[發明專利]體內醫療微型機器人萬向旋轉磁場驅動控制方法

有效

• 申請號: 200810011110.2
• 申請日: 2008-04-14
• 公開（公告）號: CN101262198A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 張永順;郭東明;張林燕;王殿龍;楊振強
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;A61B1/00;A61B18/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于醫學工程技術領域，涉及一種分別向三軸正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置施加以機器人軸線方位角為輸入變量的相關幅值和相位的同頻率正弦諧波驅動電流，在三軸相互正交嵌套的亥姆霍茲線圈裝置包圍的一定空間內疊加形成旋轉軸線與機器人軸線一致的萬向旋轉磁場，通過方位角的改變，可實現內嵌徑向磁化釹鐵硼磁體螺旋旋進醫療微型機器人沿體內任意方向驅動行走的基本方法。

背景技術

體內醫療微機器人的作業環境是體內的腸道、泌尿系統、血管等，其管狀柔彈性壁環境組織內形復雜，蜿蜒曲折，空間狹小，復雜非結構化的流體環境給微機器人的主動控制和操作帶來了很大難度。為了不對柔彈性軟組織造成創傷和進入體內深處，要求微機器人以無電纜驅動方式，通過游動可靠的進入和退出體內深處，并能安全精細地實現診斷、介入治療等作業。體內醫療機器人無纜驅動技術對提高人類壽命與生活質量，避免外部手術對人體造成創傷甚至致殘具有重要的科學意義，能減輕患者痛苦，縮短康復時間，降低醫療費用，必將對醫學工程的發展產生極大的影響。

無纜驅動方式可顯著提高體內機器人在復雜環境內的通過性、安全性與可靠性，因此微機器人無纜驅動已經成為國際上的主要發展趨勢。日本K.Ishiyama等人提出了利用三軸亥姆霍茲線圈提供空間旋轉磁場，作用于膠囊內嵌徑向磁化釹鐵硼磁體，在膠囊表面螺紋作用下旋進驅動的技術方案，但對如何產生空間旋轉磁場并沒有介紹，目前還處于保密狀態。該驅動方法要求外旋轉磁場的旋轉軸線與機器人的軸線重合，才能有效的驅動機器人旋進行走，因此在彎曲環境內，要求外旋轉磁場的軸線可以任意調整，以保證在彎曲柔彈性管內外旋轉磁場的旋轉軸線始終與機器人的軸線一致，才能實現體內彎曲環境內的驅動。目前尚未見到關于研究機器人在柔彈性彎曲環境內驅動方法的報道。中國科學院合肥智能機械研究所提出用梯度線圈軸向拉動膠囊機器人在腸道內移動的技術方案，該方式仍然屬于有損傷式驅動，容易拉傷腸道，此外該方案要調整病床與磁場系統的相對位置，給患者帶來了不適感。毋庸置疑萬向外旋轉磁場無損傷旋進驅動方式更具有實用前景。

人體軟組織環境蜿蜒曲折，為了適應彎曲環境內的驅動，研究能根據彎曲環境的具體情況進行旋轉軸線可任意調整的萬向旋轉磁場的驅動方法，研制基于該驅動方法的萬向旋轉磁場發生裝置是問題的關鍵。這樣才能根據柔彈性管道的彎曲情況進行調整，使萬向旋轉磁場的旋轉軸線與機器人的軸線方向一致，實現體內復雜彎曲環境內的驅動。美國專利文獻提出一種提供高頻旋轉磁場的方法和裝置，將位相相差90度的交變電流分別送入兩個正交的亥姆霍茲線圈中，便產生了旋轉磁場。

下面結合附圖2，說明兩軸正交亥姆霍茲線圈產生旋轉磁場的原理。當分別向兩軸正交亥姆霍茲線圈通入相同頻率和相位差為90°的正弦諧波電流時，兩組線圈會產生相同頻率、相位差為90°的正弦諧波交流磁場。采用感抗相同的兩組正交亥姆霍茲線圈，產生的諧波磁場的磁感應強度幅值相同，則兩軸磁場分量疊加后產生的磁場矢量是方向隨時間變化的旋轉磁場。

兩軸正交亥姆霍茲線圈磁場矢量疊加后產生的旋轉磁場如下：

B·0(ωt)=B0cosωt+i·B0sinωt]]>

其中，B₀為旋轉磁場磁感應強度的幅值，ω為旋轉磁場的角速度，B₀?cos?ωt為t時刻x軸線圈磁場的磁感應強度，B₀?sin?ωt為t時刻y軸線圈磁場的磁感應強度。向兩線圈施加的諧波驅動電流分別為：