基于無線供能的腸道微型機器人診查系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來,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,其機械式的插入給患者帶來了不適和痛苦,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運動,無法對可疑病變部位定點反復(fù)觀察;采用電池供電,也限制了檢查的工作時間。主動可控的微型機器人診查系統(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)用價值,已經(jīng)成為

2、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的熱點之一。
　　本文在國家自然科學(xué)基金資助項目(No.31170968)、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項目(No.010203)與上海市科委項目(No.09DZ1907400)的資助下,結(jié)合微機電系統(tǒng)技術(shù),進行了基于無線供能的腸道微型機器人診查系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究。
　　在本文中,通過分析面向腸道環(huán)境的國內(nèi)外微型機器人運動方式和微型機器人驅(qū)動方式,提出了微型直流電機驅(qū)動的仿生物尺蠖的運動方式,從生物尺蠖的運動機理聯(lián)

3、想到腸道微型機器人的運動步態(tài)。進而,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,為仿尺蠖式微型機器人的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。分析了仿尺蠖式微型機器人在腸道中的力學(xué)特性和運動效率,得出了微機器人在腸道中運動需要滿足的條件,提出了最大運動效率模型,明確了仿尺蠖式微型機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求。
　　根據(jù)微型機器人機械設(shè)計的基本要求,運用模塊化設(shè)計思想,結(jié)合仿尺蠖式運動機理,在有限空間內(nèi)設(shè)計了微型機器人首尾兩倉的徑向鉗位機構(gòu)和中

4、倉的軸向伸縮機構(gòu),總體尺寸在φ15×36mm以內(nèi),實現(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)計了阿基米德螺旋線式鉗位機構(gòu),在旋轉(zhuǎn)開合的過程中,有利于應(yīng)力的均勻分布和釋放,防止了對腸道的損傷,通過三次樣條插值得到了鉗位點的變化曲線。
　　為了實現(xiàn)診查系統(tǒng)無纜化,設(shè)計了面向腸道環(huán)境的無線能量傳輸系統(tǒng)和采用無線通訊技術(shù)的控制系統(tǒng),擺脫了拖纜所帶來的運動靈活性差與對腸道產(chǎn)生的運動損傷;為了給微型機器人提供持續(xù)充足的

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

6、機交互界面軟件設(shè)計,實現(xiàn)了人機交互操作、機器人運動、圖像視頻顯示等一系列功能。
　　在裝配完成整個無線供能的腸道微型機器人診查系統(tǒng)之后,分別進行了模擬腸道實驗和離體腸道實驗,通過對實驗結(jié)果的比較和分析,證明了仿尺蠖運動方式的可行性,驗證了微型機器人診查系統(tǒng)整體性能。
　　本課題設(shè)計的診查系統(tǒng)基本達到預(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)。若進一步作為醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化,將會為腸道疾病的診斷和治療帶來革命