一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法

摘要

一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法，通过外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC控制模块组成控制系统以实时控制磁性微纳机器人。通过外源磁场发生装置产生前进的旋转磁场驱动磁性微纳机器人在血管壁内逆着血流运动而不会被冲走。磁性微纳机器人包括磁性主体层，磁性主体层为多刺状结构，该结构使磁性微纳机器人在运动过程中配合旋转磁场既能产生较大的摩擦推进力，而且减小了运动中所受的阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人运动的控制方法，更具体的说是一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法。

背景技术

现有的微纳机器人相关研究主要集中在微纳结构加工、多物理场驱动及运动行为控制等方面，真正在生物体内药物精准靶向递送方面的研究甚少。其核心问题在于现有微纳机器人的很难穿越复杂的生物组织屏障将药物定向递送到病变组织。生物体内，血液循环遍布在体内的所有组织，是连通各个组织的主要通道，因此，通过血液可以将药物输送到大部分的病变区域。然而由于血液成分复杂，含有大量的生物蛋白和血细胞，会对微纳机器人产生粘附的影响；其次血管中血流速度较高，微纳机器人的冲击较大，特别是主静脉中的血流速度达到了2-4cm/s，这也大大限制了微纳机器人的运动性能。因此，设计并制备一种能够在血管中可控逆血流、顺血流运动的微纳机器人及其精准导航控制系统，不仅提升药物靶向的准确性，还可大大拓展微纳机器人的应用范畴，为微纳无创手术治疗、生物传感检测、精准靶向治疗等生物医疗领域技术的发展提供新的途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法，可以控制磁性微纳机器人在静脉中灵活移动。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法，通过外源磁场发生装置、运动信息采集单元和PC控制模块组成控制系统以实时控制磁性微纳机器人，所述外源磁场发生装置能够产生旋转磁场来驱动磁性微纳机器人运动。

作为本发明的进一步优化，磁性微纳机器人通过静脉注射技术直接着床到注射位置的静脉血管内壁上。

作为本发明的进一步优化，磁性微纳机器人包括磁性主体层，所述磁性主体层为含有Fe-O的磁性层，优选为为四氧化三铁，磁性主体层优选为为多刺状结构。

本发明一种磁性微纳机器人在静脉中运动的控制方法的有益效果为：

1.在旋转磁场控制下，磁性微纳机器人可以通过静脉血管到达体内各组织的癌变区；

2.多刺状结构的磁性微纳机器人通过旋转磁场的驱动既能产生较大的摩擦推进力，而且减小了运动中所受的阻力。

3.多刺状结构的磁性微纳机器人装载药物到达病变区域后，可以通过旋转磁场控制在病变区域进行驻停，进而通过其他激励进行药物释放等后续工作；

4.多刺状结构的磁性微纳机器人驻停后可以通过调整旋转磁场实现微纳机器人的二次启动，可以实现多区域、多段式的工作模式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1以示意性显示了磁性多刺状微纳机器人的工作流程；

图中：

注射器1；

磁性微纳机器人2；

血液流动方向3；

血管壁4。

具体实施方式

通过外源磁场发生装置控制磁性微纳机器人2在静脉血管中进行顺流、逆流和随时启停的运动；运动信息采集单元实时采集微纳机器人的运动情况并返回到PC控制模块；PC控制模块分析微纳机器人的运动情况并根据需求发布实施指令。

其中，外源磁场发生装置包括正交分布的三组亥姆霍兹线圈组成，分别布置在空间坐标x、y和z三个轴向方向，来形成三维亥姆霍兹线圈。通过调节电流调控三组线圈产生的磁场，x轴和y轴施加正弦电流时会产生xoy面内的旋转磁场，x轴和z轴施加正弦电流时会产生xoz面内的旋转磁场。进一步的，外源磁场发生装置还包括三维麦克斯韦线圈，三维亥姆霍兹线圈可以在血管内部产任意平面内的均匀旋转磁场，而三维麦克斯韦线圈能产生任意方向的梯度磁场，因此三组麦克斯韦线圈分别与三组亥姆霍兹线圈同轴设置，可以实现微纳机器人在血管内的六自由度的运动，用于实现微纳机器人任意方向的水平推进，也能通过施加压力增加微纳机器人与血管壁的摩擦力。

其中，运动信息采集单元基于生物活体多模态成像技术将采集的运动行为传输回PC控制模块进行分析以指导新的运动指令的发布。

其中，PC控制模块主要包括图像分析软件和运动指令输出软件。采用多模态成像技术的图像分析软件即荧光成像来分析微纳机器人的运动行为，以此通过LABVIEW软件调整磁场发生器的输入电流产生新的磁场模式驱动微纳机器人的运动。

进一步的，通过静脉注射技术可以使大多数的磁性微纳机器人2直接着床到注射位置的静脉血管内壁上。如图1中Ⅰ区域所示，当注射器1的针头插入血管中心以下区域时，通过静脉推注，推注速度大于1cm/s，可以使得大部分磁性微纳机器人2可以直接着落在血管壁4上。

进一步的，通过外源磁场发生装置产生前进的旋转磁场驱动磁性微纳机器人2在血管壁4内逆着血流运动而不会被冲走。如图1中Ⅱ区域所示，在xoz平面内的旋转磁场作用下，多刺状磁性微纳机器人受到转矩而滚动，进而在血管内壁上滚动前进。

通过体外模拟实验，多刺状磁性微纳机器人可逆最大血流速度2cm/s运动。通过小鼠体内实验验证了该多刺状磁性微纳机器人在静脉中的逆流效果。

进一步的，通过外源磁场发生装置产生前进的旋转磁场驱动微纳机器人的在血管内壁上顺着血流进行速度的可控的运动而不会被冲走。顺流运动的驱动磁场是与逆流运动的驱动磁场所在平面都是xoz平面，不过磁场旋转方向相反。在实际运动中，可以实时调节磁场的方向控制多刺状微纳机器人逆流或顺流运动。

进一步的，通过外源磁场发生装置产生位于xoy平面内原位的旋转磁场驱动多刺状微纳机器人原位旋转并与血管壁4内壁的组织发生缠绕粘连作用而停留在目标位置，方便多刺状微纳机器人进行后续的工作，该过程如图1中Ⅲ区域所示。

进一步的，在目标位置停留后，通过外源磁场发生装置产生与停留时相反方向的旋转磁场而解开与血管内壁组织的缠绕粘连状态，进而通过调节磁场为xoy面的旋转磁场而实现再次启动，该过程如图1中Ⅳ区域所示。

本申请的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本申请技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本申请的保护范围内。