消化道疾病是常见的人体疾病,其中,胃、肠道部位是病变的多发区域,但以导管式内窥镜为代表的传统诊查方法效率过低,且其检查过程存在需要麻醉、易造肠道损伤、患者体验舒适度差等缺点.经过科研人员的不懈努力,胶囊内窥镜等无线缆式诊查设备减轻了患者在检查过程中的痛苦,但仍不是成熟的临床解决方案.近年来,具有主动运动能力的胃肠道诊查机器人逐渐成为该领域下一代技术的研发重点.

胃肠道诊查机器人在人体内工作时,为其稳定、高效地提供能量的方式一直是科研人员重点研究的问题.受容量及体积限制,传统的电池供能方式不适用于微型机器人的工作过程.目前,该领域广泛应用的能量供应方法是基于电磁感应原理的无线能量传输(WPT)技术.其中,能量发射部分、能量接收部分是两个具有相同谐振频率的线圈系统,在特定的频率下,二者分别通过电容与电感的耦合作用实现电路谐振,使高频能量发生大比例交换,从而为接收部分的负载提供能量.目前,该种能量传输方式已广泛应用在手机等消费电子领域^[1]、电动汽车^[2]等工业领域以及胃肠道微型机器人^[3]等生物医疗领域.

针对应用于生物医学领域的无线能量传输技术,研究人员展开了大量研究.文献[4]探究了磁芯厚度和绞线规格对一维接收线圈的影响.文献[5]对三维接收线圈进行优化,从磁芯直径、线圈匝数、线径等方面优化了接收线圈的姿态稳定性.文献[6]分析了不同发射线圈结构对发射磁场均匀性的影响.文献[7-8]提出了一套小型便携式无线能量传输系统.

然而,随着相关领域研究的深入和临床需求的发展,现有的WPT系统研究成果存在诸多不足,尚未能同时满足以下需求. 一是能量需求,目前的WPT系统主要用于胶囊内窥镜的能量供应,其接收能量通常最多只能达到300 mW^[7].二是位置稳定性需求,针对能量发射系统.前期研究成果多为工程验证性质的便携式原型,能量发射线圈尺寸设计在400 mm^[8]以内.为尽可能适应患者体型、扩大胃肠道机器人运动范围,应在保证发射磁场强度足够大且均匀的前提下,尽量扩大发射线圈的尺寸.三是姿态稳定性需求,针对能量接收系统.目前研究人员多采用在实心磁芯上绕制三维线圈的方式进行结构设计,然而传统三维实心线圈边长为12~14 mm^[9],极大挤占了机器人机械结构、摄像头、相关电路等部件的设计空间.出于缩短机器人轴向长度,减小其体积的目的,本文所述接收线圈需要绕制在空心圆柱形磁芯上,为保证胃肠道机器人在人体内运动的不同姿态下均可满足能量需求,需要对三维接收线圈结构提出新的实用设计.

针对以上实际需求,本文开展了新型WPT系统的研究与实验验证.本文以适应人体生理参数为目标,通过理论计算优化发射线圈、接收线圈的拓扑结构并确定相关参数,最终通过实验平台验证系统设计的可行性.

WPT系统简化集总模型如图1所示,其中:C₁为补偿电容,用于消除能量发射回路的无功功率;L₁为发射回路串联等效电感;R₁为发射回路串联等效电阻;C₂、L₂、R₂分别为接收回路的补偿电容、串联等效电感、串联等效电阻;R_L为微型机器人工作时的等效负载;M为发射、接收回路之间的互感;I₁(t)和I₂(t)分别为发射回路和接收回路中的交流电流,随时间t周期性变化;系统分为发射回路TX与接收回路RX两部分;在发射回路中,AC为高频交流电源.为简化分析,将发射线圈复阻抗电路等效为串联等效电感L₁与串联等效电阻R₁,事实上,复阻抗电路实际包含自感、交流电阻、寄生电容3部分^[10].发射回路TX在高频交流信号驱动下产生交变磁场, 接收回路RX通过电磁感应原理获得感应电势,经过整流、稳压等处理后为微型机器人提供能量.

为定量表示两个线圈的耦合程度,定义耦合系数k=M/L1L2, k的大小与两线圈结构、相对位置及空间磁介质有关^[11].在本系统中,由于两线圈尺寸相差悬殊、距离较远,所以为弱耦合结构,此时k远小于1.根据文献[12],当发射系统与接收系统分别处于谐振状态时,对于此类一阶电阻电容电感(RLC)串联电路,传输效率为

式中:Q₁、Q₂分别为发射回路和接收回路的品质因数,用于表征电路在谐振频率ω₀处谐振时电容(或电感)电压与电阻电压之比;α=R_L/R₂,为电路负载因子.对于一般的RLC串联谐振电路,其品质因数定义为

式中:R、C、L为RLC串联谐振电路中的电阻、电容、电感.

在WPT系统弱耦合状态下,有k≪1,此时(1+α)²≫(1+α)k²Q₁Q₂,可将式(1)进一步简化:

可见,在发射系统功率一定的情况下,应尽量提高发射回路与接收回路的品质因数,以优化传输效率、保证接收系统有足够能量供给.

此外,在一定范围内,系统能量传输效率随频率增大而增加^[13].同时,线圈的品质因数随着频率的上升呈先增大后减小趋势^[14],并且过高的品质因数将导致系统抗干扰能力下降,鲁棒性较差,容易引起电路失谐.综上考虑,谐振频率选择220~240 kHz为宜,本文选择220 kHz作为无线能量传输系统的工作频率.

出于提高能量传输系统稳定性考虑,发射系统应当在胃肠道机器人运动范围内产生尽可能均匀的交变磁场,其中,发射线圈的拓扑结构是决定发射系统所产生的磁场分布的关键因素.目前,研究人员对亥姆霍兹线圈和多组、多层螺线管线圈等线圈结构类型所产生的磁场进行了分析探索,有研究认为^[9]亥姆霍兹线圈将在一定范围内产生类似球形的均匀交变磁场,但磁场强度较弱;螺线管线圈产生的类圆柱形磁场强度较大,但均匀性较差.本文总结以上研究成果,提出了一种新型组合式螺线管线圈,该线圈由多组螺线管按一定距离轴向排列而成,其中,每组螺线管由不同匝数的线圈构成,从而在满足磁场强度要求的基础上提高发射磁场的均匀性.

为优化新型螺线管线圈结构及参数,在径向尺寸相同的情况下,本文选取上述2组、3组、4组螺线管分别组成如图2所示的3组发射线圈.其中,图2(a)所示结构由线圈A1及线圈A2这2组螺线管线圈轴向排列而成,图2(b)所示结构由线圈H1、线圈H2及线圈H3这3组螺线管线圈轴向排列而成,图2(c)所示结构由线圈E1、线圈E2、线圈E3及线圈E4这4组螺线管线圈轴向排列而成.为详细了解上述3种发射线圈受激励后产生的磁场分布情况,在输入激励相同的情况下,对3种发射线圈产生的磁场进行理论分析与优化.

基于对称性考虑,对单组通电螺线管在xOz平面上产生的磁场进行分析.

假设单位长度的螺线管由n匝线圈组成,在长度为l的螺线管中处取一电流元dl,电流元与坐标为(x, z)的W点的距离d为^[15]

式中:θ为方位角;D为螺线管直径.由式(4)可知,此时距离d是关于长度l、方位角θ以及坐标x和z的函数.则电流元在W点产生的磁感应强度dB在x和z两个方向的分量为

dB_x=μ0nID(z-l)dl4π∫π0cosθdθd3

式中:μ₀为真空磁导率.对于式(4),令x=0,得到电流元与z轴轴线上W点的投影点(0, z)的距离为

通电螺线管上的磁场分布情况如图3所示.考虑一段直径为D的单组螺线管,其轴线与z轴重合,轴向长度分布在(-z_lin,z_lin)区间内,对其通加电流I作为激励.在z轴轴线上, 3种结构的磁场分布情况如图4所示.

由图4(d)可知,在z坐标取值为 -25~25 cm的发射线圈内部,4组螺线管发射线圈(见图2(c))产生的磁场在z轴轴线上的分布更加均匀,该拓扑结构更适合选用为新型发射线圈结构.此外4组螺线管结构中,轴向为50 cm尺寸限制范围内,z轴方向上,考虑到螺线管均有一定宽度,则螺线管线圈E1与线圈E4最大中心间距实际取为42 cm.本文为进一步优化4组螺线管位置分布,固定螺线管线圈E1与线圈E4中心间距为42 cm,对称移动线圈E2与线圈E3的位置.当线圈E1与线圈E2取不同中心间距ζ(ζ<19 cm)时,其轴线上磁场分量B_z分布如图5所示.由图5可知,最终取相邻两线圈中心相距11 cm作为最优尺寸.

在3种发射线圈结构中,每组线圈半径r=25 cm,线圈轴向间距小于50 cm,所有线圈等距分布,激励电流取I=1 A/匝.

根据式(5)得到合场强数值B=Bx2+Bz2, 利用MATLAB软件计算并绘制3种发射线圈在xOz平面的合场强分布如图6(a)~6(c)所示.为贴近实际应用场景,场强分析区域限定在发射平面中心80%的区域内,3种发射线圈磁场在xOz平面产生的合场强分布如上图6(d)~6(f)所示.在该区域内,3种发射线圈结构所产生场强均匀性如表1所示.其中:B-为场强平均值;δ为场强标准差;c_v为场强变异系数.

其中,变异系数是概率分布离散程度的一个归一化量度,其定义为标准差δ与平均值μ之比,则有:

显然,综合3种均匀性指标判断, 由4组螺线管组成的拓扑结构产生的磁场具有最佳均匀性.在实际工程应用中,该拓扑结构由4组同轴排列的螺线管间隔一定距离组合而成,其中,每组螺线管由不同匝数的利兹线密绕制得.由2.1节可知,每组螺线管之间的相对距离也会对发射线圈产生磁场的均匀性造成影响.

传统的微型机器人需要在其头部或尾部为接收线圈预留单独的安置空间,不可避免地增加了机器人的总长度.为节省空间,本文采用的接收线圈需要绕制在空心圆柱型磁芯侧壁,其空心部分内部可安置机器人机械结构.采用的接收线圈具有纺锤形绕制的线圈结构, 该接收线圈具有在空间三维方向接收电磁能量的能力.

接收线圈模型与实物如图7所示.在圆柱形磁芯底面的圆上有一点T,从该点出发,沿圆柱侧面行进至中心对称位置T',然后沿相反方向返回T点,形成闭合回路TT',如图7(a)所示.逆时针旋转30°,重复该过程4次, 得到TT'、UU'、VV'、WW'这4组闭合线圈回路,最终得到如图7(b)所示纺锤形接收线圈组1.同样的,按相同方式将线圈组1整体逆时针旋转120°两次,即可得到如图7(c)所示的线圈组2和线圈组3,此时接收线圈上共有12股线圈沿圆周等距分布.实际工作时,3组线圈分别整流后并联输出电压,线圈的外径尺寸为⌀13.9 mm×11.9 mm.

根据设计目标中的能量需求,机器人实际接收的功率至少为500 mW,根据研究分析^[16],机器人实际工作时的等效直流电阻约为30 Ω,则根据公式功率 P=I²R计算得每股利兹线将通过0.129 A的电流,参考相关文献^[17]将AWG44电流限制为 0.008 A,可取每18根规格为AWG44的单根漆包线绞合为单股漆包线使用.

由前文分析得知,接收线圈的品质因数Q是表征其能量接收能力的关键因素,在利兹线规格确定的情况下,本文测定接收线圈Q、L等参数与线圈匝数的关系如图8所示.在一定范围内,Q与绕制匝数正相关,结合机器人结构限制,本文确定每组线圈由利兹线绕制60匝而成,其中每匝利兹线由18股线径AWG44的单股漆包线绞合650次得到.

综合前文分析,本课题组制作了无线能量传输系统,其实物图如图9所示.选定300股规格AWG44利兹线绞合绕制发射线圈,采用了方形线框构型,正方体骨架尺寸为50 cm×50 cm×50 cm, 4个线圈的具体匝数为22、11、11、22匝,各线圈中心间距数据分别为15、12、15 cm,将发射线圈与CKTB1000可调真空电容串联,使回路在220 kHz激励作用下谐振.

同时,接收线圈采用图7确定的纺锤形绕制方式缠绕在空心磁芯上,然后将接收系统与机器人装配固定,最后通过向接收线圈串联贴片电容的方式使接收系统电路在220 kHz谐振,经后续整流电路处理后输出电压到滑动变阻器模拟的机器人工作等效电阻.

使用型号为E4990A的阻抗分析仪测得发射线圈及接收线圈相关参数如表2所示.由于采用了先串联后并联的方式,发射线圈等效电阻较小,从而获得了较大的品质因数,即对激励电流有比较大的放大能力.3组接收线圈均为75匝,受绕制位置及手工制作因素影响,品质因数并非完全一致.

图9中,直流电源经驱动电路逆变为220 kHz交流方波以提供激励,此时发射线圈谐振回路产生大致均匀的交变磁场.位于发射线圈腔体内部的接收线圈在电磁感应的作用下产生交流电压,经后续整流电路转换为直流电压,为用30 Ω滑动变阻器模拟的机器人工作等效电阻供电,使用高精度数字万用表测量滑动变阻器两端的接收电压,并换算为接收功率.

在发射线圈腔体内部均匀采样取点,定义原点为发射线圈正方体的中心对称点,每5 cm取一个取样点,与前期理论分析采取一致的坐标轴分布, 圆柱形接收线圈的轴线与发射线圈的z轴方向重合.出于实际应用范围考虑,只对发射线圈腔体内部磁场80%的范围进行采样^[18].考虑到磁场分布的均匀性特点,高度分布上,可只取 y=0, 5, 10, 15, 20 cm 共5个平面,每个平面上同样对80%范围内的磁场进行采样,分别计算机器人的接收功率及能量传输功率,绘制数据效果如图10所示.

图10(a)~10(e)描述了y取不同高度值时,对应xOz平面的采样点所获得的接收功率,图10(f)~10(j)则描述了不同高度平面采样点的接收效率,计算得每个平面上接收线圈的接收功率与接收效率标准差,如表3所示.

与前文的理论分析(见图6(f))相比,y=0时xOz平面上磁场分布基本一致.同时,为完整了解整个发射线圈腔体内的磁场分布均匀性,实验测得y不同取值时对应的xOz平面磁场分布.在每个xOz平面上,中心点处磁场均匀性最好,磁场强度稍弱;在靠近线圈的边缘位置能取得比较大的磁场强度,此时磁场分布的均匀性较差.在z轴轴线位置上,分析采样点数据,实验结果如图11所示,其亦与前文理论结果(见图5)吻合,即轴线位置上存在一定范围的较为均匀的磁场分布,其均匀程度取决于4组螺线管之间的相对位置.此外,在所有采样点上,实验测得的最低接收功率为650 mW, 可以满足系统最低能量需求.

为验证能量传输系统的姿态稳定性,研究人员改变接收线圈姿态,根据对称性,线圈绕坐标轴x轴旋转与绕y轴旋转的效果一致.在场强为B的磁场中,将接收线圈按如图12所示转动方向,从初始状态沿y轴使线圈在xOz平面转动一周,每10°进行采样,结果发现线圈轴向稳定性随线圈姿态的改变呈明显的变化规律.分别测定接收线圈1组线圈单独工作与3组线圈同时并联工作的能量传输情况,其接收功率数据分布如图13所示.经统计,在发射功率一定的情况下,接收线圈在轴向转动的所有角度均满足机器人工作需求,3组线圈同时工作时的均匀度优于一组线圈, 具备实际应用性.

特别地,将接收线圈从初始状态(见图12(a))绕y轴旋转90°至如图12(b)所示位置时,在y=0高度的xOz平面上,得到新姿态下接收功率、传输效率数据效果分别如图14所示.由图14可知,其最低接收功率为523 mW, 同样可以满足机器人工作需求.

本文研究了一种针对微型胃肠道机器人的新型无线供能系统,探索了发射线圈拓扑结构对发射系统产生的交变磁场的均匀性影响,并依据理论分析与实验结果确定系统采用4组螺线管线圈产生交变磁场.在y=0平面上,磁场强度标准差为1.08×10^-6 T,接收功率标准差为85.16 mW,发射磁场较为稳定、均匀.采用利兹线制作接收线圈,将其绕制在圆柱体中空磁芯上,并完成机器人装配,在不同姿态下测试机器人接收功率,均能满足500 mW的最低工作功率需求.

本系统采用50 cm×50 cm×50 cm的发射系统框架与外径为⌀13.9 mm×11.9 mm的接收线圈,通过电磁耦合方式实现了新型胃肠道机器人WPT系统,该新型系统能满足肠道机器人工作能耗、姿态稳定性、供能稳定性、尺寸设计等要求.与先前的研究成果相比,该系统在发射线圈尺寸更大的基础上产生了更为均匀的磁场,减少了电磁辐射的风险.通过改进接收线圈结构显著提高了机器人的空间利用率,为机器人下一步的活检、定点释放靶向药物等技术升级奠定了基础.本文研究的新型WPT系统帮助胃肠道机器人进一步满足了临床检查需求,后续将开展动物实验及人体实验,以不断推进胃肠道微型机器人技术的发展和进步.