Магнитная левитация мягко привязанной капсулы для колоноскопии, приводимой в действие одним постоянным магнитом: подход к динамическому управлению

В настоящем письме исследуется новый подход к управлению магнитоуправляемыми мягко привязанными капсулами для колоноскопии — потенциально безболезненного метода исследования толстой кишки. Основное внимание уделено классу устройств, состоящих из магнитного капсульного эндоскопа, приводимого в действие одним внешним постоянным магнитом. Приведение в действие осуществляется путем манипулирования внешним магнитом с помощью серийного манипулятора, который, в свою очередь, создает силы и моменты, действующие на внутреннюю магнитную капсулу. Мы предлагаем стратегию управления, компенсирующую действие силы тяжести и обеспечивающую левитацию капсулы. Эта методика, основанная на нелинейном подходе с пошаговым управлением (backstepping), позволяет ограничить контакт со стенками толстой кишки, уменьшить трение, избежать контакта с внутренними складками и облегчить исследование неплоских полостей. Подход проверен на экспериментальной установке, моделирующей типичный сценарий, возникающий при колоноскопии. Эксперименты показали, что контакт со стенкой толстой кишки можно ограничить до 19,5% по сравнению с почти 100% для ранее предложенных подходов. Кроме того, показано, что данный регулятор можно использовать для навигации капсулы в более реалистичной среде — фантоме толстой кишки — за приемлемое время.