本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种用于预测磁控胶囊内窥镜在肠道内受力的方法。
背景技术：
1、磁控胶囊内窥镜受外部永磁体产生旋转磁场的控制而驱动，用于消化道的诊疗。可以避免消化道的交叉感染，缩短检查时间，降低漏检率，减少患者的疼痛感，以及缩短医生的学习时间。
2、目前，磁控胶囊内窥镜在肠道内的运动机制不明确，许多数学模型没有考虑肠道的生物特性，比如粘弹性和蠕动力。
3、例如，只把肠道作为一个管道结构，考虑磁控胶囊内窥镜在管道中的运动而与管道之间相互作用力。此外，没有相关的文献提到磁控胶囊内窥镜如何在肠道中旋转前进与肠道之间相互作用。
4、目前单纯磁力拖动的方式容易对消化道造成损伤，磁力拖动指的是外部永磁体不产生旋转磁场，只是使用永磁体对磁控胶囊内窥镜产生吸引力，通过吸引的方式驱动他前进。但是，肠道曲折复杂，单纯依靠磁力拖动方式无法缩短检查时间。
5、此外，现有技术只是在磁力拖动的方式上预测了磁控胶囊内窥镜与肠道相互作用情况。为了精准预测磁控胶囊内窥镜与肠道之间相互作用的关系，有利于：1、磁控胶囊内窥镜的外壳结构设计。2、控制磁控胶囊内窥镜的运动方式，减少对肠道损伤的风险。
6、但是，目前的磁控方式一般采用外部永磁体吸引磁控胶囊内窥镜前进的方式(磁力拖拽方法，即通过外部永磁体直接对胶囊内窥镜进行磁力吸引进行驱动的方式)，这种控制方式虽然简单，但是实际控制过程中，一旦出现肠道曲折、塌陷的位置，磁力拖拽方法无法精准的跟随外部永磁体姿态变化而调整自身姿态，向医生期望的方向前进。此外肠道具有生物特性，比如蠕动力和粘弹性都会影响磁控胶囊内窥镜的运动。因此，提出一种新的控制胶囊内窥镜运动的方法、并考虑考虑肠道生物特性来分析胶囊内窥镜在肠道中的动力学，了解肠道和胶囊内窥镜之间的作用关系非常重要。
7、鉴于此，为了缩短检查时间，并精准预测磁控胶囊内窥镜采用旋转前进方式下与肠道相互作用的受力情况，则需要精准的数学模型和方法，这能够给胶囊内窥镜的设计提供技术支持。
技术实现思路
1、为了实现精准预测磁控胶囊内窥镜在肠道中通过外部旋转磁场驱动前进时肠道的受力情况。本发明提出了一种用于预测磁控胶囊内窥镜在肠道内受力的方法，所述方法包括以下步骤：
2、步骤一、建立磁控胶囊内窥镜旋转驱动模型；用于模拟外部永磁体驱动磁控胶囊内窥镜的理论控制模型；
3、步骤二、建立肠道蠕动模型，用于模拟肠道向前方的压力波；基于肠道的生物特性，肠道的平滑肌按顺序收缩产生蠕动波，蠕动波产生施加于肠道内的磁控胶囊内窥镜向前方的压力波；
4、步骤三、建立磁控胶囊内窥镜阻力模型；采用五元粘弹性模型模拟具有生物特性肠道的粘弹性，建立磁控胶囊内窥镜阻力数学模型分析磁控胶囊内窥镜旋转前进时与肠道相互作用情况；
5、步骤四、磁控胶囊内窥镜动力学模型；对于磁控胶囊内窥镜在肠道中受力情况进行力平衡分析，建立磁控胶囊内窥镜在肠道中的动力学模型。
6、进一步，步骤一的具体为：
7、电机与外部永磁体链接，电机旋转带动外部永磁体旋转，外部永磁体在空间中产生旋转磁场并作用在磁控胶囊内窥镜上，磁控胶囊内窥镜内部的永磁体则受到了电磁力和扭矩的作用，因此具有螺纹结构的磁控胶囊内窥镜在外部永磁体的作用下与肠道摩擦，由旋转运动转为了直线运动，因此，外部永磁体给磁控胶囊内窥镜施加的电磁力fm，磁控胶囊内窥镜受到的扭矩tm为：
8、
9、tm＝μ0ma×h (2)
10、其中，μ0是空间磁导率，ma为内部永磁体的偶极矩，h为外部永磁体产生的磁场，假设磁控胶囊内窥镜的内部永磁体的尺寸相比外部永磁体的尺寸符合电偶极子模型，那么外部永磁体中心相对于位置r处的磁场h为：
11、
12、其中，i是单位矩阵，是r方向上的单位向量，m为外部永磁体的偶极矩；
13、外部永磁体以角速度ω旋转，使得外部永磁体偶极矩m始终垂直于旋转轴假设磁控胶囊内窥镜转动所需要的旋转轴为在磁控胶囊内窥镜位置处施加的磁场
14、
15、由于只与位置相关，并且因此要满足(4)唯一的解是让与平行：
16、
17、通过求解公式(5)，可以得到磁控胶囊内窥镜的旋转轴。
18、
19、公式(6)进一步可化简为的：
20、
21、因此，根据公式(1)和(3)，磁控胶囊内窥镜受到的扭矩表示为：
22、
23、根据将公式(3)带入到(1)，外部永磁体给磁控胶囊内窥镜施加的电磁力为：
24、
25、进一步，步骤二具体为：
26、蠕动是肌肉径向对称的收缩，以波浪的形式沿肌肉管道向下传播，在肠道中，平滑肌按顺序收缩，产生蠕动波，将肠道内的食物推向前方，蠕动波等效为一周期性变化的压力波作用于外肠壁上：
27、
28、其中，fb表示压力波公式(单位为kpa)，an、bn、ω、a0、n、n＝1、2、…、n为常数。
29、进一步，步骤三具体为：
30、磁控胶囊内窥镜在肠道受到箍应力，箍应力会对磁控胶囊内窥镜产生法向力和摩擦力，由于磁控胶囊表面有螺纹结构，被外部磁场带动旋转的磁控胶囊内窥镜也会产生旋转摩擦力，此外，磁控胶囊内窥镜的重力也会对肠道产生压力，因此，磁控胶囊内窥镜的总阻力fc写成：
31、fc＝fhoop+fg (11)
32、其中，fhoop为磁控胶囊内窥镜所受的箍应力；fg为磁控胶囊内窥镜的重力对肠道产生压力；
33、磁控胶囊内窥镜在旋转时，具有螺纹的磁控胶囊内窥镜可视为圆形轮廓，直径为rc；
34、磁控胶囊内窥镜与外部永磁体同步旋转并向前移动，胶囊内窥的三个部分：头部、中部和尾部刚好被肠道包裹，肠道对磁控胶囊内窥镜头部施加的水平方向的压力用fhp表示，fhf是磁控胶囊内窥镜头部沿水平方向施加的摩擦力；ftp和ftf分别是肠道对磁控胶囊内窥镜尾部施加的压力和尾部沿水平方向施加的摩擦力；磁控胶囊内窥镜中部沿水平方向施加的摩擦力为fmf；磁控胶囊内窥镜在旋转过程中施加的摩擦力为fr：
35、fhoop＝fhp+fhf+ftp+ftf+fmf (12)
36、为肠道接触区与非接触区的临界线上建立了局部坐标系{x,o,r(x)}，x和r(x)分别代表轴向和径向，磁控胶囊内窥镜的长度为整个磁控胶囊内窥镜包裹的长度为l+2xc，xc是肠道与磁控胶囊内窥镜临界接触点到磁控胶囊内窥镜头部或尾部中心点的距离，l是磁控胶囊内窥镜中部的长度，rc是磁控胶囊内窥镜头部、中部和尾部的半径，是肠道开始环绕磁控胶囊内窥镜的点的角度，ri是肠道的半径，r0是肠道的原始内半径，因此磁控胶囊内窥镜通过肠道时，产生的环状应变为：
37、
38、建立肠道的五元粘弹性模型，其应力-应变本构方程为：
39、
40、σ和ε表示t时刻的应力和应变，e1、e2、e3表示弹簧的弹性模量，η1、η2表示粘度；
41、对磁控胶囊内窥镜处在旋转和前进的情况下进行单独表示；
42、(a)磁控胶囊内窥镜前进受到的阻力；
43、对于磁控胶囊内窥镜在肠道中以速度vc向前移动下，五元粘弹性模型写成应力和磁控胶囊内窥镜的移动距离之间的关系：
44、
45、磁控胶囊内窥镜在进入肠道后，其会挤压肠道内壁，肠道内壁会从初始值λe到被挤压后的λ′e；
46、
47、因此，对于箍应力，磁控胶囊内窥镜与肠道之间的压力写为：
48、
49、对于x位置处每个无穷小增量，圆周力覆盖的面积为ds，磁控胶囊内窥镜与肠道之间的作用力用下式计算：
50、
51、其中，r′(x)是r(x)关于x的导数，磁控胶囊内窥镜头部沿x轴的挤压的阻力为：
52、
53、其中，x∈[0,xc]法向产生的摩擦力为：
54、
55、其中，μ是库伦摩擦力；磁控胶囊内窥镜尾部受到的压力为：
56、
57、磁控胶囊内窥镜尾部受到肠道蠕动过程中施加给磁控胶囊内窥镜尾部的一个推力，此时，尾部受到的压力为：
58、ftp＝ftp1+ftp2＝ftp1+∑fbcosη (22)
59、磁控胶囊内窥镜尾部受到的摩擦力为：
60、
61、其中，x∈[xc+l,2xc+l]，这表明肠道对磁控胶囊内窥镜尾部的水平挤压阻力与头部的水平挤压阻力相反，作用在磁控胶囊内窥镜中部的压力垂直于x方向，其水平摩擦阻力为：
62、
63、磁控胶囊内窥镜受到自身重力产生的库伦摩擦力为：
64、fg＝μmg (25)
65、m为磁控胶囊内窥镜的总质量，g为重力加速度；
66、(b)磁控胶囊内窥镜旋转受到的阻力；
67、对于磁控胶囊内窥镜是旋转驱动，假设磁控胶囊内窥镜与外部永磁体同步旋转，因此时间t是方位角θ除以角速度ω、五元粘弹性模型写成应力σ和磁控胶囊内窥镜的旋转频率f之间的关系：
68、
69、ω＝2πf (27)
70、肠道对磁控胶囊内窥镜施加的法向载荷，确定肠道由于周向延伸而产生的内部压力，因此，肠道被模拟为一个圆柱形压力容器，用θ来表示肠道对胶囊施加的压力为：
71、
72、对沿周方向的压力进行积分，得到一个横截面的总法向载荷，当磁控胶囊内窥镜旋转时，肠道对其产生的旋转摩擦力为：
73、
74、
75、fr为磁控胶囊内窥镜旋转时产生的摩擦力，tr为磁控胶囊内窥镜旋转产生的扭矩。
76、进一步，步骤四具体为：
77、磁控胶囊内窥镜的驱动扭矩tact为：
78、|tact|＝|tm|-|tr|＝jτ (31)
79、其中，j是磁控胶囊内窥镜的转动惯量，τ是磁控胶囊内窥镜旋转时的角加速度；
80、τ＝(ωce2-ωce1)/△t (32)
81、其中，ωce1是磁控胶囊内窥镜匀速向前旋转时的角速度，由于肠道的蠕动或磁控胶囊内窥镜所受磁场的变化，它所受的力矩发生变化，使其不能稳定地匀速向前运动，经过△t时间后，其角速度变为ωce2；
82、因此，磁控胶囊内窥镜从旋转转化为直线运动的驱动力为：
83、ft＝|tact|/(r·sin(β)) (33)
84、其中，β为外部永磁体中心点垂直线与磁控胶囊内窥镜内部永磁体中心点连线的夹角，磁控胶囊内窥镜的总驱动力为：
85、fact＝fm-fhoop-ft-fg＝ma (34)
86、m为磁控胶囊内窥镜的总体质量，a为其的运动加速度。
87、本发明提出了一种数学模型。具体方案如下：
88、1、分析磁控胶囊内窥镜的旋转控制方法和驱动原理，了解磁控胶囊内窥镜如何在肠道中运动。
89、2、分析磁控胶囊内窥镜在肠道中的阻力模型。
90、3、分析肠道自身产生的蠕动力。
91、4、分析磁控胶囊内窥镜在肠道中的动力学模型。
92、5、根据这些数学模型，可以构建出磁控胶囊内窥镜与肠道的作用关系，预测肠道的受力情况。
93、本发明具有以下有益技术效果，一种用于预测磁控胶囊内窥镜在肠道内受力的方法，考虑了肠道的生物特性，预测其在肠道旋转前进时与肠道之间相互作用关系，能够预测肠道的受力情况，给胶囊内窥镜的外部结构(螺纹形状等)提供技术支持。
1.一种用于预测磁控胶囊内窥镜在肠道内受力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一的具体为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二具体为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三具体为：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤四具体为：
