Dezvoltarea proiectării proiectului pentru sistemul de control magnetic al capsulei endoscopice fără fir

DM Mihaylov, GN Lebedev, TR Khabibullin, AF Shayakov, ES Zharikov, AO Anpilogov, VB Kholyavin, MN Yokhin

pentru

Universitatea Națională de Cercetare Nucleară „MEPhI” (Institutul de Fizică Inginerie din Moscova), autostrada Kashirskoe, 31, 115409, Moscova, Federația Rusă

Abstract

Sistemele de control pentru capsule endoscopice fără fir joacă un rol foarte important, deoarece ajută la oprirea capsulei în partea exactă a sistemului digestiv al pacientului pentru o examinare mai detaliată. Această lucrare tratează proiectarea proiectului pentru sistemul de control al magnetului capsulei endoscopice fără fir. Sunt prezentate calculele pentru două secțiuni diferite ale bobinei (pătrat și dreptunghiular). Se face analiza utilizării sârmei de cupru și a tuburilor de cupru pentru sistemul de control. Dezvoltările anterioare diferă de prezentul articol despre sistemul de control al capsulei endoscopice, care este controlat de câmpul magnetic extern. O abordare, prezentată în articol, ajută la asigurarea unei schimbări mai precise și mai rapide a câmpului magnetic, în timp ce toleranța la erori a sistemului crește.

Cuvinte cheie

capsula endoscopica; sistem de control; câmp magnetic; bobina; tub de cupru; sârmă de cupru

Mikhaylov DM, Lebedev GN, Khabibullin TR, Shayakov AF, Zharikov ES, Anpilogov. A. O, Kholyavin V. B, Yokhin M. N. Dezvoltarea proiectării proiectului pentru sistemul de control al magnetului capsulei endoscopice fără fir. Biomed Pharmacol J 2015; 8 (1)

Mikhaylov DM, Lebedev GN, Khabibullin TR, Shayakov AF, Zharikov ES, Anpilogov. A. O, Kholyavin V. B, Yokhin M. N. Dezvoltarea proiectării proiectului pentru sistemul de control al magnetului capsulei endoscopice fără fir. Biomed Pharmacol J 2015; 8 (1). Disponibil de pe: http://biomedpharmajournal.org/?p=1188

Introducere

În prezent, o mulțime de atenție este acordată sistemelor de control a capsulelor endoscopice fără fir, deoarece acestea ajută la oprirea capsulei în partea exactă a sistemului digestiv pentru o examinare mai detaliată. Există diferite abordări de control, de exemplu, în [1] este descrisă o capsulă expandabilă din polimer electroactiv, care își schimbă dimensiunea atunci când se aplică curent electric. Dar sistemele de control sunt adesea construite pe baza utilizării câmpului magnetic.

Sistemele magnetice pentru controlul capsulelor endoscopice fără fir sunt descrise în multe revendicări (descrieri) de brevete și articole științifice. De exemplu, Sun și colab. descrieți aplicațiile multiple ale unei configurații magnetice în acționarea endoscopului fără capsule [2]. Lien și colab. propuneți un sistem de control magnetic al endoscopului capsulei [3]. Wakefield povestește despre endoscopia capsulei cu propulsie magnetică pentru examinarea medicală și tratamentul tractului gastro-intestinal, al tractului reproductiv, traheei, plămânilor, sistemului vascular sau a oricărei cavități corporale accesibile [4]. Kim și colab. prezintă un endoscop cu capsulă magnetică modificat care poate fi fixat în interiorul stomacului și pentru a monitoriza motilitatea gastrică [5].

Metodele descrise diferă de cea descrisă în acest articol. Soluția dezvoltată ajută la asigurarea unei schimbări mai precise și mai rapide a câmpului magnetic (în acest caz distribuția câmpului magnetic poate fi stabilă și poate garanta că capsula se va deplasa în direcția necesară și cu viteza necesară), toleranța la erori a sistemului crește.

Dezvoltarea sistemului de control ar trebui să se bazeze pe rezultatele modelării numerice detaliate și a creării de prototipuri, care ajută la verificarea rezultatelor modelării, la lucrul în practică a abordărilor dezvoltate pentru emiterea rezoluției și formarea specificațiilor tehnice generale pentru sistem.

Materiale și metode

Pentru a evalua parametrii eșantionului bobinei, este necesar să se estimeze câmpurile și gradienții de câmp necesari pentru crearea eforturilor și momentelor, care pot deplasa și roti bobina. În acest scop au fost făcute estimări analitice preliminare. Pentru a rezolva problema la început, este necesar să rezistați la mișcarea capsulei pentru a simula mișcarea în intestin. În al doilea rând, în prima etapă este convenabil să compensați gravitația pentru a lua în considerare doar interacțiunea dintre câmpul magnetic și rezistența la mediu. De aceea, în această etapă este mai preferabil să puneți capsula cu un lichid gros, cum ar fi glicerina. Astfel, pentru a evalua puterea necesară pentru mișcarea capsulei, sa considerat că poate fi comparată cu forța de frecare groasă din lichid [6]:

unde d este un diametru al capsulei egal cu 0,012 m, viteza de mișcare (ν) este egală cu 10 mm/sec (această viteză este suficientă pentru a se deplasa prin tractul de 4-5 m pentru o perioadă rezonabilă de timp), η - vâscozitatea dinamică a lichidului.

Mijloace, pentru glicerină cu vâscozitate 1480 * Pa * secat o temperatură de 20 ° С forța de frecare va fi:

Ffr = 3 * 3,14 * 0,012 (m) * 0,01 (m/sec) * 1480 * (Pa * sec) = 1,67 * H = 0,167 g.wt

Să presupunem că o anumită valoare prag a forței este egală cu 0,2 g.wt.Pentru a determina momentul limită de centrifugare produs de câmpul magnetic, să evaluăm momentul unui cuplu pentru forța de frecare, să evaluăm momentul unui cuplu pentru frecare pentru a afecta capsula, care se rotește în jurul axei perpendiculare pe axa de simetrie:

unde L este lungimea capsulei, astfel:

Acum, pentru valorile limită evaluate ale forței și momentului, să calculăm parametrii bobinelor. Luați în considerare faptul că volumul de lucru, unde va fi plasată capsula, este un cub de 200 mm pe o parte. Deoarece a fost necesară evaluarea preliminară a parametrilor bobinelor, presupunem o bobină cu o rotație circulară cu curentul.

Câmpul axei de rotație circulare depinde de distanța de la centrul de rotație [7]:

Să facem o diagramă a acestei dependențe pentru caz, când bobina este înregistrată. În Fig. 1 dependența coeficientului înainte de μ0I/R 2 de la distanța de-a lungul axei Z între bobine în unități de raza bobinei; o rotație este alimentată cu curent și este situată în coordonata -1 a razei bobinei.

Pentru a determina caracteristicile de putere ale bobinei, este necesar să se ia în considerare cea mai mică forță care influențează un dipol. Această forță influențează dipolul plasat în cel mai îndepărtat punct de la bobina de „tragere” cu cel mai mic gradient la distanța a două raze ale bobinei. Gradientul zero în centrul virajului nu a fost luat în considerare, deoarece acest punct este plasat cu bună știință în afara zonei de lucru.

A fost stabilit un moment magnetic suplimentar pentru magnet. Magnetul plasat în interiorul capsulei va fi luat în considerare în aproximarea dipolului magnetic cu momentul magnetului și va fi calculat conform formulei:

unde Br este o inducție magnetică remanentă a magnetului N38 egală cu 1,25 T și V este volumul magnetului, prin urmare, momentul magnetului este egal cu:

Să punem expresia forței, care afectează dipolul și este situată pe axa de simetrie în centrul sistemului și în centrul virajului opus fără putere (z = 2R) în funcție de numărul de amperi-rotații și raza de viraj:

Rezultate

Luați în considerare următoarele câteva sisteme de bobine: două sisteme din tubul de cupru cu diametrul de 6,35 mm, două sisteme din fire de cupru cu diametrul de 1 mm și două sisteme din firul de cupru cu diametrul de 2 mm.

  1. Tub gol din cupru. Caracteristici:
  • Secțiunea transversală a bobinei 5 cmx 10 cm.
  • Innercoildiameter - 20
  • Diametru exterior - 30 cm.
  • Diametru mediu– 25 cm.
  • Diametru - 6,35 mm în diametru.
  • Grosime - 0,76
  • Secțiunea firului - 7,12 mm 2 .

Felia orizontală a sistemului de bobine cu secțiunea de 5sm x 10 sms este prezentată în Fig. 2.

În funcție de decalajul dintre tuburi, următoarele numere de rotații pot fi evaluate cu o secțiune transversală de 10 x 5 (Tabelul 1):

Fără răcire suplimentară, curentul de 100 A poate circula prin acest tub. De exemplu, dacă se folosește curent de 100 A, decât în ​​cazul ambalării cu cea mai mare densitate de 100 de ture, se pot lua 10 kA-ture, precum și forța la bord:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (100A) 2 * 0,20 hm = 2000Wt

U = IR = 100 A * = 20 W

2. Tub de cupru. Caracteristici:

  • Secțiunea transversală a bobinei 10cm x 10cm.
  • Bobină realizată cu tuburi de cupru.
  • Diametrul interior al bobinei - 20
  • Diametru exterior - 30
  • Diametru - 6,35 mm în diametru.
  • Grosime - 0,76
  • Secțiune transversală - 7,12 mm 2 .
  • Middiameter– 30

Felia orizontală a sistemului de bobine cu secțiunea de 10 cm x 10 cm este prezentată în Fig. 3.

În funcție de decalajul dintre tuburi, următoarele numere de rotații pot fi evaluate cu o secțiune transversală de 10 x 10 cm (Tabelul 2):

Pentru aceeași rază de bobină de 100A și egală cu 15 cm, următoarea forță va fi pe bord:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (100A) 2 * 0,50 hm = 5000 Wt

U = IR = 100 A * 0,50hm = 50 W

În comparație cu cazul precedent, este clar că avem nevoie de două ori cantitatea de sârmă de cupru și forța a crescut doar cu 20%.

3. Sârmă de cupru cu diametrul de 1 mm. Caracteristici:

  • Secțiunea bobinei 5smx 10 s
  • Diametrul interior al bobinei - 20
  • Diametru exterior - 30
  • Diametru mediu - 25
  • Diametrul firului - 1
  • Secțiunea firului = 0,785mm 2 .
  • Număr de ture = 50 * 100 = 5000 de ture.

Felia orizontală a sistemului de bobine este prezentată în Fig. 2.

Dacă densitatea curentului este egală cu 1A/mm 2, înseamnă că această densitate va fi luată pentru evaluarea bobinelor de transformare corespunzătoare, deci curentul egal cu 0,8A va curge; forța la borduri a volumului de lucru va fi egală cu:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (0,8A) 2 * 900 m = 57,6 Wt

U = IR = 0,8 A * 900m = 72 W

4. Sârmă de cupru cu diametrul de 1 mm. Caracteristici:

  • Secțiunea transversală a bobinei 10cm x 10cm.
  • Diametrul interior al bobinei - 20
  • Diametru exterior - 40
  • Diametru mediu– 30
  • Diametrul firului - 1
  • Secțiunea firului = 0,785mm 2 .
  • Număr de ture = 100 * 100 = 10000

Felia orizontală a sistemului de bobine este prezentată în Fig. 3.

Pentru densitatea monedei egală cu 1A/mm 2, tensiunea va fi de 0,8A, forța la bordurile volumului de lucru va fi egală cu:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (0,8A) 2 * 2160 hm = 138Wt

U = IR = 0,8 A * 21260 hm = 173 W

5. Sârmă de cupru cu diametrul de 2 mm. Caracteristici:

  • Secțiune transversală bobină 5cm x 10cm.
  • Diametrul interior al bobinei - 20 cm.
  • Diametrul bobinei exterioare - 30 cm.
  • Diametru mediu - 25 cm.
  • Diametrul firului - 2 mm.
  • Secțiunea firului = 3,14 mm 2 .
  • Numărul de spire = 25 * 50 = 1250 spire.

Felia orizontală a sistemului de bobine este prezentată în Fig. 2.

Pentru densitatea monedei egală cu 1A/mm 2, tensiunea va fi 3,14A, forța la bordurile volumului de lucru va fi egală cu:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (3.14A) 2 * 5. 60 hm = 55Wt

U = IR = 3,14 A * 5,60 hm = 18 W

6. Sârmă de cupru cu diametrul de 2 mm. Caracteristici:

  • Secțiunea transversală a bobinei 10cm x 10cm.
  • Diametrul interior al bobinei - 20
  • Diametru exterior - 40
  • Diametru mediu– 30
  • Diametrul firului - 2
  • Secțiunea firului = 3,14 mm 2 .
  • Număr de ture = 500 * 500 = 2500 ture.

Felia orizontală a sistemului de bobine este prezentată în Fig 3.

Pentru densitatea monedei egală cu 1A/mm 2, tensiunea va fi 3,15A, forța la bordurile volumului de lucru va fi egală cu:

Puterea sursei curente:

P = I 2 R = (3.14A) 2 * 13,5 Ohm = 133 Wt

U = IR = 3,14 A * 13,5 Ohm = 42 W

7. Varianta de bază.

Bobina este alcătuită din mai multe bobine simple cu spațiu de aer între ele pentru posibilitatea de aerisire. (Fig.4).

Pentru un fir cu diametrul de 1 mm parametrii bobinei unice sunt:

  • Diametrul firului - 1
  • Diametru interior - 20
  • Diametru exterior - 30
  • Secțiune transversală - 5cm x 2cm.
  • Secțiunea firului - 0,785 mm 2 .
  • Număr de ture - 1000.

Astfel, rezistența acestei bobine este:

Pentru 10 astfel de bobine, puterea este egală cu:

P = 10 P0 = 720 Wt

Această putere poate fi furnizată de sursele de alimentare АКИП-1134-300-5 (Capacitate 1,5 kW, Tensiune 0-300W, Curent 0-5А).

Lungimea firului cu o singură bobină:

Pentru un fir de 2 mm în diametru:

Parametrii bobinei unice:

  • Diametrul firului - 2
  • Diametru interior - 20
  • Diametru exterior - 30
  • Secțiune transversală - 5cm x 2cm.
  • Secțiunea firului - 3,14 mm 2 .
  • Numărul de ture - 250.
  • Rezistența unei astfel de bobine este egală cu:

Cu curent egal cu 8A:

P0 = I 2 R = (8A) 2 1,13 Ohm = 72 Wt

Pentru 10 astfel de bobine, capacitatea este: P = 10 P0 = 720 Wt

Lungimea firului cu o singură bobină:

L = 2 * π * 0,125 (m) * 250 (ture) = 196m

Greutatea firului de o astfel de lungime:

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

Tabelul 1: Lacune și numărul de ture

Decalaj între viraje Numărul de ture
1 98
2 72
3 55
4 50
5 45

Tabelul 2: Lacune și numărul de ture

Decalaj între viraje Numărul de ture
1 196
2 144
3 110
4 100
5 90

Concluzii

Conform calculelor menționate mai sus pentru bobina eșantionului, se pot face următoarele concluzii:

  1. În primul rând, două geometrii diferite pentru secțiunea transversală a bobinei, una pătrată (10 sm pe lateral) și una dreptunghiulară (5 sm și 10 sm pe părți) produc forțe aproape egale, care afectează dipolul (aproape 25%), dar secțiunea dreptunghiulară va avea o mai bună caracteristici de căldură, deoarece are un raport mai mare suprafață-volum interior. Suprafața asigură răcirea și în interiorul volumului interior se face încălzirea.
  2. În al doilea rând, sursele de energie utilizate (АКИП-1134-300-5) ajută la funcționarea cu tensiune înaltă și cu curenți mici, de aceea este mai preferabil să folosiți sârmă de cupru decât tubul de cupru. Dar calculul propus arată că cu parametri egali, bobinele tuburilor oferă mai multă forță, înseamnă că atunci când sunt utilizate tuburile de cupru, sistemul este mai compact.
  3. Calculele propuse ajută la alegerea construcției optime a bobinei pentru sistemul de control magnetic pentru capsula endoscopică fără fir. Ele pot fi utilizate pentru îmbunătățirea parametrilor tehnici ai sistemului de control în proiectare.

Autorii intenționează să realizeze un eșantion din bobina magnetică aleasă și să o testeze.

Confirmare

Publicația este pregătită în conformitate cu cercetarea științifică în temeiul Acordului dintre „Informatica mobilă” (LLC) și Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse Nr. 14.579.21.0053 din 23.09.2014. Numărul unic de identificare a proiectului este RFMEFI57914X0053.