基于無線供能的腸道診療機器人研究.pdf

1、隨著醫(yī)療技術的發(fā)展，可主動進入腸道進行無創(chuàng)診療的腸道機器人研究倍受國內外醫(yī)療器械工作者的矚目。本文依托國家自然科學基金項目（31170968）、載人航天領域預先研究項目（010203）和上海市科委資助項目（09DZ1907400），結合無線供能和射頻通信控制技術，研究集運動、活檢、視頻控制一體的無拖纜、安全高效的腸道診療裝置。
　　為適應腸道細長的管狀環(huán)境，采用尺蠖仿生原理設計運動機構，可完成環(huán)向擴張鉗位動作和軸向伸縮動作，具有穩(wěn)

2、定的運動步態(tài)。從腸道結構和力學特征出發(fā)，基于腸道的本構方程及擬應變能函數(shù)，分析機器人在腸道中運動的效率和步距損失，并提出了提高效率的方法，給出了理論分析運動效率的計算步驟?；隗w外腸道實驗分析機器人與腸道的作用力，結合腸道生理特性，建立了機器人在腸道中的作用力方程，為機器人設計提供理論基礎。
　　針對結腸和小腸的不同環(huán)境，考慮有效鉗位的重要性，分別設計并優(yōu)化了花瓣氣囊鉗位機構和阿基米德螺線腿鉗位機構，相比以往鉗位機構提高了鉗位力，

3、加快了運動速度。采用氣囊鉗位可更好的適應大管徑的結腸環(huán)境，設計花瓣氣囊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓球氣囊，充氣時間減少為1/3，鉗位直徑提高到45mm?；诎⒒椎侣菥€設計鉗位腿式機構，螺線本身的彈性和形狀有利于提高鉗位力并保護腸道。采用平面齒輪的驅動方式，在Φ16mm×5mm的軸向空間內可驅動螺線腿撐開腸道至38mm，螺線腿環(huán)向擴張不會戳傷腸壁，相比傳統(tǒng)直腿式機構更加安全。
　　基于臨床組織活檢的醫(yī)療需求，結合結腸診療機器人分別設計了大嘴活檢鉗

4、和小嘴活檢鉗?；顧z機構與機器人伸縮機構一體，體積為Φ13.8mm×28mm。使用一個微電機驅動，可完成伸出、咬合、取樣、收回和保存樣本的動作。結合視頻模塊和機器人運動模塊，解決了現(xiàn)階段膠囊機器人活檢過程不可視，取樣過程無法重復，以及取樣樣本過少的問題，實現(xiàn)了實時觀察活檢過程，可反復取樣，提高了活檢取樣的成功率，并且輸出咬合力大于10N，滿足采集和保存腸道組織樣本的功能要求。
　　為滿足機器人診療任務的能量需求，在機器人機構空間限制

5、下，設計了空心磁環(huán)接收線圈，有效提高了線圈的供能效率和姿態(tài)穩(wěn)定性。在80％以上的任意姿態(tài)空間內傳輸效率高于10%，姿態(tài)穩(wěn)定度為90.14%，性能優(yōu)于現(xiàn)階段普遍使用的三維正交線圈，并驗證了系統(tǒng)的人體安全性。設計無線通信控制系統(tǒng)，包括：人機交互界面、無線通訊控制系統(tǒng)和微型機器人驅動系統(tǒng)?；谏漕l通信，設計實現(xiàn)了雙向通信控制系統(tǒng)，并通過體外管道爬行實驗和豬活體實驗驗證了系統(tǒng)的通信控制性能。
　　設計研制結腸診療機器人和小腸診察機器人樣機

6、。結腸診療機器人體積為Φ20mm×63mm，使用十字萬向節(jié)連接前后鉗位機構，可適應彎曲腸道；小腸診察機器人體積為Φ16mm×34mm，適應彎曲細長的小腸環(huán)境。測試在體外腸道中的運動性能，包括控制可視性、鉗位力、擴張力、在直腸道中的爬坡特性以及彎曲腸道中的通過性。通過離體腸道實驗，測試了兩種活檢鉗的組織取樣過程。結合無線供能系統(tǒng)，對機器人能量消耗、通信控制和各個姿態(tài)下的運動性能分別測試。實驗結果表明：兩種機器人滿足無線供能下的不同腸道環(huán)境