【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及醫療器械，具體涉及基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法、裝置及介質。
技術介紹
1、最近，可遠程操控的膠囊機器人被不斷探索，以進行介入手術。值得注意的是，磁控膠囊機器人(也稱為磁控膠囊內窺鏡)在通過應用遠程磁場導航復雜腸道方面已顯示出巨大前景。磁控膠囊內窺鏡通常是由一個非磁化的外殼和一個磁鐵組成，通過在外部施加磁場，可以將磁控膠囊內窺鏡引導到所需的位置。因此，建立磁控膠囊內窺鏡的受力模型和動力學模型為對于在腸道內準確控制和導航磁控膠囊內窺鏡至關重要。
2、目前，大量對于磁控膠囊內窺鏡的理論模型和數值分析主要側重于均勻磁場的應用。然而，均勻磁場的生成需要復雜的電磁線圈，受限于工作空間的尺寸、磁場的強度和冷卻系統的效率。相反，永磁體作為一種有效的替代方法能在更大的工作空間產生強磁場，提高更高的驅動力和操作自由度。當前對于采用永磁體產生磁場控制和導航磁控膠囊內窺鏡的研究主要集中于磁力拖拽策略，由于磁力的方向性，此策略可能導致磁控膠囊內窺鏡在永磁體的吸引下產生過大的拉力，可能會使膠囊不受控制地被拉向永磁體，從而可能對組織造成形變。
3、由此，使用旋轉永磁體產生旋轉磁場來驅動磁控膠囊內窺鏡成為當前熱點。這種方法通過磁力和扭矩作用，減少了外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡之間距離變化對驅動效果影響。但當前實驗主要限于驗證二維空間下的固定驅動角和推進力。雖然這種二維空間下驅動策略便于觀察和分析永磁體和磁控膠囊內窺鏡之間的耦合。但臨床操作中因為腸道復雜性，固定角度驅動策略難以穩定的實施，因此有效靈活的驅動策略就有挑
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提供了基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法、裝置及介質，以解決現有技術中二維空間下采用固定驅動角驅動磁控膠囊內窺鏡存在難以穩定實施的問題。
2、第一方面，本專利技術提供了一種基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法，方法包括：基于三維空間中外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及旋轉驅動時旋轉軸的關系，結合偶極子模型中磁場和磁矩的關系，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系；基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時的受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的水平方向力，水平方向力為水平方向的磁力和摩擦力之差；基于水平方向力大于等于零時，確定驅動角的范圍；基于驅動角的范圍對磁控膠囊內窺鏡驅動。
3、本專利技術中，通過在三維空間中，磁控膠囊內窺鏡受到的外部永磁體的磁力進行分析，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系，然后對磁控膠囊內窺鏡進行受力分析，確定能夠驅動磁控膠囊內窺鏡運動時的磁力，并進一步結合磁力和驅動角的關系確定驅動角的范圍。由此，在該驅動角范圍內進行外部永磁體對磁控膠囊內窺鏡的驅動，能夠保證磁控膠囊內窺鏡被穩定的驅動。
4、在一種可選的實施方式中，基于三維空間中外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及旋轉驅動時旋轉軸的關系，結合偶極子模型中磁場和磁矩的關系，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系，包括：基于磁控膠囊內窺鏡的旋轉軸確定旋轉驅動時外部永磁體的旋轉軸，并基于外部永磁體的旋轉軸確定外部永磁體的磁矩；基于由偶極子模型確定的磁控膠囊內窺鏡上的磁場和外部永磁體的磁矩的關系以及磁控膠囊內窺鏡的旋轉軸確定磁控膠囊內窺鏡的磁矩；基于外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及磁控膠囊內窺鏡的磁矩確定外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡之間的位置向量和驅動角的關系；基于外部永磁體的磁矩、磁控膠囊內窺鏡的磁矩以及位置向量和驅動角的關系確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系。
5、在一種可選的實施方式中，驅動角包括第一驅動角和第二驅動角，磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系采用如下公式表示：
6、
7、式中，fm表示磁控膠囊內窺鏡受到的磁力，fx,fy,fz分別表示磁控膠囊內窺鏡在x軸、y軸和z軸受到的磁力，μ0表示空間磁導率，ma表示外部永磁體的磁矩，mc表示磁控膠囊內窺鏡的磁矩，表示外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡之間的位置向量，α表示第一驅動角，第一驅動角為位置向量和外部永磁體的法向量的夾角，β表示第二驅動角，第二驅動角為外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡連接平面和磁控膠囊內窺鏡的磁矩的夾角。
8、在一種可選的實施方式中，基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時的受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的水平方向力，包括：基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時受到的磁力、摩擦力和重力進行受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的z軸方向力和y方向力，z軸方向力為磁控膠囊內窺鏡在z軸方向受到的磁力和重力的差值，y軸方向力為磁控膠囊內窺鏡在y軸方向受到磁力；基于z軸方向力、y方向力以及摩擦系數確定磁控膠囊內窺鏡受到的摩擦力；根據磁控膠囊內窺鏡在x軸方向受到的磁力和摩擦力的差值確定磁控膠囊內窺鏡所受的x軸方向力，x軸方向力為水平方向力。
9、在一種可選的實施方式中，基于水平方向力大于等于零時，確定驅動角的范圍，包括：基于磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系，確定磁控膠囊內窺鏡在x軸方向受到的磁力和摩擦力的差值大于等于零時對應的驅動角的范圍。
10、在一種可選的實施方式中，基于驅動角的范圍對磁控膠囊內窺鏡驅動，包括：基于驅動角的范圍以及當前時刻磁控膠囊內窺鏡的位置確定當前時刻磁控膠囊內窺鏡受到的水平方向力；基于當前時刻磁控膠囊內窺鏡受到的水平方向力和磁控膠囊內窺鏡的質量確定當前時刻移動的加速度；基于當前時刻移動的加速度以及上一時刻的速度確定當前時刻的速度；基于當前時刻的速度和當前時刻磁控膠囊內窺鏡的位置確定下一時刻磁控膠囊內窺鏡的位置。
11、在一種可選的實施方式中，方法還包括：基于外部永磁體的磁矩、磁控膠囊內窺鏡的磁矩以及位置向量確定磁控膠囊內窺鏡受到的理論扭矩；在磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體在腸道內旋轉驅動時，基于理論扭矩和磁控膠囊內窺鏡與腸道的摩擦扭矩確定磁控膠囊內窺鏡所受的扭矩。
12、第二方面，本專利技術提供了一種基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動裝置，裝置包括：旋轉驅動模塊，用于基于三維空間中外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及旋轉驅動時旋轉軸的關系，結合偶極子模型中磁場和磁矩的關系，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系；受力分析模塊，用于基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時的受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的水平方向力，水平方向力為水平方向的磁力和摩擦力之差；驅動角確定模塊，用于基于水平方向力大于等于零時，確定驅動角的范圍；驅動模塊，用于基于驅動角的范圍對磁控膠囊內窺鏡驅動。
13、第三方面，本專利技術提供了一種計算機設備，包括：存儲器和處理器，存儲器和處理器之間互相通信連接，存儲器中存儲有計算機指令，處理器通過執行計算機指令，從而執行上述第一方面或其對應的任一實施方式的基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法。
14、第四方面，本專利技術提供了一種計算機可讀存儲介質，該計算機可讀存儲介質上存儲有計算機指令，計算機指令用于使計算機執本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基于三維空間中外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及旋轉驅動時旋轉軸的關系，結合偶極子模型中磁場和磁矩的關系，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系，包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，驅動角包括第一驅動角和第二驅動角，磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系采用如下公式表示：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時的受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的水平方向力，包括：
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述水平方向力大于等于零時，確定所述驅動角的范圍，包括：
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述驅動角的范圍對磁控膠囊內窺鏡驅動，包括：
7.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：
8.一種基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動裝置，其特征在于，所述裝置包括：
9.一種計算機設
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質上存儲有計算機指令，所述計算機指令用于使計算機執行權利要求1至7中任一項所述的基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法。
...【技術特征摘要】
1.一種基于三維空間的磁控膠囊內窺鏡驅動方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基于三維空間中外部永磁體和磁控膠囊內窺鏡的位置關系以及旋轉驅動時旋轉軸的關系，結合偶極子模型中磁場和磁矩的關系，確定磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系，包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，驅動角包括第一驅動角和第二驅動角，磁控膠囊內窺鏡受到的磁力和驅動角的關系采用如下公式表示：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，基于磁控膠囊內窺鏡受外部永磁體旋轉驅動時的受力分析，確定磁控膠囊內窺鏡所受的水平方向力，包括：
5.根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：滕智帆，任驥雄，孫洪博，劉建華，劉全越，周古月，季嘉雯，展咪咪，王秋良，
申請(專利權)人：中國科學院電工研究所，
類型：發明
國別省市：
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