本發(fā)明涉及一種集成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)結(jié)合了移動(dòng)磁驅(qū)動(dòng)單元和成像工具用于遠(yuǎn)程控制在體內(nèi)的磁性機(jī)器人。機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)性確保有充足的工作空間在臨床應(yīng)用中進(jìn)行磁驅(qū)動(dòng)和目標(biāo)追蹤。

背景技術(shù)：

1、磁性機(jī)器人在微創(chuàng)醫(yī)療應(yīng)用中有極大潛力。由于磁場(chǎng)的固有優(yōu)點(diǎn)，如穿透人體時(shí)的失真較小、對(duì)生物組織無(wú)害以及高效的無(wú)線能量傳輸，醫(yī)療磁性機(jī)器人已被應(yīng)用于各種臨床任務(wù)，包括但不限于組織取樣、藥物遞送和實(shí)時(shí)診斷。為實(shí)現(xiàn)靈巧的磁性操作，現(xiàn)已有能進(jìn)行多自由度磁控的磁性操作系統(tǒng)。磁性操作系統(tǒng)根據(jù)所使用的磁源可分為兩類(lèi)：永磁系統(tǒng)(pms)和電磁系統(tǒng)(ems)。

2、對(duì)于第一類(lèi)系統(tǒng)，通常使用一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)來(lái)控制永磁體馬達(dá)的姿態(tài)，以產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，這是一種安全而有效的驅(qū)動(dòng)各種磁性機(jī)器人的方法。然而，這類(lèi)系統(tǒng)難以產(chǎn)生復(fù)雜或快速變化的調(diào)制磁場(chǎng)。此外，快速衰減的磁場(chǎng)限制了驅(qū)動(dòng)的深度，且磁場(chǎng)難以關(guān)閉。在ems系統(tǒng)中所需的磁場(chǎng)由改變所提供的電流來(lái)控制。通過(guò)在工作空間周?chē)帕卸鄠€(gè)電磁鐵，可以實(shí)現(xiàn)從微米級(jí)機(jī)器人到厘米級(jí)機(jī)器人靈巧的磁性操作。以所提供的電流控制磁場(chǎng)，較強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致溫度控制和風(fēng)險(xiǎn)控制的困難。工作空間通常被電磁鐵包圍或半包圍，使這技術(shù)限制在臺(tái)式實(shí)驗(yàn)中。ems可以生成更可控的磁場(chǎng)，但占地面積大并需要如溫度監(jiān)控與冷卻單元以及電流控制單元等子系統(tǒng)支持。由于軟鐵芯的非線性表現(xiàn)，其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也較難估算。本發(fā)明包括一個(gè)移動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)單元，所述移動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)單元利用一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)將電磁鐵帶到較大的工作空間并避免與成像工具互相干擾。系統(tǒng)的靈活性由電磁鐵的數(shù)量和機(jī)器人平臺(tái)的可控自由度決定。對(duì)于不同的磁場(chǎng)生成要求，磁驅(qū)動(dòng)單元的靈活性可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

3、現(xiàn)已有多種成像與追蹤方法以進(jìn)行體內(nèi)磁性機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)航來(lái)彌合臺(tái)式試驗(yàn)與臨床應(yīng)用之間的差距。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中通常使用相機(jī)或?qū)嶓w鏡進(jìn)行視覺(jué)伺服，但此追蹤工具難以在臨床中應(yīng)用。需要有能夠在工作環(huán)境不允許通視線的實(shí)際場(chǎng)景中使用的替代定位和成像方法。x射線是一種能以足夠的準(zhǔn)確性和刷新率捕捉人體內(nèi)信息的常用醫(yī)學(xué)成像方法。超聲波成像是另一種有效、高效且能以微米級(jí)的準(zhǔn)確度獲取成像環(huán)境截面視圖的成像工具。磁定位是一種可以根據(jù)嵌入磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)提取磁性機(jī)器人的絕對(duì)位置和方向的追蹤方法。為實(shí)現(xiàn)精確的操作，在本發(fā)明可以集成一種或多種醫(yī)學(xué)成像工具到成像與追蹤單元中。主控制單元內(nèi)嵌入多個(gè)成像與追蹤融合方法以實(shí)現(xiàn)不同的成像模式。

4、醫(yī)療機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)航方法包括液壓驅(qū)動(dòng)、線驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)。在前人的工作中，科學(xué)家們通過(guò)調(diào)節(jié)醫(yī)療機(jī)器人內(nèi)部的壓力來(lái)控制機(jī)器人的形狀和運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)的精準(zhǔn)導(dǎo)航。通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)線牽引力，線驅(qū)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、屈曲和剛度調(diào)節(jié)等功能。磁驅(qū)動(dòng)作為一種生物友好、穿過(guò)低磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)時(shí)失真較小驅(qū)動(dòng)方法，被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)無(wú)線控制的無(wú)纜醫(yī)療機(jī)器人。在本發(fā)明，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)由具有可重配置設(shè)計(jì)的移動(dòng)磁源產(chǎn)生。它可以通過(guò)調(diào)整每個(gè)磁源的相對(duì)位置或增加磁源的總數(shù)以滿足各種磁場(chǎng)生成方法的需求。

5、磁性醫(yī)療機(jī)器人可以分為有纜醫(yī)療機(jī)器人和無(wú)纜醫(yī)療機(jī)器人。有纜機(jī)器人是由導(dǎo)管技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，后者是一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)療實(shí)踐的治療手段，如心臟消融、組織取樣、細(xì)胞/藥物遞送和血管疾病治療。有纜膠囊機(jī)器人為胃腸道檢查和實(shí)時(shí)診斷而設(shè)。無(wú)纜機(jī)器人則是另一種可控的類(lèi)型，能更好地適應(yīng)曲折的環(huán)境，并在人體內(nèi)難以到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)。遠(yuǎn)程無(wú)線控制無(wú)纜機(jī)器人需要一種更強(qiáng)大的控制算法和精確的成像追蹤方法。此外，機(jī)器人先進(jìn)且復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)原理對(duì)磁場(chǎng)生成有更高的要求，往往需要更強(qiáng)大和更復(fù)雜的磁場(chǎng)。無(wú)纜機(jī)器人廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療工具難以非侵入性地進(jìn)入的血管內(nèi)應(yīng)用或胃腸道治療。針對(duì)不同醫(yī)療應(yīng)用的磁性機(jī)器人需要賦予多種功能并對(duì)磁場(chǎng)控制有不同要求。現(xiàn)已有實(shí)現(xiàn)胃腸道監(jiān)測(cè)或眼部顯微手術(shù)的磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人研究。扭矩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，如螺旋形機(jī)器人或滾動(dòng)機(jī)器人，將具有更高效的運(yùn)動(dòng)和更小的尺寸。此外，具有如藥物遞送或組織取樣等功能的機(jī)器人，需要特定的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)來(lái)精確地觸發(fā)機(jī)制。本發(fā)明的系統(tǒng)將在大型工作空間中生成復(fù)雜可控的磁場(chǎng)并具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。靈巧的磁性驅(qū)動(dòng)與實(shí)時(shí)姿態(tài)及環(huán)境信息的結(jié)合可應(yīng)用于臨床應(yīng)用，如長(zhǎng)距離藥物遞送、血栓清除、全胃腸道監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)端血管系統(tǒng)的治療過(guò)程。

6、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,311,107b2涉及一種通過(guò)檢測(cè)和操控車(chē)輛電磁場(chǎng)矢量的強(qiáng)度和方向來(lái)驅(qū)動(dòng)及定位體內(nèi)載具的裝置及控制系統(tǒng)。該專(zhuān)利提及可以在電磁鐵中安裝軟磁芯。

7、另一項(xiàng)專(zhuān)利，編號(hào)為us?6,311,082?b1，公開(kāi)了一種用于支持患者的可移動(dòng)床系統(tǒng)，所述床下方的彎曲殼體上安裝了一組電磁鐵，通過(guò)適當(dāng)使部分電磁鐵通電以提供磁場(chǎng)或磁場(chǎng)梯度。

8、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,148,823涉及一種使用間隙環(huán)形磁體控制體內(nèi)磁性元件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一對(duì)由間隙分隔的相互吸引的相對(duì)磁體。所述磁體優(yōu)選通過(guò)磁通回路連接的永磁體。該專(zhuān)利還披露了所述磁體可以安裝在可移動(dòng)支架上，并且系統(tǒng)具有用于支持患者的便攜式支架和一個(gè)x射線成像設(shè)備。

9、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,216,026b1涉及一種可控磁矩的發(fā)明，該發(fā)明適用于與mri結(jié)合使用時(shí)在患者體內(nèi)導(dǎo)航導(dǎo)管或柔性內(nèi)窺鏡。公開(kāi)的實(shí)施例在三個(gè)不同的軸方向上設(shè)置線圈，從而能通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)線圈的電流輸入提供多種磁矩組合。

10、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8,830,648b2公開(kāi)了一種名為octomag的磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有兩組電磁線圈。每組包含四個(gè)電磁鐵或永磁體，可以在小型工作空間內(nèi)，如人眼的腔體，控制一個(gè)毫米級(jí)機(jī)器人以五個(gè)自由度移動(dòng)。

11、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8,041,411b2公開(kāi)了另一種裝置。該專(zhuān)利披露了一種磁控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)在彎曲臂上安裝了可周向移動(dòng)的磁體，并利用x射線圖像來(lái)導(dǎo)航磁性元件。

12、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8,027,714b2介紹了一種由在兩個(gè)相對(duì)球形殼體上安裝8個(gè)帶磁芯的磁線圈而組成的裝置。該實(shí)施例允許伺服電機(jī)定位兩組電磁鐵之間的相對(duì)距離，并引入雷達(dá)作為成像方法以避免x射線等輻射。該實(shí)施例可以生成b＝0.04t-0.15t的磁場(chǎng)強(qiáng)度和1.6t/m到3.0t/m的磁場(chǎng)梯度，從而施加足夠的力量和引導(dǎo)方向移動(dòng)一個(gè)對(duì)磁有反應(yīng)的導(dǎo)管尖端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種追蹤磁性元件的裝置。在一個(gè)實(shí)施例，所述裝置包括：a)一個(gè)磁驅(qū)動(dòng)單元，所述磁驅(qū)動(dòng)單元包括：i)一個(gè)內(nèi)置傳感模塊；ii)多個(gè)磁源，所述多個(gè)磁源均勻排列在所述內(nèi)置傳感模塊周?chē)龆鄠€(gè)磁源中的每一個(gè)磁源以一個(gè)傾斜角度傾斜，并與相鄰磁源以一個(gè)相鄰角度分離；以及iii)一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制，所述調(diào)節(jié)機(jī)制連接到所述多個(gè)磁源中的每一個(gè)磁源，以調(diào)整所述傾斜角度和所述相鄰角度以達(dá)到所需的磁場(chǎng)；b)一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)，所述機(jī)器人平臺(tái)用于安裝所述磁驅(qū)動(dòng)單元，并提供所述磁驅(qū)動(dòng)單元靈巧的姿態(tài)控制。

2、本發(fā)明還提供一個(gè)追蹤磁性元件的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例，所述系統(tǒng)包括：a)一個(gè)磁性元件；b)一個(gè)或多個(gè)本發(fā)明的裝置；c)一個(gè)內(nèi)置成像系統(tǒng)(2)；以及d)一個(gè)計(jì)算機(jī)處理器；所述計(jì)算機(jī)處理器用于執(zhí)行一個(gè)算法，所述算法協(xié)同所述一個(gè)或多個(gè)裝置和所述內(nèi)置成像系統(tǒng)(2)并包括以下步驟：i)接收所述系統(tǒng)中組件的姿態(tài)信息；ii)根據(jù)用戶在操作之前對(duì)所述磁性元件進(jìn)行操作的命令，計(jì)算所述一個(gè)或多個(gè)本發(fā)明的裝置和所述內(nèi)置成像系統(tǒng)(2)的期望軌跡；iii)在所述操作過(guò)程中分析所述內(nèi)置成像系統(tǒng)視野中物體的實(shí)時(shí)位置；以及iv)根據(jù)所述實(shí)時(shí)位置使用預(yù)測(cè)性控制策略檢測(cè)潛在碰撞，以調(diào)整所述期望軌跡。