TWI457150B - 磁導引控制裝置 - Google Patents

Description

磁導引控制裝置

本發明係關於一種導引控制裝置，特別關於一種磁導引控制裝置。

標靶治療係於體內注入一標靶藥物，使其針對特定的細胞進行攻擊而達到治療的效果。然而，注入身體內的標靶藥物易分散於體內，導致標靶治療的功效降低。另外，藥物的分散亦對患者產生很大的副作用，造成患者另一種傷害。

為了改善標靶治療的效果，磁導引控制裝置結合標靶治療的方式因應而生。磁導引控制裝置係利用一磁場產生單元產生磁力，以導引具磁性之標靶藥物至一特定區域，以對某一疾病進行有效地治療。藉由控制磁場產生單元所產生的磁力，可精確地導引標靶藥物至標的區域，因此，除了可針對特定區域的進行治療外，也可降低患者之副作用，進而可提高治療之效果。

習知一種磁導引控制裝置係採用如圖1A及圖1B所示之磁場產生單元1。其中，圖1A係為習知一種磁場產生單元1的剖視圖，而圖1B係為圖1A之磁場產生單元1之磁力線分佈示意圖。

磁場產生單元1係包括一殼體11、三磁極121～123及複數個線圈組13。其中，殼體11具有一內側111，而磁極121～123係設置於殼體11之內側111，並使兩磁極121～123與中心點之間的夾角為120度。另外，線圈組13係分別對應設置於磁極121～123。藉由對線圈組13輪流通電，即可使磁場產生單元1產生如圖1B所示之磁力線(圖1B係對磁極121對應的線圈組13通電)。

然而，如圖1B所示，磁場產生單元1之磁力線分佈相當不均勻，也相當不密集，且由於空氣的磁阻效應，使磁場產生單元1之磁通密度與磁力隨著與磁極的距離增加而大幅衰減，導致磁導引控制裝置之導引效果不佳。為了使磁導引控制裝置具有較佳的導引效果，則需提高磁場產生單元1之線圈組13的電力，以提升磁場產生單元1之磁力，進而提高磁導引控制裝置之導引效果，但是，此將導致成本的增加。

因此，如何提供一種磁導引控制裝置，可具有較佳的磁導引效果，並可降低成本，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種具有較佳的磁導引效果，並可降低成本之磁導引控制裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種磁導引控制裝置係用以導引至少一磁性元件至一預定區域，並包括一感測單元、一控制單元以及一磁場產生單元。感測單元依據磁性元件的位置產生一感測訊號。控制單元與感測單元電性連接，並依據感測訊號產生一第一控制訊號及一第二控制訊號。磁場產生單元與控制單元電性連接，並具有一殼體、複數個中間磁極及複數個短磁極，該等中間磁極設置於殼體，短磁極平均設置於中間磁極之間，磁場產生單元依據第一控制訊號產生一導引訊號，以控制磁性元件運動於預定區域之至少一方向。

在本發明之一實施例中，磁性元件係包含一磁性粒子、一磁性藥物、一醫用導管、一醫用機具或其組合。

在本發明之一實施例中，導引訊號係為一磁性訊號，係吸引或排斥磁性元件移動。

在本發明之一實施例中，殼體具有一環形截面及一內側，磁場產生單元之該等中間磁極係設置於殼體之一內側，該等中間磁極係排列於環形截面之內周緣，並具有相同的間距。

在本發明之一實施例中，當該等中間磁極的數量為三時，該等中間磁極中任意二者與殼體之環形截面的中心點之夾角為120度。

在本發明之一實施例中，相鄰近的兩該等短磁極之間具有一第一間距，各中間磁極與相鄰的該等短磁極之間具有一第二間距，第一間距與第二間距係相等。

在本發明之一實施例中，兩相鄰之短磁極與殼體之環形截面的中心點之夾角為5度、10度、12度或15度。

在本發明之一實施例中，磁場產生單元之該等中間磁極之數量係為至少3。

在本發明之一實施例中，磁場產生單元之該等短磁極之數量係為69、33、27或21。

在本發明之一實施例中，磁場產生單元更具有複數個線圈組，其分別與該等中間磁極對應設置。各線圈組具有複數個線圈，對應設置於各中間磁極與該等短磁極之間。

在本發明之一實施例中，磁導引控制裝置更包括一移動單元，其與控制單元電性連接，並依據第二控制訊號使磁性元件相對於移動單元於另一方向上移動至預定區域。

在本發明之一實施例中，移動單元具有一載床及一驅動元件，驅動元件係依據第二控制訊號驅動載床於另一方向移動，使磁性元件相對於移動單元移動至預定區域。

在本發明之一實施例中，第一控制訊號係包含直流訊號或脈衝訊號。

在本發明之一實施例中，第一控制訊號包含一過驅動電流訊號。

在本發明之一實施例中，過驅動電流訊號係與第一控制訊號同相或反相。

承上所述，因依據本發明之一種磁導引控制裝置具有一磁場產生單元，而磁場產生單元之中間磁極係設置於殼體，該等短磁極係平均設置於該等中間磁極之間，且磁場產生單元係依據第一控制訊號產生一導引訊號，以控制磁性元件運動於預定區域之至少一方向上。藉由本發明之磁場產生單元的設計，使磁場產生單元具有比習知更密集、更均勻的磁力線分佈，使本發明之磁導引控制裝置具有較佳的磁導引效果。再者，因本發明之磁場產生單元可有效提升工作區域之磁通密度與磁力，因此，磁導引控制裝置也可有效提升電機轉換效率，進而可降低成本。另外，在本發明之一實施例中，移動單元係依據第二控制訊號使磁性元件相對於移動單元於另一方向上移動至預定區域，因此，可精確地導引磁性元件至該預定區域。此外，若應用於醫療上，本發明之磁導引控制裝置又可提高治療效果及降低副作用，並可大幅降低醫療成本。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種磁導引控制裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A及圖2B所示，其中，圖2A為本發明之一種磁導引控制裝置2之功能方塊示意圖，而圖2B係為磁導引控制裝置2之示意圖。本發明之磁導引控制裝置2係用以導引至少一磁性元件3至一預定區域P。而磁導引控制裝置2例如可應用於醫療上的標靶治療、心血管治療、醫用微型機具導引、手術用導管方位導引等領域，於此，並不加以限制。

磁導引控制裝置2包括一感測單元21、一控制單元22、一磁場產生單元23以及一移動單元24。

感測單元21係依據磁性元件3的一位置產生一感測訊號S。換言之，感測單元21可感測磁性元件3之目前位置，並產生感測訊號S。在本實施例中，磁性元件3例如可包含一磁性粒子、一磁性藥物、一醫用導管、一醫用機具(微型機具)或上述的任意組合。而磁性粒子例如可為奈米磁性粒子、奈米磁性藥物等。於此，均不加以限制。

控制單元22係與感測單元21電性連接，且控制單元22係依據感測訊號S產生一第一控制訊號S1及一第二控制訊號S2。在本實施例中，控制單元22係接收感測單元21產生之感測訊號S，並輸出第一控制訊號S1及第二控制訊號S2。

磁場產生單元23係與控制單元22電性連接。其中，磁場產生單元23係依據第一控制訊號S1產生一導引訊號G，以控制磁性元件3運動於預定區域P之至少一方向。換言之，磁場產生單元23係依據第一控制訊號S1產生導引訊號G，而導引訊號G可吸引或排斥磁性元件3於預定區域P之至少一方向上移動。在本實施例中，第一控制訊號S1係為電流訊號，並驅動磁場產生單元23產生導引訊號G。導引訊號G實質上係為一磁力訊號，並可導引及控制磁性元件3於如圖2B的預定區域P之X、Y軸的方向上移動，以將磁性元件3移動至與預定區域P相同之X、Y軸上。其中，預定區域P可位於磁場產生單元23內部之一工作區域內，而工作區域例如係可位於人體內。

另外，請參照圖3A所示，以說明本發明之磁場產生單元23之結構。其中，圖3A為磁場產生單元23之剖面示意圖。

磁場產生單元23具有一殼體231、複數個中間磁極232及複數個短磁極233。於此，殼體231實質上係為一中空的圓柱體。殼體231具有一環形截面，並具有一內側I與一外側O。另外，殼體231、中間磁極232及短磁極233的材質係可包含導磁材料，例如可為矽鋼、非晶質合金(amorphous alloy)、鐵磁(ferromagnetic)或亞鐵鹽(ferrite)等。此外，殼體231與中間磁極232或短磁極233的至少其中之一為一體成形。本實施例係以殼體231、中間磁極232及短磁極233為一體成形為例。

中間磁極232係設置於殼體231之內側I，且中間磁極232係排列於殼體231的環形截面之內周緣，並具有相同的間距。在本實施例中，係以中間磁極232的數量以三為例。於此，係將此三個中間磁極232稱為特定中間磁極232a～232c。特定中間磁極232a～232c係平均設置於殼體231之內側I上，且排列於殼體231的環形截面之內周緣，使得兩特定中間磁極232a～232c之間具有相同的距離。換言之，本實施例之特定中間磁極232a～232c係平均地排列於殼體231的環形截面之內周緣，使得特定中間磁極232a、232b、特定中間磁極232b、232c與特定中間磁極232c、232a之間，與殼體231之環形截面的中心點夾角分別為120度，如圖2A所示。不過，設計者也可依其對磁力的需求，於內側I設置6個或更多個中間磁極232，並使其平均地排列於殼體231的環形截面之內周緣上。

短磁極233係平均設置於中間磁極232之間，使得磁場產生單元23具有間極式的磁極結構。在本實施例中，短磁極233的數量係為69，因中間磁極232的數量係為3，故每23個短磁極233平均地位於於兩中間磁極232之間。另外，兩相鄰近的兩短磁極233之間具有一第一間距D1，每一中間磁極232與相鄰的短磁極233之間具有一第二間距D2，且第一間距D1與第二間距D2係相等。於此，因特定中間磁極232a～232c與短磁極233的數量總和為72，且第一間距D1等於第二間距D2，故兩相鄰之短磁極233與殼體231之環形截面的中心點之夾角為5度(360度除以72)，且各中間磁極232與相鄰的短磁極233與殼體231之環形截面的中心點之夾角亦為5度。

特別說明的是，設計者也可依其對磁力的需求設置不同數量之短磁極233，例如3個特定中間磁極232a～232c搭配33、27或21個短磁極233，使兩相鄰之短磁極233與殼體231之環形截面的中心點之夾角分別為10度(360除以36)、12度(360除以30)或15度(360除以24)。於此，並不限制中間磁極232與短磁極233數量總和。

值得一提的是，短磁極233與中間磁極232兩者之長度比例係為可調整。設計者也可依其對磁力的需求調整兩者之長度比例，例如短磁極233比中間磁極232之長度比為0.4比1，或0.7比1，或者是其它比例。

另外，磁場產生單元23更具有複數個線圈組234，線圈組234係分別與中間磁極232對應設置，並位於中間磁極232與短磁極233之間。在本實施例中，各線圈組234具有複數個線圈234a，線圈234a係分別對應設置於各特定中間磁極232a～232c，且分別位於各特定中間磁極232a～232c與短磁極233之間。其中，線圈234a的材質例如可包含銅、超導體(superconductor)或其它導電材料。於此，並不加以限制。

因此，當控制單元22輸出第一控制訊號S1，使磁場產生單元23之線圈組234通電時而產生磁力時，其磁力線的分佈可如圖3B所示(圖3B係為特定中間磁極232a對應之線圈組234通電)。由於磁場產生單元23係使用間極式的磁極結構，因此，短磁極233的設置可降低兩中間磁極232之間空氣的磁阻效應，並改善磁場產生單元23之磁力衰減，使中間磁極232對應之線圈組234所產生之磁力線可以有效地延伸。因此，可使磁場產生單元23之磁力線的分佈更密集、更均勻。

請比較圖3B與圖1B之磁力線分佈圖，於兩圖示中可清楚地發現，圖3B之磁場產生單元23比圖IB之磁場產生單元1具有更均勻分佈及更密集的磁力線。

另外，請參照圖4A與圖4B所示，其中，圖4B為本發明之磁場產生單元23與習知磁場產生單元1之磁通密度的比較示意圖。圖4B的橫座標係為圖3A之直線A上不同位置與特定中間磁極232a頂端之間的距離，而圖4B之縱座標係為本發明磁場產生單元23之磁通密度與習知磁場產生單元1之磁通密度的比值。

如圖4B所示，在離特定中間磁極232a之頂端越遠時，兩者磁通密度的比值越高。換言之，離特定中間磁極232a越遠時，磁場產生單元23的磁通密度與習知相較，其改善幅度越大。另外，在距離2.5至6.5單位之一工作區域B內(工作區域B可包含上述之預定區域P)，磁場產生單元23之磁通密度係為磁場產生單元1之磁通密度的1.2至1.4倍。此外，因磁場產生單元23為對稱性結構，故相同情況下，與特定中間磁極232b、232c對應的磁通密度與習知相較，其磁通密度提升情況亦相同。

再者，請參照圖5A與圖5B所示，其中，圖5B為本發明之磁場產生單元23與磁場產生單元1之磁力的比較示意圖。圖5B的橫座標係為圖5A之直線A上不同位置與特定中間磁極232a頂端之間的距離，而圖5B之縱座標係為本發明磁場產生單元23之磁力與習知磁場產生單元1之磁力的比值。

如圖5B所示，在距離2.5至6.5單位之一工作區域C內，磁場產生單元23之磁力係為磁場產生單元1的1.0至1.6倍。另外，因磁場產生單元23為對稱性結構，故與特定中間磁極232b、232c對應的磁力與習知相較，其磁力提升情況亦相同。

請參照圖6A與圖6B所示，其中，圖6B為本發明之磁場產生單元23於一半徑為2單位之圓D的圓周上，不同角度之磁力與習知的比較示意圖。圖6B的橫座標係為圖5A之圓D之圓周的不同角度，而圖6B之縱座標係為本發明磁場產生單元23的磁力與習知磁場產生單元1之磁力的比值。

如圖6B所示，於圓D的圓周之不同角度上，磁場產生單元23的磁力係為磁場產生單元1的1.4至1.7倍。另外，因磁場產生單元23為對稱性結構，故與特定中間磁極232b、232c對應的磁力與習知相較，其磁力提升情況亦相同。

請參照圖7A與圖7B所示，其中，圖7B為本發明之磁場產生單元23於一半徑為4單位之圓E之圓周上，不同角度之磁力與習知的比較示意圖。圖7B的橫座標係為圖7A之圓E的圓周的不同角度，而圖7B之縱座標係為本發明磁場產生單元23的磁力與習知磁場產生單元1之磁力的比值。

如圖7B所示，於圓E的圓周之不同角度上，磁場產生單元23的磁力係為磁場產生單元1的1.0至1.9倍。另外，因磁場產生單元23為對稱性結構，故與特定中間磁極232b、232c對應的磁力與習知相較，其磁力提升情況亦相同。

因此，磁場產生單元23之短磁極233的設計可降低兩中間磁極232之間空氣的磁阻效應，並改善磁場產生單元23之磁力衰減，使中間磁極232對應之線圈組234所產生之磁力線可有效地延伸，使磁力線的分佈更密集、更均勻。因此，本發明之磁場產生單元23具有更密集、更均勻的磁力線分佈，並可有效提升工作區域之磁通密度與磁力。

另外，請再參照圖2A及圖2B所示，移動單元24係與控制單元22電性連接，並依據第二控制訊號S2使磁性元件3相對於移動單元24於另一方向上移動至預定區域P。其中，第二控制訊號S2係可包含電壓或電流訊號。在本實施例中，移動單元24可包含一載床241及一驅動元件242。驅動元件242例如可為一驅動馬達及其驅動電路，並可依據第二控制訊號S2驅動載床241於一Z軸上移動，使磁性元件3相對於移動單元24於Z軸方向上移動至預定區域P。

再特別說明的是，第一控制訊號S1之係可包含直流訊號或脈衝訊號。換言之，控制單元22輸出之第一控制訊號S1可為一直流訊號或複數的脈衝訊號，藉以控制磁場產生單元23產生所需之磁力。如圖8A所示，第一控制訊號S1係為直流訊號；又如圖8B所示，第一控制訊號S1係為複數的脈衝訊號。

另外，第一控制訊號S1係可包含一過驅動電流(over-drive current)訊號，而過驅動電流訊號可與第一控制訊號S1同相，或與第一控制訊號S1反相。其中，如圖8C或圖8D之區域R1所示之波形，區域R1之過驅動電流訊號係與第一控制訊號S1同相。同相的過驅動電流訊號可使磁場產生單元23於初始啟動時產生更強大的磁力，使磁性元件3可克服靜摩擦力而移動。再者，因磁場產生單元23具有磁滯現象(hysteresis phenomenon)，為了加速磁場產生單元23的洩磁，也可使用反相的過驅動電流訊號以加速磁場產生單元23的洩磁，使磁性元件3可立刻停止移動，反相的過驅動電流訊號之波形如圖8C或圖8D之區域R2所示。其中，上述之同相或反相之過驅動電流訊號可同時存在於第一控制訊號S1(圖8C或圖8D)。或者，也可於不同之第一控制訊號S1內分別具有同相及反相之過驅動電流訊號。

承上所述，因本發明之磁場產生單元23係依據第一控制訊號S1產生導引訊號G，而導引訊號G可導引控制磁性元件3於預定區域P之至少一方向上移動。另外，移動單元24係依據第二控制訊號S2於另一方向上移動，且使磁性元件3相對於移動單元24於另一方向上移動至預定區域P。因此，本發明之磁導引控制裝置2可利用上述之感測單元21感測磁性元件3的位置，並使磁場產生單元23及移動單元24將磁性元件3精確地導引至預定區域P。另外，因本發明之磁場產生單元23具有比習知更密集、更均勻的磁力線分佈，因此，磁導引控制裝置2具有較佳的磁導引效果。此外，因不需提高線圈組的電力就可達到比習知較佳的磁力及導引效果，因此，本發明之磁導引控制裝置也可有效提升電機轉換效率，進而可降低成本。

綜上所述，因依據本發明之一種磁導引控制裝置具有一磁場產生單元，而磁場產生單元之中間磁極係設置於殼體，該等短磁極係平均設置於該等中間磁極之間，且磁場產生單元係依據第一控制訊號產生一導引訊號，以控制磁性元件運動於預定區域之至少一方向上。藉由本發明之磁場產生單元的設計，使磁場產生單元具有比習知更密集、更均勻的磁力線分佈，使本發明之磁導引控制裝置具有較佳的磁導引效果。再者，因本發明之磁場產生單元可有效提升工作區域之磁通密度與磁力，因此，磁導引控制裝置也可有效提升電機轉換效率，進而可降低成本。另外，在本發明之一實施例中，移動單元係依據第二控制訊號使磁性元件相對於移動單元於另一方向上移動至預定區域，因此，可精確地導引磁性元件至該預定區域。此外，若應用於醫療上，本發明之磁導引控制裝置又可提高治療效果及降低副作用，並可大幅降低醫療成本。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、23．．．磁場產生單元

11、231．．．殼體

111、I．．．內側

121～123．．．磁極

13、234．．．線圈組

2．．．磁導引控制裝置

21．．．感測單元

22．．．控制單元

232．．．中間磁極

232a～232c．．．特定中間磁極

233．．．短磁極

234a‧‧‧線圈

24‧‧‧移動單元

241‧‧‧載床

242‧‧‧驅動元件

3‧‧‧磁性元件

A‧‧‧直線

B、C、P、R1、R2‧‧‧區域

D、E‧‧‧圓

D1、D2‧‧‧間距

G‧‧‧導引訊號

O‧‧‧外側

S‧‧‧感測訊號

S1‧‧‧第一控制訊號

S2‧‧‧第二控制訊號

圖1A為習知一種磁場產生單元的剖視圖；

圖1B為圖1A之磁場產生單元之磁力線分佈示意圖；

圖2A為本發明之一種磁導引控制裝置之功能方塊示意圖；

圖2B為本發明之磁導引控制裝置的示意圖；

圖3A為本發明之一種磁場產生單元的剖視圖；

圖3B為圖3A之磁場產生單元之磁力線分佈示意圖；

圖4A為本發明之磁場產生單元的剖視圖；

圖4B為本發明之磁場產生單元與習知磁場產生單元之磁通密度的比較示意圖；

圖5A為本發明之磁場產生單元的剖視圖；

圖5B為本發明之磁場產生單元與習知磁場產生單元之磁力的比較示意圖；

圖6A為本發明之磁場產生單元的剖視圖；

圖6B為本發明之磁場產生單元於一半徑為2單位之圓D的圓周上，不同角度之磁力與習知的比較示意圖；

圖7A為本發明之磁場產生單元的剖視圖；

圖7B為本發明之磁場產生單元於一半徑為4單位之圓D的圓周上，不同角度之磁力與習知的比較示意圖；以及

圖8A至圖8D分別為第一控制訊號之波形示意圖。

2．．．磁導引控制裝置

21．．．感測單元

22．．．控制單元

23．．．磁場產生單元

24．．．移動單元

3．．．磁性元件

G．．．導引訊號

P．．．區域

S．．．感測訊號

S1．．．第一控制訊號

S2．．．第二控制訊號

Claims (15)

1. 一種磁導引控制裝置，係用以導引至少一磁性元件至一預定區域，包括：一感測單元，係依據該磁性元件的位置產生一感測訊號；一控制單元，係與該感測單元電性連接，並依據該感測訊號產生一第一控制訊號及一第二控制訊號，該第一控制訊號包含一過驅動電流訊號，且該過驅動電流訊號係與該第一控制訊號同相或反相；以及一磁場產生單元，係與該控制單元電性連接，並具有一殼體、複數個中間磁極及複數個短磁極，該等中間磁極及該等短磁極設置於該殼體，該相鄰近的該兩短磁極之間具有一第一間距，各該中間磁極與相鄰的該等短磁極之間具有一第二間距，且該第一間距與該第二間距係相等，該磁場產生單元係依據該第一控制訊號產生一導引訊號，以控制該磁性元件運動於該預定區域之至少一方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該磁性元件係包含一磁性粒子、一磁性藥物、一醫用導管、一醫用機具或其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該導引訊號係為一磁性訊號，係吸引或排斥該磁性元件移動。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中 該殼體具有一環形截面及一內側，該磁場產生單元之該等中間磁極係設置於該殼體之該內側，該等中間磁極係排列於該環形截面之內周緣，並具有相同的間距。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該殼體實質上係為中空圓柱體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該殼體與該等中間磁極或該等短磁極的至少其中之一為一體成形。
7. 如申請專利範圍第4項所述之磁導引控制裝置，其中當該等中間磁極的數量為三時，該等中間磁極中任意二者與該殼體之該環形截面的中心點之夾角為120度。
8. 如申請專利範圍第4項所述之磁導引控制裝置，其中兩相鄰之短磁極與該殼體之該環形截面的中心點之夾角為5度、10度、12度或15度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，該磁場產生單元之該等中間磁極之數量係為至少3。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，該磁場產生單元之該等短磁極之數量係為69、33、27或21。
11. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該磁場產生單元更具有複數個線圈組，分別與該等中間磁極對應設置。
12. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中各該線圈組具有複數個線圈，對應設置於各該中間磁 極與該等短磁極之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，更包括：一移動單元，係與該控制單元電性連接，並依據該第二控制訊號使該磁性元件相對於該移動單元於另一方向上移動至該預定區域。
14. 如申請專利範圍第13項所述之磁導引控制裝置，其中該移動單元具有一載床及一驅動元件，該驅動元件係依據該第二控制訊號驅動該載床於該另一方向移動，使該磁性元件相對於該移動單元移動至該預定區域。
15. 如申請專利範圍第1項所述之磁導引控制裝置，其中該第一控制訊號係包含直流訊號或脈衝訊號。