动式电磁线圈，电磁线圈的激磁信号由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于消化道的电子胶囊，其特征在于：包括外壳以及顺序设置在外壳内的施药单向阀、第一永磁体、储药囊、薄圆柱片、电磁线圈、第二永磁体、位置跟踪与驱动控制模块；其中，第一永磁体设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。

【技术特征摘要】
1.一种用于消化道的电子胶囊，其特征在于：包括外壳以及顺序设置在外壳内的施药单向阀、第一永磁体、储药囊、薄圆柱片、电磁线圈、第二永磁体、位置跟踪与驱动控制模块；其中，第一永磁体设有轴向通孔，该通孔的前后分别与单向阀、储药囊连通。2.如权利要求1所述的电子胶囊，其特征在于：所述第一永磁体和第二永磁体均为沿轴向磁化的圆柱永磁体，并按磁极相反布置，形成梯度磁场。3.如权利要求1所述的电子胶囊，其特征在于：所述电磁线圈为可动式电磁线圈，电磁线圈的激磁信号由位置跟踪与驱动控制模块提供。4.如权利要求1所述的电子胶囊，其特征在于：所述位置跟踪与驱动控制模块包括交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及AD转换电路、姿态角检测体内电路、信号处理电路、微控制器、体内射频收发器、天线、激磁时间调节电路、激磁强度调节电路、电池及电源管理电路，其中交变磁信号传感器、可编程放大及滤波电路、均方根拾取电路、采样及AD转换电路、微控制器、体内射频收发器和天线按顺序电信号相连，姿态角检测体内电路的输出连接信号处理电路，信号处理电路的输出连接采样及AD转换电路，激磁时间调节电路和激磁强度调节电路的输入分别连接微控制器；电池及电源管理电路分别与各用电元件电连接。5.基于权利要求1所述电子胶囊的药物输送方法，其特征在于：在体外设置姿态角检测体外模块、位置跟踪体外模块、体外射频收发器和数据处理平台；电子胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭旭东，王殊轶，崔海坡，葛斌，严荣国，鲁正平，许堂成，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31