体内医疗环境下的球形囊状微型机器人的无线定位

论文摘要

随着现代生物医学工程的快速发展和人类对生存质量提高的日益追求,人们对医疗设备的微型化、便携性、经济性等因素的要求也愈来愈高,与此同时“微创和无创”的体内诊疗技术业已成为国际生物医学工程领域及机电工程领域研究和发展的重点之一。本课题就是来源于关于微型机器人体内诊查系统的研究这样一个医工合作项目,主要研究微型机器人在人体内的无线定位。针对人体内特殊环境,本文首先论述了胶囊微型机器人在人体内进行诊查的重要性,并分析了国内外相关领域的研究现状,可以认为,由于体内医疗环境下的微型机器人的无线定位在国内外均尚处于探索阶段,目前尚没有完整地解决方案,今后一段时间内其有很大的发展空间和发展前景。在分析比较各种定位方法之后,本文提出了基于相位差的多点无线定位,给出了这个系统的总体设计方案以及定位原理。由于TDOA算法是本系统定位的主要算法,所以对这种算法进行了深入的研究,着重分析了时差提取方法和定位方程的求解。接着对天线做了一定研究,根据我们系统的要求选择了平面螺旋天线,并进行设计与仿真。信号处理电路是本系统的重点也是难点,本文详细研究了信号处理电路的各个模块,并给出了各个模块的仿真,为之后的PCB设计作参考。天线和信号处理电路之间不能直接相连,必须有一个阻抗匹配电路,这样才能提高接受效率,所以我们设计了阻抗匹配电路来提高信号接收效率。最后我们在之前设计和仿真的基础上,利用Protel软件画出系统各个模块的电路图,然后拿到电路板厂制造,并进行了实际的测试。总的来说,本项目研究了具有保证人体安全、基于三维坐标的多点无线定位系统,来解决体内医用微型机器人体内定位的关键问题,从而推动体内微型机器人的在体内医学应用的进程,为人体环境下胶囊的TDOA无线定位技术今后的实现,以及为微创和无创的诊疗技术今后的实现与应用奠定了一定的理论基础,提供了相应的指导与帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 体内微型机器人的应用现状
• 1.1.1 目前国内外体内微型机器人研究成果
• 1.1.2 目前体内微型机器人主要问题及解决方案
• 1.2 无线定位系统的发展概况
• 1.3 无线定位技术对比
• 1.3.1 信号强度（SOS）
• 1.3.2 信号到达角度（AOA）
• 1.3.3 信号传输时间（TOA）
• 1.3.4 信号传输时间差（TDOA）
• 1.4 课题来源及主要研究任务
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题主要研究任务及内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 体内微型机器人无线定位系统的总体设计
• 2.1 定位系统的设计方案
• 2.2 相位式定位的基本原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 TDOA 算法研究及应用
• 3.1 TDOA 定位技术的概况
• 3.2 TDOA 信号到达时差提取方法
• 3.2.1 最大似然估计法
• 3.2.2 自适应估计法
• 3.3 TDOA 定位方程求解
• 3.3.1 Taylor 级数展开法
• 3.3.2 非线性算法
• 3.3.3 线性算法
• 3.4 本章小结
• 第四章 天线的研究及设计
• 4.1 天线作用与地位
• 4.2 天线基本参数
• 4.3 本系统对于天线的要求
• 4.4 天线的设计与仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 信号处理电路的设计与仿真
• 5.1 信号处理电路的总体结构
• 5.2 信号处理电路的设计
• 5.2.1 有源二阶滤波放大电路
• 5.2.2 波形整形电路
• 5.2.3 鉴相器和低通滤波电路
• 5.3 信号处理电路的仿真
• 5.3.1 二阶有源滤波电路的仿真
• 5.3.2 信号处理电路的仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 阻抗匹配网络
• 6.1 阻抗匹配网络简介
• 6.2 系统阻抗具体分析
• 6.3 阻抗匹配网络设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 PCB 板的制作与测试
• 7.1 PCB 板制作软件PROTEL 简介
• 7.2 PCB 板布局布线要点
• 7.3 天线的PCB 板制作
• 7.4 信号处理电路的PCB 板制作
• 7.5 天线和信号处理电路的测试
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文