基于無(wú)線供能的腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來(lái),消化系統(tǒng)疾病的發(fā)病率逐年上升,癌變率較高,嚴(yán)重威脅到人民的生命健康。目前,消化道系統(tǒng)疾病使用最為廣泛的是傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢查,其機(jī)械式的插入給患者帶來(lái)了不適和痛苦,容易引起諸多并發(fā)癥,且診查存在盲區(qū);于是,出現(xiàn)了減輕患者痛苦的膠囊內(nèi)窺鏡檢查,但其只能隨腸道被動(dòng)運(yùn)動(dòng),無(wú)法對(duì)可疑病變部位定點(diǎn)反復(fù)觀察;采用電池供電,也限制了檢查的工作時(shí)間。主動(dòng)可控的微型機(jī)器人診查系統(tǒng)為腸道檢查提供了一種全新的手段和方法,具有十分重要的臨床應(yīng)用價(jià)值,已經(jīng)成為

2、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.31170968)、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目(No.010203)與上海市科委項(xiàng)目(No.09DZ1907400)的資助下,結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù),進(jìn)行了基于無(wú)線供能的腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。
　　在本文中,通過(guò)分析面向腸道環(huán)境的國(guó)內(nèi)外微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式和微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式,提出了微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生物尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式,從生物尺蠖的運(yùn)動(dòng)機(jī)理聯(lián)

3、想到腸道微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。進(jìn)而,分析了人體腸道復(fù)雜的生理特性,小腸是典型的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境,為仿尺蠖式微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。分析了仿尺蠖式微型機(jī)器人在腸道中的力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)效率,得出了微機(jī)器人在腸道中運(yùn)動(dòng)需要滿足的條件,提出了最大運(yùn)動(dòng)效率模型,明確了仿尺蠖式微型機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。
　　根據(jù)微型機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求,運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想,結(jié)合仿尺蠖式運(yùn)動(dòng)機(jī)理,在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)了微型機(jī)器人首尾兩倉(cāng)的徑向鉗位機(jī)構(gòu)和中

4、倉(cāng)的軸向伸縮機(jī)構(gòu),總體尺寸在φ15×36mm以?xún)?nèi),實(shí)現(xiàn)了微小體積下多模塊的集成?；诎⒒椎侣菪€標(biāo)準(zhǔn)極坐標(biāo)方程,設(shè)計(jì)了阿基米德螺旋線式鉗位機(jī)構(gòu),在旋轉(zhuǎn)開(kāi)合的過(guò)程中,有利于應(yīng)力的均勻分布和釋放,防止了對(duì)腸道的損傷,通過(guò)三次樣條插值得到了鉗位點(diǎn)的變化曲線。
　　為了實(shí)現(xiàn)診查系統(tǒng)無(wú)纜化,設(shè)計(jì)了面向腸道環(huán)境的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)和采用無(wú)線通訊技術(shù)的控制系統(tǒng),擺脫了拖纜所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)靈活性差與對(duì)腸道產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)損傷;為了給微型機(jī)器人提供持續(xù)充足的

5、能量,根據(jù)無(wú)線供能的基本原理,設(shè)計(jì)了面向腸道環(huán)境的體內(nèi)和體外無(wú)線能量傳輸系統(tǒng);根據(jù)診查系統(tǒng)控制要求,設(shè)計(jì)了體內(nèi)腸道微型機(jī)器人控制單元、體外無(wú)線通訊控制器和無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng),其中體內(nèi)腸道微型機(jī)器人控制單元在機(jī)器人微小體積內(nèi),實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通訊、穩(wěn)壓、電流檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、圖像采集傳輸?shù)榷鄠€(gè)模塊的集成。
　　在診查系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,采用了嵌入式編程思想和面向?qū)ο蟮木幊汤砟?設(shè)計(jì)了腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)的軟件,包括嵌入式軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)人

6、機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、圖像視頻顯示等一系列功能。
　　在裝配完成整個(gè)無(wú)線供能的腸道微型機(jī)器人診查系統(tǒng)之后,分別進(jìn)行了模擬腸道實(shí)驗(yàn)和離體腸道實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較和分析,證明了仿尺蠖運(yùn)動(dòng)方式的可行性,驗(yàn)證了微型機(jī)器人診查系統(tǒng)整體性能。
　　本課題設(shè)計(jì)的診查系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期效果,得出了一些寶貴的結(jié)論,為后續(xù)的研究工作打下了一定的基礎(chǔ)。若進(jìn)一步作為醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化,將會(huì)為腸道疾病的診斷和治療帶來(lái)革命