Desenvolvimento de um Sistema Magnético para Controlar a Posição de Cápsulas Endoscópicas

Abstract

A utilização de campos e forças magnéticas é cada vez mais frequente no que diz respeito ao controlo de objetos, nomeadamente pequenos robôs ou cápsulas. Na área da medicina este tipo de sistemas vieram trazer soluções inovadoras no que concerne aos métodos de tratamentos e diagnósticos utilizados. Os métodos atualmente utilizados podem tornar-se dolorosos e causar algum desconforto ao paciente, uma vez que se tratam de processos invasivos como é o caso da Endoscopia Digestiva e a Colonoscopia. É com base nisto que surgiu a ideia de tornar estes processos menos invasivos ao corpo humano utilizando cápsulas endoscópicas controladas através de campos magnéticos. O foco deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema capaz de controlar uma cápsula endoscópica. Depois de se ter feito o projeto do sistema, construiu-se a estrutura do protótipo em 3D. O protótipo é constituído por três bobinas, que produzem o seu campo magnético, e um andar de potência com três conversores DC-DC redutores (Buck). Os campos magnéticos produzidos por este sistema permitem controlar a posição da cápsula de ímanes permanentes. Para se detetar a posição da cápsula de ímanes permanentes foi utilizada uma webcam e foram desenvolvidos dois algoritmos de controlo de posição diferentes. Estes algoritmos geram os sinais PWM utilizados para o controlo das bobinas, com duty-cycle variável. Utilizando o algoritmo mais eficaz dos dois propostos, demonstrou-se experimentalmente que a posição da cápsula pode ser controlada com precisão, aplicando os campos magnéticos gerados pelo sistema das três bobinas.

The use of magnetic fields and magnetic forces has been more and more frequent in object control, for instance, in small robots or capsules. In the medical field, this technology has brought innovative alternatives to the methods of treatment and diagnostics. These methods can be painful and cause some discomfort to the patient since most of them are invasive methods such as Digestive Endoscopy or Colonoscopy. These problems led to the idea of making these processes less invasive to the human body using endoscopic capsules controlled by means of magnetic fields. The focus of the research study is on the development of a system to control endoscopic capsules. After the design of the system, a 3D prototype’s structure was built. The prototype consists of three coils, each producing its own magnetic field, and a power stage with three step-down DC-DC converters. The produced magnetic fields, make it possible to control the position of the permanent magnet capsule. A video camera was used to detect the position of the permanent magnet capsule and two different position control algorithms were developed. These algorithms generate signals using Pulse Width Modulation which are then used to control to magnetic field by each coil. Using the most effective of the two proposed position control algorithm, it has been experimentally demonstrated that the position of the capsule can be precisely controlled through the magnetic fields generated by the three-coil system.