Розробка проекту конструкції системи управління магнітом бездротової ендоскопічної капсули Biomedical і

Розробка проекту проекту для системи управління магнітом бездротової ендоскопічної капсули

Д. М. Михайлов, Г. Н. Лебедєв, Т. Р. Хабібуллін, А. Ф. Шаяков, Є. С. Жаріков, А. О. Анпілогов, В. Б. Холявін, М. Н. Йохін

Національний дослідницький ядерний університет “МІФІ” (Московський інженерно-фізичний інститут), Каширське шосе, 31, 115409, Москва, Російська Федерація

Анотація

Системи керування бездротовими ендоскопічними капсулами відіграють дуже важливу роль, оскільки допомагають зупинити капсулу саме в тій частині травної системи пацієнта для більш детального обстеження. У цій статті розглядається проект конструкції системи управління магнітами бездротової ендоскопічної капсули. Представлені розрахунки для двох різних перетинів котушки (квадратної та прямокутної). Проведено аналіз використання мідного дроту та мідних труб для системи управління. Попередні розробки відрізняються від даної статті про систему управління ендоскопічною капсулою, яка управляється зовнішнім магнітним полем. Підхід, представлений у статті, допомагає забезпечити більш точну та швидку зміну поля магніту, тоді як стійкість до несправностей системи зростає.

Ключові слова

ендоскопічна капсула; системи управління; магнітне поле; котушка; мідна трубка; мідний дріт

Михайлов Д. М, Лебедєв Г. Н, Хабібуллін Т. Р, Шаяков А. Ф, Жаріков Є. С, Анпілогов. А. О, Холявін В. Б, Йохін М. Н. Розробка проекту конструкції системи управління магнітом бездротової ендоскопічної капсули. Biomed Pharmacol J 2015; 8 (1)

Вступ

В даний час багато уваги приділяється системам управління бездротовими ендоскопічними капсулами, оскільки вони допомагають зупинити капсулу в точній частині травної системи для більш детального обстеження. Існують різні підходи до управління, наприклад, в [1] описана розширювана капсула, виготовлена з електроактивного полімеру, який змінює свій розмір при подачі електричного струму. Але системи управління часто будуються на основі використання магнітного поля.

Магнітні системи для управління бездротовими ендоскопічними капсулами описані в багатьох патентних формулах (описах) та наукових статтях. Наприклад, Sun et al. описати багатопрофільне застосування магнітної конфігурації у спрацьовуванні бездротового капсульного ендоскопа [2]. Lien та співавт. запропонувати магнітну систему управління капсульним ендоскопом [3]. Вейкфілд розповідає про ендоскопію капсул з магнітним рухом, яка передбачає медичне обстеження та лікування шлунково-кишкового тракту, репродуктивного тракту, трахеї, легенів, судинної системи або будь-якої доступної порожнини тіла [4]. Кім та ін. представити модифікований магнітний капсульний ендоскоп, який можна зафіксувати всередині шлунка та контролювати моторику шлунка [5].

Описані методи відрізняються від описаного в цій статті. Розроблене рішення допомагає забезпечити більш точну та швидку зміну поля магніту (в цьому випадку розподіл магнітного поля може бути стабільним і може гарантувати, що капсула рухатиметься в потрібному напрямку та з необхідною швидкістю), підвищується стійкість до несправностей системи.

Розробка системи управління повинна базуватися на результатах детального чисельного моделювання та створення прототипу, що допомагає перевірити результати моделювання, відпрацювати на практиці розроблені підходи до вирішення питань та сформувати загальні технічні специфікації для системи.

Матеріали і методи

Для оцінки параметрів котушки зразка необхідно підрахувати, які поля та градієнти поля необхідні для створення зусиль та моментів, які можуть рухатись та обертати котушку. Для цього були зроблені попередні аналітичні оцінки. Щоб вирішити проблему спочатку, необхідно зробити певний опір руху капсули, щоб імітувати рух всередині кишечника. По-друге, на першій стадії зручно компенсувати гравітацію, враховуючи лише взаємодію між полем магніту та опором навколишнього середовища. Ось чому на цьому етапі переважніше вводити капсулу з деякою густою рідиною, як гліцерин. Таким чином, для оцінки необхідної потужності для руху капсули було враховано, що її можна порівняти з потужною силою тертя всередині рідини [6]:

де d - діаметр капсули, що дорівнює 0,012 м, швидкість руху (ν) дорівнює 10 мм/с (цієї швидкості достатньо для переміщення через 4-5 м тракту протягом розумного періоду часу), η - динамічна в'язкість рідини.

Значить, для гліцерину з в’язкістю 1480 * Па * при температурі 20 ° С сила тертя буде:

Ffr = 3 * 3,14 * 0,012 (м) * 0,01 (м/сек) * 1480 * (Па * сек) = 1,67 * Н = 0,167 г.

Припустимо, що деяке порогове значення сили дорівнює 0,2 г. мас. Для визначення граничного спінового моменту, створюваного магнітним полем, оцінимо момент пари для сили тертя, оцінимо момент пари для сили тертя, що впливає капсула, яка обертається навколо осі, перпендикулярної осі симетрії:

де L - довжина капсули, таким чином:

Тепер для оцінених граничних значень сили та моменту розрахуємо параметри котушок. Врахуйте, що робочий об’єм, де буде розташована капсула, становить куб 200 мм збоку. Оскільки необхідно було попередньо оцінити параметри котушок, ми припускаємо котушку з одним круговим витком зі струмом.

Поле кругової осі повороту залежить від відстані від центру повороту [7]:

Складемо схему цієї залежності для випадку, коли котушка записана. 1 - залежність коефіцієнта до μ0I/R 2 від відстані вздовж осі Z між котушками в одиницях радіусу котушки; один виток живиться струмом і знаходиться в -1 координаті радіуса котушки.

Для визначення силових характеристик котушки необхідно враховувати найменшу силу, що впливає на диполь. Ця сила впливає на диполь, розміщений у найдальшій точці від "тягне" котушки з найменшим градієнтом на відстані двох радіусів котушки. Нульовий градієнт в центрі повороту не враховувався, оскільки ця точка свідомо розміщена за межами робочої зони.

Визначено подальший магнітний момент для магніту. Магніт, розміщений всередині капсули, буде враховуватися в наближенні диполя магніту до моменту магніту і буде розрахований за формулою:

де Br - залишкова магнітна індукція магніту N38, що дорівнює 1,25 Т, а V - об’єм магніту, отже, момент магніту дорівнює: