磁导航外科手术系统电磁问题研究

论文题目: 磁导航外科手术系统电磁问题研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电工理论与新技术

作者: 白烨

导师: 余运佳,王秋良

关键词: 磁导航外科手术系统,目标场法,球形四极磁体,介入式微创手术,超导磁体

文献来源: 中国科学院研究生院（电工研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 磁导航外科手术系统是通过计算机控制磁场的空间分布,使预先植入人体内的铁磁小珠按照规定的路径运动,直接作用于患处或引导介入式导管在人体内进行各类复杂外科手术操作的一种新型介入式微创手术装置。本文在深入调研国内、外研究进展情况的基础上,从理论上弄清楚了磁导航外科手术系统的基本工作原理、控制方法。针对本论文研究的核心问题,即磁导航外科手术系统中的电磁问题,根据国外现有装置中存在的问题和不足,提出了一种新型的超导磁体结构,在此基础上设计、建造了磁导航外科手术模型系统。并通过一系列的试验模拟了真实手术系统的工作情况,所作的主要工作如下: 在理论方面,根据Turner 先生提出的目标场法的思路,推导了球坐标系下目标场法的计算公式,用该公式设计了可以在球型区域内产生理想均匀梯度磁场的磁体线圈结构,并从实际的工程建造角度出发,对该球形磁体结构进行了优化设计,提出了改进型球形四极磁体的设计方案。通过理论分析和有限元仿真计算表明:该磁体不仅可以在球形手术区域产生均匀梯度磁场,而且与普通螺线管线圈相比,在相同的磁体尺寸和电流大小下具有较高的磁场梯度和较小的电感。满足了该手术系统对磁体的特殊要求。此外,还研究了似稳磁场与永磁体的相互作用关系,给出了一对及多对球形线圈情况下的空间磁场分布及磁珠所受磁力计算公式;结合模型系统的运行情况,研究了小磁珠及介入导管在模拟血管环境中运动所受粘滞阻力的测定方法,给出了小磁珠步进运动时驱动电流与目标位移量的计算方法,推导了初步的计算公式。在实验方面,用铜导线绕制了改进型球形四极磁体,通过一系列试验验证了本论文所提出的理论和有限元仿真计算的正确性;设计并建造了磁导航外科手术模型系统,包括:人机交互控制系统的软、硬件设计;程控脉冲电源系统的搭建;磁体的应力防护措施;模拟血管环境等其它相关附件的设计。与师弟的立体定向成像系统协同工作,完成了对该模型系统的一系列试验,包括:磁力测定试验、成像系统的标定试验、运动检测试验、模拟血管内的粘滞阻力的测定试验、模型系统的整体联动试验等等,取得了很多宝贵的数据和经验,为今后进一步的研究打下了基础。最后,利用所获得的研究成果,简单讨论了今后的研究方向和所要解决的关键问题,提出了超导磁体系统的设计要求、初步的设计方案、失超保护方案等。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 磁导航外科手术系统的研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文研究的目标及内容

1.4 本论文的结构安排

1.5 现有系统中存在的主要问题和不足分析

1.6 本论文的创新点和所要解决的主要问题

参考文献

第二章 球坐标系下磁场的目标场计算方法研究

2.1 目标场法概述

2.2 球坐标系下目标场法的推导

2.3 球坐标系下目标场法的解析验证

2.3.1 沿Z 轴均匀磁场的产生

2.3.2 沿Y 轴均匀磁场的产生

2.3.3 沿Z 轴均匀梯度磁场的产生

2.3.4 沿Y 轴均匀梯度磁场的产生

2.4 连续电流密度的离散化方法

2.5 球坐标系下目标场法的有限元算法验证

2.6 球形磁体设计的初步讨论

2.7 本章结论

参考文献

第三章 改进型球形四极磁体的设计和建造

3.1 改进型球形四级磁体结构的提出

3.2 球形四极磁体的理论设计

3.2.1 sin 2θ型球形四极磁体的设计

3.2.2 改进型球形四极磁体的设计

3.3 改进型球形四极磁体的设计和建造

3.4 磁场测试

3.5 磁矩测试

3.5.1 磁矩测试原理

3.5.2 测试基本步骤

3.5.3 测试结果及其分析

3.6 改进型球形磁体与相同尺寸的其它类型磁体的电气参数比较

3.7 本章结论

参考文献

第四章 磁导航外科手术模型系统的设计和建造

4.1 磁导航外科手术模型系统的总体结构

4.2 球形磁体及其支撑系统设计

4.3 立体定向成像系统的基本工程原理

4.3.1 计算机视觉概述

4.3.2 双目视觉立体定向基本原理

4.3.3 立体定向模型系统的基本硬件组成

4.3.3.1 CCD 摄像机的基本性能参数

4.3.3.2 图像采集卡的基本性能参数

4.3.3.3 立体定向系统的计算机基本配置

4.3.4 立体定向试验

4.4 人机交互控制系统设计

4.4.1 软件系统的开发

4.4.2 硬件系统的设计

4.5 程控电源的选择

4.6 血管环境及循环系统的模拟

4.7 本章结论

参考文献

第五章 几个相关问题的研究

5.1 小磁珠运动中所受粘滞阻力的计算研究

5.1.1 粘滞阻力测定试验

5.2 小磁珠位移与电流关系的研究

5.3 关于磁悬浮稳定性的问题

5.4 多对线圈时的磁场及磁力计算方法

5.5 本章结论

参考文献

第六章 模型系统的整体试验与结果分析

6.1 试验目的

6.2 试验原理及其步骤

6.2.1 人机交互控制系统软、硬件调试试验

6.2.1.1 FIFO 容量的分配方法

6.2.1.2 连续单极性正弦脉冲的输出方法

6.2.1.3 单极性正弦脉冲的输出方法

6.2.2 程控电源调试试验

6.2.3 摄像机标定试验基本原理

6.2.3.1 三维物点到二维像点的变换方法

6.2.3.2 标定试验方法

6.3 试验结果及其分析

6.3.1 试验环境

6.3.2 运动检测试验

6.3.3 小磁珠步进运动演示试验

6.3.4 位置检测试验

6.4 本章结论

参考文献

第七章 超导磁体用于磁导航手术系统的研究

7.1 超导磁体的优越性及广泛应用

7.2 两种超导磁体的设计方案及所面临的主要问题

7.3 多对线圈时的磁体结构设计方案

7.4 超导磁体系统的失超保护设计原则

7.5 超导磁体的电源系统

7.6 对立体定向成像系统的简单讨论

7.7 超导磁体对人体影响的初步讨论

7.8 本章结论

参考文献

第八章 总结

致谢

在读期间发表的论文及专利

论文答辩说明

发布时间: 2005-08-23

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