人體胃腸道腔內(nèi)診療微系統(tǒng)無線能量傳輸關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、供能問題和生物電磁輻射安全性，是胃腸道腔內(nèi)診療微系統(tǒng)研究需要考慮的兩大重要問題，前者涉及系統(tǒng)的可行性，后者是臨床應(yīng)用的準(zhǔn)入條件。胃腸道診療微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的同時，對能量的需求相應(yīng)增加，以期實現(xiàn)體內(nèi)連續(xù)工作時間延長、圖像質(zhì)量提高、運動和診療方式可控等目標(biāo)，基于電磁感應(yīng)的無線供能技術(shù)為解決這一問題提供了一種可行方法。另外，隨著研究的推進，生物電磁輻射安全問題也已凸現(xiàn)出來，需要同步解決，以實現(xiàn)胃腸道診療微系統(tǒng)的臨床應(yīng)用。在國家和省級多項科研計劃

2、項目資助下，本文開展了針對人體胃腸道診療微系統(tǒng)無線能量傳輸關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用的研究。
　　針對無線供能的胃腸道診療微系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、安全性、效率和可靠性要求，提出了模塊化系統(tǒng)設(shè)計思想。分析了國內(nèi)外電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)，提出以人體感應(yīng)電流密度和比吸收率（SAR）為指標(biāo)的判定函數(shù)，確定了能量發(fā)射系統(tǒng)的安全運行范圍；利用生物傳熱方程分析體內(nèi)溫升特性，明確了能量接收線圈的安全性約束條件；通過解析電磁耦合方程，得到能量傳輸效率的表達函

3、數(shù)，并將能量發(fā)射端與接收端參數(shù)分離，以利于后續(xù)設(shè)計；分析了無線供能系統(tǒng)可靠性的三個主要方面，包括磁場均勻性、頻率穩(wěn)定性和姿態(tài)穩(wěn)定性。由此，形成了無線供能系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。
　　根據(jù)診療微系統(tǒng)的能量要求，圍繞能量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)、生物電磁輻射安全性、磁場均勻性和頻率穩(wěn)定性等方面，對無線能量發(fā)射系統(tǒng)進行了研究。通過分析比較，結(jié)合螺線管和亥姆霍茲線圈的特點，提出了多層螺線管對能量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，兼顧了發(fā)射磁場強度和均勻

4、性；通過有限積分方法構(gòu)建了高精度人體電磁計算模型，根據(jù)生物電磁感應(yīng)原理計算得到電磁場中人體組織電流密度和比吸收率等電磁劑量學(xué)量，并對照生物電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)得到電流上限，為能量發(fā)射線圈的設(shè)計提供了安全性約束條件；以電磁場基本原理為起點，推導(dǎo)不同的能量發(fā)射線圈磁場分布表達，并通過對比計算值和測量值進行驗證，分析了能量發(fā)射線圈的磁場均勻性；針對能量發(fā)射線圈的頻率漂移問題，提出保持電路諧振穩(wěn)定的方法，以線圈的品質(zhì)因數(shù)Q為標(biāo)識，分析頻率漂移對驅(qū)動

5、電流的影響，并以此作為評估參量，比較了人體對能量發(fā)射線圈影響的兩種極限狀態(tài)。由此，得到了能量發(fā)射系統(tǒng)的具體設(shè)計方案和參考指標(biāo)。
　　根據(jù)感應(yīng)能量的姿態(tài)穩(wěn)定性要求，引入了三維能量接收線圈結(jié)構(gòu)，并從溫升安全性、能量傳輸效率以及接收能量的穩(wěn)定性等方面，對無線能量接收系統(tǒng)進行了研究。檢測了不同線圈的溫升情況，討論了能量接收線圈內(nèi)阻的安全范圍。從能量接收線圈的磁芯材料、幾何形狀、尺寸以及繞線股數(shù)方面，研究了傳輸效率的優(yōu)化問題：由初始磁導(dǎo)率的

6、頻率特性，得出磁芯材料的選擇方案；通過分析影響磁導(dǎo)率的參數(shù)并測量對比，確定幾何形狀為圓柱體的磁芯具有更高磁導(dǎo)率；引入面積系數(shù)概念并測量感應(yīng)電動勢，得出磁芯的最佳尺寸；測量不同線圈的接收功率，得到傳輸效率最高的繞線股數(shù)。研究了接收能量與接收線圈姿態(tài)的關(guān)系，模擬接收電路的串并聯(lián)效果并實際測量，分析了接收能量的穩(wěn)定性。通過對磁芯、繞組和電路的研究，為無線能量接收系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)和方法。
　　為驗證上述理論和方法的可行性，依照模塊

7、化系統(tǒng)設(shè)計思想，應(yīng)用各項研究分析結(jié)論，設(shè)計了被動式視頻膠囊內(nèi)窺鏡和主動式腸道機器人兩種裝置，及其相應(yīng)的無線供能系統(tǒng)。
　　根據(jù)第2~4章的理論研究和方法，設(shè)計并實現(xiàn)了視頻膠囊內(nèi)鏡和穿戴式無線供能系統(tǒng)。通過視頻膠囊內(nèi)鏡在人體胃腸道內(nèi)的受力分析，確定其安全尺寸和封裝要求；研究視頻膠囊內(nèi)鏡圖像模塊的工作原理，并確定了電路設(shè)計方案。視頻膠囊內(nèi)鏡的封裝尺寸為Ф10mm×26mm，功耗為63.9mW。重點研究了無線能量發(fā)射線圈和電路：根據(jù)臨床

8、應(yīng)用和人體腹部外型，設(shè)計了類橢圓單層螺線管對結(jié)構(gòu)的穿戴式能量發(fā)射線圈，重量為2.1Kg；測量并分析了發(fā)射磁場均勻性；根據(jù)安全、功率和效率要求，確定了能量發(fā)射線圈匝數(shù)為28，工作頻率為208KHz；將能量發(fā)射電路集成為小型控制盒，重量約1Kg，實現(xiàn)了便攜化設(shè)計。視頻膠囊內(nèi)鏡和無線供能系統(tǒng)滿足可穿戴、安全性、高效率和可靠性等要求。在空氣介質(zhì)、豬肉介質(zhì)和活體動物實驗中，均獲得了清晰穩(wěn)定的視頻圖像，其分辨率為320×240，幀率為30幀/秒，無

9、線供能效率為2.8％。通過實驗，驗證了系統(tǒng)的可行性，并提出了下一步的改進方案。
　　在對主動式胃腸道診療系統(tǒng)運動機構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)尺蠖運動原理，設(shè)計實現(xiàn)了腸道診查機器人：通過分析腸道結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，得到其環(huán)向和軸向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，討論了腸道的生理組織安全性；通過仿真分析，提出了機器人運動效率的優(yōu)化方案；利用阿基米德螺線原理設(shè)計了均勻擴張的腿式鉗位機構(gòu)，保證了腸道的生理組織安全性，提高了運動效率；采用絲杠螺母伸縮機構(gòu)縮短機體軸

10、向長度，使機器人的運動適應(yīng)腸道環(huán)境變化；將驅(qū)動電機一體化設(shè)計，節(jié)省了機體內(nèi)部空間；機器人的收縮尺寸為Φ18mm×41mm，步距為22mm，徑向最大擴張直徑為38mm；測試分析了鉗位機構(gòu)和伸縮機構(gòu)特性，得到鉗位力為1.49N，最大推力為9.67N，最大拉力為10.89N，符合主動運動要求。搭建了無線供能平臺，并設(shè)計了新型環(huán)狀三維能量接收線圈，以減小機體體積并保證能量傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。在無線供能平臺上，分別對機器人進行了離體腸道和活體動物