论文摘要
本文以国家自然科学基金资助项目和国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目为依托,研究了一种人体肠道诊查微型机器人系统,试图探索一种肠道微创、无创诊疗的新途径。通过对体内微系统无线供能技术的研究,力图解决机器人由于拖缆不能深入人体的问题。在对人体肠道这一特殊环境进行分析的基础上,研究了仿蚯蚓蠕动机器人系统。利用直流电机作为动力源,经过三级齿轮减速器和丝杆螺母机构把旋转运动转化为直线运动,实现了机器人的运动步态。机器人可以执行前进、后退、停止等指令。无线通讯子系统实现体内外的信息交互,设计的数字通讯模块具有较强的抗干扰能力,通讯速率达50kbps。图像子系统采集图像并传输到体外,功耗仅200mW,帧率30帧/秒,图像分辨率30万像素。无线供能子系统为体内机器人提供电能。通过这三个子系统的研究,实现了机器人从“有线”到“无线”的跨越。组装完成的机器人样机外径Φ12mm,长150mm,通过肠道离体实验初步验证了机器人运动的有效性和能量传输的可靠性。供能问题是限制体内诊疗系统的发展的“瓶颈”问题,本文对基于电磁感应的机器人无线供能系统作了深入研究。首先分析了体内接收线圈与体外发射线圈之间的耦合系数,指出与传统的经皮能量传输系统的区别。然后对并-并、并-串、串-并、串-串四种电路结构的传输效率进行了分析,得出了能量传输效率最大化的条件。指出了串联谐振电路和并联谐振电路的不同适用条件,并从根本上揭示了影响能量传输效率的因素-耦合系数和线圈品质因数。针对机器人在体内姿态不确定的情况,提出了一种自定向机构,利用重力保持接收线圈的姿态,从而提高能量传输的效率。通过对线圈品质因数的理论和实验研究,得出了无线能量传输系统最佳工作频率这一重要结论,为利用电磁耦合进行能量传输这一方法建立了理论基础。机器人在体内工作过程中,接收线圈和发射线圈间的耦合系数不断变化,导致能量传输效率不稳定,同时为了满足能量传输效率最大化的条件,设计了基于无线通讯的接收电压反馈回路和谐振频率自调节的双闭环能量传输系统,大大提高了能量传输的稳定性和可靠性。肠道诊查机器人系统采用电磁耦合方式进行无线能量传输,发射线圈产生的交变磁场可能会对人体产生危害,为此研究了电磁场对人体的作用。电磁场通过三种基本耦合机制在人体产生热效应和非热效应。然而由于匮乏流行病学研究,电磁场对人体的长期作用效果目前尚不明确。但随着人们对电磁场的认识,国际上相关组织已经研究并制定了限制电磁场暴露的标准和导则,本文以国际非电离辐射防护委员会的导则和IEEE C95.1-2005标准为依据,对发射线圈产生的电磁场作了暴露评估。对于低频磁场而言,感应电流密度和比吸收率是主要参考量,通过实验测量出这两个物理量存在很大困难,计算电磁学为生物电磁剂量学研究提供了新手段,本文采用数值计算的方法求解电磁场对人体的作用量。采用美国可视人体项目的数据集,运用半自动的图像分割技术,重建了包含56种生物组织的高精度三维真实人体模型,其分辨率达0.33mm×0.33mm×2mm。通过“电磁特性文件”把组织模型中每个体素的电特性描述出来,从而建立了人体电磁计算模型。采用有限积分方法计算分析了发射线圈产生的电磁场在人体产生的电流密度、比吸收率等生物电磁剂量学量,并研究了发射频率、发射电流等参数对电流密度及比吸收率的影响,为无线供能系统的设计奠定了生物安全性基础。