發(fā)布時間：2017-08-20 01:16

  本文關鍵詞：人體胃腸道腔內(nèi)診療微系統(tǒng)無線能量傳輸關鍵技術及其應用研究

  更多相關文章： 人體胃腸道診療微系統(tǒng) 無線能量傳輸 電磁輻射安全性 溫升安全性 電磁耦合效率 環(huán)形線圈 穿戴式線圈

【摘要】：供能問題和生物電磁輻射安全性,是胃腸道腔內(nèi)診療微系統(tǒng)研究需要考慮的兩大重要問題,前者涉及系統(tǒng)的可行性,后者是臨床應用的準入條件。胃腸道診療微系統(tǒng)技術發(fā)展的同時,對能量的需求相應增加,以期實現(xiàn)體內(nèi)連續(xù)工作時間延長、圖像質(zhì)量提高、運動和診療方式可控等目標,基于電磁感應的無線供能技術為解決這一問題提供了一種可行方法。另外,隨著研究的推進,生物電磁輻射安全問題也已凸現(xiàn)出來,需要同步解決,以實現(xiàn)胃腸道診療微系統(tǒng)的臨床應用。在國家和省級多項科研計劃項目資助下,本文開展了針對人體胃腸道診療微系統(tǒng)無線能量傳輸關鍵技術及其應用的研究。針對無線供能的胃腸道診療微系統(tǒng)的應用環(huán)境,根據(jù)其結(jié)構(gòu)、安全性、效率和可靠性要求,提出了模塊化系統(tǒng)設計思想。分析了國內(nèi)外電磁輻射安全標準,提出以人體感應電流密度和比吸收率(SAR)為指標的判定函數(shù),確定了能量發(fā)射系統(tǒng)的安全運行范圍;利用生物傳熱方程分析體內(nèi)溫升特性,明確了能量接收線圈的安全性約束條件;通過解析電磁耦合方程,得到能量傳輸效率的表達函數(shù),并將能量發(fā)射端與接收端參數(shù)分離,以利于后續(xù)設計;分析了無線供能系統(tǒng)可靠性的三個主要方面,包括磁場均勻性、頻率穩(wěn)定性和姿態(tài)穩(wěn)定性。由此,形成了無線供能系統(tǒng)的總體設計方案,為后續(xù)工作奠定了基礎。根據(jù)診療微系統(tǒng)的能量要求,圍繞能量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)、生物電磁輻射安全性、磁場均勻性和頻率穩(wěn)定性等方面,對無線能量發(fā)射系統(tǒng)進行了研究。通過分析比較,結(jié)合螺線管和亥姆霍茲線圈的特點,提出了多層螺線管對能量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu),兼顧了發(fā)射磁場強度和均勻性;通過有限積分方法構(gòu)建了高精度人體電磁計算模型,根據(jù)生物電磁感應原理計算得到電磁場中人體組織電流密度和比吸收率等電磁劑量學量,并對照生物電磁輻射安全標準得到電流上限,為能量發(fā)射線圈的設計提供了安全性約束條件;以電磁場基本原理為起點,推導不同的能量發(fā)射線圈磁場分布表達,并通過對比計算值和測量值進行驗證,分析了能量發(fā)射線圈的磁場均勻性;針對能量發(fā)射線圈的頻率漂移問題,提出保持電路諧振穩(wěn)定的方法,以線圈的品質(zhì)因數(shù)Q為標識,分析頻率漂移對驅(qū)動電流的影響,并以此作為評估參量,比較了人體對能量發(fā)射線圈影響的兩種極限狀態(tài)。由此,得到了能量發(fā)射系統(tǒng)的具體設計方案和參考指標。根據(jù)感應能量的姿態(tài)穩(wěn)定性要求,引入了三維能量接收線圈結(jié)構(gòu),并從溫升安全性、能量傳輸效率以及接收能量的穩(wěn)定性等方面,對無線能量接收系統(tǒng)進行了研究。檢測了不同線圈的溫升情況,討論了能量接收線圈內(nèi)阻的安全范圍。從能量接收線圈的磁芯材料、幾何形狀、尺寸以及繞線股數(shù)方面,研究了傳輸效率的優(yōu)化問題:由初始磁導率的頻率特性,得出磁芯材料的選擇方案;通過分析影響磁導率的參數(shù)并測量對比,確定幾何形狀為圓柱體的磁芯具有更高磁導率;引入面積系數(shù)概念并測量感應電動勢,得出磁芯的最佳尺寸;測量不同線圈的接收功率,得到傳輸效率最高的繞線股數(shù)。研究了接收能量與接收線圈姿態(tài)的關系,模擬接收電路的串并聯(lián)效果并實際測量,分析了接收能量的穩(wěn)定性。通過對磁芯、繞組和電路的研究,為無線能量接收系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù)和方法。為驗證上述理論和方法的可行性,依照模塊化系統(tǒng)設計思想,應用各項研究分析結(jié)論,設計了被動式視頻膠囊內(nèi)窺鏡和主動式腸道機器人兩種裝置,及其相應的無線供能系統(tǒng)。根據(jù)第2~4章的理論研究和方法,設計并實現(xiàn)了視頻膠囊內(nèi)鏡和穿戴式無線供能系統(tǒng)。通過視頻膠囊內(nèi)鏡在人體胃腸道內(nèi)的受力分析,確定其安全尺寸和封裝要求;研究視頻膠囊內(nèi)鏡圖像模塊的工作原理,并確定了電路設計方案。視頻膠囊內(nèi)鏡的封裝尺寸為Ф10mm×26mm,功耗為63.9m W。重點研究了無線能量發(fā)射線圈和電路:根據(jù)臨床應用和人體腹部外型,設計了類橢圓單層螺線管對結(jié)構(gòu)的穿戴式能量發(fā)射線圈,重量為2.1Kg;測量并分析了發(fā)射磁場均勻性;根據(jù)安全、功率和效率要求,確定了能量發(fā)射線圈匝數(shù)為28,工作頻率為208KHz;將能量發(fā)射電路集成為小型控制盒,重量約1Kg,實現(xiàn)了便攜化設計。視頻膠囊內(nèi)鏡和無線供能系統(tǒng)滿足可穿戴、安全性、高效率和可靠性等要求。在空氣介質(zhì)、豬肉介質(zhì)和活體動物實驗中,均獲得了清晰穩(wěn)定的視頻圖像,其分辨率為320×240,幀率為30幀/秒,無線供能效率為2.8%。通過實驗,驗證了系統(tǒng)的可行性,并提出了下一步的改進方案。在對主動式胃腸道診療系統(tǒng)運動機構(gòu)研究的基礎上,根據(jù)尺蠖運動原理,設計實現(xiàn)了腸道診查機器人:通過分析腸道結(jié)構(gòu)和力學特性,得到其環(huán)向和軸向的應力-應變曲線,討論了腸道的生理組織安全性;通過仿真分析,提出了機器人運動效率的優(yōu)化方案;利用阿基米德螺線原理設計了均勻擴張的腿式鉗位機構(gòu),保證了腸道的生理組織安全性,提高了運動效率;采用絲杠螺母伸縮機構(gòu)縮短機體軸向長度,使機器人的運動適應腸道環(huán)境變化;將驅(qū)動電機一體化設計,節(jié)省了機體內(nèi)部空間;機器人的收縮尺寸為Φ18mm×41mm,步距為22mm,徑向最大擴張直徑為38mm;測試分析了鉗位機構(gòu)和伸縮機構(gòu)特性,得到鉗位力為1.49N,最大推力為9.67N,最大拉力為10.89N,符合主動運動要求。搭建了無線供能平臺,并設計了新型環(huán)狀三維能量接收線圈,以減小機體體積并保證能量傳輸?shù)男屎头�(wěn)定性。在無線供能平臺上,分別對機器人進行了離體腸道和活體動物實驗。實驗中,由無線供能系統(tǒng)作為能量源的機器人可以完整實現(xiàn)主動運動、通信以及視頻傳輸?shù)裙δ?運行能耗不超過550m W,無線供能頻率為218KHz。在離體腸道實驗中,能量傳輸效率為7.98%,在活體腸道實驗中,能量傳輸效率為6.13%,實驗驗證了機器人系統(tǒng)的可行性。最后,分析了實驗結(jié)果,并提出了下一步的改進方案。
【關鍵詞】：人體胃腸道診療微系統(tǒng) 無線能量傳輸 電磁輻射安全性 溫升安全性 電磁耦合效率 環(huán)形線圈 穿戴式線圈
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH776
【目錄】：

• 摘要4-9
• ABSTRACT9-18
• 第1章 緒論18-38
• 1.1 研究背景與意義18-19
• 1.2 人體胃腸道生理特征及其影響19-22
• 1.2.1 人體胃腸道生理特征19-21
• 1.2.2 對診療微系統(tǒng)設計的影響21-22
• 1.3 胃腸道診療微系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀22-31
• 1.3.1 傳統(tǒng)內(nèi)鏡22-23
• 1.3.2 被動式診查微系統(tǒng)23-26
• 1.3.3 主動式診療機器人26-31
• 1.4 胃腸道診療微系統(tǒng)關鍵技術31-32
• 1.5 無線供能技術的研究進展32-36
• 1.6 研究內(nèi)容及創(chuàng)新點36-38
• 第2章 無線能量傳輸理論研究38-60
• 2.1 模塊化設計方案38-41
• 2.2 生物體電磁感應與安全研究41-46
• 2.2.1 無線能量傳輸系統(tǒng)概述41-42
• 2.2.2 電磁場的生物效應42-43
• 2.2.3 電磁輻射安全標準43-45
• 2.2.4 生物傳熱方程與溫升安全性45-46
• 2.3 無線供能效率與穩(wěn)定性研究46-58
• 2.3.1 電磁感應相關定律46-48
• 2.3.2 耦合效率分析48-51
• 2.3.3 電路轉(zhuǎn)換效率分析51-54
• 2.3.4 無線供能穩(wěn)定性分析54-57
• 2.3.5 實驗驗證57-58
• 2.4 本章小結(jié)58-60
• 第3章 能量發(fā)射系統(tǒng)研究設計60-80
• 3.1 能量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)60-62
• 3.2 能量發(fā)射線圈磁場安全性分析62-69
• 3.2.1 生物電磁劑量學62-63
• 3.2.2 人體電磁模型分析63-65
• 3.2.3 感應電流密度65-67
• 3.2.4 比吸收率67-69
• 3.3 能量發(fā)射線圈磁場均勻性分析69-75
• 3.3.1 磁通密度計算69-72
• 3.3.2 磁通密度仿真72
• 3.3.3 磁場強度測試72-74
• 3.3.4 磁場均勻性分析74-75
• 3.4 能量發(fā)射線圈的頻率穩(wěn)定性分析75-78
• 3.5 本章小結(jié)78-80
• 第4章 能量接收系統(tǒng)研究設計80-96
• 4.1 能量接收線圈結(jié)構(gòu)80
• 4.2 溫升安全性檢測與分析80-83
• 4.3 能量接收線圈效率優(yōu)化83-89
• 4.3.1 磁芯的優(yōu)化83-87
• 4.3.2 繞組選擇87-89
• 4.4 姿態(tài)穩(wěn)定性研究89-94
• 4.4.1 三維能量接收線圈穩(wěn)定性分析89-93
• 4.4.2 三維能量接收線圈穩(wěn)定性測試93-94
• 4.5 本章小結(jié)94-96
• 第5章 視頻膠囊內(nèi)鏡及其無線供能系統(tǒng)設計96-112
• 5.1 視頻膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)設計96-100
• 5.1.1 視頻膠囊安全性分析97
• 5.1.2 視頻膠囊模塊設計97-100
• 5.2 穿戴式無線供能系統(tǒng)設計100-106
• 5.2.1 穿戴式能量發(fā)射線圈100-105
• 5.2.2 便攜式能量發(fā)射控制盒105-106
• 5.3 系統(tǒng)集成與實驗106-109
• 5.3.1 視頻膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)集成106-108
• 5.3.2 無線供能實驗108-109
• 5.4 本章小結(jié)109-112
• 第6章 腸道機器人及其無線供能系統(tǒng)設計112-134
• 6.1 腸道力學特性與安全性分析112-117
• 6.1.1 腸道本構(gòu)方程112-115
• 6.1.2 擬應變能函數(shù)與生理組織安全115-117
• 6.2 腸道機器人運動效率分析117-119
• 6.3 腸道機器人機構(gòu)設計119-126
• 6.3.1 螺線腿鉗位機構(gòu)120-123
• 6.3.2 鉗位力測試123-124
• 6.3.3 伸縮機構(gòu)設計與測試124-126
• 6.4 腸道機器人無線能量傳輸平臺設計126-130
• 6.4.1 能量發(fā)射線圈優(yōu)化設計126-127
• 6.4.2 環(huán)狀能量接收線圈設計與測試127-130
• 6.5 實驗與分析130-132
• 6.5.1 離體腸道實驗130-131
• 6.5.2 活體動物腸道實驗131-132
• 6.6 本章小結(jié)132-134
• 第7章 總結(jié)與展望134-138
• 7.1 論文總結(jié)134-136
• 7.2 下一步研究內(nèi)容136-138
• 參考文獻138-146
• 致謝146-148
• 攻讀博士學位期間已發(fā)表或錄用的論文148-150
• 攻讀博士學位期間已公開的專利150-152

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