本文關鍵詞：基于無線能量傳輸技術的視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)及實驗研究

  更多相關文章： 視頻膠囊內窺鏡 無線能量傳輸 圖像傳感器 無線視頻通信 雙層螺線管線圈對 三維接收線圈 魯棒穩(wěn)定性 最優(yōu)化模型 活體動物實驗

【摘要】：無線膠囊內窺鏡(WCE)系統(tǒng)能讓臨床醫(yī)生直接觀測人體胃腸道內壁圖像,得到病灶處最直觀的信息。與傳統(tǒng)內窺鏡檢測技術相比,其無痛無創(chuàng)、安全方便、全消化道檢測的特點使得該技術成為了國內外醫(yī)療器械領域的研究重點。作為胃腸道腔內疾病無創(chuàng)檢測新技術,現(xiàn)有無線膠囊內窺鏡系統(tǒng)的工作時間、圖像幀率以及圖像質量尚無法完全滿足其在臨床應用中的需求,造成這些問題的原因在于膠囊內窺鏡內部空間有限,只能采用紐扣電池作為能量來源。隨著無線能量傳輸技術在植入式醫(yī)療設備上的廣泛應用,研究者們將這一能量供給技術視為突破膠囊內窺鏡能量瓶頸的可行途徑。本研究在國家和省部級多項科學研究計劃項目的支持下,開展了基于無線能量傳輸技術的視頻膠囊內窺鏡研究。基于電磁技術,針對無線供能視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)的工作環(huán)境,本文展開了人體與電磁場的相互作用研究。基于VHP(Visible Human Project)數(shù)據(jù)集建立了高精度的人體電磁計算模型,從兩方面研究了人體與電磁場的相互作用問題,即無線視頻傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘枏南纼葌鞑サ襟w外接收系統(tǒng)過程中的功率損耗問題和無線能量傳輸系統(tǒng)在膠囊活動區(qū)域產生的交變磁場對人體組織產生的生物效應。建立并分析了電磁信號在人體介質中傳播的功率損耗模型,對傳播過程中由天線增益和電磁波輻射、衰減以及反射所引起的功率損耗進行了計算;分析對比了國際電磁安全性標準,得到了交變磁場環(huán)境下電流密度、sar(specificabsorptionrate)值在人體的分布,以及不同頻率下無線能量發(fā)射的安全電流最大限值。在對人體胃腸道生理特征進行介紹的基礎上,分析了視頻膠囊內窺鏡設計中遇到的問題以及可能的解決方案,確立了系統(tǒng)方案與框架,對視頻膠囊內窺鏡各功能模塊進行了研究與設計。選擇了新型cmos圖像傳感器ov6922,設計了與之匹配的鏡頭與照明模塊;選擇pic12f509作為微型控制處理器,完成了視頻膠囊內窺鏡控制電路與控制軟件的設計;結合ov6922輸出的ntsc(nationaltelevisionsystemcommittee)視頻制式,設計了抗干擾性強、能量利用率高、頻帶寬的模擬調頻發(fā)射電路;根據(jù)視頻膠囊內窺鏡內部空間尺寸,設計了法相型螺旋發(fā)射天線,通過hfss仿真軟件對其各項參數(shù)進行了優(yōu)化。最后,設計了體外視頻圖像接收系統(tǒng),在實現(xiàn)視頻圖像的接收、存儲、與重復播放的同時,可通過實時顯示功能對視頻膠囊內窺鏡的工作狀態(tài)進行監(jiān)測。采用感應耦合模式實現(xiàn)本系統(tǒng)的無線供能。研究分析了感應耦合能量傳輸系統(tǒng)結構,提出了視頻膠囊內窺鏡無線能量傳輸系統(tǒng)方案以及相關控制策略,建立了松耦合變壓器模型與改進型廣義空間模型。在系統(tǒng)模型基礎上,對系統(tǒng)參數(shù)不確定性進行了分析與研究,提出了相應的量化標準與方法;基于m綜合方法,提出了以感應耦合能量傳輸系統(tǒng)為被控對象的系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性及魯棒性能的檢驗方法。通過實驗研究,對無線供能視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)進行了參數(shù)優(yōu)化以及功能驗證。測試了視頻膠囊內窺鏡照明模塊、無線通信模塊以及視頻采集模塊的工作性能,通過離體腸道實驗,采集到了清晰的離體腸道圖像,并對視頻圖像進行了存儲瀏覽,驗證了視頻獲取部分系統(tǒng)設計的正確性;在能量獲取部分的實驗中,分別對能量發(fā)射裝置與能量接收裝置進行了實驗,獲得了系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù);并利用魯棒穩(wěn)定性分析方法,建立了穩(wěn)定的無線能量傳輸系統(tǒng)。本文研制的視頻膠囊內窺鏡直徑11mm,長28mm,能夠采集到30f/s的NTSC制式視頻圖像,無線能量傳輸系統(tǒng)保證了視頻膠囊內窺鏡長時間工作所需能量,傳輸效率達4.4%。最后,在動物活體實驗中,對整個系統(tǒng)性能進行了驗證,成功獲取了動物豬消化道內壁圖像,取得了預期研究成果。
【關鍵詞】：視頻膠囊內窺鏡 無線能量傳輸 圖像傳感器 無線視頻通信 雙層螺線管線圈對 三維接收線圈 魯棒穩(wěn)定性 最優(yōu)化模型 活體動物實驗
【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3-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-30
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 膠囊內窺鏡的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.3 無線供能技術的研究現(xiàn)狀21-26
• 1.4 課題的研究意義26-27
• 1.5 本文框架與研究內容27-30
• 第2章 人體與電磁場的相互作用研究30-55
• 2.1 人體組織電磁特性研究30-35
• 2.1.1 人體與電磁場的耦合機制30-31
• 2.1.2 人體電磁參數(shù)31-35
• 2.2 人體電磁計算模型35-41
• 2.2.1 人體電磁計算模型的建立35-39
• 2.2.2 人體模型電磁計算方法39-41
• 2.3 電磁信號人體介質中傳播損耗研究41-47
• 2.3.1 電磁場的傳播特性42-44
• 2.3.1.1 一般波動方程42-43
• 2.3.1.2 自由空間中的電磁波傳播43-44
• 2.3.2 人體環(huán)境下的電磁波傳播44-47
• 2.4 強電磁環(huán)境引起的人體生物效應47-53
• 2.4.1 電磁場對生物體作用47-48
• 2.4.2 生物電磁安全性相關標準48-51
• 2.4.3 感應電流密度與比吸收率51-53
• 2.5 本章小結53-55
• 第3章 視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)研究55-75
• 3.1 人體胃腸道生理特征及其影響55-58
• 3.1.1 人體胃腸道生理特征55-56
• 3.1.2 胃腸道生理特征對視頻膠囊內窺鏡設計影響56-58
• 3.2 體內視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)58-73
• 3.2.1 系統(tǒng)方案與框架設計58-59
• 3.2.2 視頻圖像模塊59-62
• 3.2.3 控制模塊62-64
• 3.2.4 無線通訊模塊64-73
• 3.3 體外視頻圖像接收系統(tǒng)73-74
• 3.4 本章小結74-75
• 第4章 無線能量傳輸技術研究75-109
• 4.1 無線能量傳輸技術原理75-78
• 4.1.1 無線能量傳輸模式75-76
• 4.1.2 電磁感應相關原理76-78
• 4.2 能量傳輸系統(tǒng)結構與關鍵技術78-84
• 4.2.1 能量傳輸系統(tǒng)結構78-79
• 4.2.2 能量變換技術79-80
• 4.2.3 諧振補償技術80-83
• 4.2.4 電磁感應耦合技術83-84
• 4.3 能量傳輸系統(tǒng)建模84-94
• 4.3.1 膠囊內鏡無線能量傳輸系統(tǒng)方案84-86
• 4.3.2 控制策略86-89
• 4.3.3 松耦合變壓器模型89-92
• 4.3.4 改進型廣義狀態(tài)空間模型92-94
• 4.4 能量傳輸系統(tǒng)參數(shù)不確定性分析94-107
• 4.4.1 能量發(fā)射端94-100
• 4.4.1.1 磁場強度與磁場均勻性95-98
• 4.4.1.2 頻率穩(wěn)定性98-100
• 4.4.2 能量接收端100-105
• 4.4.2.1 互感系數(shù)100-103
• 4.4.2.2 三維線圈拓撲結構103-104
• 4.4.2.3 溫升安全性104-105
• 4.4.3 能量傳輸系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性105-107
• 4.5 本章小結107-109
• 第5章 系統(tǒng)實驗研究109-133
• 5.1 無線供能視頻膠囊內窺鏡系統(tǒng)109-110
• 5.2 視頻膠囊內窺鏡實驗110-115
• 5.2.1 照明實驗110-112
• 5.2.2 無線通信實驗112-113
• 5.2.3 視頻采集實驗113-114
• 5.2.4 視頻膠囊內窺鏡實驗綜合分析114-115
• 5.3 無線能量傳輸實驗研究115-130
• 5.3.1 能量發(fā)射裝置實驗115-123
• 5.3.1.1 磁場強度與磁場均勻性116-118
• 5.3.1.2 頻率穩(wěn)定性118-119
• 5.3.1.3 磁場安全性119-123
• 5.3.2 能量接收裝置實驗123-128
• 5.3.2.1 互感系數(shù)123-124
• 5.3.2.2 三維線圈拓撲結構124-126
• 5.3.2.3 溫升安全性126-128
• 5.3.3 魯棒性能分析128-130
• 5.4 活體動物實驗130-131
• 5.5 本章小結131-133
• 第6章 總結與展望133-136
• 6.1 論文總結133-135
• 6.2 工作展望135-136
• 參考文獻136-145
• 致謝145-146
• 攻讀博士學位期間已發(fā)表或錄用的論文146
• 計算機軟件著作權及專利146-149

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 Paul Swain;;The future of wireless capsule endoscopy[J];World Journal of Gastroenterology;2008年26期

2 李綠森;閆敬文;張曉玲;;人體可視化研究[J];信息技術;2007年08期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 馬官營;人體腸道診查微型機器人系統(tǒng)及其無線供能技術研究[D];上海交通大學;2008年

，

本文編號：914685