王百一 楊程理 郭志康 胡夢(mèng)雅 劉新華通訊作者

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇 徐州221116

1 引言

當(dāng)前的醫(yī)療膠囊機(jī)器人多采用包含永磁體或者線圈的硬質(zhì)殼體,在服用過(guò)程中對(duì)人體胃腸道表面組織的侵害性較大。另外,部分軟體醫(yī)療膠囊機(jī)器人體積較大,當(dāng)被吞服或者在胃腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在不便[1]。膠囊機(jī)器人采用磁流變液以及水凝膠薄膜作為材料的軟質(zhì)殼體,不僅具有良好的磁性,同時(shí)對(duì)人體內(nèi)胃腸道組織傷害較小。通過(guò)永磁體和磁流變液的組合磁控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療膠囊機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng),并通過(guò)攝影機(jī),無(wú)線發(fā)射模塊等人機(jī)交互措施有效實(shí)現(xiàn)胃腸道的診療。因此,磁流變液軟體醫(yī)療膠囊機(jī)器人的研究對(duì)未來(lái)的醫(yī)療科學(xué)等方面具有十分重要的意義。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)要求 傳統(tǒng)醫(yī)療膠囊機(jī)器人自主性差,只能依靠胃腸道蠕動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)式的運(yùn)動(dòng),使得胃腸道的檢測(cè)和診斷充滿隨機(jī)性。另外,目前的醫(yī)療膠囊機(jī)器人多采用硬質(zhì)殼體,缺少柔順可變性能力,與胃腸道接觸時(shí)易造成表面組織損傷。本文中設(shè)計(jì)一種磁流變軟體醫(yī)療膠囊機(jī)器人,具有柔順的軟質(zhì)殼體和多功能模塊集成結(jié)構(gòu),為實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用提供參考。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在磁驅(qū)動(dòng)方面,將磁流變液與永磁體等技術(shù)相結(jié)合,建立柔性磁控系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)硬質(zhì)材料,磁流變液是直徑為微米級(jí)或者納米級(jí)的鐵磁顆粒(一般為羰基鐵顆粒)沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液。在外加磁場(chǎng)作用下,磁流變液表現(xiàn)出非牛頓流體的特性,可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)從自由流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w甚至固體,呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的可控流變特性[2]。利用磁流變液的可控流變特性和永磁體的固有磁場(chǎng)耦合,實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人的柔性表面。

磁流變液與水凝膠材料結(jié)合使用,建立軟體表面翻轉(zhuǎn)模型。磁流變液懸浮液中的磁性顆粒在梯度磁場(chǎng)中以鏈化形態(tài)表現(xiàn),具有非均勻特征。通過(guò)磁性顆粒強(qiáng)化機(jī)器人內(nèi)部磁場(chǎng),保證膠囊機(jī)器人具有足夠的磁驅(qū)動(dòng)力并具有良好的柔性變形能力,在胃腸道內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)膠囊機(jī)器人的機(jī)械、電路機(jī)構(gòu)。磁流變液膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。離在70-80 mm 時(shí),永磁體間的軸向磁力應(yīng)遠(yuǎn)大于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)操作時(shí)的軸向磁力,使藥腔磁體壓縮,達(dá)到臨界壓力值使腔內(nèi)液體藥物排出。

基于上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)胃腸道疾病的診斷,病灶位置的精確掌握,進(jìn)而精確排藥,達(dá)到最佳的治療效果。

3 運(yùn)動(dòng)機(jī)理

磁感線將發(fā)生變化從而驅(qū)動(dòng)膠囊機(jī)器人在磁力的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊機(jī)器人轉(zhuǎn)向上的控制[4]。

如圖2所示,我們使用Max well軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真:圖(a)中,為理想情況下永磁體和膠囊機(jī)器人之間磁感線的耦合關(guān)系。圖(b)中,我們對(duì)膠囊機(jī)器人和永磁體進(jìn)行真實(shí)尺寸的仿真,捕捉某一時(shí)刻下兩者之間磁感線分布。通過(guò)放大圖可以看出,磁感線與圖(a)基本吻合。

在圖(c)中,我們對(duì)永磁體進(jìn)行一周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),得到永磁體和膠囊機(jī)器人之間的角度變化關(guān)系。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),仿真數(shù)據(jù)擬合曲線與理想數(shù)據(jù)曲線有微小誤差,基本吻合。因此,通過(guò)這種方法可以使軟體醫(yī)療膠囊機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)和可控的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 軟體醫(yī)療膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于磁流變液的醫(yī)療軟體膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了永磁體和膠囊機(jī)器人磁感線耦合關(guān)系的運(yùn)動(dòng)仿真,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的可行性。該軟體膠囊機(jī)器人具有殼體柔軟,控制性高等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)胃腸道疾病的檢測(cè)和預(yù)防,以及藥物精準(zhǔn)投放等功能。因此,能夠安全、高效地對(duì)胃腸道疾病進(jìn)行無(wú)創(chuàng)診療,避免了傳統(tǒng)胃腸道疾病診斷過(guò)程中痛苦大、治療效果差的缺點(diǎn)。