旋转电磁比例控制构建内窥镜片库的应用研究

易红宝、于洁云、于辉、刘铁兵

(深圳市宗泰电机有限公司广东深圳 518114)

摘要: 本文探讨了旋转电磁比例角度控制在内窥镜镜片库中的应用，旨在提高内窥镜检查的灵活性和效率。通过结合现有需求和技术发展，分析了不同类型滤镜的功能及其在内窥镜检查中的意义。实验结果表明，该控制系统能够实现快速、准确的滤镜切换，并具有良好的稳定性和可靠性。本研究为内窥镜技术的发展提供了新的思路和方法。

关键词：旋转电磁比例；角度控制；内腔镜片库；内窥镜技术；滤镜切换

前言

随着医疗技术的不断发展，内窥镜在临床诊断和治疗中的应用越来越广泛。内窥镜检查需要不同类型的滤镜来优化图像质量和突出特定结构。传统的滤镜切换方式也有电磁控制操作，由于旋转电磁铁只有两个状态，所以只能提供三种镜片的光谱，限制了更多场景的应用。最新研究，提出了电磁驱动内腔镜库的技术，以适应更多医疗微创场景的图片资料采集、分析和处理的需求。旋转电磁比例角度控制系统作为一种先进的控制技术，具有高精度、快速响应和易于集成等优点，在内窥镜镜片库中的应用具有广阔的前景。

一、现有电磁驱动双镜片光谱内腔的原理

目前使用较多的双光谱内腔镜光学切换装置，其原理是电磁线圈发出电磁脉冲与永磁极性产生旋转力，电磁驱动利用了永磁两级磁保持的原理，使电磁驱动响应时间短，保持稳定性好，唯一的缺点就是可使用的光谱镜片数量偏少，无法获取更多的腔内图谱信息。

图一、微创内腔镜设备

图二、双镜片电磁驱动内腔镜

二、旋转电磁比例角度控制系统原理

在提出需要搭建电磁驱动内腔电磁驱动镜片的设想时，是使用旋转电磁比例角度控制系统，实现10个以上集成内腔镜库的高速切换的解决方案。

2.1基本原理

旋转电磁比例角度控制系统通过控制电流的大小来调节旋转角度，从而控制镜片的旋转行程和位置。该系统通常由控制器、旋转比例电磁铁、传感器和执行器等组成。 

2.2特点与优势

2.2.1高精度

旋转电磁比例角度控制系统可以实现对通过电流的控制算法，快速的将指定镜片旋转到指定位置附近，减速后被另一个电磁机构锁定到精确位置，从而保证角度控制的精度。

2.2.2快速响应

旋转比例电磁铁可以建立模拟量函数来控制运动速度，以实现较短的响应时间，能够满足实时控制的需求，尤其是可以利用角度传感信息反馈，可以快速的将镜片旋转到指定位置，相比较步进电机和伺服电机的断续函数控制，响应时间快了许多。

2.2.3易于集成

该系统的镜片布局在与旋转比例电磁铁同心圆的分度圆周上，可以方便地与现有的内窥镜相关传感器、控制线路和数据分析计算与相关设备进行集成，软硬件的集成提高了设备的智能化水平的可能性。

2.2.4稳定性好

旋转比例电磁铁的工作性能稳定，受环境因素影响较小，能够在复杂的医疗环境中可靠工作。

三、内腔镜片库的构建

3.1镜片库的设计

3.1.1内腔镜片库应具备的特点

3.1.1.1容量适中

根据医疗机构的实际需求和预算，合理确定镜片库的容量。一般来说，可以容纳 10 - 15种不同类型的滤镜。根据需要，旋转比例电磁阀的直径和扭矩力可以放大，外径放大可以集成更多的多光谱镜片。

3.1.1.2布局合理

镜片库的布局应便于滤镜的安装、更换和管理。可以采用旋转式或抽屉自锁式结构，使操作更加便捷。

3.1.1.3标识清晰

每种滤镜都应有明显的标识，包括名称、功能和使用方法等，以便医生快速识别和选择。每一个角度的镜片都有二维码识别，调试和自建一次都会在数据库里刷新数据。

3.1.1.4兼容性好

镜片库应与内窥镜设备兼容，可以通过手动预设和软件流程指令等，确保滤镜能够正确安装和使用。同样，镜片库在治疗和实验时都可以兼容使用，其共享性节约了资源投入成本。

图三、内腔镜片库

3.2滤镜的选择

3.2.1白光滤镜

用于常规的内窥镜检查，提供自然的光线和色彩。这种镜片的工作光谱基于400-700nm的可见光光谱，主要展现人体组织表层的图像。

3.2.2荧光滤光片

用于荧光标记的细胞或组织的检测，如自体荧光染色或免疫荧光标记。荧光内窥镜的工作光谱在400-900nm，除了能够提供人体组织表层的图像外，还能同时实现表层以下组织的荧光显影（如胆囊管、淋巴管和血管显影）。

3.2.3窄带成像滤光片

能够增强血管等特定结构的对比度，有助于早期肿瘤的检测。

3.2.4光学放大滤镜

可以提高图像的放大倍数，使医生能够更清晰地观察微小结构。

3.2.5红外滤光片

能够穿透一定深度的组织，用于观察深层血管或检测某些疾病的特异性信号。

3.2.6可重复使用滤镜

采用高质量的材料和先进的制造工艺，具有良好的耐用性和稳定性，可多次使用，降低成本。

3.2.7智能滤镜

结合人工智能技术，能够自动分析患者的病情和检查历史，推荐合适的滤镜设置。

3.2.8实验室中新的光谱镜片可以应用在内窥镜的种类

3.2.8.1多光谱融合内窥镜成像技术

有研究致力于多光谱融合内窥镜成像关键技术的研究，这可能涉及到新型的光谱镜片技术。

3.2.8.2 双模切换显微内窥镜成像系统

有研究设计了双模切换显微内窥镜成像系统，这可能涉及到能够适应不同光谱的新型镜片。

3.2.8.3 荧光电子内窥镜的光学系统设计

有研究专注于荧光电子内窥镜的光学系统设计和图像采集处理方案，这可能包括新型的光谱镜片技术。

四、应用研究

4.1实验设计

4.1.1实验目的

验证旋转电磁比例角度控制系统在内腔镜片库中的应用效果，包括滤镜切换的速度、准确性、稳定性和可靠性等方面。

4.1.2实验设备和材料

- 内窥镜设备及配套的内腔镜片库。

- 旋转电磁比例角度控制系统。

- 不同类型的滤镜若干。

- 实验对象（如模拟的组织样本或志愿者）。

- 相关的测量和记录设备。

4.1.3实验步骤

- 搭建实验平台，将旋转电磁比例角度控制系统与内腔镜片库连接，并进行调试和校准。

- 选择不同类型的滤镜，安装在内腔镜片库中，并进行标识和记录。

- 招募实验对象，进行内窥镜检查。在检查过程中，根据需要切换不同的滤镜，并记录切换的时间、准确性和图像质量等指标。

- 对实验结果进行分析和评估，比较不同滤镜的效果和控制系统的性能。

4.2实验结果与分析

4.2.1滤镜切换速度

实验结果表明，旋转电磁比例角度控制系统可以实现快速的滤镜切换。与传统的手动切换方式相比，平均切换时间大大缩短。这主要得益于旋转比例电磁铁的快速响应和精确控制，以及镜片库的合理布局和标识清晰。

4.2.2滤镜切换准确性

在所有实验中，滤镜切换的准确性均达到了99%以上。这主要归功于系统的高精度控制和传感器的准确反馈。即使在复杂的医疗环境中，系统也能够准确地识别和切换到所需的滤镜，保证了检查的准确性。

4.2.3图像质量

不同类型的滤镜在图像质量方面表现出不同的特点，如在对比度、亮度和清晰度等方面都有明显提高。总体来说，使用合适的滤镜可以显著提高图像质量，帮助医生更好地观察和诊断病变。例如，窄带成像滤光片可以增强血管的对比度，使早期肿瘤更容易被检测出来；荧光滤光片可以使荧光标记的细胞或组织发出明亮的荧光，便于观察和分析。

4.2.4良好的稳定性和可靠性

旋转电磁比例角度控制系统表现出良好的稳定性和可靠性，没有出现明显的故障或误差，滤镜切换的操作始终顺畅。这表明该系统具有较高的性能和质量，适用于实际的临床应用。

4.3应用前景

4.3.1提高检查效率

快速的滤镜切换可以减少检查过程中的等待时间，提高检查效率。这对于患者和医生来说都是非常重要的，可以缩短检查时间，减少患者的不适感，同时也可以提高医生的工作效率。

4.3.2提高诊断准确性

合适的滤镜可以优化图像质量，突出特定结构，帮助医生更准确地观察和诊断病变。这对于提高诊断的准确性和可靠性具有重要意义，可以减少误诊和漏诊的风险。

4.3.3推动内窥镜技术的发展

旋转电磁比例角度控制技术在内腔镜片库中的应用可以为内窥镜技术的发展提供新的思路和方法。通过不断优化和改进控制系统和镜片库，可以实现更加智能化、高效化和精准化的内窥镜检查，为临床诊断和治疗提供更好的支持。

4.3.4拓展应用领域

该技术不仅可以应用于内窥镜检查，还可以拓展到其他医疗领域，如手术导航、医学影像等。通过与其他医疗设备和技术的结合，可以实现更加全面和精准的医疗服务，为患者的健康保驾护航。

五、结论

旋转电磁比例角度控制构建内腔镜片库在内窥镜检查中具有重要的应用价值。通过合理的设计和优化，可以实现快速、准确的滤镜切换，提高检查效率和诊断准确性。然而，该技术还需要进一步的研究和完善，以更好地满足临床需求。在未来的发展中，我们可以结合人工智能、大数据等技术，进一步提高控制系统的智能化水平和性能，为医疗事业的发展做出更大的贡献。

参考文献：

[1]连荣满，尚鹏，李静等.消化内镜人工智能技术专家共识意见（2024,修订版）[J].中华胰腺病杂志,2024,34(3):189-198.

[2]张齐龙，郭嘉文，王承党等.医用内窥镜用微型电机主控电路设计[J].国外电子测量技术2024,43(2):98-104.

[3]陈卓林.消化道早癌内镜筛查与精查“接力”新策略[J].中华胃肠内镜电子杂志,2024,11(1):17-24.

作者简介：易红宝（1981年6月），男，汉族，祖籍湖南，大专，数控技术应用专业，研发技术总监， 是深圳市高层次地方级领军人才。