全消化道无创介入式诊查系统定位技术与实验研究

论文摘要

针对现有的胃肠动力功能研究方法的局限性,本文以国家自然科学基金（编号:30570485）、国家863计划（编号:2006AA04Z368）和国家教育部博士点基金（编号:20040248033）资助项目为依托,研制了能在正常生理状态下获取胃肠道生理参数的微型无创介入式诊查系统,并针对系统中微型介入式装置的定位技术进行了深入的研究,设计开发出一种原理可行、满足实用要求、性能稳定可靠的定位系统。全消化道生理参数微型无创介入式诊查系统定位技术作为多学科交叉技术,综合了传感器、计算、无线通信、信息处理、微机电系统、人工智能等众多技术。本文提出了解决正常生理条件下人体全消化道多种运动生理参数的无创检测的研究目标,设计了生理参数无创介入式诊查系统的总体结构方案,确定了系统模块化设计的思路,分析了系统实现过程中面临的主要技术问题,研究了在空间和能源严格限制下实现所需功能的方法,并详细介绍了系统各功能模块的设计原理与实现,包括系统主要组成部分的介入式生物遥测胶囊的组装方式,以及系统的人体实验情况。针对系统的一项关键技术:生物遥测胶囊在体内的跟踪定位问题进行了深入研究和探讨。为了寻求合适的定位原理,在分析了当前同类或类似研究工作后,首先研究了基于超声回波检测的分段定位法及其实验,鉴于超声定位法的局限性,随后提出并研究了三种跟踪定位方法:永磁标记定位法、脉冲励磁定位法和交流励磁定位法。在永磁标记定位法研究中,给出了磁标记法定位原理,基于等效磁荷原理建立了永磁标记定位法的定位模型,采用磁场有限元分析计算,对永磁体进行了材料选型和尺寸设计,研究了消除静态和准静态背景干扰磁场的算法,设计了系统方案,搭建了完整的系统软硬件平台,完成了实验研究。在本文设计的永磁标记定位方案中,选用新型磁阻传感器,扩大可定位的距离,减少定位方案所需的传感器数量;并采用离散差分法消除背景磁场的干扰,提高了定位精度。随后研究了脉冲电流励磁定位法的定位机理、方案设计、系统建模、系统软硬件实现、算法设计,并完成了实验验证。提出不依赖于初值的全局优化算法—神经网络能量法,成功地求解出目标的位置和姿态角;在系统硬件设计中,采用分辨率极高的磁传感器,扩大了可定位范围。针对静磁检测定位法定位精度低、抗干扰能力差的局限性,提出了全新的交流励磁定位方案。研究了交流励磁定位法的定位原理;在定位建模中,将连续磁场源的效应由离散场源集合的叠加效应予以等值替代,基于场源的离散叠加效应和Taylor级数,推导了新的定位模型,并通过仿真实验验证了模型的正确性和相比于常用的磁偶极子模型的优越性;研究了收敛速度快、精度高的参数自调整的邻域微粒群优化算法作为定位算法,避免了常规算法在求解超静定的定位非线性问题时出现的依赖于初始值、容易陷入局部极小值、收敛速度慢的缺陷,新算法实现了对遥测胶囊位置坐标准确而快速地求解;然后,设计开发了定位系统样机,在系统设计中采用基于ΔΣ计算技术的有效值检测方式,提取交变信号的特征量,无需实时采集动态波形,简化了数据采集、存储和处理;引入数据校正法对定位数据进行校正,具体研究了HMQ插值校正法、高阶多项式校正法、基于L-M贝叶斯正则化的BP网络校正法,解决了以上方法应用于定位校正的关键技术难点,通过校正实验对比,最终确定了校正效果最好的算法-基于L-M贝叶斯正则化的BP算法,使校正后的定位系统精度获得了进一步提高;最后,设计了定位实验平台、完成了实验研究,优化了定位系统参数。定位实验结果表明,相比永磁标记定位法和脉冲电流励磁定位法,交流励磁定位法具有更优的性能。交流励磁定位方案成功实现了不可见状态下目标物的空间位置的非接触式测量,能满足生物遥测胶囊在人体内的定位要求。设计开发的交流励磁定位系统具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、定位范围宽、定位精度高等特点。该项定位技术还能适用于其它类似的介入式诊疗装置的位置跟踪。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 胃肠道运动生理基础
• 1.2.1 胃肠道的形态结构
• 1.2.2 胃肠道的运动生理
• 1.3 胃肠运动功能研究现状及不足
• 1.3.1 胃肠运动功能研究现状
• 1.3.2 现有检查方式的不足
• 1.4 介入式医疗装置定位技术的现状及不足
• 1.4.1 消化道内目标定位方法研究现状
• 1.4.2 现有定位方法的不足
• 1.5 课题的研究目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容及创新点
• 第2章 全消化道介入式诊查系统研制及人体临床试验研究
• 2.1 系统总体方案设计
• 2.2 生物遥测胶囊的结构设计
• 2.2.1 生物遥测胶囊的总体结构
• 2.2.2 电源的设计
• 2.2.3 生理参数传感模块的设计
• 2.2.4 射频通讯模块设计
• 2.2.5 信号控制模块的设计
• 2.3 封装与组装
• 2.4 体外便携式数据记录器的设计
• 2.5 体外跟踪定位系统分析
• 2.6 人体试验
• 2.6.1 试验过程
• 2.6.2 生理参数检测结果分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 超声回波定位及静磁检测定位方案设计与实验研究
• 3.1 目标定位方案可行性分析
• 3.1.1 电磁波定位法及可行性分析
• 3.1.2 光学定位法及可行性分析
• 3.1.3 医学影像定位法及可行性分析
• 3.1.4 超声定位及静磁定位的提出
• 3.2 超声回波检测定位理论及实验研究
• 3.2.1 超声定位法基本原理
• 3.2.2 超声定位系统设计
• 3.2.3 超声定位法实验研究
• 3.2.4 超声定位法的优点和不足
• 3.3 永磁标记定位理论及实验研究
• 3.3.1 永磁标记法定位模型建立
• 3.3.2 永磁定位方案及机理分析
• 3.3.3 永磁定位磁检测的实现
• 3.3.4 定位背景磁场及消除算法
• 3.3.5 永磁标记定位系统设计
• 3.3.6 原理性实验设计和结果分析
• 3.4 脉冲励磁定位理论及实验研究
• 3.4.1 脉冲励磁定位模型建立
• 3.4.2 脉冲励磁定位方案设计
• 3.4.3 神经网络定位算法
• 3.4.4 定位算法仿真实验及分析
• 3.4.5 原理性实验及结果分析
• 3.4.6 脉冲励磁定位法实用性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 交流励磁定位理论及算法研究
• 4.1 交流励磁定位方案设计
• 4.2 交流励磁定位改进模型的建立
• 4.2.1 磁偶极子模型的失效分析
• 4.2.2 载流圆柱线圈电磁场模型的局限性分析
• 4.2.3 基于场源叠加及Taylor 级数的改进模型建立
• 4.3 五自由度方位测量原理
• 4.3.1 五自由度方位的定义
• 4.3.2 五自由度定位原理
• 4.4 定位模型的实验研究
• 4.4.1 准确性验证
• 4.4.2 优越性验证
• 4.5 定位问题求解分析
• 4.6 Powell 优化定位算法
• 4.6.1 Powell 算法原理分析
• 4.6.2 算法流程设计及效果分析
• 4.7 参数自调整的邻域微粒群优化定位算法
• 4.7.1 基本微粒群优化算法
• 4.7.2 参数自调整的邻域微粒群优化算法
• 4.7.3 算法仿真实验及分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 交流励磁定位系统设计
• 5.1 定位系统的设计要求
• 5.2 交流励磁定位系统总体结构
• 5.3 交变磁场发生器结构设计
• 5.3.1 总体结构
• 5.3.2 发射电路及控制时序设计
• 5.4 无线磁传感器总体结构设计
• 5.5 感应线圈设计
• 5.6 信号处理及控制模块设计
• 5.6.1 自适应增益控制及滤波模块设计
• 5.6.2 有效值检测模块设计
• 5.6.3 信号控制模块设计
• 5.7 发射接收的同步技术
• 5.8 无线磁传感器的组装
• 5.9 无线数据接收器设计
• 5.10 本章小结
• 第6章 交流励磁定位系统实验研究及校正法研究
• 6.1 无线磁传感器标定实验
• 6.1.1 信号处理电路增益标定
• 6.1.2 线圈常数标定
• 6.2 定位验证实验
• 6.2.1 实验装置和方法
• 6.2.2 实验结果分析
• 6.3 生物组织对定位影响的评估
• 6.4 系统参数优化实验
• 6.4.1 发射线圈个数优化
• 6.4.2 发射线圈径向尺寸优化
• 6.4.3 发射线圈轴向尺寸优化
• 6.5 定位数据校正方法研究
• 6.5.1 Hardy’s Multi-Quadric 插值校正法
• 6.5.2 高阶多项式拟合校正法
• 6.5.3 基于L-M 贝叶斯正则化的神经网络校正法
• 6.5.4 L-M 贝叶斯正则化定位校正神经网络设计
• 6.5.5 各校正方法实验对比
• 6.6 定位系统校正实验
• 6.6.1 建立样本数据库
• 6.6.2 校正精度分析
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文主要工作
• 7.2 下一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和录用的学术论文