[发明专利]体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法

说明书

技术领域

本发明属于医学工程技术领域，涉及一种分别向三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置施加以机器人轴线方位角为输入变量的相关幅值和相位的同频率正弦谐波驱动电流，在三轴相互正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置包围的一定空间内叠加形成旋转轴线与机器人轴线一致的万向旋转磁场，通过方位角的改变，可实现内嵌径向磁化钕铁硼磁体螺旋旋进医疗微型机器人沿体内任意方向驱动行走的基本方法。

背景技术

体内医疗微机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其管状柔弹性壁环境组织内形复杂，蜿蜒曲折，空间狭小，复杂非结构化的流体环境给微机器人的主动控制和操作带来了很大难度。为了不对柔弹性软组织造成创伤和进入体内深处，要求微机器人以无电缆驱动方式，通过游动可靠的进入和退出体内深处，并能安全精细地实现诊断、介入治疗等作业。体内医疗机器人无缆驱动技术对提高人类寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤甚至致残具有重要的科学意义，能减轻患者痛苦，缩短康复时间，降低医疗费用，必将对医学工程的发展产生极大的影响。

无缆驱动方式可显著提高体内机器人在复杂环境内的通过性、安全性与可靠性，因此微机器人无缆驱动已经成为国际上的主要发展趋势。日本K.Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌径向磁化钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进驱动的技术方案，但对如何产生空间旋转磁场并没有介绍，目前还处于保密状态。该驱动方法要求外旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线重合，才能有效的驱动机器人旋进行走，因此在弯曲环境内，要求外旋转磁场的轴线可以任意调整，以保证在弯曲柔弹性管内外旋转磁场的旋转轴线始终与机器人的轴线一致，才能实现体内弯曲环境内的驱动。目前尚未见到关于研究机器人在柔弹性弯曲环境内驱动方法的报道。中国科学院合肥智能机械研究所提出用梯度线圈轴向拉动胶囊机器人在肠道内移动的技术方案，该方式仍然属于有损伤式驱动，容易拉伤肠道，此外该方案要调整病床与磁场系统的相对位置，给患者带来了不适感。毋庸置疑万向外旋转磁场无损伤旋进驱动方式更具有实用前景。

人体软组织环境蜿蜒曲折，为了适应弯曲环境内的驱动，研究能根据弯曲环境的具体情况进行旋转轴线可任意调整的万向旋转磁场的驱动方法，研制基于该驱动方法的万向旋转磁场发生装置是问题的关键。这样才能根据柔弹性管道的弯曲情况进行调整，使万向旋转磁场的旋转轴线与机器人的轴线方向一致，实现体内复杂弯曲环境内的驱动。美国专利文献提出一种提供高频旋转磁场的方法和装置，将位相相差90度的交变电流分别送入两个正交的亥姆霍兹线圈中，便产生了旋转磁场。

下面结合附图2，说明两轴正交亥姆霍兹线圈产生旋转磁场的原理。当分别向两轴正交亥姆霍兹线圈通入相同频率和相位差为90°的正弦谐波电流时，两组线圈会产生相同频率、相位差为90°的正弦谐波交流磁场。采用感抗相同的两组正交亥姆霍兹线圈，产生的谐波磁场的磁感应强度幅值相同，则两轴磁场分量叠加后产生的磁场矢量是方向随时间变化的旋转磁场。

两轴正交亥姆霍兹线圈磁场矢量叠加后产生的旋转磁场如下：

B·0(ωt)=B0cosωt+i·B0sinωt]]>

其中，B₀为旋转磁场磁感应强度的幅值，ω为旋转磁场的角速度，B₀ cos ωt为t时刻x轴线圈磁场的磁感应强度，B₀ sin ωt为t时刻y轴线圈磁场的磁感应强度。向两线圈施加的谐波驱动电流分别为：