胶囊内窥镜悬浮“同步”旋转控制模型研究

    叶波+郭琳

    

    摘要：提出了外部永磁体与磁性螺旋型无线胶囊内窥镜间悬浮“同步”旋转控制模型，并对该模型进行了理论分析，具体分析了该模型中的“同步”旋转控制原理。

    关键词：悬浮“同步”；旋转控制；胶囊内窥镜

    引言

    目前对无线胶囊内窥镜（Wireless capsule endoscope，WCE）的磁控制法主要分为静磁拖动法及旋转磁场控制法。在之前的研究中我们结合传统磁控制法的优点提出通过旋转外部永磁体控制磁性螺旋型WCE在肠道中运动的旋转磁场控制法，本文旨在分析该方法中所含的外部永磁体对磁性螺旋型WCE的控制模型。

    1悬浮“同步”旋转控制模型

    图1为外部永磁体和磁性螺旋型WCE之间的悬浮“同步”旋转控制模型示意图，该图以磁性螺旋型WCE往左侧平移为例。在该模型中，假设磁性螺旋型WCE在运动过程中绕纵向中心轴旋转，同时该轴也与肠道的纵向中心轴基本上重合。这种假定的基础是磁性螺旋型WCE所受重力G和来自于外部永磁体的磁吸引力方向正好相反，当外部永磁体相对于磁性螺旋型WCE的控制距离适当时，这两个力的作用相互可以抵消大半，再加上肠壁对磁性螺旋型WCE的裹紧作用，致使磁性螺旋型WCE在旋转运动中处于悬浮状态。而这种悬浮状态使磁性螺旋型WCE与肠壁间的径向摩擦力减小到最小，这种优势保证了外部永磁体对磁性螺旋型WCE的控制对肠壁组织产生的伤害最小，同时也使这种控制方法在临床医疗实践中获得应用的可行性增強。

    当外部永磁体施加于磁性螺旋型WCE的磁矩大于驱动磁性螺旋型WCE所需转矩的时候，磁性螺旋型WCE开始旋转，当外部永磁体的磁场强度和磁性螺旋型WCE中磁壳的磁偶极矩方向相同时，此时磁壳所受的磁矩为零，磁壳（磁性螺旋型WCE）无法旋转；当外部永磁体旋转一定角度后，如果这个角度大于一定值时，磁壳（磁性螺旋型WCE）刚好具备了足够的旋转动力便开始旋转；而当外部永磁体刚好旋转四分之一周之后，磁壳（磁性螺旋型WCE）也随之刚好旋转四分之一周。

    由以上的分析可知，磁性螺旋型WCE与外部永磁体间的“同步”不是真正意义上的同步，本质上其是外部永磁体先行旋转，等延迟一段时间之后，磁性螺旋型WCE开始旋转，直到外部永磁体旋转四分之一周时，与此同时磁性螺旋型WCE也同步旋转四分之一周，因此这种“同步”是四个主要旋转节点上的同步，即当外部永磁体顺/逆时针旋转时，此时磁壳会随着外部永磁体的旋转而顺/逆时针旋转。当外部永磁体旋转一周时，磁壳也刚好随之旋转一周，因而实现了磁壳与外部永磁体间的“同步”旋转。在实际控制过程中，所用外部永磁体的旋转由单片机控制的步进电机来驱动，旋转方向和速度均可调。此外，为了保证控制性能，外部永磁体必须保持放置在磁性螺旋型WCE正上方。

    虽然本文中提出的“同步”旋转模型不是真正意义上的同步旋转，即在磁性螺旋型WCE旋转过程中，并非以匀速同步跟随外部永磁体而旋转，而是以非匀速速度旋转运动，但它可以保证当外部永磁体旋转一周时与之正好同步旋转一周，这对磁性螺旋型WCE的主动控制是可以接受，原因在于临床应用中并不需要磁性螺旋型WCE被精确控制在匀速前行状态，当外部永磁体被控制成匀速旋转时，磁性螺旋型WCE与外部永磁体之间“同步”旋转，因而也保证了磁性螺旋型WCE在未来临床医疗实践中能被很好的主动控制。

    2结论

    磁性螺旋型WCE与外部永磁体间的悬浮“同步”旋转控制模型能很好地解释两者间的同步运动原理，该模型对研究磁性螺旋型WCE的磁控制法方面有一定的理论指导作用。