人體腸道診查微型機器人系統(tǒng)及其無線供能技術(shù)研究.pdf

1、本文以國家自然科學基金資助項目和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目為依托，研究了一種人體腸道診查微型機器人系統(tǒng)，試圖探索一種腸道微創(chuàng)、無創(chuàng)診療的新途徑。通過對體內(nèi)微系統(tǒng)無線供能技術(shù)的研究，力圖解決機器人由于拖纜不能深入人體的問題。 在對人體腸道這一特殊環(huán)境進行分析的基礎(chǔ)上，研究了仿蚯蚓蠕動機器人系統(tǒng)。利用直流電機作為動力源，經(jīng)過三級齒輪減速器和絲桿螺母機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，實現(xiàn)了機器人的運動步態(tài)。機器人可以執(zhí)行

2、前進、后退、停止等指令。無線通訊子系統(tǒng)實現(xiàn)體內(nèi)外的信息交互，設(shè)計的數(shù)字通訊模塊具有較強的抗干擾能力，通訊速率達50kbps。圖像子系統(tǒng)采集圖像并傳輸?shù)襟w外，功耗僅200mW，幀率30幀/秒，圖像分辨率30萬像素。無線供能子系統(tǒng)為體內(nèi)機器人提供電能。通過這三個子系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了機器人從“有線”到“無線”的跨越。組裝完成的機器人樣機外徑Φ12mm，長150mm，通過腸道離體實驗初步驗證了機器人運動的有效性和能量傳輸?shù)目煽啃浴?供能

3、問題是限制體內(nèi)診療系統(tǒng)的發(fā)展的“瓶頸”問題，本文對基于電磁感應(yīng)的機器人無線供能系統(tǒng)作了深入研究。首先分析了體內(nèi)接收線圈與體外發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，指出與傳統(tǒng)的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)的區(qū)別。然后對并-并、并-串、串-并、串-串四種電路結(jié)構(gòu)的傳輸效率進行了分析，得出了能量傳輸效率最大化的條件。指出了串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的不同適用條件，并從根本上揭示了影響能量傳輸效率的因素-耦合系數(shù)和線圈品質(zhì)因數(shù)。針對機器人在體內(nèi)姿態(tài)不確定的情況，提出了一

4、種自定向機構(gòu)，利用重力保持接收線圈的姿態(tài)，從而提高能量傳輸?shù)男?。通過對線圈品質(zhì)因數(shù)的理論和實驗研究，得出了無線能量傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率這一重要結(jié)論，為利用電磁耦合進行能量傳輸這一方法建立了理論基礎(chǔ)。機器人在體內(nèi)工作過程中，接收線圈和發(fā)射線圈間的耦合系數(shù)不斷變化，導致能量傳輸效率不穩(wěn)定，同時為了滿足能量傳輸效率最大化的條件，設(shè)計了基于無線通訊的接收電壓反饋回路和諧振頻率自調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)能量傳輸系統(tǒng)，大大提高了能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

5、 腸道診查機器人系統(tǒng)采用電磁耦合方式進行無線能量傳輸，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場可能會對人體產(chǎn)生危害，為此研究了電磁場對人體的作用。電磁場通過三種基本耦合機制在人體產(chǎn)生熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。然而由于匱乏流行病學研究，電磁場對人體的長期作用效果目前尚不明確。但隨著人們對電磁場的認識，國際上相關(guān)組織已經(jīng)研究并制定了限制電磁場暴露的標準和導則，本文以國際非電離輻射防護委員會的導則和IEEEC95.1-2005標準為依據(jù)，對發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場作了

6、暴露評估。對于低頻磁場而言，感應(yīng)電流密度和比吸收率是主要參考量，通過實驗測量出這兩個物理量存在很大困難，計算電磁學為生物電磁劑量學研究提供了新手段，本文采用數(shù)值計算的方法求解電磁場對人體的作用量。采用美國可視人體項目的數(shù)據(jù)集，運用半自動的圖像分割技術(shù)，重建了包含56種生物組織的高精度三維真實人體模型，其分辨率達0.33mm×0.33mm×2mm。通過“電磁特性文件”把組織模型中每個體素的電特性描述出來，從而建立了人體電磁計算模型。采用有