基于無線能量傳輸技術(shù)的視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)及實驗研究.pdf

1、無線膠囊內(nèi)窺鏡（WCE）系統(tǒng)能讓臨床醫(yī)生直接觀測人體胃腸道內(nèi)壁圖像，得到病灶處最直觀的信息。與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)相比，其無痛無創(chuàng)、安全方便、全消化道檢測的特點使得該技術(shù)成為了國內(nèi)外醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究重點。作為胃腸道腔內(nèi)疾病無創(chuàng)檢測新技術(shù)，現(xiàn)有無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的工作時間、圖像幀率以及圖像質(zhì)量尚無法完全滿足其在臨床應(yīng)用中的需求，造成這些問題的原因在于膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部空間有限，只能采用紐扣電池作為能量來源。隨著無線能量傳輸技術(shù)在植入式醫(yī)療設(shè)備

2、上的廣泛應(yīng)用，研究者們將這一能量供給技術(shù)視為突破膠囊內(nèi)窺鏡能量瓶頸的可行途徑。本研究在國家和省部級多項科學(xué)研究計劃項目的支持下，開展了基于無線能量傳輸技術(shù)的視頻膠囊內(nèi)窺鏡研究。
　　基于電磁技術(shù)，針對無線供能視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的工作環(huán)境，本文展開了人體與電磁場的相互作用研究?；赩HP（Visible Human Project）數(shù)據(jù)集建立了高精度的人體電磁計算模型，從兩方面研究了人體與電磁場的相互作用問題，即無線視頻傳輸?shù)碾姶挪?/p>

3、信號從消化道內(nèi)傳播到體外接收系統(tǒng)過程中的功率損耗問題和無線能量傳輸系統(tǒng)在膠囊活動區(qū)域產(chǎn)生的交變磁場對人體組織產(chǎn)生的生物效應(yīng)。建立并分析了電磁信號在人體介質(zhì)中傳播的功率損耗模型，對傳播過程中由天線增益和電磁波輻射、衰減以及反射所引起的功率損耗進行了計算；分析對比了國際電磁安全性標準，得到了交變磁場環(huán)境下電流密度、SAR（Specific Absorption Rate）值在人體的分布，以及不同頻率下無線能量發(fā)射的安全電流最大限值。

4、　　在對人體胃腸道生理特征進行介紹的基礎(chǔ)上，分析了視頻膠囊內(nèi)窺鏡設(shè)計中遇到的問題以及可能的解決方案，確立了系統(tǒng)方案與框架，對視頻膠囊內(nèi)窺鏡各功能模塊進行了研究與設(shè)計。選擇了新型CMOS圖像傳感器 OV6922，設(shè)計了與之匹配的鏡頭與照明模塊；選擇PIC12F509作為微型控制處理器，完成了視頻膠囊內(nèi)窺鏡控制電路與控制軟件的設(shè)計；結(jié)合OV6922輸出的NTSC（National Television System Committee）視頻

5、制式，設(shè)計了抗干擾性強、能量利用率高、頻帶寬的模擬調(diào)頻發(fā)射電路；根據(jù)視頻膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部空間尺寸，設(shè)計了法相型螺旋發(fā)射天線，通過HFSS仿真軟件對其各項參數(shù)進行了優(yōu)化。最后，設(shè)計了體外視頻圖像接收系統(tǒng)，在實現(xiàn)視頻圖像的接收、存儲、與重復(fù)播放的同時，可通過實時顯示功能對視頻膠囊內(nèi)窺鏡的工作狀態(tài)進行監(jiān)測。
　　采用感應(yīng)耦合模式實現(xiàn)本系統(tǒng)的無線供能。研究分析了感應(yīng)耦合能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了視頻膠囊內(nèi)窺鏡無線能量傳輸系統(tǒng)方案以及相關(guān)控制策

6、略，建立了松耦合變壓器模型與改進型廣義空間模型。在系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)參數(shù)不確定性進行了分析與研究，提出了相應(yīng)的量化標準與方法；基于m綜合方法，提出了以感應(yīng)耦合能量傳輸系統(tǒng)為被控對象的系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性及魯棒性能的檢驗方法。
　　通過實驗研究，對無線供能視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行了參數(shù)優(yōu)化以及功能驗證。測試了視頻膠囊內(nèi)窺鏡照明模塊、無線通信模塊以及視頻采集模塊的工作性能，通過離體腸道實驗，采集到了清晰的離體腸道圖像，并對視頻圖像進行了存

7、儲瀏覽，驗證了視頻獲取部分系統(tǒng)設(shè)計的正確性；在能量獲取部分的實驗中，分別對能量發(fā)射裝置與能量接收裝置進行了實驗，獲得了系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)；并利用魯棒穩(wěn)定性分析方法，建立了穩(wěn)定的無線能量傳輸系統(tǒng)。本文研制的視頻膠囊內(nèi)窺鏡直徑11mm，長28mm，能夠采集到30f/s的NTSC制式視頻圖像，無線能量傳輸系統(tǒng)保證了視頻膠囊內(nèi)窺鏡長時間工作所需能量，傳輸效率達4.4％。最后，在動物活體實驗中，對整個系統(tǒng)性能進行了驗證，成功獲取了動物豬消化道內(nèi)壁圖像，