胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

　　1 引 言

　　无线胶囊内窥镜可以实现无创、全消化道检测，是内窥镜技术的发展方向[1]。但目前临床应用的胶囊内窥镜均采用纽扣电池供电，由于电池容量有限，只能以 2 帧/秒的速度，在 8 小时内，对消化道图像信息进行采集和传输，更无法主动运动，进行定点检测[2]。因此，能量成为制约胶囊内窥镜功能的“瓶颈”，研究可为其提供能量的供能技术很有必要。

　　胶囊内窥镜要实现高清晰、高帧率的图像获取和传输，其功耗至少在 150 mW 以上，以目前的电池技术根本无法做到，因此，必须探寻新的供能方式[3]。基于电磁感应的经皮能量传输是一种通过皮肤组织进行非接触供能的能量传输方式，已经在人工脏器方面得到了广泛应用，并且目前尚无不良反应的报道[4-5]，所以，胶囊内窥镜的供能也多采用此种方式[6-7]。

　　采用电磁感应方式为体内胶囊内窥镜供能时，体外能量发射线圈制作成圆环形，绕在人体消化道区域，并通过驱动电路产生一定强度和频率的时变磁场，覆盖胶囊内窥镜所在的工作区域;集成于胶囊内窥镜中的能量接收线圈通过电磁感应产生感应电动势，经整流、滤波、稳压等处理后供胶囊内窥镜使用。由于接收线圈空间尺寸有限，为了提高传输效率，接收线圈和匹配电容组成了 LC 串联谐振电路，其谐振频率与发射线圈产生的电磁场的频率相同，以形成共振耦来获取能量[8]。

　　与经皮能量传输中发射线圈与接收线圈位置相对固定、两者之间仅隔皮肤组织、接收线圈直径可达10 cm的特点相比[4-5]，胶囊内窥镜的无线供能更具复杂性，有以下特点：

    　1)由于发射线圈在体外，接收线圈在体内，两线圈之间的距离约为 5 cm～15 cm;限于胶囊内窥镜的空间尺寸，留给接收线圈及其接收电路的空间最大只有约φ1 cm× 1 cm。所以，胶囊内窥镜的发射线圈和接收线圈之间的耦合形式属于弱耦合，传输效率低。

　　2)胶囊内窥镜随消化道的蠕动而运动，导致集成在其中的接收线圈在人体消化道内的姿态不断变化。

　　针对以上特点，除了设法提高传输效率，胶囊内窥镜的供能技术还必须解决能量传输的稳定性问题，即确保在胶囊内窥镜姿态任意变化的情况下，能量传输系统仍能提供可使其正常工作的能量。

　　2 稳定能量传输方案选择

　　在胶囊内窥镜的供能中，由于接收线圈姿态在变化，在某种姿态下，接收线圈的线圈平面可能与电磁场方向平行，导致其无法产生感应电动势而出现能量传输的盲点。要使胶囊内窥镜在姿态变化的情况下仍能获得稳定能量，有以下方案可供选择：