磁驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)控制膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研制.pdf

1、傳統(tǒng)消化道診查使用推拉式內(nèi)窺鏡，其檢查過(guò)程痛苦、易交叉感染，且無(wú)法檢查小腸部分。被動(dòng)式無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡在過(guò)去十年里的長(zhǎng)足發(fā)展克服了一些傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的不足，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家成熟的檢查手段。但被動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡存在一些難以克服的問(wèn)題，主要有1）檢查耗時(shí)長(zhǎng)（6-12 小時(shí)），不可在線診查；2）膠囊運(yùn)動(dòng)不可控，不可對(duì)病狀進(jìn)行定點(diǎn)仔細(xì)觀察；3）膠囊容易過(guò)早失效甚至在人體中滯留，只能用有創(chuàng)的方式取出。為克服這些問(wèn)題并賦予膠囊內(nèi)窺鏡更大的醫(yī)療潛力，形狀記憶合

2、金、螺旋驅(qū)動(dòng)、電刺激、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及液壓驅(qū)動(dòng)等膠囊主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案被相繼提出。然而這些方案都期望將驅(qū)動(dòng)器集成到一次性的內(nèi)窺鏡膠囊上，極大地增加了其復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，降低了系統(tǒng)可靠性。相比之下，通過(guò)外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)則是一種更有保障的方案。1980年，弗吉尼亞大學(xué)研究了一種用于神經(jīng)外科治療的系統(tǒng)，使用外部磁場(chǎng)控制人腦內(nèi)的小磁珠對(duì)腦腫瘤進(jìn)行熱療。研究成果后來(lái)發(fā)展成一種心血管介入診治設(shè)備——Stereotaxis 計(jì)算機(jī)輔助心血管介入系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化

3、。
　　 基于以上考慮，本文將外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制原理應(yīng)用于主動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，提出了一種用永磁體作為磁源的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。對(duì)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)與磁場(chǎng)進(jìn)行了理論分析，建立了考慮蠕動(dòng)波的膠囊與腸道的接觸力學(xué)模型，以指導(dǎo)磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制和膠囊的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；建立了驅(qū)動(dòng)外磁場(chǎng)的磁分析模型，分析討論了準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的配置方式和關(guān)鍵參數(shù)的選擇。以理論分析為基礎(chǔ)，對(duì)磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和與之相兼容的內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)備研制。磁驅(qū)動(dòng)

4、系統(tǒng)使用兩組永磁體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，并通過(guò)五自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)、控制磁場(chǎng)的分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊在腸道中的驅(qū)動(dòng)與控制，不僅成本低廉，而且避免了交變磁場(chǎng)的健康危害。膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)基于商用芯片構(gòu)建，成本低，并且能與磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)順利集成以擴(kuò)展其功能。對(duì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、模擬腸道實(shí)驗(yàn)和圖像采集綜合實(shí)驗(yàn)，記錄了實(shí)驗(yàn)的材料、方法和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的磁驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)控制膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)安全可行，并具有較好的性能。實(shí)驗(yàn)中膠囊的平均運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)