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:

Поставимо вираз сили, який впливає на диполь і знаходиться на осі симетрії в центрі системи та в центрі протилежного повороту без потужності (z = 2R) в залежності від кількості ампер-витків і радіуса повороту:

Результати

Розглянемо наступні кілька котушкових систем: дві системи, виготовлені з мідної порожнистої трубки діаметром 6,35 мм, дві системи, виготовлені з мідних проводів діаметром 1 мм, і дві системи, виготовлені з мідного дроту діаметром 2 мм.

Мідна порожниста трубка. Характеристики:

Перетин котушки 5 смx 10 см.
Діаметр внутрішньої обмотки - 20
Зовнішній діаметр котушки - 30 см.
Середній діаметр - 25 см.
Діаметр - 3/8 дюйма або 6,35 мм в діаметрі.
Товщина - 0,76
Перетин дроту - 7,12 мм 2 .

Горизонтальний зріз котушкової системи з перетином 5см x 10 см представлений на рис.2.

Залежно від зазору між трубами, наступну кількість витків можна оцінити за поперечним перерізом 10 х 5 см (Таблиця 1):

Без додаткового охолодження струм 100 А може протікати через таку трубку. Наприклад, якщо використовується струм 100 А, то при упаковці з найбільшою щільністю 100 витків можна взяти 10 кА-витків, а також силу на борт:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (100A) 2 * 0,20 гм = 2000 Вт

U = IR = 100 А * = 20 Вт

2. Мідна трубка. Характеристики:

Перетин котушки 10см x 10см.
Котушка з мідними трубками.
Внутрішній діаметр котушки - 20
Зовнішній діаметр обмотки - 30
Діаметр - 3/8 дюйма або 6,35 мм в діаметрі.
Товщина - 0,76
Поперечний переріз - 7,12 мм 2 .
Середній діаметр - 30

Горизонтальний зріз котушкової системи з перетином 10 см х 10 см представлений на рис. 3.

Залежно від зазору між трубами, наступну кількість витків можна оцінити з перерізом 10 х10 см (Таблиця 2):

Для тих самих радіусів 100А та котушки, рівних 15 см, на бордер буде діяти така сила:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (100А) 2 * 0,50 гм = 5000 Вт

U = IR = 100 А * 0,50hm = 50 Вт

У порівнянні з попереднім випадком, очевидно, що нам потрібна подвійна кількість мідної дроту і сила зросла лише на 20%.

3. Мідний дріт діаметром 1 мм. Характеристики:

Перетин котушки 5smx 10 с
Внутрішній діаметр котушки - 20
Зовнішній діаметр обмотки - 30
Середній діаметр - 25
Діаметр дроту - 1
Перетин дроту = 0,785 мм 2 .
Кількість витків = 50 * 100 = 5000 витків.

Горизонтальний зріз котушкової системи представлений на рис. 2.

Якщо щільність струму дорівнює 1А/мм 2, це означає, що ця щільність буде прийнята для оцінки відповідних котушок трансформатора, тому буде текти струм, рівний 0,8А; сила на границі робочого об'єму буде дорівнює:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (0,8А) 2 * 900 м = 57,6 Вт

U = IR = 0,8 А * 900 м = 72 Вт

4. Мідний дріт діаметром 1 мм. Характеристики:

Перетин котушки 10см x 10см.
Внутрішній діаметр котушки - 20
Зовнішній діаметр обмотки - 40
Середній діаметр - 30
Діаметр дроту - 1
Перетин дроту = 0,785 мм 2 .
Кількість витків = 100 * 100 = 10000

Горизонтальний зріз котушкової системи представлений на рис.3.

Для щільності валюти, рівної 1А/мм 2, напруга дорівнюватиме 0,8А; сила на границях робочого об'єму дорівнюватиме:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (0,8 А) 2 * 2160 гм = 138 Вт

U = IR = 0,8 А * 21260 hm = 173 Вт

5. Мідний дріт діаметром 2 мм. Характеристики:

Котушка 5см х 10 см в поперечному перерізі.
Внутрішній діаметр котушки - 20 см.
Зовнішній діаметр котушки - 30 см.
Середній діаметр - 25 см.
Діаметр дроту - 2 мм.
Перетин дроту = 3,14 мм 2 .
Кількість витків = 25 * 50 = 1250 витків.

Горизонтальний зріз котушкової системи представлений на рис. 2.

Для щільності валюти, рівної 1А/мм 2, напруга становитиме 3,14А; сила на бортах робочого об'єму буде дорівнювати:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (3,14А) 2 * 5. 60 год = 55 Вт

U = IR = 3,14 A * 5,60 hm = 18 Вт

6. Мідний дріт діаметром 2 мм. Характеристики:

Перетин котушки 10см x 10см.
Внутрішній діаметр котушки - 20
Зовнішній діаметр обмотки - 40
Середній діаметр - 30
Діаметр дроту - 2
Перетин дроту = 3,14 мм 2 .
Кількість витків = 500 * 500 = 2500 витків.

Горизонтальний зріз котушкової системи представлений на рис.3.

Для щільності валюти, рівної 1А/мм 2, напруга становитиме 3,15А; сила на бортах робочого об'єму дорівнюватиме:

Сила джерела струму:

P = I 2 R = (3,14А) 2 * 13,5 Ом = 133 Вт

U = ІЧ = 3,14 А * 13,5 Ом = 42 Вт

7. Базовий варіант.

Котушка виконана з декількох одинарних котушок з повітряним зазором між ними для можливості провітрювання. (Рис.4).

Для дроту діаметром 1 мм параметри однієї котушки:

Діаметр дроту - 1
Внутрішній діаметр - 20
Зовнішній діаметр - 30
Поперечний переріз - 5см x 2 см.
Перетин дроту - 0,785 мм 2 .
Кількість витків - 1000.

Таким чином, опір цієї котушки становить:

Для 10 таких котушок потужність дорівнює:

P = 10 P0 = 720 Вт

Цю потужність можуть забезпечувати джерела живлення АКИП-1134-300-5 (потужність 1,5 кВт, напруга 0-300 Вт, струм 0-5А).

Довжина дроту з однією котушкою:

Для дроту діаметром 2 мм:

Параметри однієї котушки:

Діаметр дроту - 2
Внутрішній діаметр - 20
Зовнішній діаметр - 30
Поперечний переріз - 5см x 2см.
Перетин дроту - 3,14 мм 2 .
Кількість витків - 250.
Опір такої котушки дорівнює:

При струмі, рівному 8А:

P0 = I 2 R = (8A) 2 1,13 Ом = 72 Вт

Для 10 таких котушок потужність становить: P = 10 P0 = 720 Вт

Довжина дроту з однією котушкою:

L = 2 * π * 0,125 (м) * 250 (повороти) = 196м

Вага дроту такої довжини:

M = plS = 8900 (кг/м 3) * 196 (м) * 3,14 * 10 -6 (м 2) = 5,5 кг

Таблиця 1: Зазори та кількість витків

Проміжок між поворотами	Кількість витків
1	98
2	72
3	55
4	50
5	45

Таблиця 2: Зазори та кількість витків

Проміжок між поворотами	Кількість витків
1	196
2	144
3	110
4	100
5	90

Висновки

Згідно з вищезазначеними розрахунками для котушки зразка можна зробити наступні висновки:

По-перше, дві різні геометрії для перерізу котушки, квадратна (10 см збоку) і прямокутна (5 см і 10 см з боків) створюють майже рівні сили, які впливають на диполь (майже 25%), але прямокутний переріз матиме кращий результат теплові характеристики, оскільки він має більше відношення площі поверхні до внутрішнього об’єму. Поверхня забезпечує охолодження, і в межах внутрішнього об'єму здійснюється нагрівання.
По-друге, використовувані джерела живлення (АКИП-1134-300-5) допомагають працювати з високою напругою і з низьким струмом, тому переважно використовувати мідний дріт, ніж мідну трубку. Але пропонований розрахунок показує, що при однакових параметрах, котушки труб забезпечують більшу силу, тобто, коли використовуються мідні трубки, система є більш компактною.
Запропоновані розрахунки допомагають вибрати оптимальну конструкцію котушки для магнітної системи управління бездротовою ендоскопічною капсулою. Вони можуть бути використані для поліпшення технічних параметрів системи управління при проектуванні.

Автори планують зробити зразок обраної магнітної котушки та протестувати її.

Подяка

Публікація підготовлена відповідно до наукових досліджень за Угодою між «Мобільною інформатикою» (ТОВ) та Міністерством освіти і науки Російської Федерації № 14.579.21.0053 від 23.09.2014. Унікальний ідентифікаційний номер проекту - RFMEFI57914X0053.