結(jié)腸微型機器人關(guān)鍵技術(shù)及實驗研究.pdf

1、本文以國家自然科學(xué)基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究和上海市科委資助項目為依托，對結(jié)腸微型機器人進行詳細研究和實驗驗證，力圖探索出結(jié)腸主動微創(chuàng)診療的新途徑。結(jié)腸主動微創(chuàng)診療對結(jié)腸微型機器人提出“動”、“能”、“診”、“控”四項基本功能，它們分別對應(yīng)于運動技術(shù)、供能技術(shù)、診療技術(shù)和通訊控制技術(shù)的研究。
　　結(jié)腸微型機器人運動技術(shù)研究，以人體結(jié)腸的生理特性為出發(fā)點，詳細分析了結(jié)腸的基本形態(tài)及生物力學(xué)特性，

2、并通過綜合分析確定了仿尺蠖運動方式和微型電機驅(qū)動方式。仿尺蠖運動機構(gòu)主要包括兩端徑向鉗位機構(gòu)和中部軸向伸縮機構(gòu)。徑向鉗位機構(gòu)利用連桿機構(gòu)伸縮腿實現(xiàn)60mm的鉗位直徑，軸向伸縮機構(gòu)采用雙向直線驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)45mm的軸向行程。通過力學(xué)特性分析，徑向機構(gòu)的理論最大輸出為1.7N，軸向機構(gòu)的理論最大輸出為4.5N，它們都可以在無驅(qū)動下實現(xiàn)狀態(tài)保持。結(jié)腸具有復(fù)雜的表面形態(tài)和粘彈的組織特性，使得結(jié)腸微型機器人的鉗位接觸效率較低，因此為了提高腸道接觸

3、效率和安全性，以腸道摩擦力模型為基礎(chǔ)，通過實驗驗證和分析，設(shè)計并制造了適合腸道表面的接觸裝置。運動學(xué)、動力學(xué)、臨界步距和運動效率的綜合分析，進一步明確了結(jié)腸微型機器人的運動性能，為結(jié)腸微型機器人運動技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。
　　結(jié)腸微型機器人的供能技術(shù)研究，以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過無線方式來實現(xiàn)持續(xù)高功率能量供給。在無線供能系統(tǒng)中，Helmholtz發(fā)射線圈激勵出均勻交變磁場從而提高了位置穩(wěn)定性，三維接收線圈改進了姿態(tài)穩(wěn)定性，

4、并通過為發(fā)射線圈匹配補償電容和可調(diào)電感解決頻率穩(wěn)定性。無線供能效率由發(fā)射系統(tǒng)、線圈耦合和接收系統(tǒng)共同影響，其深入研究為結(jié)腸微型機器人無線供能系統(tǒng)研制提供寶貴參考。本文研制出適合結(jié)腸微型機器人的無線供能系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)輸入功率為14.7W時，可以為結(jié)腸微型機器人提供最小378mW、最大705mW的能量。
　　結(jié)腸微型機器人的診療技術(shù)研究，從臨床診療需求出發(fā)對無線圖像診斷和熱療進行詳細研究。無線圖像診斷借鑒膠囊內(nèi)窺鏡研究成果，并結(jié)合結(jié)腸診

5、療需要，設(shè)計出雙圖像采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)30fps的連續(xù)圖像采集，圖像尺寸為320×240像素。熱療研究以腫瘤加熱技術(shù)發(fā)展為出發(fā)點，并結(jié)合腸道生物組織導(dǎo)熱特性，設(shè)計出了結(jié)腸腔內(nèi)局部熱療線圈，并通過熱療線圈表面溫度的詳細實驗，選擇出了最優(yōu)的線圈結(jié)構(gòu)。熱療線圈裝配了溫度檢測電路以實現(xiàn)41~45℃的結(jié)腸腫瘤熱療溫域的精確控制。
　　結(jié)腸微型機器人的通訊控制技術(shù)研究，以無線通訊為基礎(chǔ)實現(xiàn)了醫(yī)生對體內(nèi)結(jié)腸微型機器人的實時監(jiān)控。利用兩塊 Si4

6、420收發(fā)芯片并結(jié)合特定的通訊程序，在體內(nèi)同體外間實現(xiàn)了半雙工無線通訊。此外，為了提高結(jié)腸微型機器人對多任務(wù)和外設(shè)的管理能力，利用兩片微控制器實現(xiàn)雙硬核系統(tǒng)的同時，并為每個微控制器裝配了具有四層優(yōu)先級的軟核程序構(gòu)架。結(jié)腸微型機器人硬件電路和軟件程序的設(shè)計，使其具有完備的協(xié)同運作和同步控制能力。
　　結(jié)腸微型機器人關(guān)鍵技術(shù)研究同微機電系統(tǒng)加工的有機結(jié)合，研制出了結(jié)腸微型機器人樣機，其直徑17mm，收縮后軸向長度128mm，軸向行程4

7、4mm，最大徑向鉗位外徑60mm。考慮到同結(jié)腸的生物相容性，結(jié)腸微型機器人樣機殼體采用醫(yī)用聚丙烯棒，利用數(shù)控機床加工而成，前后腔體間利用食品醫(yī)用硅膠波紋管連接密封。為了降低樣機重量，樣機機架采用輕質(zhì)航空鋁材，并利用高精度線切割加工而成，最終樣機凈重53.5g。
　　以結(jié)腸微型機器人樣機作為實驗對象，本文通過實驗研究對結(jié)腸微型機器人關(guān)鍵技術(shù)給予充分評測。機器人樣機的仿尺蠖運動機構(gòu)具有簡潔有效的運動步態(tài)，徑向鉗位機構(gòu)的實際最大輸出為1

8、.5N，軸向伸縮機構(gòu)的實際最大輸出為4.2N，接近其理論輸出值；此外，運動機構(gòu)的運動過程符合結(jié)腸內(nèi)主動運動需求。接觸裝置不僅使機器人樣機的摩擦系數(shù)提高65％，而且使其在結(jié)腸中具有較為安全的主動接觸特性。無線圖像系統(tǒng)能夠為醫(yī)生提供連續(xù)而清晰的圖像，便于結(jié)腸病灶點的診出。機器人樣機可在不同傾斜角度的剛性管道和柔性管道中有效運動，當(dāng)隨著運動環(huán)境的穩(wěn)定性降低和傾斜角度的提高，機器人樣機的運動速度也隨之降低，但運動過程仍然連續(xù)平穩(wěn)；機器人樣機在離