CN113332565B - 一种基于安培力的柔性导管及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安培力的柔性导管及其控制方法。外层软管一端开口作为开口端，另一端封闭作为封闭端，通电导线对折布置分为两段，其中一段通电导线上包覆有磁屏蔽材料，另一段通电导线上未包覆磁屏蔽材料，中间的对折部置于外层软管封闭端内，通电导线的两端伸出外层软管开口端外后与外部电源的两个电极电连接形成回路。本发明的柔性导管具有良好的偏转性能，外部磁场不变下，通过导线的电流改变导管的偏转角度，完成对柔性导管姿态的控制，或在导线的电流不变时，改变外部磁场来改变导管偏转角度；也可以同时改变导管中导线的电流和外部磁场来改变导管偏转角度，此外本发明的柔性导管还可以与其他不具备此特性的导管相结合实用。

Description

一种基于安培力的柔性导管及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种柔性导管的制作和方法，尤其涉及导管在磁场中的姿态变化控制。

背景技术

根据导管的结构不同，有不同的导管控制方法，适用于不同的情况。常用的导管多使用永磁铁，其运动姿态的控制需要通过外部磁场的变化来实现，当外部磁场不变时，导管无法受控改变姿态。若需要在磁场保持不变的情况下改变导管姿态，则需要对导管结构进行一定的改造，使导管能够通过自身通电电流的变化来改变姿态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于安培力柔性导管及其控制方法，用于柔性导管的姿态控制。

一、基于安培力的柔性导管

本发明的柔性导管包括通电导线、磁屏蔽材料和外层软管；外层软管一端开口作为开口端，外层软管另一端封闭作为封闭端，通电导线对折布置分为两段，其中一段通电导线的一处或多处上包覆有磁屏蔽材料，另一段通电导线上未包覆磁屏蔽材料，中间的对折部置于外层软管封闭端内，通电导线的两端伸出外层软管开口端外后分别与外部电源的两个电极电连接形成回路。

在磁场中，包有磁屏蔽材料的一段通电导线与未包有磁屏蔽材料的另一段通电导线所受的安培力不相等，使得通电导线所受合力不为零，即两边通电导线受力之差不为零，进而使得柔性导管受到外力，发生形变，偏转一定的角度，中间的对折部置于外层软管封闭端内，通电导线的两端伸出外层软管开口端外后分别与电源的两个电极电连接形成回路。

具体为：外层软管一端开口作为开口端，外层软管另一端封闭作为封闭端，通电导线的一端与电源的一个电极电连接，通电导线的另一端从外层软管开口端通向外层软管封闭端，然后经反向弯折再从外层软管封闭端到外层软管开口端延伸后与电源的另一个电极电连接，并形成回路，从外层软管开口端通向外层软管封闭端的通电导线上的一处包覆有磁屏蔽材料，且在从外层软管封闭端通向外层软管开口端的通电导线上不包覆磁屏蔽材料，或者从外层软管封闭端通向外层软管开口端的通电导线上包覆有磁屏蔽材料，且在从外层软管开口端通向外层软管封闭端的通电导线上不包覆有磁屏蔽材料，在磁场中，包覆有磁屏蔽材料的通电导线与未包覆有磁屏蔽材料的通电导线所受的安培力不相等，使得通电导线所受合力，即两边通电导线受力之差不为零，进而使得柔性导管受到外力，发生形变，偏转一定的角度。磁场中的通电导线会受到安培力的作用，安培力的大小和磁场的磁感应强度、通电电流大小和导线长度成正比，安培力的受力方向和电流方向、磁场方向有关，可以由左手定则得到，在柔性导管内的导线回路中，其中包裹有小段的磁屏蔽材料部分的通电导线所受的内部磁场变弱，包裹有小段的磁屏蔽材料部分的通电导线所受外部磁场的安培力可忽略；对应位置的另一条通电导线不包裹任何物质，两条导线受力不相等，进而使得柔性导管受到外力。

所述的外层软管采用柔性材料制作而成。

所述的磁屏蔽材料采用铁氧体磁性材料制作而成。

所述的通电导线采用铜材料或铝材料制作而成。

二、基于安培力的柔性导管的控制方法

包括以下步骤：

S1：将柔性导管和外源的摄像头、磁场发生装置、控制器和电源组成控制系统，在对柔性导管进行控制的过程中，将摄像头和控制器连接，电源分别与柔性导管的开口端、控制器以及磁场发生装置连接；

S2：由控制系统中的摄像头获取柔性导管的所在位置和前进线路的信息，并发送至控制器，控制器根据获得的信息得到柔性导管的预期偏转角θ；

S3：采用以下公式获得柔性导管的预期偏转角θ与磁场发生装置的磁感应强度以及通电导线的电流之间的对应关系：其中，在计算符合柔性导管的磁场发生装置的磁感应强度时，控制通电导线的电流不变；在计算符合柔性导管的预期偏转角θ的通电导线的电流时，控制磁场发生装置的磁感应强度不变；

式中，E表示柔性导管的弹性模量；I₀表示柔性导管轴截面的面积惯性矩；B表示磁感应强度；d表示通电导线的长度；I表示通电导线的电流；L表示柔性导管的长度；ε表示与磁屏蔽效果有关的常数；r表示外层软管开口端到磁屏蔽材料之间的向量；具体实施中，从外层软管开口端通向外层软管封闭端的通电导线上包覆的磁屏蔽材料可以有很多个或者从外层软管封闭端通向外层软管开口端的通电导线上包覆有磁屏蔽材料可以有很多个，此时式中的r为各个磁屏蔽材料到柔性导管开口端之间的向量的和。

S4：根据柔性导管的预期偏转角θ与磁场发生装置的磁感应强度以及通电导线的电流之间的对应关系，控制器处理获得磁场发生装置的磁感应强度或通电导线的电流，并向电源发送指令，电源根据得到的磁感应强度指令向磁场发生装置施加相应的磁感应强度，此时通电导线的电流保持不变，或电源根据得到的通电导线的电流指令向柔性导管施加相应的电流，此时磁场发生装置的磁感应强度保持不变；

然后，在磁场或电流作用下，外层软管中包有磁屏蔽材料的一段通电导线与未包有磁屏蔽材料的另一段通电导线所受的安培力不相等，使得外层软管中的通电导线所受的合力不为零，即两段通电导线受力之差不为零，进而使得柔性导管受到外力，柔性导管在外力作用下发生偏转，偏转的角度记为实际偏转角α，完成一次偏转操作；

S5：柔性导管完成一次偏转操作后，摄像头检测柔性导管的实际偏转角α与获得的预期偏转角θ是否相等，然后进行下一步骤S6；

S6：进行以下判断：若摄像头检测到的柔性导管的实际偏转角α与预期偏转角θ相等，则柔性导管继续沿着前进线路运动；

若摄像头检测到的柔性导管的实际偏转角α与预期偏转角θ不相等，则将柔性导管的实际偏转角α与预期偏转角θ之间差值的绝对值作为下一次偏转操作的柔性导管的预期偏转角，然后重复步骤S3-步骤S5，直至摄像头检测到的柔性导管的实际偏转角与预期偏转角相等；每一次偏转操作的通电导线的电流值或磁场发生装置的磁感应强度值在上一次偏转操作的通电导线的电流值或磁场发生装置的磁感应强度值的基础上增加或减少相应的值，第一次偏转操作的通电导线的电流值或磁场发生装置的磁感应强度值是根据计算公式计算得到的符合步骤S2中的柔性导管的预期偏转角θ的通电导线的电流值或磁场发生装置的磁感应强度值。

本发明利用通电导线在磁场中所受到的安培力来实现导管的姿态控制，并利用了顺磁性材料的磁屏蔽作用。磁场中的通电导线受力大小和磁场的磁感应强度、导线中电流大小以及导线的长度成正比，受力方向可以通过左手定则得到，即将左手的五指伸直，使大拇指和其它四指在空间内相互垂直，磁感线垂直穿过手心，四指的方向和电流的方向相同，此时大拇指所指向的方向就是导线所受的安培力的方向。在导管中穿过通电导线，就可以利用该导线在磁场中所受到的安培力实现对导管姿态变化的控制。通电导线从导管末端通向尖端，再从尖端返回，形成回路，两个方向的导线受力大小相等，方向相反，合力为零。为了得到对导管的力，本发明在其中一条导线的部分位置上包裹磁屏蔽材料如铁氧体，另一条导线相同位置直接暴露在磁场中，包裹了磁屏蔽材料的区域内部磁场降低，受力减小，两条导线所受安培力大小不再相等，受力之差即为对整个导管的力。

利用本发明的技术方案所制作的柔性导管，在外部磁场不变的情况下，通过改变导管中导线的电流，就可以改变柔性导管的偏转姿态。利用这种方法制作的导管，不仅可以利用外部磁场的变化控制其姿态，也可以在外部磁场不变的情况下，通过调节导线中电流的大小控制导管的姿态。

本发明的有益效果是：

本发明的柔性导管具有良好的偏转性能，可以在外部磁场不变的情况下，通过改变导管中导线的电流，就可以改变柔性导管的偏转角度，以完成对柔性导管姿态的控制，或者在保持柔性导管中导线的通电电流不变，改变外部磁场来改变导管偏转角度；也可以同时改变导管中导线的电流，来改变导管偏转角度，此外本发明的柔性导管还可以与其他不具备此特性的导管相结合实用。

附图说明

图1是通电导线在磁场中的受力示意图；

图2是导管结构示意图；

图3是系统工作示意图。

图中，1通电导线、2磁屏蔽材料、3外层软管、4柔性导管、5摄像头、6磁场发生装置、7控制器、8电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明的柔性导管4包括通电导线1、磁屏蔽材料2和外层软管3；通电导线1和磁屏蔽材料2位于外层软管3内，通电导线1一处或多处上包覆有磁屏蔽材料2，具体实施中只要有一处包覆磁屏蔽材料2即可，在任何位置上以实现不平衡为目的。具体实施的外层软管3采用柔性材料制作而成；磁屏蔽材料2采用铁氧体磁性材料制作而成；通电导线1采用铜材料或铝材料制作而成。

外层软管3一端开口作为开口端，外层软管3另一端封闭作为封闭端，通电导线1对折布置分为两段，其中一段通电导线1的一处或多处上包覆有磁屏蔽材料2，另一段通电导线1上未包覆磁屏蔽材料2，在磁场中，包有磁屏蔽材料2的一段通电导线1与未包有磁屏蔽材料2的另一段通电导线1所受的安培力不相等，使得通电导线所受合力不为零，即两边通电导线1受力之差不为零，进而使得柔性导管受到外力，发生形变，偏转一定的角度，中间的对折部置于外层软管封闭端内，通电导线的两端伸出外层软管3开口端外后分别与电源的两个电极电连接形成回路。

具体实施中，外层软管3一端开口作为开口端，外层软管3另一端封闭作为封闭端，通电导线1的一端与电源的一个电极电连接，通电导线1的另一端从外层软管3开口端通向外层软管3封闭端，然后经反向弯折再从外层软管3封闭端到外层软管3开口端延伸后与电源的另一个电极电连接，并形成回路，从外层软管3开口端通向外层软管3封闭端的通电导线1上的一处包覆有磁屏蔽材料2，且在从外层软管3封闭端通向外层软管3开口端的通电导线1上不包覆磁屏蔽材料2，或者从外层软管3封闭端通向外层软管3开口端的通电导线1上包覆有磁屏蔽材料2，且在从外层软管3开口端通向外层软管3封闭端的通电导线1上不包覆有磁屏蔽材料2，在磁场中，包覆有磁屏蔽材料2的通电导线1与未包覆有磁屏蔽材料2的通电导线1所受的安培力不相等，使得通电导线1所受合力，即两边通电导线1受力之差不为零，进而使得柔性导管4受到外力，发生形变，偏转一定的角度。磁场中的通电导线1会受到安培力的作用，安培力的大小和磁场的磁感应强度、通电电流大小和导线长度成正比，安培力的受力方向和电流方向、磁场方向有关，可以由左手定则得到，在柔性导管4内的导线回路中，其中包裹有小段的磁屏蔽材料2部分的通电导线1所受的内部磁场变弱，包裹有小段的磁屏蔽材料2部分的通电导线1所受外部磁场的安培力可忽略；对应位置的另一条通电导线1不包裹任何物质，两条导线受力不相等，进而使得柔性导管4受到外力。

通电导线在磁场中所受的安培力方向可以由左手定则得到，其内容为：伸平左手，使大拇指与其他四指垂直，磁场指向手心，四指指向导线中的电流方向，则大拇指所指的方向即为通电导线在磁场中受到的安培力方向。如图1所示，磁场B方向为垂直纸面向内，导线1中的电流I方向为向上，根据左手定则，此时导线受到的安培力F方向为水平向左。

已知长度为d，电流为I的一段导线在磁感应强度为B的磁场中所受的安培力F₁采用以下公式计算：

F₁＝Id×B(1)

式中，I表示通电导线1的电流；d表示通电导线1的长度；B代表磁感应强度；

假设在磁屏蔽材料2的内部磁场减弱为εB，其中ε是一个和磁屏蔽效果有关的常数，满足ε＜＜1，则被磁屏蔽材料2包覆的通电导线1所受的安培力F₂采用以下公式计算：

F₂＝εId×B (2)

通电导线1所受的合力F为：

F＝(1-ε)Id×B (3)

通电导线1的力矩τ采用以下公式计算：

τ＝r×F＝(1-ε)r×(I·d×B) (4)

式中，r表示柔性导管4开口端到磁屏蔽材料2之间的向量；

根据欧拉-伯努利梁理论，导管偏转的弯矩大小||τ_L||为

式中，E为柔性导管4的弹性模量，I₀为柔性导管4轴截面的面积惯性矩，L表示柔性导管4的长度；θ为偏转角，因此，柔性导管4偏转的平衡方程为

柔性导管4偏转角可通过下式求得

本发明中，可以利用一个包含了多个电磁铁的系统来产生外部磁场。电磁铁所产生的磁场与该电磁铁的通电电流i呈正比，因此，一个包含了n个电磁铁的系统所产生的磁场B为

其中，k_e为该电磁铁在该点处所产生磁场与通电电流的比例系数，该系数与电磁铁本身以及该点位置有关，i_e为该电磁铁的通电电流。

如图3所示，基于安培力的柔性导管的控制方法，是利用摄像头装置对导管当前位置进行检查，结合预期的导管运动路线，得到导管所需要的偏转角度。由控制系统计算出为了得到该转向所需的磁场和导管中导线的通电电流，将对应的信号发送给电源，为电磁铁系统和导管通相应的电流，使导管发生对应的形变。最终通过多次迭代使导管运动到目标位置。具体包括以下步骤：

S1：将柔性导管4和外源的摄像头5、磁场发生装置6、控制器7(一般是电脑)和电源8组成控制系统，在对柔性导管4进行控制的过程中，将摄像头5和控制器7连接，电源8分别与柔性导管4的开口端、控制器7以及磁场发生装置6连接；

S2：由控制系统中的摄像头5获取柔性导管4的所在位置和前进线路的信息，并发送至控制器7，控制器7根据获得的信息得到柔性导管4的预期偏转角θ；

S3：采用以下公式获得柔性导管4的预期偏转角θ与磁场发生装置6的磁感应强度以及通电导线1的电流之间的对应关系：其中，在计算符合柔性导管4的磁场发生装置6的磁感应强度时，控制通电导线1的电流不变；在计算符合柔性导管4的预期偏转角θ的通电导线1的电流时，控制磁场发生装置6的磁感应强度不变；

式中，E表示柔性导管4的弹性模量；I₀表示柔性导管4轴截面的面积惯性矩；B表示磁感应强度；d表示通电导线1的长度；I表示通电导线1的电流；L表示柔性导管4的长度；ε表示与磁屏蔽效果有关的常数；r表示外层软管3开口端到磁屏蔽材料2之间的向量；具体实施中，从外层软管3开口端通向外层软管3封闭端的通电导线1上包覆的磁屏蔽材料2可以有很多个或者从外层软管3封闭端通向外层软管3开口端的通电导线1上包覆有磁屏蔽材料2可以有很多个，此时式中的r为各个磁屏蔽材料2到柔性导管4开口端之间的向量的和。

其中，在通电导线1的电流确定的情况下，计算所需磁场B可能会有多个解满足需求，可利用下式选取最优解，即选取使得电磁铁系统电流变化量最小的一组解：

式中，i_e为电磁铁e所需的电流，i_e’为当前的电磁铁e的通电电流。

S4：根据柔性导管4的预期偏转角θ与磁场发生装置6的磁感应强度以及通电导线1的电流之间的对应关系，控制器7处理获得磁场发生装置6的磁感应强度或通电导线1的电流，并向电源8发送指令，电源8根据得到的磁感应强度指令向磁场发生装置6施加相应的磁感应强度，此时通电导线1的电流保持不变，或电源8根据得到的通电导线1的电流指令向柔性导管4施加相应的电流，此时磁场发生装置6的磁感应强度保持不变；

然后，在磁场或电流作用下，外层软管3中包有磁屏蔽材料2的一段通电导线1与未包有磁屏蔽材料2的另一段通电导线1所受的安培力不相等，使得外层软管3中的通电导线1所受的合力不为零，即两段通电导线1受力之差不为零，进而使得柔性导管4受到外力，柔性导管4在外力作用下发生偏转，偏转的角度记为实际偏转角α，完成一次偏转操作；

S5：柔性导管4完成一次偏转操作后，摄像头5检测柔性导管4的实际偏转角α与获得的预期偏转角θ是否相等，然后进行下一步骤S6；

S6：进行以下判断：若摄像头5检测到的柔性导管4的实际偏转角α与预期偏转角θ相等，则柔性导管4继续沿着前进线路运动；

若摄像头5检测到的柔性导管4的实际偏转角α与预期偏转角θ不相等，则将柔性导管4的实际偏转角α与预期偏转角θ之间差值的绝对值作为下一次偏转操作的柔性导管4的预期偏转角，然后重复步骤S3-步骤S5，直至摄像头5检测到的柔性导管4的实际偏转角与预期偏转角相等；每一次偏转操作的通电导线1的电流值或磁场发生装置6的磁感应强度值在上一次偏转操作的通电导线1的电流值或磁场发生装置6的磁感应强度值的基础上增加或减少相应的值，第一次偏转操作的通电导线1的电流值或磁场发生装置6的磁感应强度值是根据计算公式计算得到的符合步骤S2中的柔性导管4的预期偏转角θ的通电导线1的电流值或磁场发生装置6的磁感应强度值。

因此，利用本发明的方法制作的柔性导管，在进行导管姿态控制时，可以将导管放置在一个不变磁场中，通过改变导管的通电电流来改变导管的偏转角度，以完成对导管姿态的控制。除此之外，也可以保持导管中导线的通电电流不变，改变外部磁场来改变导管偏转角度；也可以同时改变导管中导线的电流，来改变导管偏转角度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于安培力的柔性导管，其特征在于：所述的柔性导管(4)包括通电导线(1)、磁屏蔽材料(2)和外层软管(3)；外层软管(3)一端开口作为开口端，外层软管(3)另一端封闭作为封闭端，通电导线(1)对折布置分为两段，其中一段通电导线(1)的一处或多处上包覆有磁屏蔽材料(2)，另一段通电导线(1)上未包覆磁屏蔽材料(2)，中间的对折部置于外层软管(3)封闭端内，通电导线(1)的两端伸出外层软管(3)开口端外后分别与外部电源的两个电极电连接形成回路。

2.根据权利要求1所述的基于安培力的柔性导管，其特征在于：所述的外层软管(3)采用柔性材料制作而成。

3.根据权利要求1所述的基于安培力的柔性导管，其特征在于：所述的磁屏蔽材料(2)采用软磁材料制作而成。

4.根据权利要求1所述的基于安培力的柔性导管，其特征在于：所述的通电导线(1)采用非磁性导电材料制作而成。

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