按需式无线内窥镜的设计与研究

论文摘要

无线胶囊内窥镜检查法使采用内窥镜图像法检查整个小肠成为可能,并且不会让病人感到疼痛以及任何的不适现象,检查非常方便。但目前还存在一些技术瓶颈,如定位和运动机制、合适的能源,使无线内窥镜的应用受到限制。本论文针对能量传输、干扰等技术问题,分析了无线内窥镜的研究现状,归纳比较了国内外无线内窥镜产品或者原型设计,设计了按需式无线内窥镜,并重点对按需式无线内窥镜中的高效低频电磁感应连接、射频通信中的抗干扰技术和天线进行了深入的研究。本论文的主要研究工作和结论如下:1.采用可编程逻辑器件和微控制器协同工作模式,设计了按需式无线内窥镜。该设计已获发明专利授权。按需式无线内窥镜为数字、双向无线内窥镜,其中图像数据采用射频通信传输,以获得高的数据速率;控制指令采用低频电磁感应连接传输,以降低系统的功耗。按需式无线内窥镜中可编程逻辑器件控制图像传感器和射频器件,负责图像数据的采集和发送;微控制器控制低频电磁感应连接,负责接收控制指令、设置相关参数。这样对图像数据的传输处理更加有效、结构更加简洁,同时简化了微控制器的设计,使系统的配置更合理。按需式无线内窥镜增加了胶囊的处理和控制能力,能在体外的控制下即时地、按需地修改相关的参数。2.研究无线内窥镜系统中电磁感应三维接收各线圈输出感应电压的特点,设计了一种新的整流合成电路结构——复合整流合成电路。在电磁感应连接三维接收中,每个方向上电压的波形一致,只存在幅值和初相不同,且初相只有同相和反相的差别,仍采用半波或者全波整流,将影响能量传输的效率和控制数据的接收,采用复合整流合成电路有助于提高系统的灵敏度,克服电磁感应连接方向性的限制,消除通信中的盲点,提高了数据传输的可靠性和能量传输的效率,为无线内窥镜系统体外向体内控制指令的发送和能量传输提供了理想的平台。3.分析与无线内窥镜相同频段不同应用的信道特征,总结无线内窥镜系统干扰源的特点,为跳频系统和固定频率系统设计了一种新的抗干扰方法。这种方法为解决低功耗便携式无线装置的抗干扰问题提供了新的思路。该方法具有以下的优点:通过差错控制和变更射频通信信道,提高了无线内窥镜系统的抗干扰能力,保证了数据可靠传输;通过低频电磁感应发送控制指令,减少了差错处理时间;当发现有丢失或者错误数据包立即发送请求重传指令,减少了内窥镜胶囊发送不必要的数据,降低了系统功耗;变更信道和差错控制都由体外装置处理,不会增加体内装置的复杂度。4.研究了天线设计中的微型化技术,以及影响天线性能的因素,并为无线内窥镜系统设计了微带天线。该天线采用阿基米德螺旋线结构、以及介质基座和短路针技术。它具有以下优点:尺寸小,直径不大于8.3mm;频带宽,在驻波比不大于2时,频率范围为2.3～2.63GHz,中心频率为2.44GHz;天线的发射效率高,最小的回波损耗为-23.7dB;不受周围组织的影响。并且该天线采用双面印制板工艺,一致性好。该天线完全能够集成到无线内窥镜胶囊内。本论文从结构、参数控制、电磁感应连接、抗干扰技术和天线方面对按需式无线内窥镜进行了研究,不仅减少了无线内窥镜胶囊的复杂度,降低了系统功耗,增加了参数控制,而且减少了数据传送的误码率,提高了图像的质量,同时还能够扩展无线能量传输功能,为按需式无线内窥镜的进一步研究和实现奠定了理论和实践基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 无线内窥镜的研究现状
• 1.2.1 GivenImaging 的PillCam 无线内窥镜
• 1.2.2 RF SYSTEM Lab 的Sayaka 无线内窥镜
• 1.2.3 奥林巴斯的Endo Capsule 无线内窥镜
• 1.2.4 韩国科学研究院的MiRO 无线内窥镜
• 1.2.5 重庆金山的OMOM 无线内窥镜
• 1.2.6 Intracorporeal Videoprobe 的IVP 胶囊
• 1.2.7 香港中文大学的无线内窥镜
• 1.2.8 上海交通大学的全消化道微型智能介入式诊查系统
• 1.2.9 清华大学的双向数字微型无线内窥镜
• 1.2.10 中科院合肥智能机械研究所的无线胃肠检查机器人
• 1.2.11 重庆大学的无线内窥镜
• 1.3 本论文研究的目的和意义
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 2 按需式无线内窥镜的设计
• 2.1 按需式无线内窥镜的研究意义
• 2.1.1 模拟式无线内窥镜与数字式无线内窥镜的优缺点分析
• 2.1.2 数字式无线内窥镜的结构分析
• 2.1.3 按需式无线内窥镜的优点
• 2.2 按需式无线内窥镜的系统设计
• 2.3 按需式无线内窥镜胶囊模块设计
• 2.3.1 图像传感器模块
• 2.3.2 射频通信模块
• 2.3.3 低频接收装置
• 2.3.4 可编程逻辑器件和微控制器模块
• 2.4 低功耗设计
• 2.5 本章小结
• 3 按需式无线内窥镜中高效电磁感应连接的研究
• 3.1 研究高效电磁感应连接的意义
• 3.2 电磁感应连接结构
• 3.3 电磁感应连接相关的理论基础
• 3.3.1 发射线圈产生的磁场
• 3.3.2 接收线圈产生的电动势
• 3.3.3 线圈的趋肤效应
• 3.4 整流合成分析
• 3.4.1 半波整流合成分析
• 3.4.2 全波整流合成分析
• 3.4.3 复合整流合成分析
• 3.5 实验
• 3.6 本章小结
• 4 按需式无线内窥镜中射频通信抗干扰技术的研究
• 4.1 无线内窥镜中射频通信抗干扰技术的研究现状和研究目的
• 4.2 相同频段应用的信道特征
• 4.3 抗干扰技术研究
• 4.3.1 带确认信号的发送和接收数据
• 4.3.2 带信道变更接收/发送数据的方法
• 4.3.3 优化的带信道变更接收/发送数据的方法
• 4.4 本章小结
• 5 按需式无线内窥镜中射频通信天线的研究
• 5.1 研究天线的目的和意义
• 5.2 天线的性能参数
• 5.3 天线的分类
• 5.4 天线的微型化技术
• 5.5 生物体组织对天线的影响和计算电磁学方法
• 5.6 FDTD 的相关理论
• 5.6.1 麦克斯韦方程
• 5.6.2 Yee 元胞
• 5.6.3 稳定条件
• 5.6.4 边界条件
• 5.6.5 近－远场外推
• 5.6.6 网格剖分技术
• 5.7 仿真软件和天线结构
• 5.7.1 平面阿基米德螺旋线
• 5.7.2 天线的结构
• 5.8 影响天线性能的因素分析
• 5.8.1 周围的组织对天线的影响
• 5.8.2 短路针与馈电点的位置关系对天线的影响
• 5.8.3 介质层的介电常数对天线的影响
• 5.8.4 介质层的电导率对天线的影响
• 5.8.5 介质层的厚度对天线的影响
• 5.8.6 铜箔的厚度对天线的影响
• 5.8.7 螺旋线的宽度对天线的影响
• 5.9 按需式无线内窥镜射频通信天线的设计
• 5.9.1 按需式无线内窥镜射频通信天线的设计要求和参数
• 5.9.2 天线的性能分析
• 5.10 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文以及参加科研情况
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间授权的发明专利目录
• C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目