在具有壁的空间中推进和控制微型机器人的位移的方法和系统技术方案

微型机器人系统，包括微型机器人(100)，其用于通过具有壁(201)的空间的位移，并且由包含磁力场响应材料的主体形成，磁力场发生器(114)，其设计为产生磁力场以沿合力场的方向推动微型机器人通过空间的，以及控制单元，其设计为计算作用在微型机器人上的合力场(116)的方向、幅值和空间变化，控制微型机器人的位移，以及计算微型机器人在壁上的平衡点(102)，并且创建一系列依次执行的场发生步骤，每个步骤包括提供合力场(300)的方向、幅值和空间变化，以用于微型机器人从壁上的一个平衡点到壁上的另一个平衡点的位移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在具有壁的空间中推进和控制微型机器人的位移的方法和系统
本专利技术涉及一种微型机器人系统，其用于在具有壁的空间中推进和控制微型机器人的位移，涉及在所述微型机器人系统中使用的控制单元，以及涉及由控制单元的处理器执行的计算机程序产品。
技术介绍
微型机器人有望将治疗剂靶向输送到人体内的精确位置。但是，磁性微型机器人的使用由于无法在较大的工作体积中对其进行导航而受到限制，如S.Martel在下文所述：“Microroboticsinthevascularnetwork:presentstatusandnextchallenges,”JournalofMicro-BioRobotics,vol.8,no.1,pp.41–52,22013。致动微/纳米机器人的普遍方法是通过磁场对它们进行无线控制，如B.J.Nelson、I.K.Kaliakatsos和J.J.Abbott在下文所公开的：“MicrorobotsforMinimallyInvasiveMedicine,”AnnualReviewofBiomedicalEngineering,vol.12,no.1,pp.55–85,72010。可以使用磁场梯度牵引、旋转磁场和振荡磁场在3D流体环境中实现磁致动。设计为用于在2D表面上进行微操作的磁性微型机器人，通过振荡磁场进行推进以产生机械共振，并且通过在旋转磁场中翻滚进行推进。在US2004/210128A1中描述了微型机器人系统，其示出了旨在推进和控制微型机器人通过患者血管的位移的方法和系统。微型机器人形成有包含力场响应材料的主体，其中，响应于力场，该材料在力场方向上承受力。微型机器人设计为放置在血管中以位移通过血管，以及考虑到沿力场的方向推进微型机器人通过血管，会产生力场并将其施加到微型机器人上。计算力场的方向和幅值，从而控制微型机器人通过患者血管的位移。建议使用MRI系统生成磁场梯度并跟踪微型机器人的位移，该位移可用作位置反馈。使用水而不是血液在塑料(PMMA)管中进行测试，将水泵入塑料管中以产生由流量计调节的水流。微型机器人以3.175mm的碳钢球的形式形成为铁磁球，并放置在管中。施加磁场梯度到微型机器人以产生磁力，从而抵消由于水流而使微型机器人经受的阻力。在测试期间，调节流量计的阀门，直到施加在微型机器人上的阻力被磁力抵消，并且微型机器人到达管中称为水流中平衡位置的位置。没有公开一种微型机器人系统，其允许从一个平衡点将磁性机器人导航到另一个平衡点，特别是在微型机器人在其中移动的空间的壁上(此处为管)。此外，也公开为US2011/301452A1的DE102010022926A1公开了一种将磁梯度场的空间区域定位在目标位置(即，肿瘤)的方法，在磁梯度场中，产生的保持力最大的称为焦点。为了将梯度场的焦点定位在目标位置，将具有至少一个包括至少一个线圈的电磁位置传感器的导管引导至目标位置，以进行图像监测，并且参考从位置传感器测得的信号，将焦点移到目标位置。然后，通过具有肿瘤的目标位置和梯度场的相对位移来改变梯度场相对于目标位置的定位，直到来自位置传感器的信号指示焦点和目标位置相对应为止。这允许磁性纳米颗粒，并且因此特别是包含这种磁性纳米颗粒的微胶囊，以最佳方式局部地集中在目标位置。在一个实施例中，还可以提供一种导管，该导管配置为注射包含要使用的磁性纳米颗粒的微胶囊。然后，将导管移动到目标位置，并且在那里，通过位置传感器，导管不仅用于定位梯度场，而且同时还用于注射微胶囊。因此，DE102010022926A1公开了一种方法，其中，在第一步中，按顺序将梯度场的焦点相对于目标位置进行定位，以及在第二步中，当梯度场的焦点对应于目标位置时，注射微胶囊以位移至梯度场的焦点。微型机器人在具有壁的空间内的导航仍需要改进，尤其是在血液等低粘度液体中，该具有壁的空间，例如是具有弯曲部分和直线部分的管腔，例如，内耳或血管系统的血管，因为微型机器人的位移缺乏精度并且位置，例如微型机器人的平衡位置不稳定，这归因于低粘度液体的低阻尼性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进的微型机器人系统，其用于导航，即用于推进和控制微型机器人，尤其是在具有壁的空间(例如，脑血管系统或内耳)形式的受限的3D体积中，提供在所述微型机器人系统中使用的控制单元，以及提供由所述控制单元的处理器执行的计算机程序产品。微型机器人可以至少间歇地与空间中的壁接触。该目的通过提供根据权利要求1的微型机器人系统，用于所述微型机器人系统的根据权利要求11的控制单元，以及通过控制单元的处理器执行的根据权利要求13的计算机程序产品来实现。提供了一种微型机器人系统，其包括磁力场发生器，所述磁力场发生器设计为产生具有预定的方向、幅值和空间变化的磁力场，以施加到微型机器人，从而推动微型机器人通过空间。优选地，磁力场发生器为具有多个电磁体的磁导航系统的形式，多个电磁体在空间中的预定位置处提供不均匀的磁场，微型机器人系统中包括的微型机器人在其中移动。优选使用电磁体，因为它们具有柔性并且易于控制磁场。即，可以通过改变电磁体内部的电流和/或通过移动电磁体来改变磁场，其中电磁体位于患者周围。但是，也可以使用可在患者周围定位并可移动的永磁体或永磁体与电磁体的组合。在将微型机器人引入空间之前，或者当微型机器人处于空间中时，可以间歇地或连续地用成像系统对微型机器人所移动的空间进行成像。当微型机器人在其中移动的空间相对于外部物体，即空间的外部预先成像时，不需要其它成像系统来导航微型机器人。此方法更好地适合于创建高分辨率图像。另一方面，X射线系统可以在像大脑血管系统或内耳这样的空间中实现微型机器人的实时控制。当空间具有复杂的结构或可以随时间演变的结构时，这种方法适应性更好。引入微型机器人之前获取的高分辨率图像可以与实时X-跟踪(x-tracking)结合使用，从而利用两种成像方法的优势。由多个电磁体产生的磁场的所述不均匀磁场梯度将微型机器人捕获在沿管腔的特定位置处。本专利技术是基于这样的见解，磁场梯度的不均匀性实现了逐步移动，以在受限的体积中从一个特定位置导航到另一特定位置，即从一个平衡点到下一个平衡点。内表面在磁场和磁场梯度下使用，使得微型机器人系统中包含的控制单元确定可能的稳定位置，然后，通过在这些先前确定的稳定配置之间操纵磁场，使微型机器人移动。为了在这些稳定的离散位置之间导航，本专利技术根据磁场梯度的位置依赖性(positiondependence)，从而允许控制单元计算具有局部力平衡的位置。这些对应于微型机器人平衡位置的能量的局部极小值是沿着微型机器人无约束运动方向的磁场梯度的空间变化的结果。磁场梯度的变化，以及因此磁力方向的变化将微型机器人捕获在特定位置。优选地，使用术前成像预先创建3D图像，预先计划导航路径，并在没有连续微型机器人位置反馈的情况下执行路径。沿着这个预定的路径，可以使用集成了X射线系统的人体尺寸的磁导航系统在大型工作空间中导航和监测微型机器人。可以使用软磁性或硬磁性微型机器人。软磁性微型机器人由存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微型机器人系统，包括：/n微型机器人(100，101，102)，其用于通过具有壁(201)的空间的位移，尤其是通过管腔(205，206，207，210)的位移，所述微型机器人(100)由包含磁力场响应材料的主体形成，其中，响应于磁力场，在磁力场的方向上向微型机器人(100)施加力；/n磁力场发生器(114)，其设计为产生施加于微型机器人的具有预定的方向(302)、幅值(301)和空间变化的磁力场，从而沿合力场的方向推动微型机器人通过空间，以及/n控制单元(112)，其连接到磁力场发生器(114)，所述控制单元(112)设计为计算作用在微型机器人上的合力场(116)的方向、幅值和空间变化，控制微型机器人在整个空间以及沿壁(201)的位移，并且使用与空间图像相关的数据以及计算出的合力场(116)的方向、幅值和空间变化来计算微型机器人(100，101，102)在壁上的平衡点(50，102，118)，并且创建一系列依次执行的场发生步骤/n其中，每个场发生步骤包括/n提供合力场(116，300)的方向(302)、幅值(301)和空间变化，以用于微型机器人(100，101，102)在空间(200)中以及沿壁(201)从壁上的一个平衡点(50，102，118)到壁上的另一个平衡点(50，102，118)的位移(51，53)。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181217 EP 18213092.21.微型机器人系统，包括：
微型机器人(100，101，102)，其用于通过具有壁(201)的空间的位移，尤其是通过管腔(205，206，207，210)的位移，所述微型机器人(100)由包含磁力场响应材料的主体形成，其中，响应于磁力场，在磁力场的方向上向微型机器人(100)施加力；
磁力场发生器(114)，其设计为产生施加于微型机器人的具有预定的方向(302)、幅值(301)和空间变化的磁力场，从而沿合力场的方向推动微型机器人通过空间，以及
控制单元(112)，其连接到磁力场发生器(114)，所述控制单元(112)设计为计算作用在微型机器人上的合力场(116)的方向、幅值和空间变化，控制微型机器人在整个空间以及沿壁(201)的位移，并且使用与空间图像相关的数据以及计算出的合力场(116)的方向、幅值和空间变化来计算微型机器人(100，101，102)在壁上的平衡点(50，102，118)，并且创建一系列依次执行的场发生步骤
其中，每个场发生步骤包括
提供合力场(116，300)的方向(302)、幅值(301)和空间变化，以用于微型机器人(100，101，102)在空间(200)中以及沿壁(201)从壁上的一个平衡点(50，102，118)到壁上的另一个平衡点(50，102，118)的位移(51，53)。


2.根据权利要求1所述的微型机器人系统，其中磁力场发生器(114)包括一组电磁体。


3.根据权利要求2所述的微型机器人系统，其中磁力场发生器(114)包括磁共振成像系统。


4.根据权利要求1所述的微型机器人系统，其中磁力场发生器(114)包括一组可移动的永磁体。


5.根据权利要求1-4所述的微型机器人系统，其中微型机器人是至少近似球形的。


6.根据权利要求1-5所述的微型机器人系统，其中控制单元(112)设计为以0.2Hz至1000Hz、优选地为0.5Hz至100Hz、更优选为1Hz至10Hz的频率执行场发生步骤。


7.根据权利要求1-6所述的微型机器人系统，其中控制单元(112)设计为触发磁力场发生器(114)，从而在至少一个力场发生步骤中改变磁场的方向。


8.根据权利要求1-7所述的微型机器人系统，其中在将微型机器人(100)引入空间之前生成与空间图像相关的数据。


9.根据权利要求1-7所述的微型机器人系统，其中实时生成微型机器人(100)的局部环境的与空间图像相关的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·乔特姆斯，B·J·纳尔逊，
申请(专利权)人：苏黎世联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH