微型膠囊內(nèi)窺鏡電磁驅動設計與主動控制研究.pdf

1、隨著大規(guī)模集成電路技術、MEMS、無線通信、光學技術的發(fā)展，膠囊內(nèi)窺鏡作為一種有效的診斷腸道疾病的方法，目前已被廣泛的研究并得到了迅速的發(fā)展。然而，目前所有已商業(yè)化的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品都不能進行主動控制，這導致膠囊內(nèi)窺鏡在遍歷腸道檢測的過程中產(chǎn)生很多問題。由于膠囊在腸道內(nèi)的運動僅僅依靠人體的腸道蠕動系統(tǒng)，其自身在任意時刻的運動姿態(tài)，速度，方向，位置狀態(tài)都將是隨機的，這將不利于醫(yī)生對腸道內(nèi)病灶部位信息的獲取與診斷。此外，被動式膠囊內(nèi)鏡的檢查一

2、般要花費6-8個小時，這將消耗病人和醫(yī)生大量的時間，然而所獲得的數(shù)據(jù)信息也不足以讓醫(yī)生進行準確的病情分析。
　　 為了實現(xiàn)對膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)主動運動控制，本文研究了兩種基于磁場的膠囊內(nèi)窺鏡的主動控制方法。分別是基于亥姆霍茲線圈的旋轉磁場驅動技術和基于永磁體靜磁拖動的磁導航技術。
　　 本文首先介紹了主動式膠囊內(nèi)窺鏡的研究背景、研究目的和意義；概述了膠囊內(nèi)窺鏡的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)外專家學者開展的針對膠囊內(nèi)窺鏡主動控制研

3、究；同時介紹了膠囊內(nèi)窺鏡現(xiàn)存的問題及研究發(fā)展方向。
　　 其次本文研究了基于旋轉磁場的驅動膠囊內(nèi)窺鏡主動運動的原理和方法，并進行了相應的電磁驅動設計及仿真分析。文中采用了兩組亥姆霍茲線圈，當通入不同強度且成一定相位關系的電流后，在較大空間區(qū)域，通過磁場疊加產(chǎn)生旋轉磁場，從而帶動嵌有徑向極化永磁體且表面具有螺紋結構的膠囊在腸道內(nèi)運動。文中建立了磁分析模型，介紹了旋轉磁場產(chǎn)生的方法，分析了線圈結構參數(shù)對旋轉磁場特性的影響；對亥姆霍茲

4、線圈產(chǎn)生磁場的特性進行了研究并對磁場的空間均勻性進行了分析，同時利用有限元分析軟件COMSOL，分析了磁場的均勻區(qū)域，計算了兩組線圈的驅動電流大小及電磁驅動力和驅動力矩的大小。同時根據(jù)正交設計的仿真結果，進一步優(yōu)化膠囊結構和膠囊表面的螺紋形狀參數(shù)，如節(jié)距，螺紋升角，螺紋高度和螺紋線數(shù)等。
　　 然后本文研究了基于磁拖動原理的磁導航技術并進行了仿真分析。文中介紹了磁導航技術原理，驅動力學分析和理論建模。同時對永磁體周圍磁場特性進行

5、了研究，利用外部永磁體驅動內(nèi)部嵌有小永磁體的膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)運動。開展了相關實驗驗證了此種方法的可行性，并對組合式永磁體驅動性能進行了研究。
　　 最后針對磁拖動原理設計了磁導航儀并進行了相關驅動控制研究。提出并設計了一種磁導式膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，主要包括受檢者支撐部、磁裝配體、磁支撐座和伺服控制單元。通過外部控制磁導航儀系統(tǒng)各個部件的進給速度、轉動速度和相對運動速度，可以實現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡在消化道內(nèi)的快速運動、緩慢運動和局部定位等。