胃腸道微型介入式診療裝置無線供能技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用研究.pdf

1、能量供給是胃腸道微型介入式診療裝置（以下簡(jiǎn)稱：微診療裝置）在發(fā)展和完善過程中所面臨的至關(guān)重要的問題，微診療裝置的發(fā)展如工作時(shí)間的延長(zhǎng)、圖像幀數(shù)和分辨率的提高、自主運(yùn)動(dòng)乃至活檢和定點(diǎn)施藥的實(shí)現(xiàn)都有賴于能量供給問題的解決。無線供能技術(shù)因被視為解決這一問題的可行途徑而受到越來越多的關(guān)注。基于此，本研究在國(guó)家和省部級(jí)多項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，開展了用于微診療裝置供能的無線供能技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用研究。
　　在對(duì)人體胃腸道生理特征進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)

2、上，分析了基于電磁感應(yīng)的無線供能技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中遇到的問題和可能的解決方案，推導(dǎo)了在疏耦合情形下的能量傳輸效率以及對(duì)應(yīng)約束條件，建立了最優(yōu)化模型來描述整個(gè)無線供能模塊的設(shè)計(jì)，并提出了可行的算法對(duì)該最優(yōu)化模型進(jìn)行求解。微診療裝置對(duì)無線供能模塊的要求主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和對(duì)人體的安全性。穩(wěn)定性主要包括位置穩(wěn)定性、姿態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性三個(gè)方面，而安全性包括電磁生物安全性和接收裝置溫升安全性。分析了這些系統(tǒng)要求與發(fā)射線圈和接收

3、裝置設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，再結(jié)合人體胃腸道生理特征所帶來的限制，一起構(gòu)成了最優(yōu)化模型的約束條件。
　　提出了多層螺線管對(duì)的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，從解決位置穩(wěn)定性問題、頻率穩(wěn)定性問題磁場(chǎng)和電磁生物安全性問題的角度出發(fā)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)發(fā)射線圈進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)估。采用勻強(qiáng)磁場(chǎng)方案來解決位置穩(wěn)定性問題，推導(dǎo)和模擬了不同結(jié)構(gòu)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布，搭建磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試平臺(tái)對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了磁場(chǎng)均勻度的概念來衡量位置穩(wěn)定性問題的解決程度。設(shè)計(jì)并搭建了固有頻率檢

4、測(cè)平臺(tái)測(cè)量發(fā)射線圈的固有頻率漂移情況，定義了頻率穩(wěn)定度來衡量固有頻率漂移帶來的影響，將此參數(shù)作為發(fā)射線圈設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，使頻率穩(wěn)定性在發(fā)射線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)?？紤]了發(fā)射線圈磁場(chǎng)的人體安全性問題，應(yīng)用電磁仿真軟件CST在高精度人體電磁計(jì)算模型上對(duì)人體組織中的電流密度、SAR等電磁劑量進(jìn)行求解。并將磁場(chǎng)安全性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對(duì)發(fā)射線圈上驅(qū)動(dòng)電流的約束，為磁場(chǎng)安全性問題在發(fā)射線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)提供了條件。
　　考慮了無線供能模塊接收裝

5、置受到的尺寸和形狀的約束，從解決姿態(tài)穩(wěn)定性問題和溫升安全性問題角度出發(fā)，對(duì)接收裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)三維線圈的姿態(tài)穩(wěn)定度進(jìn)行了定義和三維空間建模，通過推導(dǎo)和仿真計(jì)算確定了姿態(tài)穩(wěn)定度在衡量姿態(tài)穩(wěn)定性上的可行性，并設(shè)計(jì)和搭建旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)際測(cè)試證實(shí)了其有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)接收線圈三個(gè)維度之間的連接關(guān)系進(jìn)行了比較和分析，得到了串聯(lián)連接和并聯(lián)連接各自的適應(yīng)范圍。為提高空間利用率，重點(diǎn)考察了高磁導(dǎo)磁芯的引入，分析和實(shí)際測(cè)量了不同形狀磁芯的實(shí)際相對(duì)磁

6、導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)八邊形截面柱體磁芯優(yōu)于正方形截面柱體。另外，在三維對(duì)稱的要求下通過分析各維度的空間幾何關(guān)系，建立并求解了多階方程來確定不同維度線圈的匝數(shù)，并得到了接收線圈在規(guī)定外形尺寸條件下磁芯的最優(yōu)尺寸。將能量接收線圈內(nèi)阻引發(fā)的體內(nèi)溫升安全性問題轉(zhuǎn)化為對(duì)能量接收線圈繞組導(dǎo)線的股數(shù)的約束，并通過溫升測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種處理的有效性，為溫升安全性問題的解決提供了理論依據(jù)和切實(shí)可行的方法。
　　為了驗(yàn)證上述最優(yōu)化模型的可行性，應(yīng)用最優(yōu)化模