人體腸道診查微型機(jī)器人系統(tǒng)及其無線供能技術(shù)研究.pdf

1、本文以國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目為依托，研究了一種人體腸道診查微型機(jī)器人系統(tǒng)，試圖探索一種腸道微創(chuàng)、無創(chuàng)診療的新途徑。通過對體內(nèi)微系統(tǒng)無線供能技術(shù)的研究，力圖解決機(jī)器人由于拖纜不能深入人體的問題。 在對人體腸道這一特殊環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究了仿蚯蚓蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。利用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)過三級齒輪減速器和絲桿螺母機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。機(jī)器人可以執(zhí)行

2、前進(jìn)、后退、停止等指令。無線通訊子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外的信息交互，設(shè)計(jì)的數(shù)字通訊模塊具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通訊速率達(dá)50kbps。圖像子系統(tǒng)采集圖像并傳輸?shù)襟w外，功耗僅200mW，幀率30幀/秒，圖像分辨率30萬像素。無線供能子系統(tǒng)為體內(nèi)機(jī)器人提供電能。通過這三個(gè)子系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人從“有線”到“無線”的跨越。組裝完成的機(jī)器人樣機(jī)外徑Φ12mm，長150mm，通過腸道離體實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的有效性和能量傳輸?shù)目煽啃浴?供能

3、問題是限制體內(nèi)診療系統(tǒng)的發(fā)展的“瓶頸”問題，本文對基于電磁感應(yīng)的機(jī)器人無線供能系統(tǒng)作了深入研究。首先分析了體內(nèi)接收線圈與體外發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，指出與傳統(tǒng)的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的區(qū)別。然后對并-并、并-串、串-并、串-串四種電路結(jié)構(gòu)的傳輸效率進(jìn)行了分析，得出了能量傳輸效率最大化的條件。指出了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的不同適用條件，并從根本上揭示了影響能量傳輸效率的因素-耦合系數(shù)和線圈品質(zhì)因數(shù)。針對機(jī)器人在體內(nèi)姿態(tài)不確定的情況，提出了一

4、種自定向機(jī)構(gòu)，利用重力保持接收線圈的姿態(tài)，從而提高能量傳輸?shù)男?。通過對線圈品質(zhì)因數(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出了無線能量傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率這一重要結(jié)論，為利用電磁耦合進(jìn)行能量傳輸這一方法建立了理論基礎(chǔ)。機(jī)器人在體內(nèi)工作過程中，接收線圈和發(fā)射線圈間的耦合系數(shù)不斷變化，導(dǎo)致能量傳輸效率不穩(wěn)定，同時(shí)為了滿足能量傳輸效率最大化的條件，設(shè)計(jì)了基于無線通訊的接收電壓反饋回路和諧振頻率自調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)能量傳輸系統(tǒng)，大大提高了能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

5、 腸道診查機(jī)器人系統(tǒng)采用電磁耦合方式進(jìn)行無線能量傳輸，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場可能會(huì)對人體產(chǎn)生危害，為此研究了電磁場對人體的作用。電磁場通過三種基本耦合機(jī)制在人體產(chǎn)生熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。然而由于匱乏流行病學(xué)研究，電磁場對人體的長期作用效果目前尚不明確。但隨著人們對電磁場的認(rèn)識，國際上相關(guān)組織已經(jīng)研究并制定了限制電磁場暴露的標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，本文以國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)的導(dǎo)則和IEEEC95.1-2005標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場作了

6、暴露評估。對于低頻磁場而言，感應(yīng)電流密度和比吸收率是主要參考量，通過實(shí)驗(yàn)測量出這兩個(gè)物理量存在很大困難，計(jì)算電磁學(xué)為生物電磁劑量學(xué)研究提供了新手段，本文采用數(shù)值計(jì)算的方法求解電磁場對人體的作用量。采用美國可視人體項(xiàng)目的數(shù)據(jù)集，運(yùn)用半自動(dòng)的圖像分割技術(shù)，重建了包含56種生物組織的高精度三維真實(shí)人體模型，其分辨率達(dá)0.33mm×0.33mm×2mm。通過“電磁特性文件”把組織模型中每個(gè)體素的電特性描述出來，從而建立了人體電磁計(jì)算模型。采用有