动态电磁驱动系统：优化铁磁芯多层圆柱线圈以无线精准操控胃肠道磁力内窥胶囊的连续运动

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Design and development of dynamic electromagnetic system for actuation of magnetic endocapsule devices

本文提出了一种动态电磁驱动（DEA）系统，用于在胃肠道内无线控制磁力内窥胶囊（MEC）的运动。研究通过建立铁磁芯多层圆柱线圈（FMCC）的数学模型，利用多目标遗传算法（MGA）优化线圈设计，在保证足够驱动力（约122mN）的同时平衡铜材用量。该系统通过移动单一FMCC产生动态非均匀磁场，实现了MEC在30-900mm/min速度范围内连续、稳定的跟随运动，克服了传统静态电磁驱动（SEA）系统的离散、步进式驱动局限，为精准可控的靶向诊断与干预提供了新方案。

　　

Highlight

系统配置

图1a展示了DEA系统的配置示意图。全局参考框架由笛卡尔坐标系（x, y, z）表示。在该系统中，患者仰卧，而一个与平移机构集成的FMCC被放置在患者上方。FMCC产生的非均匀磁场会在其中形成梯度，从而对MEC施加作用力。这个施加的力在FMCC和MEC之间建立了无线的磁力链接。平移机构驱动FMCC沿着患者身体上方移动，从而牵引MEC在ROI内运动。

结果与讨论

为了验证DEA方法的可行性，研究者参考了具有代表性的腹腔解剖尺寸。这些尺寸包括躯干长度、横径和矢状径，分别设定为200mm、200mm和60mm。相应地，ROI的尺寸沿x轴为200mm，沿y轴为200mm，沿z轴为60mm。本研究中选取的这些ROI和其他设计参数是用于演示概念验证的代表性数值。

结论

本文展示了一种DEA系统的开发，该系统能够实现对MEC的受控、可调节运动。研究建立了一个计算FMCC产生的轴向力的数学模型框架。提出了一个FMCC设计优化框架，并将其表述为一个多目标优化问题，随后通过使用MATLAB 2025中实现的多目标遗传算法（MGA）进行求解。优化得到的解决方案确定了一个FMCC几何参数：高度为125mm，外径为70mm，内径为40mm。