基于磁拖动技术的主动式胶囊内窥镜理论建模与分析

摘要:本文提出了一种新型的基于磁拖动技术的胶囊内窥镜的驱动方法。同时从理论上分析此种驱动方法。为了辅助磁导航系统的设计,利用有限元软件COMSOL对永磁体周围磁场分布进行了仿真,同时为了验证理论分析和仿真的结果,也开展了相关的测量和实验。

关键词:胶囊内窥镜 磁驱动模型 有限元分析

消化道疾病是人类的一种常见病,全球患病率普遍达到10%以上,中国更高达13%以上。传统插管式内窥镜,它使用插管的方式将摄像头和组织取样等装置深入到胃部、肠管部位,对消化道内壁进行有效诊断、或组织取样、微型手术等动作。此种检查对于患者很不舒服,甚至会成为交叉感染,伤害粘膜导致疾病的原因,另外,人体的小肠是6-8米长、平均直径为2.5厘米的狭长多曲管径,传统的内窥镜很难深入小肠进行检查。小肠疾病检查几乎是消化道检查的盲区 [1-2]。

随着半导体芯片技术与MEMS(Micro Electro-Mechanical System,微机电系统)技术的发展, 人们希望利用微机器人进入人体进行无创伤或微创伤诊疗[2]。胶囊内窥镜随着IC(Integrated Circuit,集成电路)、MEMS、无线通信、光学技术的发展而产生,它解决了无线图像检测模块微型化的关键技术,能对消化道内腔进行摄像,尺寸小,通过口服的方式进行全程检查,检查完毕自然排出体外,而体内的信息通过无线方式全程传向体外接收装置[1]。

然而,目前商业无线胶囊内窥镜仍存在诸多缺陷,为了克服以上诸多缺陷,世界各国的相关研究机构和企业都在致力于主动控制式胶囊内窥镜的研究,目前已经发展了很多种控制方案,主要有形状记忆合金(SMA)驱动、旋转磁场驱动、尺蠖式驱动、触角式驱动、电激励驱动、液压驱动、气动驱动以及仿生精子驱动等[3-4]。

1 磁驱动基本原理

在通过外面两个大的永磁体拖动中间具有尺寸较小的永磁体的胶囊,当可以限制胶囊在z方向运动后,由于此时其处于两永磁体轴线上时,在y磁矢势最大,假设胶囊在x-y平面有扰动时,由于磁矢势作用,将产生一指向两永磁体轴线的力,并在平衡位置震动后回到轴线中心位置。由于在胶囊在肠道内运动过程中,将受到肠道的摩擦力和粘性力,则阻尼系数很大,不会出现胶囊在肠道内出现来后震荡现象,同时使胶囊初始位置偏离轴线一定距离,就可以产生足够的力来克服胶囊在肠道中运动过程中来自肠道的摩擦力和粘性力,而由于肠道直径和胶囊直径相当,则可以在z方向起到限制胶囊作用,进而永磁体可以拖动胶囊任意方向运动。

2 结果分析

为了对磁力建模分析,两个具有相同剩余磁化强度的NdFeB永磁体对称地分布在胶囊两侧。这两个永磁体具有相同的磁化方向和相同的对称轴。当胶囊沿径向方向被约束后,胶囊内窥镜将会根据磁势能的分布处于稳态。如图3所示。永磁体表面磁通密度为0.45T,一个外表面的磁势被人为定义为零时的在z方向的磁势分布图。图中可知在一对永磁体的轴线方向,距离永磁体表面方向越远,周围磁势越低。

从图4中可知,为两永磁体对称平面内磁势沿y方向的分布图。最大磁势位置位于两永磁体的中心位置,永磁体周围的磁势特性将会用于控制胶囊在肠道内的运动,克服肠道内的阻力和粘性力。胶囊在曲折的肠道内运动。只要能在胶囊运动过程中不断调节两永磁体的轴线方向,就能够实现对胶囊任意空间位置的控制。

图5所示为永磁体表面磁场强度和垂直距离之间的关系图,其中,实线所示为COMSOL仿真结果图,而圆点线为实验测量的数值。通过高斯计可以准确地得到永磁体周围磁场分布信息。结果可知实测结果与有限元分析结果匹配的很好,同时也充分证实了我们的磁分析模型适用于分析所提出的驱动系统的力学分析。如图中所示,随着控制永磁体和嵌有小永磁体的胶囊之间的距离增加时。磁场强度会指数型衰减,这样在设计磁导航仪的过程中,为了得到最优化的控制磁导航的参数,需要折中控制操作区域和磁场强度两者的大小。

3 结语

在本文中,我们提出了一种新的基于磁拖动导航技术用于胶囊内窥镜在肠道内主动控制的方法,同时从连续介质需满足的柯西方程出发,简历磁导航驱动的理论模型,系统地分析此种驱动方法。有限元软件COMSOL对永磁体周围磁场分布进行了仿真,分析结果显示,在一对永磁体的轴线方向,距离永磁体表面方向越远,周围磁势越低,而在两永磁体对称平面上,越偏离两永磁体的轴线方向,磁势越低,可以利用此原理,用两外部永磁体驱动内部嵌有小永磁体的胶囊内窥镜在肠道内运动。

参考文献

[1]胡宗泰.医用内窥镜现状及发展趋势.世界医疗器械.1997,7:32~34.

[2]林良明.微型机电系统在医疗工程中的应用研究.中国医疗器械信息,2003,9(5):4-7.

[3] G. Iddan, G. Meron, A. Glukhovsky, and P. Swain. Wireless capsule endoscopy. Nature, vol. 405, p. 417, 2000.

[4] M. Quirini, A. Menciassi, S. Scapellato, C. Stefanini, and P. Dario, "Design and fabrication of a motor legged capsule for the active exploration of the gastrointestinal tract," Ieee-Asme Transactions on Mechatronics, vol. 13, pp. 169-179, Apr 2008.

[5] R. P. Feynman, R. B. Leighton, and M. Sands, “The Magnetic Field in Various Situations,” in The Feynman Lectures on Physics. vol. 2, Reading, MA: Addison-Wesley, 1964.

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