RU2667880C1 - Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем - Google Patents
Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2667880C1 RU2667880C1 RU2017118208A RU2017118208A RU2667880C1 RU 2667880 C1 RU2667880 C1 RU 2667880C1 RU 2017118208 A RU2017118208 A RU 2017118208A RU 2017118208 A RU2017118208 A RU 2017118208A RU 2667880 C1 RU2667880 C1 RU 2667880C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- manipulator
- patient
- constant magnetic
- source
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 83
- 239000003814 drug Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims description 26
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 11
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 claims description 6
- 229940079593 drug Drugs 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 210000001035 gastrointestinal tract Anatomy 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 1
- 241000124008 Mammalia Species 0.000 description 1
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- KPLQYGBQNPPQGA-UHFFFAOYSA-N cobalt samarium Chemical compound [Co].[Sm] KPLQYGBQNPPQGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 1
- 238000001839 endoscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000002496 gastric effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 1
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012283 microsurgical operation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 239000000021 stimulant Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Robotics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Endoscopes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицинской технике, в целом к медицинской системе для дистанционного беспроводного управления движением инородного тела, расположенного внутри пациента. Устройство перемещения расположенного внутри тела пациента намагниченного объекта включает по меньшей мере четыре манипулятора, расположенных на едином основании попарно с каждой стороны рабочей области и выполненных с возможностью перемещения по линейным координатам X, У, Z, при этом в каждом манипуляторе установлен источник постоянного магнитного поля с возможностью поворота по двум взаимно перпендикулярным осям, и процессорное устройство, выполненное с возможностью подачи управляющего сигнала на каждый манипулятор для согласованного перемещения источников постоянного магнитного поля. Использование изобретения позволяет повысить эффективность позиционирования объекта. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к медицинской технике, в целом к медицинской системе для дистанционного беспроводного управления движением инородного тела, расположенного внутри пациента, а конкретнее к магнитной системе управления перемещением в пространстве и угловой ориентацией объекта, находящегося в теле человека, посредством внешнего магнитного поля.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Так как любое намагниченное тело или магнитная неоднородность может рассматриваться как магнитный диполь или их совокупность и испытывать силовое воздействие за счет приложенного внешнего магнитного поля, то имеет важное практическое значение возможность использования магнитных полей в качестве инструмента для управления перемещением и ориентацией указанных объектов, в частности, для медицинских применений.
В организм человека преднамеренно вводятся инородные тела, имеющие намагниченность, для выполнения различных задач. Управление ими с помощью внешнего магнитного поля позволяет безболезненно для пациента проводить различные диагностические и/или терапевтические процедуры.
Известны технические решения для создания управляемых магнитным полем эндоскопических капсул, когда магнитное управление осуществляется с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого как электромагнитами, так и системами на основе постоянных магнитов. Например, подобные комплексы для проведения полностью управляемого капсульного эндоскопического обследования раскрыты в US 20070221233 А1, опубл. 27.09.2007, US 20100268026 А1, опубл. 21.10.2010, US 20110054255 А1, опубл. 03.03.2011, US 20110184235 А1, опубл. 28.07.2011.
Основными недостатками существующих систем являются невозможность манипулировать эндоскопической капсулой в ЖКТ с 6 степенями свободы, включая перемещение по всему желудочно-кишечному тракту, значительные габариты и масса установки.
Известна конфигурация магнитной системы управления с использованием одного постоянного магнита, позволяющая переориентировать капсулу в желудке (Arthur W Mahoney and Jake J Abbott: 5-DOF Manipulation of a Magnetic Capsule in Fluid using a Single Permanent Magnet: Proof-of- Concept for Stomach Endoscopy. In Hamlyn Symp. Med. Robot., pages 114-115, 2013).
В известном решении применяется роботизированная «рука» - манипулятор, перемещающая один магнит. Как линейные перемещения, так и вращение магнита реализуются за счет вращений в суставах «руки». Использование одного магнита позволяет управлять ориентацией магнита эндоскопической капсулы, однако магнитная сила всегда направлена в сторону магнита манипулятора. Более того, присутствуют «мертвые зоны» и неудобные направления в рабочем пространстве.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является манипулятор эндоскопической магнитоуправляемой капсулы (KR 100540758 В1, опубл. 10.01.2006), позволяющий перемещать и останавливать эндоскопическую капсулу в теле пациента. Манипулятор имеет 5 степеней свободы, две вращательные из которых реализуются за счет двух узлов поворота, а три линейные (поперечное, продольное и вертикальное направление) - за счет узлов линейных перемещений. Устройство имеет два постоянных магнита, каждый из которых закреплен в струбцине по обе стороны от пациента, выполненной с возможностью поворота и перемещения в вертикальной и продольной плоскостях. Струбцина закреплена на рейке, установленной на вертикальной станине, при этом линейное перемещение постоянного магнита в поперечной плоскости происходит за счет перемещения станины вдоль основания.
Недостатками известного манипулятора является то, что расстояние между эндоскопической капсулой и внешним постоянным магнитом управляется вручную, поэтому возникает риск из-за ошибки оператора повредить стенки организма, когда капсула и магнит находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Кроме того, использование двух магнитов, расположенных с противоположных сторон от пациента, не позволяет создать все возможные конфигурации поля, необходимые для эффективного управления капсулой. Несмотря на низкую стоимость и интуитивность этого подхода, данный манипулятор обладает низкой точностью и плохой воспроизводимостью.
Задачей, стоящей в данной области медицинской техники, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение указанных недостатков.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технические проблемы, решаемые созданием изобретения, состоят в том, что существующие магнитные системы, осуществляющие управление движением инородного объекта с намагниченностью в теле пациента, обладают недостаточной точностью движения инструмента и манипуляционными возможностями в ограниченном пространстве, в связи с чем возникают «мертвые зоны» и невозможно создание в любой точке рабочего пространства системы любой наперед заданной конфигурации магнитного поля, включая величину и направление поля, значения всех компонентов градиента магнитного поля.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении эффективности позиционирования объекта, обладающего намагниченностью, за счет реализуемости всех возможных направлений магнитной силы при произвольной ориентации объекта с достаточно большими по величине магнитными силами.
Технический результат достигается за счет того, что устройство управления движением объекта, имеющего намагниченность и находящегося внутри тела пациента, содержит по меньшей мере четыре источника постоянного магнитного поля, расположенных в области пространства, окружающей тело пациента, при этом каждый из источников обладает пятью степенями свободы и выполнен с возможностью автоматизированного управления его пространственным положением и угловой ориентацией с использованием обратной связи и учетом положения и ориентации объекта внутри пациента.
В различных вариантах воплощения изобретения в качестве объекта может быть использован(а) эндоскопическая капсула, медицинский микроробот, лекарственный раствор с магнитными наночастицами, микро или наноиглы, сенсор или стимулятор.
Кроме того, источник постоянного магнитного поля может быть выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита.
Кроме того, источник постоянного магнитного поля может быть выполнен в виде электромагнита или электромагнита с сердечником.
Кроме того, источник постоянного магнитного поля выполнен в виде системы, включающей электромагнит и по меньшей мере один постоянный магнит.
Устройство может быть выполнено таким образом, что каждый источник постоянного магнитного поля установлен в манипуляторе, закрепленном на едином общем основании. При этом конфигурация манипулятора может быть выполнена на основе пространственного механизма параллельной структуры.
В одном из вариантов воплощения изобретения манипулятор может быть выполнен в виде манипулятора-трипода, который состоит из трех линейных приводов и обеспечивает три степени свободы для управляемого координатного перемещения привода вращения, который установлен в конечной точке линейных приводов, при этом привод вращения скомпонован для закрепления источника постоянного магнитного поля и обеспечивает две угловые степени свободы для управляемой настройки углов поворота источника постоянного магнитного поля.
В одном из вариантов воплощения по меньшей мере четыре манипулятора-трипода установлены на едином общем основании попарно симметрично друг относительно друга.
Наличие по меньшей мере четырех источников постоянного магнитного поля с пятью степенями свободы каждый с возможностью работать попарно и сверху, и снизу от пациента (в случае если пациент находится в горизонтальном положении) при произвольных взаимных положениях и ориентациях обеспечивает возможность создания всех возможных конфигураций магнитного поля и возможность независимого задания направления и величины силы, действующей на объект, и направления поля, задающего угловую ориентацию объекта.
Использование, например, с каждой противоположной стороны пациента двух и более источников магнитного поля на основе постоянных магнитов, в том числе, с 5 степенями свободы каждый, закрепленных в механической конструкции, обеспечивает возможность создания силы, направленной вдоль оси вдоль тела пациента, чего в принципе нельзя добиться с помощью одного источника магнитного поля.
Использование обратной связи для перемещения источников постоянного магнитного поля с учетом положения и ориентации объекта, определяемой с помощью одной из известных методик отслеживания положения объекта и его ориентации в режиме реального времени, позволят увеличить точность управления и позиционирования объектом заявляемым устройством (манипулятором).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых частей.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства с рабочей зоной, в качестве которой схематически принята область в виде цилиндра, с неподвижным основанием в одном из вариантов осуществления.
На фиг. 2 изображен эскиз заявляемого устройства, вид спереди и вид сзади.
На фиг. 3 представлен общий вид устройства с рабочей зоной, в качестве которой схематически принята область в виде цилиндра, с неподвижным основанием в одном из вариантов осуществления.
На фиг. 4 изображен эскиз заявляемого устройства.
На фиг. 5 изображен внешний вид механизмов перемещения источников магнитного поля.
На фиг. 6 представлен общий вид устройства с рабочей зоной, в качестве которой схематически принята область в виде цилиндра, с неподвижным основанием в одном из вариантов осуществления.
На фиг. 7 изображен механизм линейного перемещения с кронштейнами.
На фиг. 8 изображен механизм вращения источника магнитного поля.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ (ТЕРМИНЫ)
Термин «объект, имеющий намагниченность и находящий внутри тела пациента», в указанной заявке включает любой инородный объект, преднамеренно вводимый в пациента для различных целей, выполненный с возможностью управления внешним постоянным магнитным полем согласно изобретению. Неограничивающие примеры объекта включают эндоскопическую капсулу для диагностики пищевого тракта, медицинский микроробот, лекарственный раствор с магнитными наночастицами, используемыми для адресной доставки к нужной точке организма, для лечения различных заболеваний, микро или наноиглы, сенсор или стимулятор и другие.
Магнитные наночастицы, используемые в терапевтических целях, могут состоять, например, из ферромагнитных, ферримагнитных или суперпарамагнитных материалов, в частности, на основе оксидов железа со структурой шпинели (магнетит, маггемит). Магнитные наночастицы могут применяться для точечной доставки лекарственного препарата при использовании градиента магнитного поля, фокусирующего и притягивающего магнитные наночастицы к нужной точке организма человека.
Медицинские микророботы, функционирующие под управлением внешнего магнитного поля, способны выполнять ряд достаточно сложных работ, включая доставку лекарственных препаратов к месту назначения, проведение микрохирургических операций и выполнение других манипуляций с отдельными клетками организма.
Микро или наноиглы или другие хирургические инструменты по типу лапороскопии, используемые хирургом на микроуровне, могут быть использованы в качестве «объекта» для реализации функции управления движения ими посредством внешнего постоянного магнитного поля.
Сенсоры или стимуляторы, используемые для диагностических и/или терапевтических целях, обладающие намагниченностью, могут быть использованы в качестве «объекта» для реализации функции управления движения ими посредством внешнего постоянного магнитного поля.
Под признаком «постоянный магнит» в настоящем документе понимают постоянные магниты, выполненные из материалов, обладающих магнитными свойствами, на основе металлов, входящих в группу лантаноидов: Gd, Tb, Dy, Но, Er, Sm, Eu и других, обычно называемых редкоземельными. Предпочтительно использование неодимовых магнитов NdFeB и самарий-кобальт SmCo5, Sm2Co17, как наиболее высоко энергетичных.
Используемый в документе термин «пациент» охватывает все виды млекопитающих, предпочтительно человека.
Объект данного изобретения в зависимости от его функционального назначения и выполнения может быть введен в организм пациента перорально, ректально, парентерально, через небольшие (обычно 0,5-1,5 см) отверстия в теле пациента.
Под «областью пространства, окружающей тело пациента» в данной заявке понимают область, размеры которой ограничены масштабом силы источников постоянного магнитного поля для создания требуемой конфигурации магнитного поля в заданной точке.
В качестве «рабочей области» в данной заявке схематически принята область в виде цилиндра диаметром примерно 500 мм.
Под «эффективным управлением объекта» в данной заявке понимают управление, при котором существует возможность, во-первых, создания силы от нуля до определенной величины (это зависит от конкретного применения, но для примера можно говорить о силе порядка веса объекта) в произвольном направлении, и во-вторых, возможность независимо от направления силы произвольно ориентировать направление силовых линий поля, что задает угловую ориентацию объекта. При этом масштаб силы определяется размером источников постоянной магнитного поля в системе, а произвольность направления силы и произвольность направления поля - количеством источников постоянного магнитного поля и возможностью их согласованно перемещать.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общем, настоящее изобретение предлагает устройство для генерации магнитного поля, вектор которого имеет произвольные контролируемые величину и направление в заранее заданной области пространства, и может быть использовано, в частности, для управления объектом, имеющим намагниченность, в том числе, для изменения его пространственного положения и угловой ориентации.
Управление движением объекта осуществляется внешним магнитным полем, которое создается по меньшей мере четырьмя источниками постоянного магнитного поля, обладающими пятью степенями свободы и расположенных в области пространства, окружающей тело пациента.
Для реализации устройства управления движением объекта, имеющим намагниченность и находящимся внутри тела пациента и имитации его работы, была разработана структурная схема макета (фиг. 1, 2, 6). Схема содержит исследуемый объект (на фигурах условно показана рабочая область 400 в виде цилиндра, в которой находится объект), источники постоянного магнитного поля 300, установленные в по меньшей мере четырех манипуляторах 100, закрепленных на едином общем основании 200 симметрично друг относительно друга, а также не показанные на фигурах датчики для определения положения и ориентации объекта, блок предварительной обработки сигналов с датчиков и процессорное устройство, выполненное с возможностью управления перемещением в пространстве и угловой ориентацией объекта за счет изменения положения источников постоянного магнитного поля 300 путем подачи управляющих сигналов для манипуляторов 100, генерации траектории движения объекта, определения показания датчиков на каждом шаге траектории (прямая задача магнитной локации) и по этим показаниям вычисления теоретического положения и ориентации объекта (обратная задача).
В качестве манипуляторов 100 предпочтительно использовать манипуляторы, выполненные на основе пространственного механизма параллельной структуры, более предпочтительно манипуляторы-триподы.
Кинематическая схема механической конструкции для закрепления источников постоянного магнитного поля обеспечивает значительную жесткость, и, следовательно, точность перемещений при условии большой массы источника и значительных сил взаимодействия между близко расположенными источниками магнитного поля. Конструкция позволяет исключить неконтролируемое сближение источников магнитного поля со «схлопыванием» магнитной системы и непроизвольного нанесения вреда пациенту (защемления отдельных участков тела). Одновременно кинематическая схема обеспечивает большой диапазон перемещений по каждой степени свободы каждого источника магнитного поля.
Конструкция устройства управления объектом упрощает доступ пациента (врача) в рабочую область за счет возможности удобного помещения пациента в систему сбоку (исключения психологического дискомфорта при обследовании и лучший визуальный доступ врача к обследуемой области.
На фиг. 1, 2, 6 представлены варианты воплощения механической конструкции согласно изобретению, которые различаются как геометрией неподвижного основания 200, так и механизмом манипулятора-трипода 100.
Механизм манипулятора-трипода 100 имеет 5 степеней свободы.
Манипулятор-трипод 100 (фиг. 2) представляет собой три звена 101 переменной длины, одни концы которых закрепляются на опорной раме 201 неподвижного основания 200, а другие концы связаны между собой в конечной точке площадкой выходного звена 102. Таким образом, образуется подвижная структура, позволяющая осуществлять линейные перемещения в пространстве источника магнитного поля 300, который монтируется в указанную конструкцию. Для обеспечения поворота на площадку выходного звена 102 закрепляется механизм поворота источником магнитного поля 103.
Фактически, манипулятор 100 построен в виде пирамиды, ребрами которой являются три электромеханических привода (актуатора), обеспечивающие три степени свободы, соответствующие пространственным координатам, в конечной точке которых установлены два электромеханических привода вращения относительно взаимно перпендикулярных осей, обеспечивающие две вращательные степени свободы.
В качестве электромеханических приводов могут применяться любые приводы на основе синхронной или асинхронной электромашины с аксиальным или радиальным магнитным потоком.
На фиг. 1 показан один из вариантов реализации манипулятора-трипода 100, в котором используется линейный привод с зубчатым ремнем с кареткой. Каждый из трех приводов приводится в движение синхронным сервоприводом (не показан). К кареткам линейных приводов крепятся тяги, например, углепластиковые, на сферических шарнирах. С противоположной стороны тяги соединяются с площадкой выходного звена.
Также одним из вариантов выполнения манипулятора - трипода 100 (на фиг. 3) является использование шагового двигателя.
Механизм линейного перемещения (фиг. 7) состоит из двух рельсов и двух кареток, одного винта с гайкой, установленного на подшипниковых опорах. Шаговый двигатель соединен с винтом посредством шкивов и зубчатого ремня. В качестве основания может быть применен алюминиевый профиль. В крайних положениях каретки применены бесконтактные концевые выключатели.
Управляя взаимосвязано всеми тремя приводами по определенному закону, возможно осуществлять перемещения выходной площадки 102 в пространстве. Жесткая конструкция позволяют добиваться высокой точности перемещений, а также оптимально распределять усилия.
Для осуществления поворота источника магнитного поля 300 в рабочем диапазоне углов ±360° на выходном звене манипулятора-трипода предусмотрена функция четвертого и пятого приводов (поворотных). Приводы обеспечивают две угловые степени свободы источника магнитного поля, а также высокую динамику и точность поворота.
Основание одного поворотных приводов жестко закреплено на площадке выходного звена. На поворотном траверсе данного привода закреплен второй привод вращения источника магнитного поля относительно оси симметрии источника.
Механизм вращения источника магнитного поля в одном из вариантов выполнения (фиг. 8) состоит из шаговых двигателей, редуктора и зубчатой передачи (может быть применена вместо второго редуктора, для уменьшения габаритов узла). Дополнительно для разгрузки валов редуктора и двигателя могут быть установлены подшипники.
Используя эти две вращательные степени свободы в сочетании с тремя поступательными (X, Y, Z), можно добиться практически любого направления силовых линий магнитного поля в пространстве, предпочтительно, в заранее заданной точке рабочей области, и, следовательно, управлять объектом с высокой эффективностью.
Неподвижное основание 200 заявленного устройства, в общем, представляет собой сборный рамный каркас. Каркас состоит из отдельных функциональных частей, в частности, двух симметричных опорных рам 201 для крепления концов звеньев по меньшей мере двух манипуляторов-триподов 100 на каждом, и опорно-удерживающей части 202.
Опорные рамы 201 и опорно-удерживающая часть 202 могут быть выполнены различной геометрической формы, обеспечивающей возможность манипуляции одним предметом одним устройством в одной перекрещивающейся рабочей области.
Например, в одном из вариантов осуществления (фиг. 1), опорная рама состоит из двух жестко связанных частей. Каждая из частей изготовлена из двух равнобедренных треугольников. Одна из боковых сторон каждого треугольника является длинной стороной прямоугольника, расположенного между ними. Стык между частями рам осуществляется по короткой стороне прямоугольника.
Концы звеньев по меньше мере двух манипуляторов-триподов 100 закреплены в углах при основании равнобедренных треугольников разных частей рамы.
Опорно-удерживающая 202 часть выполнена в виде одной вертикальной стойки, жестко связанной с обоими опорными рамами, расположенным симметрично.
Схема устройства для генерации магнитного поля с неподвижным основанием подобной конструкции обеспечивает механическую жесткость узлов пространственного перемещения и наличия доступа к пациенту с боковой стороны.
Также возможен схожий с описанным выше вариант выполнения неподвижного основания 200, представленный на фиг. 3.
Габаритные размеры каркаса могут составлять, ориентировочно, 1500×1500×2000 мм.
В другом варианте воплощения (фиг. 6) опорная рама представляет собой две пересекающиеся рамы прямоугольной формы с перекладинами. Опорно-удерживающая часть 202 выполнена в виде четырех рам прямоугольной формы с перекладинами, жестко связанными с обоими опорными рамами 201. Отдельные части соединяются посредством стандартного крепежа и усиливаются при помощи раскосов.
Конструкция выполнена таким образом, что является универсальной с точки зрения использования источников магнитного поля. Источник магнитного поля 300 может быть выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита, электромагнита или электромагнита с сердечником, в виде системы, включающей электромагнит и по меньшей мере один постоянный магнит.
Конкретное исполнение устройства, а именно, расположение, сочетание и форма источников постоянного магнитного поля зависит от особенностей процесса, в котором применяется устройство, в том числе, от введенного в пациента объекта.
Форма источников постоянного магнитного поля может быть различной (диски, параллелепипеды, кубы, сегменты, кольца), однако предпочтительно использовать источники в форме параллелепипедов.
Ниже представлено описание структурной схемы (один из вариантов) заявляемого устройства, используемой для проверки работоспособности численного алгоритма нахождения положения и ориентации магнитного диполя.
В качестве объекта использована эндоскопическая капсула. Схема устройства включает четыре манипулятора-трипода для управления в пространстве четырех постоянных магнитов, которые имеют 5 степеней свободы - 3 пространственных и 2 угловых. Использование устройства на основе постоянных магнитов имеет существенное преимущество перед электромагнитными системы в первую очередь по массе (до 3х раз ниже при создании тех же усилий) и по потребляемой мощности (до 2-3 раз).
Подобная конструкция устройства позволяет создать в рабочей области магнитные силы в различных возможных направлениях при произвольном направлении самого вектора поля, что позволит с высокой эффективностью управлять эндоскопической капсулой.
В качестве рабочей области принята область в виде цилиндра диаметром 500 мм.
В данной конструктивной схеме устройства размер магнита составлял ∅100×180 мм, намагничен аксиально, марка материала N40, масса 10.6 кг.
В связи с тем, что для достижения управляемости эндоскопической капсулы значение градиента поля рассчитывается исходя из того, что значение магнитной силы должно быть сравнимо со значением веса эндоскопической капсулы, постоянные магниты заявляемого устройства не могут располагаться к оси указанной выше рабочей области ближе, чем 250 мм.
В случаях, когда два манипулятора-трипода располагаются рядом, минимальное расстояние между источниками постоянного магнитного поля составляет около 100 мм. Устройство работает следующим образом.
Положение капсулы и ее ориентация отслеживаются в реальном времени с помощью одной из нескольких возможных методик;
1) измерение поля от постоянного магнита капсулы либо ее магнитного каркаса с помощью системы внешних датчиков магнитного поля, или
2) измерение отклика расположенной в капсуле либо ее магнитном каркасе катушки на радиочастотный сигнал внешней излучающей катушки с помощью системы внешних детекторов,
3) методом измерения задержки сигнала от двух радиопередатчиков.
В одном из возможных вариантах реализации схемы для случая ручного управления, в частности, с применением джойстика, оператор получает сигнал видеокамеры эндоскопической капсулы и относительно изображения на экране процессорного устройства с помощью джойстика дает команды переместиться и/или повернуть видеокамеру (то есть, и эндоскопическую капсулу). Одновременно система датчиков устанавливает координаты и углы. Эти значения используются процессорным устройством для пересчета команд джойстика в систему координат, связанную с манипулятором, и вычисления конфигурации источников поля, требуемой для создания нужной силы и ориентации капсулы в данной точке.
Процессорное устройство также учитывает ограничения, связанные с взаимным расположением манипуляторов (непересечение конструктивных элементов в процессе движения), безопасностью (не сводить источники постоянного магнитного поля вплотную, не проникать в зону расположения пациента, не создавать излишнего усилия на стенку ЖКТ, плавностью движения капсулы (при переходе в новое положение манипуляторов возможны разные последовательности движений, и они должны быть проверены на предмет отсутствия нестабильности или, например, резких рывков в положении или ориентации капсулы).
Возможно варианты реализации схемы устройства, основанные на роботизированном управлении манипулятора без участия оператора.
Приведенное описание примерного варианта осуществления дает общее представление о принципах конструирования, функционирования, изготовления и применения устройства, предлагаемого настоящим изобретением. По меньшей мере, один пример из данных вариантов осуществления проиллюстрирован прилагаемыми чертежами. Специалистам в данной области техники очевидно, что конкретные устройства, описанные в настоящем документе и проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, представляют собой неограничивающие примерные варианты осуществления, и что объем настоящего изобретения определяется исключительно формулой изобретения. Признаки, проиллюстрированные или описанные в связи с одним примерным вариантом осуществления, можно объединять с признаками других вариантов осуществления. Предполагается, что такие модификации и изменения находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Claims (10)
1. Устройство перемещения расположенного внутри тела пациента намагниченного объекта, включающее
по меньшей мере четыре манипулятора, расположенные на едином основании попарно с каждой стороны рабочей области и выполненные с возможностью перемещения по линейным координатам X, У, Z,
при этом в каждом манипуляторе установлен источник постоянного магнитного поля с возможностью поворота по двум взаимно перпендикулярным осям,
и процессорное устройство, выполненное с возможностью подачи управляющего сигнала на каждый манипулятор для согласованного перемещения источников постоянного магнитного поля.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве объекта может выбран один из: эндоскопическая капсула, медицинский микроробот, лекарственный раствор с магнитными наночастицами, микро- или наноиглы, сенсор и стимулятор.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник постоянного магнитного поля выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного магнита.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник постоянного магнитного поля выполнен в виде электромагнита или электромагнита с сердечником.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник постоянного магнитного поля выполнен в виде системы, включающей электромагнит и по меньшей мере один постоянный магнит.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что манипулятор выполнен на основе пространственного механизма параллельной структуры.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что манипулятор выполнен в виде манипулятора-трипода, который состоит из трех линейных приводов и привода вращения, который установлен в конечной точке линейных приводов, при этом привод вращения скомпонован для закрепления источника постоянного магнитного поля.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017118208A RU2667880C1 (ru) | 2017-05-25 | 2017-05-25 | Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017118208A RU2667880C1 (ru) | 2017-05-25 | 2017-05-25 | Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2667880C1 true RU2667880C1 (ru) | 2018-09-24 |
Family
ID=63669013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017118208A RU2667880C1 (ru) | 2017-05-25 | 2017-05-25 | Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2667880C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100540758B1 (ko) * | 2003-06-17 | 2006-01-10 | 한국과학기술연구원 | 캡슐형 로봇 시스템 |
| US20070221233A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-09-27 | Olympus Medical Systems Corp. | Body-insertable device system and in-vivo observation method |
| US20150192241A1 (en) * | 2012-04-30 | 2015-07-09 | Threat Spectrum Inc. | Positioning device |
| RU165065U1 (ru) * | 2015-07-01 | 2016-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Мобильная Информатика" (ООО "Мобильная Информатика") | Беспроводная эндоскопическая капсула |
| US20160278662A1 (en) * | 2013-12-04 | 2016-09-29 | Obalon Therapeutics, Inc. | Systems and methods for locating and/or characterizing intragastric devices |
-
2017
- 2017-05-25 RU RU2017118208A patent/RU2667880C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100540758B1 (ko) * | 2003-06-17 | 2006-01-10 | 한국과학기술연구원 | 캡슐형 로봇 시스템 |
| US20070221233A1 (en) * | 2005-12-28 | 2007-09-27 | Olympus Medical Systems Corp. | Body-insertable device system and in-vivo observation method |
| US20150192241A1 (en) * | 2012-04-30 | 2015-07-09 | Threat Spectrum Inc. | Positioning device |
| US20160278662A1 (en) * | 2013-12-04 | 2016-09-29 | Obalon Therapeutics, Inc. | Systems and methods for locating and/or characterizing intragastric devices |
| RU165065U1 (ru) * | 2015-07-01 | 2016-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Мобильная Информатика" (ООО "Мобильная Информатика") | Беспроводная эндоскопическая капсула |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СТАРИКОВСКИЙ А.В. и др. Считыватель для капсульного эндоскопического комплекса, СПЕЦТЕХНИКА И СВЯЗЬ, N 3, 2014, сс.52-58. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hoang et al. | Independent electromagnetic field control for practical approach to actively locomotive wireless capsule endoscope | |
| Yang et al. | Deltamag: An electromagnetic manipulation system with parallel mobile coils | |
| Kummer et al. | OctoMag: An electromagnetic system for 5-DOF wireless micromanipulation | |
| Lee et al. | Active locomotive intestinal capsule endoscope (ALICE) system: A prospective feasibility study | |
| KR102017597B1 (ko) | 스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템 | |
| Song et al. | Motion control of capsule robot based on adaptive magnetic levitation using electromagnetic coil | |
| Hosney et al. | Propulsion and steering of helical magnetic microrobots using two synchronized rotating dipole fields in three-dimensional space | |
| Lucarini et al. | Electromagnetic control system for capsule navigation: Novel concept for magnetic capsule maneuvering and preliminary study | |
| Zhang et al. | Control theorem of a universal uniform-rotating magnetic vector for capsule robot in curved environment | |
| JP7725655B2 (ja) | 磁場発生装置 | |
| Choi et al. | Capsule-type magnetic microrobot actuated by an external magnetic field for selective drug delivery in human blood vessels | |
| Lee et al. | Robotically adjustable magnetic navigation system for medical magnetic milli/microrobots | |
| Limpabandhu et al. | Actuation technologies for magnetically guided catheters | |
| Pham et al. | A soft robot to navigate the lumens of the body using undulatory locomotion generated by a rotating magnetic dipole field | |
| Jeong et al. | Remote controlled micro-robots using electromagnetic actuation (EMA) systems | |
| RU2667880C1 (ru) | Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем | |
| Véron et al. | Magnetic manipulation with several mobile coils towards gastrointestinal capsular endoscopy | |
| Fu et al. | Performance evaluation of a magnetic microrobot driven by rotational magnetic field | |
| CN111243824B (zh) | 一种磁场产生装置 | |
| Fu et al. | A magnetically steerable and automatically propulsion guidewire robot system for vascular interventional surgery | |
| RU2683204C1 (ru) | Устройство управления движением инородного тела внутри пациента внешним магнитным полем | |
| Chen et al. | Design of a movable rotating magnetic field actuation system for target delivery in 3-D vascular model | |
| Wang et al. | Levitation control of capsule robot with 5-DOF based on arrayed Hall elements | |
| Nokata et al. | Capsule type medical robot with magnetic drive in abdominal cavity | |
| Chen et al. | Study of robotized electromagnetic actuation system for magnetic microrobots devoted to minimally invasive ophthalmic surgery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200526 |