In vivo validation of Wireless Power Transfer System for Magnetically Controlled Robotic Capsule Endoscopy
作者: Alessandro Catania, Michele Bertozzi, Nikita J. Greenidge, Benjamin Calme, Gabriele Bandini, Christian Sbrana, Roberto Cecchi, Alice Buffi, Massimo Macucci, Sebastiano Strangio, Pietro Valdastri, Giuseppe Iannaccone
分类: cs.RO, eess.SY, physics.med-ph
发布日期: 2025-03-17 (更新: 2025-05-05)
备注: 9 pages, 9 figures, regular paper
期刊: IEEE Sensors Journal 2025, Volume: 25, Issue: 24, Pages: 44729 - 44739
DOI: 10.1109/JSEN.2025.11235502
💡 一句话要点
针对磁控胶囊内窥镜，提出一种无线电力传输系统，实现体内验证。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 无线电力传输 磁控胶囊内窥镜 体内验证 谐振感应耦合 3D接收线圈
📋 核心要点
- 现有磁控胶囊内窥镜受限于电池容量，影响续航和体积，限制了临床应用。
- 论文提出一种基于谐振感应耦合的无线电力传输系统，无需电池即可供电，延长运行时间。
- 体内实验表明，该系统在猪模型中实现了可靠的电力传输和有效的机器人导航，平均接收功率为110mW。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种用于磁控机器人胶囊内窥镜的无线电力传输（WPT）系统，并首次进行了体内验证。该系统无需内置电池即可为胶囊提供持续电力，从而延长了运行时间并减少了尺寸限制。WPT系统基于谐振感应耦合机制，发射线圈安装在机械臂末端执行器上，该执行器还包含一个外部永磁体和一个用于精确定位胶囊的定位线圈。为了确保在存在线圈未对准和旋转的情况下实现稳健稳定的电力传输，胶囊内集成了一个3D接收线圈。此外，基于负载移频键控（LSK）调制的闭环自适应控制系统动态调整发射功率，以优化效率，同时保持符合特定吸收率（SAR）安全限制。该系统已在实验室环境中进行了广泛的表征，并通过使用猪模型的体内实验进行了验证，证明了在实际胃肠道条件下可靠的电力传输和有效的机器人导航：在9厘米的线圈距离和可变的胶囊旋转角度下，平均接收功率为110毫瓦。结果证实了所提出的WPT方法对于自主、无电池机器人胶囊内窥镜的可行性，为增强胃肠医学诊断铺平了道路。
🔬 方法详解
问题定义：磁控胶囊内窥镜需要小型化和长续航，但传统电池供电方案存在体积限制和续航不足的问题。现有无线充电方案可能存在效率低、对准敏感等问题，难以满足体内复杂环境的需求。
核心思路：采用谐振感应耦合的无线电力传输技术，通过体外发射线圈和体内接收线圈进行能量传输，避免了电池的使用。同时，采用3D接收线圈和闭环自适应控制系统，提高系统的鲁棒性和效率，并保证安全性。
技术框架：该系统主要包括以下几个模块：1) 体外发射端：包含发射线圈、永磁体、定位线圈和功率放大器等；2) 体内接收端：包含3D接收线圈、整流电路和负载；3) 控制系统：基于负载移频键控（LSK）调制，实现功率的自适应调节。机械臂用于控制发射端线圈的位置和姿态，实现对胶囊的精确操控。
关键创新：1) 将无线电力传输系统集成到磁控胶囊内窥镜平台中，实现了无电池供电；2) 采用3D接收线圈，提高了系统对线圈未对准和旋转的鲁棒性；3) 采用闭环自适应控制系统，优化了功率传输效率，并保证了安全性。
关键设计：发射线圈和谐振电容的参数选择需要根据工作频率和传输距离进行优化。3D接收线圈的设计需要考虑体积限制和接收效率。闭环控制系统采用负载移频键控（LSK）调制，通过调节发射功率来维持稳定的接收功率，并限制特定吸收率（SAR）在安全范围内。实验中，线圈间距为9cm，工作频率未知（论文未明确说明）。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
体内实验结果表明，在猪模型中，该无线电力传输系统能够在9厘米的线圈距离和可变的胶囊旋转角度下，实现平均110毫瓦的接收功率。实验验证了该系统在实际胃肠道环境中的可行性和有效性，为无电池磁控胶囊内窥镜的应用奠定了基础。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于磁控胶囊内窥镜，实现更长时间、更灵活的胃肠道检查，提高诊断准确率和患者舒适度。未来，该技术还可扩展到其他植入式医疗设备，如神经刺激器、药物输送系统等，实现无线供电和控制，推动微创医疗技术的发展。
📄 摘要（原文）
This paper presents the in vivo validation of an inductive wireless power transfer (WPT) system integrated for the first time into a magnetically controlled robotic capsule endoscopy platform. The proposed system enables continuous power delivery to the capsule without the need for onboard batteries, thus extending operational time and reducing size constraints. The WPT system operates through a resonant inductive coupling mechanism, based on a transmitting coil mounted on the end effector of a robotic arm that also houses an external permanent magnet and a localization coil for precise capsule manipulation. To ensure robust and stable power transmission in the presence of coil misalignment and rotation, a 3D receiving coil is integrated within the capsule. Additionally, a closed-loop adaptive control system, based on load-shift keying (LSK) modulation, dynamically adjusts the transmitted power to optimize efficiency while maintaining compliance with specific absorption rate (SAR) safety limits. The system has been extensively characterized in laboratory settings and validated through in vivo experiments using a porcine model, demonstrating reliable power transfer and effective robotic navigation in realistic gastrointestinal conditions: the average received power was 110 mW at a distance of 9 cm between the coils, with variable capsule rotation angles. The results confirm the feasibility of the proposed WPT approach for autonomous, battery-free robotic capsule endoscopy, paving the way for enhanced diagnostic in gastrointestinal medicine.