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肠道胶囊机器人驱动系统研究与设计

作　者: 倪伟
导　师: 丁国清
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 超声波肠道胶囊机器人海姆霍磁线圈 Matlab 图像处理相对精确定位
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 55次
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内容摘要

近些年来,随着社会经济的发展,生活质量的提高,老龄化趋势的加剧,人们对健康正越来越重视。而于此同时,工作、生活压力的加剧,使得绝大部分人群处于亚健康状态,对于保健,体检等医学相关领域的服务需求越来越强烈。而从以人为本的指导思想出发,对于病人微创,甚至是无创的检测、治疗方法正日益受到重视,而科技的进步发展也让这一目标成为可能。在肠道健康领域,肠道胶囊机器人以其微创,无创的特点正受到患者的青睐,此外MEMS技术,电子技术的集成使其具有更强大的功能。但总体上,肠道胶囊机器人尚处于初级阶段,仍有大量技术工作有待解决。本文将从胶囊定位的角度提出作者自己的观点,并通过仿真进行论证可行性。本文将主要解决肠道胶囊机器人驱动问题,源于现有方式患者从吞入胶囊至取得信息的周期过长,且胶囊无法控制。因此本文会从可控性,安全性等指标对现有驱动方式进行比较,并提出最为合适的驱动方式。而在定位环节,除了介绍现有的定位技术外,主要提出本文所主要研究的超声波图像法定位技术,此技术除了相对于现有技术精度更高的优点外,更大的优势在于能进行相对位置精确定位,因为在驱动环节,重要的不是胶囊相对于体外坐标的绝对位置,而是相对于肠道壁的相对位置。在仿真环节,主要通过MATLAB工具进行仿真,一方面仿真得到超声波图像法精确的相对定位效果:通过使用为本文中所用肠道扫描图片调整后的canny算法,成功的提取出肠道及胶囊的轮廓,并通过hough变换思想提取出胶囊圆心位置及半径大小,再通过一系列算法得到胶囊与肠道壁的最短距离及方向。另一方面对理论计算的亥姆霍磁线圈产生的稳横磁场进行仿真,证实了磁场具有很高的稳定性及均匀度,可以用于胶囊的运动控制,并推导出了磁场中磁介质受力的公式模型。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-12
第一章绪论  12-19
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究意义  13-15
    1.2.1 肠道疾病定义及分类  13
    1.2.2 肠道疾病危害  13-15
    1.2.3 患者态度  15
  1.3 治疗、检测方法介绍  15-17
    1.3.1 胃肠镜介绍  16
    1.3.2 胃肠镜技术发展历程  16-17
    1.3.3 目前检测方法及发展趋势  17
  1.4 本文研究主要内容及结构  17-19
    1.4.1 本文研究主要内容  17-18
    1.4.2 本文结构  18-19
第二章肠道胶囊机器人发展现状  19-23
  2.1 肠道胶囊机器人发展史  19
  2.2 国内肠道胶囊机器人发展现状  19-20
  2.3 肠道胶囊机器人特点  20-21
  2.4 国内肠道胶囊机器人临床应用  21
  2.5 胶囊机器技术难点  21-23
第三章肠道胶囊机器人驱动技术  23-35
  3.1 肠道胶囊机器人机械驱动方式  23-27
    3.1.1 机械蠕动式  23-24
    3.1.2 机械爬行式  24-26
    3.1.3 机械螺旋式  26
    3.1.4 机械冲击式  26-27
  3.2 肠道胶囊机器人磁场驱动方式  27-34
    3.2.1 库伦定律  28-34
      3.2.1.1 毕奥-萨伐尔定律  28-29
      3.2.1.2 空间三维稳恒磁场构建  29-31
      3.2.1.3 磁偶极子在磁场中受力分析  31-34
  3.3 小结  34-35
第四章肠道胶囊机器人定位技术  35-42
  4.1 基于永磁铁磁标记物定位  35-36
    4.1.1 永磁体空间磁场分布  35
    4.1.2 霍尔原理  35-36
  4.2 基于交流电磁场定位  36-37
    4.2.1 电磁定位方法基本原理  36-37
  4.3 基于X 光图像法定位  37-39
  4.4 基于超声波图像法定位  39-41
  4.5 小结  41-42
第五章系统设计  42-48
  5.1 机械设计  42-43
    5.1.1 机械设计  42-43
  5.2 磁场设计  43-45
    5.2.1 运动方向控制设计  43
    5.2.2 亥姆霍磁线圈设计  43-45
  5.3 控制系统设计  45-48
    5.3.1 硬件设计  46-48
第六章仿真结论及其他  48-60
  6.1 超声波定位图像仿真  48-57
  6.2 亥姆霍磁线圈误差仿真  57-60
第七章工作总结及展望  60-62
  7.1 工作总结  60
  7.2 展望  60-62
参考文献  62-64
致谢  64-65
攻读学位期间发表的学术论文目录  65-67

肠道胶囊机器人驱动系统研究与设计

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