磁導式膠囊內窺鏡力學建模與系統(tǒng)研制.pdf

1、無線膠囊內窺鏡檢測是近十年來發(fā)展起來的醫(yī)療無創(chuàng)診斷技術，通過一個集成LED照明芯片、成像裝置、無線傳輸模塊以及功率源的具有普通藥丸大小的可吞服膠囊內窺鏡，在人體腸胃道內執(zhí)行病灶檢測，并將腸胃圖像無線傳輸?shù)酵鈬邮昭b置，由富有經驗的醫(yī)師在工作站上進行在線或離線診斷。無線膠囊內窺鏡克服了傳統(tǒng)推挽式腸胃鏡有創(chuàng)痛苦、檢測范圍有限（只能檢測小腸前端）和存在交叉感染的缺點。病人只需吞服一粒普通藥丸大小的膠囊，醫(yī)師就可以得到病人小腸全段的圖片并做出診

2、斷。自從2001年以色列Given Imaging 公司推出首款商用膠囊內窺鏡M2A以來，膠囊內窺鏡逐步進軍醫(yī)療市場并向微型化和多功能化方向發(fā)展。目前商業(yè)無線膠囊內窺鏡仍存的主要缺陷有：1）檢測周期長，通常為6－8個小時；2）檢測出病灶后無法進行精確的分析和仔細觀察；3）一旦在體內滯留，只能采用有創(chuàng)的方式取出，存在安全隱患。目前市場上的膠囊內窺鏡都沒有外部控制和導向系統(tǒng)，膠囊的運動僅依賴于腸道蠕動。因此，當病灶被發(fā)現(xiàn)時，醫(yī)師無法執(zhí)行精確

3、的分析。為了解決上述問題，目前的商用膠囊內窺鏡需要在腸道的每一個部分采集大量的圖像，這導致醫(yī)師要花費幾個小時的時間組織和分析大量的圖像信息。這也就造成膠囊內窺鏡極高的成本和較低的效率。本論文探討了一種膠囊內窺鏡檢測磁導式主動控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設計、理論分析、建模仿真和實驗驗證四個方面進行了綜合論述。提出并設計的磁導航儀主動控制系統(tǒng)，適用于醫(yī)療腸胃道內窺鏡檢測領域。所設計的導航系統(tǒng)具有五個聯(lián)動軸，可以實現(xiàn)膠囊內窺鏡在腸道內的運動和位置控制

4、。此外，采用了磁殼式膠囊集成方案，可以與磁控導航系統(tǒng)兼容。為了驗證技術方案的可行性，建立了膠囊在腸道內的動力學模型，并用ABAQUS有限元分析軟件進行了仿真分析。通過在豬腸道內的實驗測試，證實了磁導航的可行性。所做的工作具體闡述如下：首先，建立了兩種膠囊內窺鏡力學模型，分別為適用于旋轉磁場-螺旋結構的流體動力學模型，和適用于準靜態(tài)磁場導航控制的粘彈性生物力學模型。分別采用有限差分和有限元法進行求解，計算結果和現(xiàn)有文獻的實驗結果吻合，證明

5、所建立的模型可以為磁導航控制方法提供指導和設計優(yōu)化。
　　 其次，針對磁導航儀系統(tǒng)和膠囊內窺鏡微型系統(tǒng)，進行了系統(tǒng)設計、運動分析和系統(tǒng)研制。提出的磁導式運動控制系統(tǒng)不涉及復雜的膠囊內部可動結構，避免由于膠囊可動結構導致的安全；主動控制方式簡易，成本低。五軸聯(lián)動系統(tǒng)有五部伺服電機和一個運動控制卡，通過控制程序實現(xiàn)膠囊的運動控制。膠囊內窺鏡微型系統(tǒng)的構建基于商業(yè)芯片，大幅度減低了成本。同時，磁導航儀和微系統(tǒng)通過磁殼結構有效集成，使得

6、膠囊內窺鏡可以進行主動控制，從而拓展了膠囊內窺鏡的功能。最后，進行了模擬腸道實驗，在透明的涂覆有豬小腸的PVC軟管內進行了運動試驗。膠囊模型遍歷1.6m涂覆有豬小腸的軟管所需要的時間為148.78s，平均速度10.75mm/s，證明磁導式主動控制系統(tǒng)可以顯著縮短膠囊內窺鏡診斷時間；并且通過外部控制磁導航儀系統(tǒng)各個部件的進給速度、轉動速度和相對運動速度，可以實現(xiàn)膠囊在腸道內的快速運動、緩慢運動和局部定位等，表明了磁導式膠囊內窺鏡主動控制系