在人类血管里的带磁导航系统的梯度和统一的鞍形线圈的无线操纵微型机器人

在人类血管里的带磁导航系统的梯度和统一的鞍形线圈的无线操纵微型机器人在人类血管里的带磁导航系统的梯度和统一的鞍形线圈的无线操纵微型机器人是一种治疗冠状动脉疾病的外科手术工具.本文提出了一种新颖的MNS由一个常规双麦克斯韦和亥姆霍兹线圈和一个新开发的双梯度和统一的鞍形线圈组成的.这个被提出的系统是利用毕奥萨伐尔定律理论上论证的而且是在被构造出来之后被实验证实了的。比较起传统的由两双麦克斯韦和亥姆霍兹线圈组成的MNS，新提出的MNS几何紧凑能允许病人躺下，磁转换效率也更高。索引词梯度鞍形线圈磁导航系统微型机器人统一的鞍形线圈一简介像心绞痛和心肌梗塞这样的冠状动脉型疾病已经成为现代人群主要的死亡原因之一了。其中的一种外科手术治疗是称为经皮肤的冠状动脉介入治疗，这种治疗是使用一个导管插入,由医生来疏通堵塞血管或扩大狭窄的血管。有时候，导管很难控制而且会受型号限制。有几个研究人员已经研究了使用带有磁导航系统无线微型机器人作为替代经皮肤冠状动脉介入治疗。由于微机器人的操作能力是依赖于MNS产生的磁场，微型机器人不需要额外的电池，这样就能减少微型机器人的复杂性和大小问题从而有效的航行在扭曲狭窄的血管中。一些研究人员已经表明,微型机器人可以被由亥姆霍兹和麦克斯韦线圈组成得传统的MNS所操控[5],[6].Yesinetal.的实验表明,机械的旋转一个有一对亥姆霍兹线圈和麦克斯韦的MNS能使微型机器人做平面运动。Choietal.表示MNS和两个固定双麦克斯韦和亥姆霍兹线圈可以操纵微型机器人在一个平面上。然而,这个系统有几何的弱点,就是一对的半径应至少比另一对的半径大两倍、这增加MNS所需的空间,并且需要大量的电力来产生一个有效的磁场在图片1中可以看到本研究提出了一种新颖的MNS，它是由一对传统的麦克斯韦和亥姆霍兹线圈和一对新型的梯度和统一的鞍型线圈构成的。它决定了每个线圈的电流的关系生成磁力和扭矩。它还比较了提出的MNS与传统的MNS产生的磁力和扭矩来论证被提出的新型MNS的高效性。本研究还通过对微型机器人做平面运动的实验证实了它的功效。二新型MNS的理论发展微型机器人在永磁材料产生的磁场中受到的磁力很扭矩可以有以下方程表示：（1）（2）真空中的磁导率，体积，磁化机器人，磁场强度。磁力正比于磁场梯度，磁力矩与磁场强度成正比A.传统的麦克斯韦和亥姆霍兹线圈麦克斯韦线圈是由两个相距线圈半径的√3倍的两个线圈组成。电流在两个线圈中的方向是相反的。由电流所产生的磁场是遵守毕奥萨伐尔定律的，麦克斯韦线圈的中心附近产生的磁场可以由以下方程表示【6】（3）（4）I和r分别是麦克斯韦线圈中的电流和线圈半径。方程式（3）表明沿着x轴线麦克斯韦线圈产生均匀磁场梯度最大。如果微型机器人靠近线圈的中心而且微机器人的磁化方向和x轴线是一致的，那么麦克斯韦线圈可以生成均匀磁力驱动微机器人在图1中的亥姆霍兹线圈的中心附近的磁场可以由如下方程表示：（5）（6）I和r分别表示亥姆霍兹线圈中的电流和线圈半径。由于亥姆霍兹线圈可以产生一个沿着x轴线均匀的磁场强度，所以亥姆霍兹线圈可以生成均匀的磁力矩使线圈中心附近的微型机器人与x轴线方向一致。B.提出的梯度和统一的鞍型线圈本研究发展鞍型线圈称为梯度和统一的鞍形线圈,如图1所示。由于每个线圈旨在取代传统的MNS中y方向上的麦克斯韦和亥姆霍兹线圈，它们应该在y方向上产生相同的磁场梯度和强度。他们是由直和弧型线圈构成的,如图2（a）（b）所示。磁场由每一个直和弧形线圈的总和决定。一般的直线和弧形线圈的磁场可以用以下方程式表示：（7）（8）a,l,d,h,r,α1,α2,α3,α,4α,分别表示为l/d,直线圈的长度，直线圈与z轴的距离，直线圈与y轴的距离，弧线圈的半径，上下两个弧线圈的开始角度和终止角度。相当于梯度鞍形线圈和统一的鞍形线圈的上部和下部中的电流的方向相同和相反。为了获得梯度鞍形线圈的几何关系，直和弧线圈在y方向上的磁场应该满足一下条件：（9）公式(9)的第三个条件提供了a和h之间的关系，图3显示了梯度鞍形线圈的几何关系和分布在xy平面的磁场。靠近中心的梯度鞍型线圈的线性化磁场可以表示如下：（10）（11）I和r分别表示为梯度鞍型线圈中的电流和线圈半径。统一的鞍形线圈,上下线圈中的电流流动方向相同应该满足下列条件：（12）公式(12)中的第二个条件表示了a和h的关系。图4显示了统一的鞍形线圈的几何关系和分布在xy平面磁场。靠近中心的统一鞍型线圈的线性化磁场可以表示如下：（13）（14）I和r分别表示统一的鞍型线圈中的电流和线圈半径。C.新型MNS的发展本研究利用一对麦克斯韦和亥姆霍兹线圈和一双梯度和统一的鞍形线圈来开发被提出的MNS如表1所示。MNS的中心附近的磁场可以表示如下：（15）由于均匀磁场只存在于xy平面，所以微型机器人可以与xy平面对齐。假设微机器人最初定位在与x轴成Φ角度的直线上，微型机器人能对齐于与x轴成θ角度。由公式(6)和(14)，均匀磁场沿着θ角度的分布情况产生了了统一的鞍型线圈与亥姆霍兹线圈中电流的关系和次扭矩：（16）（17）一旦此扭矩与微型机器人在θ角度方向上保持一致，微型机器人就能被驱动并沿着这个方向运动。为了推动微型机器人沿θ角对齐，麦克斯韦的磁力和梯度鞍形线圈应满足以下条件：（18）方程式（18）决定了电流的关系应用于麦克斯韦和梯度鞍形线圈通过引用文献（1）磁力决定如下：（19）（20）方程式（20）表明，只要满足方程式（19），微型机器人受到的磁力总在磁化方向上并且是一个常量。因此,在提出的MNS中通过控制线圈的电流就能实现微型机器人调整和推进运动。三结果与讨论被提出的的MNS构造成图5所示，表I显示了提出的MNS的主要规范。梯度鞍形线圈所产生的磁场和统一的鞍形线圈是通过使用高斯计测量的。图表6显示测量的沿y方向上靠近线圈中心的磁通密度与理论计算十分的吻合。微型机器人是一个圆柱形的钕磁铁，它的直径、长度、和磁化效果分别是2毫米,2毫米,955000A/m沿轴向方向。微型机器人是放在一盘有着高粘度350cP的硅油的中心。硅油降低了微机器人的被扰动。在提出的MNS中通过控制电流可以调整和推进微机器人的运动的理论被证实。图表7显示了微型机器人分别在0,30,60,and90。下被调整和驱动的图片。这表明提出的MNS成功的在一个平面上调整并推动微型机器人。提出了MNS的性能与传统的两对麦克斯韦和亥姆霍兹线圈做比较[6]。因为亥姆霍兹线圈的几何约束，在传统的MNS中，亥姆霍兹线圈的在x轴上的半径理论上比在y轴上的半径至少大两倍。在传统的MNS几何限制下，使得构造不太高效率。另一方面，被提出的MNS理论上是使用与麦克斯韦和亥姆霍兹线圈，梯度鞍型线圈，统一鞍型线圈相同的半径，所以总体结构上是结构紧凑和适合病人沿着MNS躺下的如图1所示。从传统的和被提出的MNS两个同样的有效区域前提之下，磁扭矩是使微型机器人从0到30对齐和磁力驱使它沿30方向的观点都已经被理论证实，表2显示即使在梯度鞍型线圈中的电流比传统的MNS中麦克斯韦线圈中电流小78.7%，但是被提出的MNS产生的磁力比传统的MNS要大12.8%。表3显示在产生相同磁力矩的条件下，统一的鞍型线圈中的电流要比传统的MNS中的亥姆霍兹线圈中的电流小30.4%。四．结论本研究开发了一款比传统MNS结构更紧凑和磁转换更高的新型的MNS。它可以促进微型机器人在人类血管的更有效操作鸣谢这项工作是由韩国知识经济部的战略技术开发部支持的。参考文献