磁驱动式主动控制胶囊内窥镜系统的研制

论文摘要

传统消化道诊查使用推拉式内窥镜,其检查过程痛苦、易交叉感染,且无法检查小肠部分。被动式无线胶囊内窥镜在过去十年里的长足发展克服了一些传统内窥镜的不足,已成为发达国家成熟的检查手段。但被动式胶囊内窥镜存在一些难以克服的问题,主要有1)检查耗时长（6-12小时）,不可在线诊查;2)胶囊运动不可控,不可对病状进行定点仔细观察;3)胶囊容易过早失效甚至在人体中滞留,只能用有创的方式取出。为克服这些问题并赋予胶囊内窥镜更大的医疗潜力,形状记忆合金、螺旋驱动、电刺激、电机驱动以及液压驱动等胶囊主动驱动方案被相继提出。然而这些方案都期望将驱动器集成到一次性的内窥镜胶囊上,极大地增加了其复杂程度和生产成本,降低了系统可靠性。相比之下,通过外磁场驱动则是一种更有保障的方案。1980年,弗吉尼亚大学研究了一种用于神经外科治疗的系统,使用外部磁场控制人脑内的小磁珠对脑肿瘤进行热疗。研究成果后来发展成一种心血管介入诊治设备——Stereotaxis计算机辅助心血管介入系统,并实现了商业化。基于以上考虑,本文将外磁场驱动控制原理应用于主动式胶囊内窥镜系统,提出了一种用永磁体作为磁源的外磁场驱动设备。对驱动过程中的力学与磁场进行了理论分析,建立了考虑蠕动波的胶囊与肠道的接触力学模型,以指导磁驱动系统的研制和胶囊的结构的优化;建立了驱动外磁场的磁分析模型,分析讨论了准静态磁场驱动的配置方式和关键参数的选择。以理论分析为基础,对磁驱动导航系统和与之相兼容的内窥镜胶囊系统进行了系统设计、运动分析和设备研制。磁驱动系统使用两组永磁体产生准静态驱动磁场,并通过五自由度机械结构调节、控制磁场的分布,实现对胶囊在肠道中的驱动与控制,不仅成本低廉,而且避免了交变磁场的健康危害。胶囊内窥镜系统基于商用芯片构建,成本低,并且能与磁驱动系统顺利集成以扩展其功能。对开发的系统样机进行了标定实验、模拟肠道实验和图像采集综合实验,记录了实验的材料、方法和结果。实验结果表明,所开发的磁驱动式主动控制胶囊内窥镜系统安全可行,并具有较好的性能。实验中胶囊的平均运动速度超过5mm/s,理论上能在30分钟内完成小肠部分的检查,极大地提高了诊察效率,使在线诊察成为可能;系统能有效地控制胶囊在小肠、大肠中运动和采集图像,扩大了胶囊内窥镜的检测范围,杜绝了胶囊滞留的安全隐患;并且系统允许胶囊在快速巡查和定点观察两种检查模式中切换,有助于医护人员获得更准确的检查结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究动机与目的
• 1.2 国内外研究概述
• 1.3 课题来源、研究内容和论文架构
• 2 理论分析与建模
• 2.1 胶囊在肠道中运动的力学性质分析
• 2.2 外部驱动磁场分析
• 2.4 本章小结
• 3 磁驱动式主动控制胶囊内窥镜系统研制
• 3.1 磁驱动式主动控制胶囊内窥镜系统设计
• 3.2 磁驱动导航仪的设计与分析
• 3.3 内窥镜胶囊系统集成
• 3.4 本章小结
• 4 实验结果与讨论
• 4.1 磁驱动主动控制胶囊内窥镜系统集成
• 4.2 系统控制性能实验与分析
• 4.3 磁驱动式主动胶囊内窥镜系统综合实验
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文目录