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磁导式胶囊内窥镜力学建模与系统研制

作　者: 高鸣源
导　师: 刘胜
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 胶囊内窥镜消化道内窥镜检测磁导航生物医疗设备建模与仿真
分类号: TH776.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

无线胶囊内窥镜检测是近十年来发展起来的医疗无创诊断技术,通过一个集成LED照明芯片、成像装置、无线传输模块以及功率源的具有普通药丸大小的可吞服胶囊内窥镜,在人体肠胃道内执行病灶检测,并将肠胃图像无线传输到外围接收装置,由富有经验的医师在工作站上进行在线或离线诊断。无线胶囊内窥镜克服了传统推挽式肠胃镜有创痛苦、检测范围有限(只能检测小肠前端)和存在交叉感染的缺点。病人只需吞服一粒普通药丸大小的胶囊,医师就可以得到病人小肠全段的图片并做出诊断。自从2001年以色列Given Imaging公司推出首款商用胶囊内窥镜M2A以来,胶囊内窥镜逐步进军医疗市场并向微型化和多功能化方向发展。目前商业无线胶囊内窥镜仍存的主要缺陷有:1)检测周期长,通常为6-8个小时;2)检测出病灶后无法进行精确的分析和仔细观察;3)一旦在体内滞留,只能采用有创的方式取出,存在安全隐患。目前市场上的胶囊内窥镜都没有外部控制和导向系统,胶囊的运动仅依赖于肠道蠕动。因此,当病灶被发现时,医师无法执行精确的分析。为了解决上述问题,目前的商用胶囊内窥镜需要在肠道的每一个部分采集大量的图像,这导致医师要花费几个小时的时间组织和分析大量的图像信息。这也就造成胶囊内窥镜极高的成本和较低的效率。本论文探讨了一种胶囊内窥镜检测磁导式主动控制系统,并从系统设计、理论分析、建模仿真和实验验证四个方面进行了综合论述。提出并设计的磁导航仪主动控制系统,适用于医疗肠胃道内窥镜检测领域。所设计的导航系统具有五个联动轴,可以实现胶囊内窥镜在肠道内的运动和位置控制。此外,采用了磁壳式胶囊集成方案,可以与磁控导航系统兼容。为了验证技术方案的可行性,建立了胶囊在肠道内的动力学模型,并用ABAQUS有限元分析软件进行了仿真分析。通过在猪肠道内的实验测试,证实了磁导航的可行性。所做的工作具体阐述如下:首先,建立了两种胶囊内窥镜力学模型,分别为适用于旋转磁场-螺旋结构的流体动力学模型,和适用于准静态磁场导航控制的粘弹性生物力学模型。分别采用有限差分和有限元法进行求解,计算结果和现有文献的实验结果吻合,证明所建立的模型可以为磁导航控制方法提供指导和设计优化。其次,针对磁导航仪系统和胶囊内窥镜微型系统,进行了系统设计、运动分析和系统研制。提出的磁导式运动控制系统不涉及复杂的胶囊内部可动结构,避免由于胶囊可动结构导致的安全;主动控制方式简易,成本低。五轴联动系统有五部伺服电机和一个运动控制卡,通过控制程序实现胶囊的运动控制。胶囊内窥镜微型系统的构建基于商业芯片,大幅度减低了成本。同时,磁导航仪和微系统通过磁壳结构有效集成,使得胶囊内窥镜可以进行主动控制,从而拓展了胶囊内窥镜的功能。最后,进行了模拟肠道实验,在透明的涂覆有猪小肠的PVC软管内进行了运动试验。胶囊模型遍历1.6m涂覆有猪小肠的软管所需要的时间为148.78s,平均速度10.75mm/s,证明磁导式主动控制系统可以显著缩短胶囊内窥镜诊断时间;并且通过外部控制磁导航仪系统各个部件的进给速度、转动速度和相对运动速度,可以实现胶囊在肠道内的快速运动、缓慢运动和局部定位等,表明了磁导式胶囊内窥镜主动控制系统的可行性和有效性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究动机与目的  10-11
  1.2 国内外研究概述  11-17
  1.3 课题来源、研究内容和论文架构  17-18
2 磁导式胶囊内窥镜之力学建模  18-41
  2.1 胶囊内窥镜的控制策略  18-19
  2.2 基于旋转磁场的流体动力学建模  19-31
  2.3 基于磁导航驱动的生物力学建模  31-40
  2.4 本章小结  40-41
3 磁导式胶囊内窥镜之系统研制  41-52
  3.1 磁导式胶囊内窥镜之系统设计  41-42
  3.2 磁导航仪的设计与分析  42-48
  3.3 胶囊内窥镜微系统集成  48-51
  3.4 本章小结  51-52
4 实验结果与讨论  52-59
  4.1 实验材料与方法  52-53
  4.2 模拟肠道实验及系统控制性能分析  53-56
  4.3 磁壳式胶囊内窥镜微型系统评估  56-58
  4.4 本章小结  58-59
5 总结与展望  59-61
  5.1 全文总结  59-60
  5.2 对后续工作的展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-67
附录攻读硕士学位期间发表的论文目录  67

磁导式胶囊内窥镜力学建模与系统研制

内容摘要

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