磁導(dǎo)式膠囊內(nèi)窺鏡力學(xué)建模與系統(tǒng)研制.pdf

1、無線膠囊內(nèi)窺鏡檢測是近十年來發(fā)展起來的醫(yī)療無創(chuàng)診斷技術(shù)，通過一個(gè)集成LED照明芯片、成像裝置、無線傳輸模塊以及功率源的具有普通藥丸大小的可吞服膠囊內(nèi)窺鏡，在人體腸胃道內(nèi)執(zhí)行病灶檢測，并將腸胃圖像無線傳輸?shù)酵鈬邮昭b置，由富有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師在工作站上進(jìn)行在線或離線診斷。無線膠囊內(nèi)窺鏡克服了傳統(tǒng)推挽式腸胃鏡有創(chuàng)痛苦、檢測范圍有限（只能檢測小腸前端）和存在交叉感染的缺點(diǎn)。病人只需吞服一粒普通藥丸大小的膠囊，醫(yī)師就可以得到病人小腸全段的圖片并做出診

2、斷。自從2001年以色列Given Imaging 公司推出首款商用膠囊內(nèi)窺鏡M2A以來，膠囊內(nèi)窺鏡逐步進(jìn)軍醫(yī)療市場并向微型化和多功能化方向發(fā)展。目前商業(yè)無線膠囊內(nèi)窺鏡仍存的主要缺陷有：1）檢測周期長，通常為6－8個(gè)小時(shí)；2）檢測出病灶后無法進(jìn)行精確的分析和仔細(xì)觀察；3）一旦在體內(nèi)滯留，只能采用有創(chuàng)的方式取出，存在安全隱患。目前市場上的膠囊內(nèi)窺鏡都沒有外部控制和導(dǎo)向系統(tǒng)，膠囊的運(yùn)動(dòng)僅依賴于腸道蠕動(dòng)。因此，當(dāng)病灶被發(fā)現(xiàn)時(shí)，醫(yī)師無法執(zhí)行精確

3、的分析。為了解決上述問題，目前的商用膠囊內(nèi)窺鏡需要在腸道的每一個(gè)部分采集大量的圖像，這導(dǎo)致醫(yī)師要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間組織和分析大量的圖像信息。這也就造成膠囊內(nèi)窺鏡極高的成本和較低的效率。本論文探討了一種膠囊內(nèi)窺鏡檢測磁導(dǎo)式主動(dòng)控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證四個(gè)方面進(jìn)行了綜合論述。提出并設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)航儀主動(dòng)控制系統(tǒng)，適用于醫(yī)療腸胃道內(nèi)窺鏡檢測領(lǐng)域。所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)具有五個(gè)聯(lián)動(dòng)軸，可以實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡在腸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和位置控制

4、。此外，采用了磁殼式膠囊集成方案，可以與磁控導(dǎo)航系統(tǒng)兼容。為了驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性，建立了膠囊在腸道內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型，并用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行了仿真分析。通過在豬腸道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測試，證實(shí)了磁導(dǎo)航的可行性。所做的工作具體闡述如下：首先，建立了兩種膠囊內(nèi)窺鏡力學(xué)模型，分別為適用于旋轉(zhuǎn)磁場-螺旋結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力學(xué)模型，和適用于準(zhǔn)靜態(tài)磁場導(dǎo)航控制的粘彈性生物力學(xué)模型。分別采用有限差分和有限元法進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)有文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，證明

5、所建立的模型可以為磁導(dǎo)航控制方法提供指導(dǎo)和設(shè)計(jì)優(yōu)化。
　　 其次，針對磁導(dǎo)航儀系統(tǒng)和膠囊內(nèi)窺鏡微型系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析和系統(tǒng)研制。提出的磁導(dǎo)式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不涉及復(fù)雜的膠囊內(nèi)部可動(dòng)結(jié)構(gòu)，避免由于膠囊可動(dòng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的安全；主動(dòng)控制方式簡易，成本低。五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)有五部伺服電機(jī)和一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)膠囊的運(yùn)動(dòng)控制。膠囊內(nèi)窺鏡微型系統(tǒng)的構(gòu)建基于商業(yè)芯片，大幅度減低了成本。同時(shí)，磁導(dǎo)航儀和微系統(tǒng)通過磁殼結(jié)構(gòu)有效集成，使得

6、膠囊內(nèi)窺鏡可以進(jìn)行主動(dòng)控制，從而拓展了膠囊內(nèi)窺鏡的功能。最后，進(jìn)行了模擬腸道實(shí)驗(yàn)，在透明的涂覆有豬小腸的PVC軟管內(nèi)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。膠囊模型遍歷1.6m涂覆有豬小腸的軟管所需要的時(shí)間為148.78s，平均速度10.75mm/s，證明磁導(dǎo)式主動(dòng)控制系統(tǒng)可以顯著縮短膠囊內(nèi)窺鏡診斷時(shí)間；并且通過外部控制磁導(dǎo)航儀系統(tǒng)各個(gè)部件的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和相對運(yùn)動(dòng)速度，可以實(shí)現(xiàn)膠囊在腸道內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng)、緩慢運(yùn)動(dòng)和局部定位等，表明了磁導(dǎo)式膠囊內(nèi)窺鏡主動(dòng)控制系