用于操纵线圈功率优化的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及磁场中磁铁的操纵，更具体的说，涉及一种基于磁场的操纵系统、 用于操纵可吞下的体内装置的方法和基于其电功率被提供至操纵系统的优化方法。
【背景技术】
[0002] 体内测量系统和其它类型的体内系统(例如用于执行外科手术和雷类似手术的体 内装置)在本领域中是已知的。可穿过胃肠（"GI"）系统(嘴至肛门）或其它身体器官/系统的 一些体内装置/体内系统可包括用于对GI系统的内部成像(例如，捕获GI系统的内部图像） 的成像传感器或成像器。体内装置可包括一个或多个成像器。其它体内装置能可选地或额 外地包括用于在GI系统中给药的药物容器和器件。其它体内装置可包括用于执行体内手术 等的器件。自主体内装置是通过消化系统施加的蠕动力被推动通过GI系统而穿过GI系统的 装置。自主体内装置也可时断时续地"间歇地"在肠道中移动。
[0003] 通过使用蠕动力将装置在体内移动具有缺点。例如，体内装置可被不受控制地卡 在GI系统的某处长达未知的时间段;装置可能在一个方向上捕获图像，同时可能在临床上 更关注的附近区域不被充分成像或根本不成像等。
[0004] 存在用于磁性地操纵体内装置的磁性操纵系统。可通过将磁铁结合到装置中来磁 性地操纵装置。这种操纵系统可被设计成将体内感测装置从一个空间位置磁性地移动至另 一个空间位置并且变换其空间取向（例如滚动角、俯仰角和/或偏转角）。
[0005] 常规磁性操纵系统具有缺点。例如，一些系统被允许过于稳健以便能够提供较大 的磁场产生电流同时允许操纵系统消耗过量的电功率。常规磁性操纵系统相对于被输出至 GI系统的各个区域的磁场和磁力的优化是不加区别的。
[0006] 例如，假设磁性操纵系统可通过使用电流的各种组产生用于操纵装置的操纵磁场 模式（"MMP"），其中每一个电流被提供至电磁铁，将有益的是，能够选择电流组使得通过这 些电流产生MMP将导致尽可能与期望的磁力接近的磁力并且如果需要导致尽可能小的总电 功率。
【发明内容】
[0007] 优化单元可控制操纵电磁铁的电流以便产生可将体内装置在GI系统中移动的操 纵磁场模式(MMP)。控制器(例如，运动控制器)可计算期望的磁力和/或期望的磁场的值，该 值可取决于例如GI系统中的装置的位置/取向（当前或预期/目标)和可选地取决于GI系统 中的装置的速度/速率。控制器能将可表示例如第一磁场细节组的数据或包括或表示用于 移动体内装置的第一磁场、第一磁力和第一磁扭矩的数据输出（并且传输例如至优化单 元）。优化单元可接收表示第一磁场细节组的数据并且它可将需要的磁力或需要的磁场(例 如通过控制器计算的磁力/磁场或由其推导或以其它方式与其相关联的磁场)选择为优化 目标。优化单元可求解优化目标以获得电磁铁的电流的最佳配置或最佳组或为电磁铁获得 电流的最佳配置或最佳组使得将这些电流提供至操纵电磁铁导致与期望的磁力尽可能接 近的磁力。优化单元可获得电流的最佳组使得与优化目标相关联或符合来自优化目标的预 定的或预选的约束组。
[0008] 优化单元可额外地或可选地将最小电功率(电磁铁消耗的功率)选择为最佳目标。 优化单元可求解最小功率优化目标以为电磁铁获得电流的最佳配置或最佳组使得由这些 电流将被提供至其的电磁铁所消耗的所得总功率将会最小。优化单元可获得电流的最佳组 使得符合与最低电功率优化目标相关联或由最低电功率优化目标推导的预定的约束组。需 要的磁力和与任何优化目标一起使用的约束组可取决于GI系统/道中的操纵装置的当前位 置和/或取向和/或速度/速率，或根据GI系统/道中的操纵的装置的当前位置和/或取向和/ 或速度/速率而设定。
【附图说明】
[0009] 在附图中说明各种示例性实施例，其意图是这些示例不是限制性的。将理解的是， 为了说明的简单化和清楚起见，在下面引用附图中示出的元件不一定按比例绘制。在被认 为合适的地方，参考标号也可在图中重复以指示相同的、相应的或类似的元件。在附图中：
[0010] 图1说明了根据示例性实施例的环形电磁铁组件/设置；
[0011] 图IA示出了根据示例性实施例的电功率优化系统的高级框图；
[0012]图2描绘了根据示例性实施例的操纵电磁铁系统；
[0013] 图3A是根据示例性实施例的磁性操纵系统的框图；
[0014] 图3B是根据示例性实施例的磁性操纵控制系统的框图；
[0015]图4是根据示例性实施例的体内系统的框图；
[0016] 图5示出了根据示例性实施例的磁性操纵方法；
[0017] 图6示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；
[0018] 图7示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；
[0019] 图8示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；
[0020] 图9示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法。
【具体实施方式】
[0021] 如下描述提供了示例性实施例的各种细节。但是，该描述并不旨在限制权利要求 的范围而是解释本发明的各种原理和其的实施方式。
[0022] 磁性操纵系统可包括例如用于控制体内装置在期望的方向和/或以期望的速度移 动的运动控制器和用于为符合受到相关约束组的优化目标的电磁铁组选择或计算电流的 最佳组的优化单元。计算电磁铁的电流涉及需要使用约束求解偏微分方程组和求解方程。 优化单元可例如在使用线性系统的方程时输出解(例如以为电磁铁或用于电磁铁的电流组 或电流配置或表示这种电流的数据的形式）。
[0023] 假设电磁铁是无芯（它不包括"磁"芯）的，由这种电磁铁产生的磁场(B)与通过/进 入电磁铁的电流呈线性关系。因为磁力(F)和磁扭矩(T)与产生磁力和磁扭矩的磁场呈线性 关系，所以磁力和磁扭矩与电流也呈线性关系。由于电流和磁场B、磁力F和磁扭矩T之间的 线性关系，所以有益的是(例如为简单起见），在磁操纵系统中通过求解线性方程组来计算 用于操纵电磁铁的电流。然而，因为操纵电磁铁可包含铁芯，所以"线性"电流被补偿用于由 芯导致的去线性化效应。（通过"线性电流"是指例如不存在磁芯时维持电流和磁场/磁力/ 磁扭矩之间的线性关系的电磁铁的电流。通过"实际电流"在此是指纳入或补偿由于电磁铁 的芯导致的非线性的线性电流的描述）。因此，当本发明的电磁铁被"实际电流"驱动(供应） 时，电磁铁电流的重新计算(例如按比例缩小电流或按比例降低电流)在线性域/空间中进 行。即，如果需要的话，实际电流可迭代地被转换回线性电流并重新计算(例如通过使用按 比例缩小因子按比例缩小），产生的电流值可被转换回（不同的或新的)实际电流。
[0024] -些实施例被下面描述为包括或使用八个电磁铁。然而，也可使用其它数量的电 磁铁，例如小于八个电磁铁(例如四个电磁铁等），或多于八个电磁铁(例如九个电磁铁、十 个电磁铁等）。
[0025] 图1说明了根据发明的示例性实施例的环形设置的电磁铁系统100。一般而言，N个 电磁铁可被环形设置并且形成平面(例如如图1说明的XY平面），例如，使得每一个电磁铁可 在圆的相对侧具有成对的、共辄的电磁铁。举例来说，N=8，即电磁铁系统100可包括八个电 磁铁(表示为110、120、130、140、150、160、170和180)，其形成圆102或环形外切于圆102。环 形电磁铁系统100可形成或位于与在Z轴的方向具有法线的笛卡尔X-Y平面相重合的平面 上。
[0026] 电磁铁110-180可在功能上被分为四对共辄的电磁铁，其中每一对可包括第一电 磁铁和可与第一电磁铁相对设置的第二电磁铁。电磁铁系统100的电磁铁可与坐标原点104 的距离相等并且在圆102上等间距地隔开，任何两个相邻的电磁铁分离的角度相同。
[0027] 一对不例性电磁铁(在106处不出的一对)可包括在Y轴上表不为110和150的两个 电磁铁;在相对于Y轴可呈+45度角的方向190上表示为120和160的两个电磁铁;在X轴上表 示为130和170的两个电磁铁和在相对于X轴可呈-45度角的方向上表示为140和180的两个 电磁铁。
[0028] 需要的/必需的磁性操纵模式(MMP)(例如用于操纵装置的磁场和磁梯度)可利用 包括电流大小和电流方向的一个以上组合的电磁铁的一个以上的组合来产生。如此处所解 释，MMP可包括方向可以是包括仅在X轴/X方向或仅在Y轴/Y方向或仅在Z轴/Z方向或在任何 中间方向/介入中间的方向（例如相对于任何轴呈任何角度）的任何期望的方向的磁场。示 例MMP被示于108处。示例EMP108具有方向处于X-Y平面而不处于Z方向的磁场。（如此处所解 释，如果线圈系统包括如此设置使得它们能产生Z方向上的磁场的电磁铁，则其它MMP可具 有处于X-Y平面中的其它方向并且也处于Z方向的磁场。)MMP 108的取向可例如通过关闭电 磁铁120、140、160和180(切断流过电磁铁120、140、160和180的电流)并且使用不同电磁铁 组例如电磁铁110、130、150和170来可控地被变换为不同的定向。当此处被称为定向可指装 置指向的方向或装置的角位置或姿态或对象在旋转坐标系中的布置的表示。这种电磁铁交 换可导致例如MMP逆时针旋转45度或顺时针45度，其取决于各个电磁铁的电流的方向。
[0029] 在图1中示出的磁场产生方案提供例如体内装置的增强的/改进的可操作性，因为 它能在三维手术区域内在任何空间方向上产生磁场并且另外它提供对准装置的磁场方向 和设定被施加至操纵的装置的力的方向和大小的磁梯度的方向和大小的独立控制。
[0030]图IA示出了根据示例性实施例的优化系统1000的框图。优化系统1000可包括作为 示例性控制器的运动控制器1010和优化单元1020。运动控制器1010可接收位置和/或取向 (P&0)数据（1002) W&0数据1002可包括表示或关于磁性地操纵装置(例如包括磁铁的体内 装置)的当前位置和取向（当前P&o)的数据和表示或关于装置的下一个(例如新的)P&o的数 据。表示速度的数据可被并入P&0数据1002,以这种速度体内装置应被移动至下一个或新的 P&0。运动控制器1010可使用P&0数据1002来计算第一磁数据或磁细节组:例如移动装置所 需的(第一〉磁力（f )和/或变换其取向所需的（第一〉磁场I和/或(第一〉扭矩?。运动控 制器1010然后可将表示计算的（第一)磁场数据或细节组例如第一/计算的磁力f和第一/ 计算的磁场g的数据（1012)输出至优化单元1020。（运动控制器1010计算用于移动和定向 装置的f和g构成、形成、创建或具有关联的操纵磁场模式(MMP)。因此，数据1012可表示用 于操纵装置的需要的/必需的MMP。）磁力的值可取决于选自由下述组成的因素组的因素或 是选自由下述组成的因素组的因素的函数:装置在胃肠系统中的位置和装置在胃肠系统中 的速度/速率。
[0031] 诸如控制器340、优化系统1000、运动控制器1010、优化单元1020、控制器460和在 此描述的其它处理器或处理单元等单元可以是或包括或可被包括在可以是例如被配置成 例如通过执行软件或代码来执行本发明的实施例的专用处理器或控制器或通用处理器或 控制器的一个或多个处理器或控制器内。
[0032]优化单元1020可从运动控制器1010接收数据1012以便使用数据来优化电流组(例 如获得"电流解"）并且将优化的电流组提供至操纵的电磁铁以产生可控地操纵体内装置的 需要的或期望的磁场细节。另外，优化单元1020可接收可表示一个或多个优化目标的数据 1014和可表示与每一个优化目标相关联或由每一个