基于無線供能的腸道診療機(jī)器人研究.pdf

1、隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，可主動(dòng)進(jìn)入腸道進(jìn)行無創(chuàng)診療的腸道機(jī)器人研究倍受國(guó)內(nèi)外醫(yī)療器械工作者的矚目。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170968）、載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目（010203）和上海市科委資助項(xiàng)目（09DZ1907400），結(jié)合無線供能和射頻通信控制技術(shù)，研究集運(yùn)動(dòng)、活檢、視頻控制一體的無拖纜、安全高效的腸道診療裝置。
　　為適應(yīng)腸道細(xì)長(zhǎng)的管狀環(huán)境，采用尺蠖仿生原理設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可完成環(huán)向擴(kuò)張鉗位動(dòng)作和軸向伸縮動(dòng)作，具有穩(wěn)

2、定的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。從腸道結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征出發(fā)，基于腸道的本構(gòu)方程及擬應(yīng)變能函數(shù)，分析機(jī)器人在腸道中運(yùn)動(dòng)的效率和步距損失，并提出了提高效率的方法，給出了理論分析運(yùn)動(dòng)效率的計(jì)算步驟?；隗w外腸道實(shí)驗(yàn)分析機(jī)器人與腸道的作用力，結(jié)合腸道生理特性，建立了機(jī)器人在腸道中的作用力方程，為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　針對(duì)結(jié)腸和小腸的不同環(huán)境，考慮有效鉗位的重要性，分別設(shè)計(jì)并優(yōu)化了花瓣氣囊鉗位機(jī)構(gòu)和阿基米德螺線腿鉗位機(jī)構(gòu)，相比以往鉗位機(jī)構(gòu)提高了鉗位力，

3、加快了運(yùn)動(dòng)速度。采用氣囊鉗位可更好的適應(yīng)大管徑的結(jié)腸環(huán)境，設(shè)計(jì)花瓣氣囊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓球氣囊，充氣時(shí)間減少為1/3，鉗位直徑提高到45mm?；诎⒒椎侣菥€設(shè)計(jì)鉗位腿式機(jī)構(gòu)，螺線本身的彈性和形狀有利于提高鉗位力并保護(hù)腸道。采用平面齒輪的驅(qū)動(dòng)方式，在Φ16mm×5mm的軸向空間內(nèi)可驅(qū)動(dòng)螺線腿撐開腸道至38mm，螺線腿環(huán)向擴(kuò)張不會(huì)戳傷腸壁，相比傳統(tǒng)直腿式機(jī)構(gòu)更加安全。
　　基于臨床組織活檢的醫(yī)療需求，結(jié)合結(jié)腸診療機(jī)器人分別設(shè)計(jì)了大嘴活檢鉗

4、和小嘴活檢鉗。活檢機(jī)構(gòu)與機(jī)器人伸縮機(jī)構(gòu)一體，體積為Φ13.8mm×28mm。使用一個(gè)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可完成伸出、咬合、取樣、收回和保存樣本的動(dòng)作。結(jié)合視頻模塊和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊，解決了現(xiàn)階段膠囊機(jī)器人活檢過程不可視，取樣過程無法重復(fù)，以及取樣樣本過少的問題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀察活檢過程，可反復(fù)取樣，提高了活檢取樣的成功率，并且輸出咬合力大于10N，滿足采集和保存腸道組織樣本的功能要求。
　　為滿足機(jī)器人診療任務(wù)的能量需求，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)空間限制

5、下，設(shè)計(jì)了空心磁環(huán)接收線圈，有效提高了線圈的供能效率和姿態(tài)穩(wěn)定性。在80％以上的任意姿態(tài)空間內(nèi)傳輸效率高于10%，姿態(tài)穩(wěn)定度為90.14%，性能優(yōu)于現(xiàn)階段普遍使用的三維正交線圈，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的人體安全性。設(shè)計(jì)無線通信控制系統(tǒng)，包括：人機(jī)交互界面、無線通訊控制系統(tǒng)和微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；谏漕l通信，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙向通信控制系統(tǒng)，并通過體外管道爬行實(shí)驗(yàn)和豬活體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的通信控制性能。
　　設(shè)計(jì)研制結(jié)腸診療機(jī)器人和小腸診察機(jī)器人樣機(jī)

6、。結(jié)腸診療機(jī)器人體積為Φ20mm×63mm，使用十字萬向節(jié)連接前后鉗位機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)彎曲腸道；小腸診察機(jī)器人體積為Φ16mm×34mm，適應(yīng)彎曲細(xì)長(zhǎng)的小腸環(huán)境。測(cè)試在體外腸道中的運(yùn)動(dòng)性能，包括控制可視性、鉗位力、擴(kuò)張力、在直腸道中的爬坡特性以及彎曲腸道中的通過性。通過離體腸道實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了兩種活檢鉗的組織取樣過程。結(jié)合無線供能系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人能量消耗、通信控制和各個(gè)姿態(tài)下的運(yùn)動(dòng)性能分別測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種機(jī)器人滿足無線供能下的不同腸道環(huán)境