膠囊內(nèi)窺鏡懸浮“同步”旋轉(zhuǎn)控制模型研究

葉波+郭琳

摘要：提出了外部永磁體與磁性螺旋型無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡間懸浮“同步”旋轉(zhuǎn)控制模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了理論分析，具體分析了該模型中的“同步”旋轉(zhuǎn)控制原理。

關(guān)鍵詞：懸浮“同步”；旋轉(zhuǎn)控制；膠囊內(nèi)窺鏡

引言

目前對(duì)無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡（Wireless capsule endoscope，WCE）的磁控制法主要分為靜磁拖動(dòng)法及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制法。在之前的研究中我們結(jié)合傳統(tǒng)磁控制法的優(yōu)點(diǎn)提出通過(guò)旋轉(zhuǎn)外部永磁體控制磁性螺旋型WCE在腸道中運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制法，本文旨在分析該方法中所含的外部永磁體對(duì)磁性螺旋型WCE的控制模型。

1懸浮“同步”旋轉(zhuǎn)控制模型

圖1為外部永磁體和磁性螺旋型WCE之間的懸浮“同步”旋轉(zhuǎn)控制模型示意圖，該圖以磁性螺旋型WCE往左側(cè)平移為例。在該模型中，假設(shè)磁性螺旋型WCE在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中繞縱向中心軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)該軸也與腸道的縱向中心軸基本上重合。這種假定的基礎(chǔ)是磁性螺旋型WCE所受重力G和來(lái)自于外部永磁體的磁吸引力方向正好相反，當(dāng)外部永磁體相對(duì)于磁性螺旋型WCE的控制距離適當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)力的作用相互可以抵消大半，再加上腸壁對(duì)磁性螺旋型WCE的裹緊作用，致使磁性螺旋型WCE在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中處于懸浮狀態(tài)。而這種懸浮狀態(tài)使磁性螺旋型WCE與腸壁間的徑向摩擦力減小到最小，這種優(yōu)勢(shì)保證了外部永磁體對(duì)磁性螺旋型WCE的控制對(duì)腸壁組織產(chǎn)生的傷害最小，同時(shí)也使這種控制方法在臨床醫(yī)療實(shí)踐中獲得應(yīng)用的可行性增強(qiáng)。

當(dāng)外部永磁體施加于磁性螺旋型WCE的磁矩大于驅(qū)動(dòng)磁性螺旋型WCE所需轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，磁性螺旋型WCE開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)外部永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁性螺旋型WCE中磁殼的磁偶極矩方向相同時(shí)，此時(shí)磁殼所受的磁矩為零，磁殼（磁性螺旋型WCE）無(wú)法旋轉(zhuǎn)；當(dāng)外部永磁體旋轉(zhuǎn)一定角度后，如果這個(gè)角度大于一定值時(shí)，磁殼（磁性螺旋型WCE）剛好具備了足夠的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力便開(kāi)始旋轉(zhuǎn)；而當(dāng)外部永磁體剛好旋轉(zhuǎn)四分之一周之后，磁殼（磁性螺旋型WCE）也隨之剛好旋轉(zhuǎn)四分之一周。

由以上的分析可知，磁性螺旋型WCE與外部永磁體間的“同步”不是真正意義上的同步，本質(zhì)上其是外部永磁體先行旋轉(zhuǎn)，等延遲一段時(shí)間之后，磁性螺旋型WCE開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，直到外部永磁體旋轉(zhuǎn)四分之一周時(shí)，與此同時(shí)磁性螺旋型WCE也同步旋轉(zhuǎn)四分之一周，因此這種“同步”是四個(gè)主要旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)上的同步，即當(dāng)外部永磁體順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)磁殼會(huì)隨著外部永磁體的旋轉(zhuǎn)而順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外部永磁體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，磁殼也剛好隨之旋轉(zhuǎn)一周，因而實(shí)現(xiàn)了磁殼與外部永磁體間的“同步”旋轉(zhuǎn)。在實(shí)際控制過(guò)程中，所用外部永磁體的旋轉(zhuǎn)由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向和速度均可調(diào)。此外，為了保證控制性能，外部永磁體必須保持放置在磁性螺旋型WCE正上方。

雖然本文中提出的“同步”旋轉(zhuǎn)模型不是真正意義上的同步旋轉(zhuǎn)，即在磁性螺旋型WCE旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，并非以勻速同步跟隨外部永磁體而旋轉(zhuǎn)，而是以非勻速速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但它可以保證當(dāng)外部永磁體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)與之正好同步旋轉(zhuǎn)一周，這對(duì)磁性螺旋型WCE的主動(dòng)控制是可以接受，原因在于臨床應(yīng)用中并不需要磁性螺旋型WCE被精確控制在勻速前行狀態(tài)，當(dāng)外部永磁體被控制成勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁性螺旋型WCE與外部永磁體之間“同步”旋轉(zhuǎn)，因而也保證了磁性螺旋型WCE在未來(lái)臨床醫(yī)療實(shí)踐中能被很好的主動(dòng)控制。

2結(jié)論

磁性螺旋型WCE與外部永磁體間的懸浮“同步”旋轉(zhuǎn)控制模型能很好地解釋兩者間的同步運(yùn)動(dòng)原理，該模型對(duì)研究磁性螺旋型WCE的磁控制法方面有一定的理論指導(dǎo)作用。