用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人及其控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人及其控制方法。
背景技术
靶向给药技术是指供助载体、配体或抗体将药物通过局部给药胃肠道、或全身液循环而选择性地浓集定位于靶组织、靶器官、靶细胞或细胞内结构的给药技术。
磁场控制技术，由于其无接触和长程作用的性质，广泛地应用于交通、机械、冶金、材料、电气等等工程领域，最广泛和成熟的应用领域是磁悬浮列车，由于具有响应迅速、容易实施、非接触控制等优势，近年内在生命科学领域也开始得到部分应用。
但目前磁场控制技术在靶向给药方面的应用还是非常欠缺。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人及其控制方法，结合微型胶囊与管状注射器结构，实现定点定量给药。本发明的体内能量接收装置接收振荡磁场能产生电热能，温度敏感型高分子凝胶接收电热能膨胀，微型管状注射器靠温度敏感型高分子凝胶膨胀产生的推力注射药物，微型管状注射器注射药物后通过弹簧实现收回的功能。本发明是一种受梯度磁场和交变磁场牵引达到体内指定位置的磁控机器人；是一种基于法拉第电磁感应定律，由内部接收线圈受外部振荡磁场刺激产生电流生热，从而刺激温度敏感型高分子凝胶膨胀，以产生推力实现注射器定量给药的机器人；是一种可通过调节振荡磁场的频率，调节产生电流大小，从而改变产生热的速度，实现给药速度可控的机器人；是一种可定量释放药物并且可收回的多次利用的机器人。
本发明用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人，包括体外能量发射装置、体外LC谐振电路、胶囊以及置于胶囊内的体内能量接收装置、发热隔板、弹簧和微型管状注射器；所述的胶囊包括通过螺纹连接的胶囊段一和胶囊段二；胶囊两端内壁均固定有磁性材料；体内能量接收装置和发热隔板均固定在胶囊段一内，且发热隔板比体内能量接收装置靠近胶囊段一开口位置，发热隔板与胶囊段一合围形成密闭空间；所述的发热隔板包括合金材质的电热丝、云母板和金属板；电热丝置于由金属板合围成的加热腔室内，且电热丝与各金属板之间均设有云母板；所述的体内能量接收装置接收体外能量发射装置的磁场，产生电热能，给电热丝加热；所述的弹簧和微型管状注射器均设置在胶囊段二内；所述的微型管状注射器包括活塞和注射筒；活塞两端分别与注射筒和胶囊段二构成滑动副，且活塞两端的滑移面处均开设密封槽，密封槽内设有密封圈；注射筒的注射口正对胶囊段二开设的出液口；活塞与胶囊段二构成滑动副的那端端面和发热隔板通过弹簧连接；发热隔板、活塞、胶囊段一和胶囊段二合围成的空间内设有温度敏感型高分子凝胶。
优选地，所述胶囊段二的出液口处设有沿周向均布的三片扇形弹片，扇形弹片的圆弧部分与胶囊段二固定，三片扇形弹片组成开关阀。
优选地，所述的温度敏感型高分子凝胶采用聚麟睛水凝胶。
优选地，所述的体内能量接收装置包括正交设置的三个接收线圈，三个接收线圈的内部空间嵌有磁芯；三个接收线圈均绕置在线圈支架上；线圈支架与胶囊段一固定；每一维接收线圈先串联谐振电容后再连接一个全桥整流电路整流，三个全桥整流电路与稳压管和滤波电容并联后经DC-DC电压转换模块连接电热丝。
优选地，所述的体外能量发射装置包括亥姆霍兹线圈和三轴麦克斯韦线圈。
优选地，所述的胶囊采用具有隔热、绝缘性能的材料。
该用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人的控制方法，具体如下：
胶囊两端磁性材料在体外能量发射装置产生的磁场作用下达到指定位置，然后调节体外能量发射装置产生的磁场，使胶囊在指定位置驻留；接着，体内能量接收装置接收体外LC谐振电路的振荡磁场，使电热丝产生电热能，温度敏感型高分子凝胶吸收电热能膨胀，产生的推力首先推动微型管状注射器的活塞连同注射筒一起运动顶开胶囊段二出液口处的开关阀，待注射筒受到胶囊段二的阻挡停止运动后，活塞在注射筒内继续运动；活塞运动到位后，体外LC谐振电路停止供电，电热丝不再产生电热能，温度敏感型高分子凝胶的温度回降，实现收缩，微型管状注射器的活塞连同注射筒弹簧回复力作用下一起缩回。
优选地，通过调节体外LC谐振电路产生的振荡磁场频率，使体内能量接收装置的电流大小改变，来改变电热丝产生热的速度，从而控制活塞运动速度。
本发明具有的有益效果：
1.本发明受外部交变磁场和三维均匀梯度磁场作用，磁场间的相互作用赋予本发明前进动力，使得本发明可以在可控条件下进行自由移动。
2.本发明可实现全新的药物治疗方式，就大多数需要作用于人体内部的药物而言，其进入人体内部的途径大致可概括为口服和注射两大类，但是这两种途径在药物运输的过程中，往往由于药物在运输途中过早消耗和药物无法准确到达作用点而导致创口附近药物浓度较低的问题，本发明可实现人体内精准定向给药。
3.本发明可通过调节振荡磁场的频率，调节产生电流的大小，从而改变产生热的速度，实现给药速度可控。
4.本发明可实现注射后回收，多次利用。
附图说明
图1为本发明的结构外形示意图。
图2为本发明的结构剖视图。
图3为本发明移除胶囊段二后的结构立体图。
图4为本发明中体内能量接收装置的电路图。
图5为本发明中三个接收线圈的装配立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2和3所示，用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人，包括体外能量发射装置、体外LC谐振电路、胶囊以及置于胶囊内的体内能量接收装置1、发热隔板2、弹簧3和微型管状注射器；胶囊包括通过螺纹连接的胶囊段一4和胶囊段二5；体内能量接收装置1和发热隔板2均固定在胶囊段一4内，且发热隔板比体内能量接收装置靠近胶囊段一开口位置，发热隔板与胶囊段一合围形成密闭空间；发热隔板2包括合金材质的电热丝、云母板和金属板；电热丝置于由金属板合围成的加热腔室内，且电热丝与各金属板之间均设有云母板；电热丝作为发热材料，云母板作绝缘材料；体内能量接收装置接收体外能量发射装置的振荡磁场，产生电热能，给电热丝加热；弹簧3和微型管状注射器均设置在胶囊段二5内；微型管状注射器包括活塞6和注射筒7；活塞6两端分别与注射筒7和胶囊段二构成滑动副，且活塞两端的滑移面处均开设密封槽，密封槽内设有密封圈；注射筒7内注有药物；注射筒7的注射口正对胶囊段二开设的出液口；作为优选实施例，胶囊段二的出液口处设有沿周向均布的三片扇形弹片，扇形弹片的圆弧部分与胶囊段二固定，三片扇形弹片组成开关阀；活塞与胶囊段二构成滑动副的那端端面和发热隔板通过弹簧连接；发热隔板、活塞、胶囊段一和胶囊段二合围成的空间内设有温度敏感型高分子凝胶(作为优选实施例，采用聚麟睛水凝胶，该凝胶具有良好的凝胶相变温度)，发热隔板起到隔离体内能量接收装置和温度敏感型高分子凝胶的作用。
如图4和5所示，作为优选实施例，体内能量接收装置包括正交设置的三个接收线圈，保证在任意姿态下总有感应电动势产生；三个接收线圈的内部空间嵌有磁芯；三个接收线圈均绕置在线圈支架上；线圈支架与胶囊段一固定；每一维接收线圈先串联谐振电容后再连接一个全桥整流电路整流，三个全桥整流电路与稳压管和滤波电容并联后经DC-DC电压转换模块连接电热丝(负载)。由于微型胶囊注射式磁控机器人在消化道内运动，其姿态不断变化，如采用经皮能量传输中单维接收线圈结构，在某些姿态(接收线圈平面与电磁场方向平行)时,会导致接收功率小于微型胶囊注射式磁控机器人的最小功率而使其不能正常工作。本发明为了解决微型胶囊注射式磁控机器人姿态不确定状况下的能量供给问题，采用3个正交布置的接收线圈，这样无论微型胶囊注射式磁控机器人的姿态如何改变，3个接收线圈产生的能量合成后仍可以维持在一个相对稳定的状态。当体内能量接收装置置于交变磁场中时，必定有其中的某一维接收线圈的耦合最大，产生的感应电动势也最大，感应电动势通过全桥整流电路，形成直流回路，为电热丝供能；另外2路由于全桥整流电路中二极管的钳位，虽然有感应电动势的产生，但无法形成回路电流，因此，不会对形成回路的那一维产生影响。当接收线圈的位置、姿态改变时，可能又会有另外一维形成直流回路，输出能量为电热丝供能。另外，采用电磁感应方式进行非接触供能，体外发射线圈作为初级线圈，产生变化磁场；体内接收线圈作为次级线圈，接收能量，由于体内、外线圈之间有一定距离，故耦合程度较弱，为了提高传输效率，可将初级线圈和次级线圈均与电容组成LC谐振电路，以相同的频率形成共振耦合来传输能量。根据已有研究，发射、接收线圈均采用串联谐振电路，有较好的负载特性，能输出低电压、大电流的能量。因为发射、接收线圈之间位置相对固定，仅隔皮肤组织，且耦合面积大，所以传输效率较高，获得的能量也很稳定。因此，本发明每一维接收线圈配置相应的谐振电容，构成LC谐振电路。再者，因为3路各自整流再并联以后输出，所以电压仍有较大的波动，需要更进一步地滤波和DC-DC电压转换，将输出电压调整到微型胶囊注射式磁控机器人工作所需要的电压值。
如图4所示，体内能量接收装置具体包括接收线圈一L1、接收线圈二L2、接收线圈三L3、谐振电容一C1、谐振电容二C2、谐振电容三C3、全桥整流电路、稳压管D5、滤波电容C4和DC-DC电压转换模块；全桥整流电路由二极管D1、D2、D3、D4组成；接收线圈一L1与谐振电容一C1串联后、接收线圈二L2与谐振电容二C2串联后、接收线圈三L3与谐振电容三C3串联后分别与一个全桥整流电路并联；三个全桥整流电路再均与稳压管D5和滤波电容C4并联后经DC-DC电压转换模块连接电热丝。
体外能量发射装置主要功能将电能转变成磁场能，由于胶囊在人体消化道内的位置不确定，作为优选实施例，体外能量发射装置包括亥姆霍兹线圈和三轴麦克斯韦线圈；亥姆霍兹线圈由2个平行的圆形线圈组成，2个圆形线圈绕向相同，2个圆形线圈之间的距离为线圈的半径。当亥姆霍兹线圈中通以交流电时，能在相当大的区域内产生较为均匀的交变磁场，这样，胶囊在该区域内以相同姿态就可以获得相同的能量。而当麦克斯韦线圈通以直流电时，可以产生均匀梯度磁场；亥姆霍兹线圈和三轴麦克斯韦线圈单独通电或同时通电，控制微型胶囊注射式磁控机器人在可控条件下进行自由移动，从而实现靶向给药。
为了实现对胶囊的运动控制，胶囊两端内壁均固定有磁性材料，可在体外能量发射装置的交变磁场和三维均匀梯度磁场作用达到体内指定位置；且胶囊采用具有隔热、绝缘性能的材料，避免高温或漏电对人体造成影响。
该用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人的控制方法，具体如下：
1、胶囊两端磁性材料在体外能量发射装置产生的磁场作用下达到体内指定位置，然后调节体外能量发射装置产生的磁场，使胶囊在体外能量发射装置的磁场力、胃肠道蠕动作用力以及胶囊与胃壁或肠道褶皱之间的摩擦力作用下达到平衡，从而在体内指定位置驻留；
2、体内能量接收装置接收体外LC谐振电路(可以采用现有成熟技术中的LC电路)的振荡磁场，使电热丝产生电热能，温度敏感型高分子凝胶吸收电热能膨胀(由于亲水与疏水平衡效应，温度敏感型高分子凝胶存在溶胶、凝胶转变过程，从而实现温度敏感型高分子凝胶的膨胀与收缩，且这种依赖于温度变化的膨胀与收缩过程是可逆的；温度敏感型高分子凝胶的膨胀与收缩这种性质可作为微型管状注射器的动力，并通过调节体外LC谐振电路产生的振荡磁场频率，使体内能量接收装置的电流大小改变，来改变电热丝产生热的速度，从而实现给药速度可控并且达到可收回的多次利用的目的)，产生的推力首先推动微型管状注射器的活塞连同注射筒7一起运动顶开胶囊段二出液口处的开关阀，待注射筒受到胶囊段二的阻挡停止运动后，活塞在注射筒7内继续运动将注射筒7内的药物注入体内。温度敏感型高分子凝胶吸收电热能膨胀的具体过程为：对于聚麟睛水凝胶，当温度超过32℃时溶液转变成透明的凝胶，这主要是由于聚麟睛水凝胶内疏水基团相互作用，导致体系粘度增大；进一步升温至37℃时，凝胶坍塌收缩，内部的水分被排挤出来，凝胶变混浊；当温度达到44℃时，聚合物与水分子的氢键作用被破坏，完全沉析出来形成混浊液。
3、药物注射完成后，体外LC谐振电路停止供电，电热丝不再产生电热能，温度敏感型高分子凝胶的温度回降，实现收缩，微型管状注射器的活塞连同注射筒7弹簧回复力作用下一起缩回。
该用于靶向给药的微型胶囊注射式磁控机器人回收利用，只需重新调节体外能量发射装置产生的磁场，将磁控机器人引导出人体。
