基于体外超声波供能的体内微致动器与微电源的研究

　　2009 年第 7 期 《中国科学 E:技术科学》报道了由大连理工大学张永顺撰写的《肠道内变径胶囊微机器人空间磁力矩特性》[1]一文，提出一种新型胶囊机器人样机，解决了在复杂非结构化肠道内的驱动问题，首次实现了微机器人在肠道内的垂直移动。

　　微机器人在体内到达指定位置进行诊疗活动，其机械动作要消耗很大能量。微机器人内部的光源、摄像机、传感器、无线发射装置、微电机等也需要相当电能。

　　目前，对人体内微机器人的供能方法有以下几种:

　　( 1) 自带电源。该技术最成熟的是在微机器人内部布置化学微电池。比如已经商品化的以色列 Giv-en Imaging 公司的 M2A 肠道胶囊内窥镜[2]，就使用了2 节微电池，为 CMOS 摄像机及视频传输系统提供电力。由于受到电池容量的限制，该肠道胶囊内窥镜，吞服后只有依靠胃肠道自然蠕动而前进，时间很长，且无法调整其位置、姿态，对指定部位进行详细检查存在很多问题。而且化学微电池一旦出现泄漏，对人体健康会造成很大损害。对于能源需求较大的如步进电机[3]、微型压电驱动器[4]、形状记忆合金驱动方法[5]，气囊驱动[6]，目前尚未看到使用化学微电池的报道。在体内微机器人内布置微燃料电池，利用人体环境发电，目前还处于研究阶段[7 -8]。微同位素核电池，受制于人体健康，无法利用。

　　( 2) 通过体外线缆向人体内微机器人供电。考虑到人体内部复杂的情况 ( 比如肠道) ，考虑到人体生理心理感觉，该技术的发展前景不明。

　　( 3) 目前研究最多的，是利用体外能量，以无线缆方式，向体内微机器人供能。

　　①利用外磁场控制体内磁性体的运动，目前受到普遍的重视[1]。鉴于人体环境的复杂性，磁场控制技术的难度，要在人体内部探测磁性体位置，控制其姿态和前进后退，并实现指定诊疗动作，所需技术无疑将极其复杂。而且微机器人摄像机、传感器无线发射装置还需另配电源。

　　②利用体外电磁波耦合，即由体外电磁发射线圈和体内电磁接受线圈的电磁场耦合，传递能量。日本RF System Lab 研制的 NORIKA3 胶囊内窥镜，就是由体外向体内发射射频，由体内接受线圈接受能量[9]。为了获得足够的能量，发射功率必须很大。这对人体健康会造成很大的影响。为保证人体安全，发射功率很小，体内胶囊内窥镜获得的能量极小。

　　③利用体外电磁波，加热体内微致动器的石蜡，通过石蜡的热胀冷缩，实现机械动作[10]。该方法最大的问题在于，对于人体的健康、病人的心理的影响，非常明显。

　　超声波在医学中的应用极其广泛。检测超声波出于人体安全，对声强提出限制。治疗超声波声强相对较高，可达数W/cm²。利用高强度聚焦超声波( HI-FU) 的热效应进行肿瘤治疗时，聚焦区域声强最高可以达到104W / cm²。微机器人在体内进行诊疗活动，需要致动器，需要有足够的电能提供给光源、摄像机、传感器、信号处理装置、无线传输装置。作者综合比较现有的体内微机器人驱动方式及供能方式，结合超声波技术在医学上的应用，提出发展基于体外超声波供能的微致动器、微电源，以便为在人体内进行诊疗活动的微机器人到达指定位置，调节其姿态，执行诊疗活动，并将相关信息传递至体外，提供一种安全、可靠、功率能量足够、控制简便的供能方式。微致动器、微电源示意如图1、2 所示。