微型膠囊內(nèi)窺鏡電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與主動(dòng)控制研究.pdf

1、隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、MEMS、無線通信、光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膠囊內(nèi)窺鏡作為一種有效的診斷腸道疾病的方法，目前已被廣泛的研究并得到了迅速的發(fā)展。然而，目前所有已商業(yè)化的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品都不能進(jìn)行主動(dòng)控制，這導(dǎo)致膠囊內(nèi)窺鏡在遍歷腸道檢測(cè)的過程中產(chǎn)生很多問題。由于膠囊在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)僅僅依靠人體的腸道蠕動(dòng)系統(tǒng)，其自身在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，速度，方向，位置狀態(tài)都將是隨機(jī)的，這將不利于醫(yī)生對(duì)腸道內(nèi)病灶部位信息的獲取與診斷。此外，被動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡的檢查一

2、般要花費(fèi)6-8個(gè)小時(shí)，這將消耗病人和醫(yī)生大量的時(shí)間，然而所獲得的數(shù)據(jù)信息也不足以讓醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確的病情分析。
　　 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制，本文研究了兩種基于磁場(chǎng)的膠囊內(nèi)窺鏡的主動(dòng)控制方法。分別是基于亥姆霍茲線圈的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和基于永磁體靜磁拖動(dòng)的磁導(dǎo)航技術(shù)。
　　 本文首先介紹了主動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡的研究背景、研究目的和意義；概述了膠囊內(nèi)窺鏡的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展的針對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡主動(dòng)控制研

3、究；同時(shí)介紹了膠囊內(nèi)窺鏡現(xiàn)存的問題及研究發(fā)展方向。
　　 其次本文研究了基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的原理和方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及仿真分析。文中采用了兩組亥姆霍茲線圈，當(dāng)通入不同強(qiáng)度且成一定相位關(guān)系的電流后，在較大空間區(qū)域，通過磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)嵌有徑向極化永磁體且表面具有螺紋結(jié)構(gòu)的膠囊在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。文中建立了磁分析模型，介紹了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的方法，分析了線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)特性的影響；對(duì)亥姆霍茲

4、線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的特性進(jìn)行了研究并對(duì)磁場(chǎng)的空間均勻性進(jìn)行了分析，同時(shí)利用有限元分析軟件COMSOL，分析了磁場(chǎng)的均勻區(qū)域，計(jì)算了兩組線圈的驅(qū)動(dòng)電流大小及電磁驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩的大小。同時(shí)根據(jù)正交設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化膠囊結(jié)構(gòu)和膠囊表面的螺紋形狀參數(shù)，如節(jié)距，螺紋升角，螺紋高度和螺紋線數(shù)等。
　　 然后本文研究了基于磁拖動(dòng)原理的磁導(dǎo)航技術(shù)并進(jìn)行了仿真分析。文中介紹了磁導(dǎo)航技術(shù)原理，驅(qū)動(dòng)力學(xué)分析和理論建模。同時(shí)對(duì)永磁體周圍磁場(chǎng)特性進(jìn)行

5、了研究，利用外部永磁體驅(qū)動(dòng)內(nèi)部嵌有小永磁體的膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此種方法的可行性，并對(duì)組合式永磁體驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了研究。
　　 最后針對(duì)磁拖動(dòng)原理設(shè)計(jì)了磁導(dǎo)航儀并進(jìn)行了相關(guān)驅(qū)動(dòng)控制研究。提出并設(shè)計(jì)了一種磁導(dǎo)式膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，主要包括受檢者支撐部、磁裝配體、磁支撐座和伺服控制單元。通過外部控制磁導(dǎo)航儀系統(tǒng)各個(gè)部件的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可以實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡在消化道內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng)、緩慢運(yùn)動(dòng)和局部定位等。