基于磁流變液的醫(yī)療膠囊機器人結構設計

王百一 楊程理 郭志康 胡夢雅 劉新華通訊作者

中國礦業(yè)大學 江蘇 徐州221116

1 引言

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

2 結構方案

2.1 結構要求 傳統(tǒng)醫(yī)療膠囊機器人自主性差,只能依靠胃腸道蠕動進行被動式的運動,使得胃腸道的檢測和診斷充滿隨機性。另外,目前的醫(yī)療膠囊機器人多采用硬質殼體,缺少柔順可變性能力,與胃腸道接觸時易造成表面組織損傷。本文中設計一種磁流變軟體醫(yī)療膠囊機器人,具有柔順的軟質殼體和多功能模塊集成結構,為實際醫(yī)療應用提供參考。

2.2 結構設計 在磁驅動方面,將磁流變液與永磁體等技術相結合,建立柔性磁控系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)硬質材料,磁流變液是直徑為微米級或者納米級的鐵磁顆粒(一般為羰基鐵顆粒)沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液。在外加磁場作用下,磁流變液表現(xiàn)出非牛頓流體的特性,可在毫秒級時間內(nèi)從自由流動的液體轉變?yōu)榘牍腆w甚至固體,呈現(xiàn)出強烈的可控流變特性[2]。利用磁流變液的可控流變特性和永磁體的固有磁場耦合,實現(xiàn)膠囊機器人的柔性表面。

磁流變液與水凝膠材料結合使用,建立軟體表面翻轉模型。磁流變液懸浮液中的磁性顆粒在梯度磁場中以鏈化形態(tài)表現(xiàn),具有非均勻特征。通過磁性顆粒強化機器人內(nèi)部磁場,保證膠囊機器人具有足夠的磁驅動力并具有良好的柔性變形能力,在胃腸道內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)的翻轉運動。

圖1 膠囊機器人結構

設計膠囊機器人的機械、電路機構。磁流變液膠囊機器人結構示意如圖1所示。離在70-80 mm 時,永磁體間的軸向磁力應遠大于機器人運動操作時的軸向磁力,使藥腔磁體壓縮,達到臨界壓力值使腔內(nèi)液體藥物排出。

基于上述設計實現(xiàn)對胃腸道疾病的診斷,病灶位置的精確掌握,進而精確排藥,達到最佳的治療效果。

3 運動機理

磁感線將發(fā)生變化從而驅動膠囊機器人在磁力的作用下進行旋轉運動,實現(xiàn)對膠囊機器人轉向上的控制[4]。

如圖2所示,我們使用Max well軟件進行運動仿真:圖(a)中,為理想情況下永磁體和膠囊機器人之間磁感線的耦合關系。圖(b)中,我們對膠囊機器人和永磁體進行真實尺寸的仿真,捕捉某一時刻下兩者之間磁感線分布。通過放大圖可以看出,磁感線與圖(a)基本吻合。

在圖(c)中,我們對永磁體進行一周的旋轉運動,得到永磁體和膠囊機器人之間的角度變化關系。通過仿真分析發(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,通過這種方法可以使軟體醫(yī)療膠囊機器人進行穩(wěn)定、連續(xù)和可控的旋轉運動。

圖2 軟體醫(yī)療膠囊機器人運動機理仿真

4 結束語

本文提出了一種基于磁流變液的醫(yī)療軟體膠囊機器人結構,并進行了永磁體和膠囊機器人磁感線耦合關系的運動仿真,從而進一步驗證了膠囊機器人運動的可行性。該軟體膠囊機器人具有殼體柔軟,控制性高等優(yōu)點,能夠實現(xiàn)胃腸道疾病的檢測和預防,以及藥物精準投放等功能。因此,能夠安全、高效地對胃腸道疾病進行無創(chuàng)診療,避免了傳統(tǒng)胃腸道疾病診斷過程中痛苦大、治療效果差的缺點。