Система керування магнітним мікророботом для доправлення лікарських засобів всередені організму людини



Метою даної роботи є описання принципу роботи та структури системи керування магнітним мікророботом. Основною задачею такої системи є доправлення лікарських засобів у тілі людини без інвазивного втручання. Принцип дії заснований на маніпулюванні за допомогою зовнішнього магнітного поля невеликими за розміром магнітними мікрочастинками, які пов'язані між собою та утворюють корпус робота. Така система забезпечує простіші та безпечніші методи лікування деяких захворювань.

Ключові слова--мікроробот, магнітна взаємодія, доправлення ліків.

Вступ

Метою створення системи керування магнітним мікророботом є зменшення кількості випадків необхідності інвазивного втручання до тіла людини. Вирішеною прикладною задачею є процес транспортування, а саме доставка лікарських засобів у необхідне місце в організмі людини. При деяких онкологічних захворюваннях застосовується методика радіотерапії [1], яка являє собою вплив радіоактивними речовинами на злоякісні клітини. При застосуванні розроблюваного пристрою для даного виду терапії можливо опромінювати тканину дуже локально невеликими дозами випромінюванням у важкодоступним місцях та без хірургічного втручання.

Концептуальний опис системи

Зовнішньо основна частина приладу має форму тунелю та нагадує форму апарату МРТ. Людина розміщується всередині апарату, після чого у вену вводиться катетер, який забезпечує інтерфейс для введення та виведення робота у тіло людини.На наступному етапі робот отримує частку лікарського препарату, який поступає через мікрошприц та приймається роботом. Після цього під впливом зовнішнього магнітного поля робот починає рух та потрапляє у тіло людини через катетер. У тілі людини виконується переміщення робота та захопленої ним мікрочастинки ліків по кровоносній системі завдяки магнітному полю. Досягнувши необхідної ділянки тіла робот зупиняється та деякий час впливає на тканину лікарським препаратом. Після виконання опромінення робот повертається у вихідне положення. Отже, можна зауважити що, система складається з таких основних елементів: магнітний мікроробот; установка для генерації зовнішнього магнітного поля; засоби відстеження положення; блок управління системою.

Найважливішим елементом є магнітний мікроробот (зображений на рис. 1), який представляє собою магнітну тканину сконфігуровану таким чином, щоб робот мав змогу приймати необхідні форми та виконувати певні дії.

Рис. 1 Зовнішній вигляд магнітного мікроробота

Дана тканина виготовляється з використанням спеціального гідрогелю [2] та дуже малих магнітних часточок (діполей). На початку виробництва гель знаходиться в рідкому стані, у нього розміщуються магнітні часточки та, за допомогою впливу зовнішнього магнітного поля та лазера, усі частки всередині гелю приймають фіксоване необхідне положення. Таким чином утворюється тканина певної форми та певного розміщення магнітних мікрочастинок всередині, яка утворює корпус робота.

З рис. 1 видно, що робот має чотири основні частини: основу та три руки-захоплювача. Така конфігурація надає роботу можливість ефективно переміщуватись та переміщувати вантаж.

Для приведення робота у рух необхідно застосовувати зовнішнє магнітне поле. Воно виникає у електромагнітах, які встановлені у тунелі установки.

Робот має два типи рухів: рухи руками-захоплювачами та обертання [3]. Рухи руками-захоплювачами застосовуються для фіксування лікувального препарату. Для даної операції застосовується градієнт магнітного поля. При зміненні градієнту робот або підіймає руки-захоплювачі – відкривається або опускає – закривається. Для переміщення робота застосовується інший тип руху – обертання. У закритому стані корпус робота стає схожим на кулю і, коли робот знаходиться у рідинному середовищі, він обертається відштовхуючись від рідини. У кожному з випадків обертання робота виконується завдяки зовнішньому обертовому магнітному полю.

Для отримання зворотного зв'язку у системі використовуються два типи сканування: комп'ютерна томографія та ультразвуковий метод (сонограф). Застосування декількох засобів відстеження положення робота обумовлюється обмеженнями системи які накладає взаємодія з тілом людини [4-5]. Комп'ютерна томографія (КТ) має велику роздільну здатність тому її необхідно застосовувати для отримання точної моделі необхідної ділянки тіла. Ця модель буде використовуватись як мапа для навігації робота.

Сонограф застосовується для миттєвого відстеження робота у тілі. Завдяки великій частоті оновлення та абсолютній безпеці для людини, ультразвуковий метод добре підходить для цієї задачі. Усі дані, що надходитимуть з обох джерел оброблюватимуться за допомогою системи розпізнавання образів.

Опис структури системи

Оскільки сам мікроробот є майже елементарною частиною системи з точки зору кількості елементів та їх конструкції, у даному розділі буде описана структура блоків які забезпечують переміщення та відстеження робота. Загальну структуру представлено на рис.2.

Рис. 2 Структура системи

З рис. 2 видно, що в загальному вигляді структура пристрою складається з таких модулів: блок давачів забезпечення переміщення, блок давачів розпізнавання положення, блок обробки інформації зворотного зв'язку, обчислювальний пристрій, блок виконавчих пристроїв забезпечення переміщення, блок виконавчих пристроїв забезпечення розпізнавання положення та блок пристроїв вводу/виводу.

Блок давачів забезпечення переміщення містить: блок давачів положення магнітних напрямних, давач поздовжнього переміщення, давач сили магнітного потоку, давач вектору магнітного потоку, давач магнітної проникності, давач ультразвукової проникності. Блок давачів розпізнавання положення містить у собі чутливі елементи, які необхідні для отримання інформації про моментальне положення робота та складається з газових та твердотілих детекторів. Ці детектори є частинами апарату комп'ютерної томографії. Блок виконавчих пристроїв забезпечення переміщення складається з наступних елементів: блок двигунів магнітних напрямних, двигун поздовжнього переміщення, котушки генерації магнітного поля, трансформатор, блок керування частотою змінного струму. Блок виконавчих пристроїв забезпечення розпізнавання положення містить: електронно-променеву трубку (елемент КТ), генератор (елемент КТ), випромінювач-детектор (елемент сонографа). Блок пристроїв вводу/виводу містить запам'ятовуючий пристрій. Основним елементом системи є обчислювальний пристрій який збирає інформацію та генерує керуючі сигнали для виконавчих пристроїв. При обробці зображень для розпізнавання образів необхідний швидкий та надійний пристрій, який матиме змогу отримувати, корегувати та надавати інформацію щодо положення магнітів та сили їх магнітного поля, аби керувати мікророботом в реальному часі.

Висновки

В роботі розглянута концепція побудови та функціонування системи керування магнітним мікророботом для доправлення лікарських засобів всередині організму людини. Розглянуті основні складові системи, їх особливості та призначення. Серед перспектив подальшого розвитку теми є побудова математичної моделі системи керування рухом мікроробота за визначеної траєкторією.

Література

{1} Applications of micromechatronics in minimally invasive surgery / F.Tendick, S. Sastry, R. Fearing, M. Cohn. // IEEE/ASME Trans. Mechatron. – 1998. – С. 34–42.

{2} Microrobots for Minimally Invasive Medicine / B. Nelson, I. Kaliakatsos, J. Abbott. // Annual Review of Biomedical Engineering. – 2010. – С. 79.

{3} Millimeter-scale flexible robots with programmable three-dimensional magnetization and motions / T. Xu, J. Zhang, M. Salehizadeh, O. Onaizah, E. Diller. // Robotic Science. – 2019. – С. 5-7.

{4} A Tumbling Magnetic Microrobot System for Biomedical Applications / E. Niedert, C. Bi, G. Adam, E. Lambert, L. Solorio, C. Goergen, D. Cappelleri. // Micromachines. – 2020. – С. 6.

{5} Control of Magnetically-Driven Screws in a Viscoelastic Medium / Z. Zhang, A. Klingner, S. Misra, S. Khalil. // Micromachines. – 2020. – С. 17.

Dec 5, 2021