本文關(guān)鍵詞：基于無線能量傳輸技術(shù)的視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：無線膠囊內(nèi)窺鏡(WCE)系統(tǒng)能讓臨床醫(yī)生直接觀測人體胃腸道內(nèi)壁圖像,得到病灶處最直觀的信息。與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)相比,其無痛無創(chuàng)、安全方便、全消化道檢測的特點(diǎn)使得該技術(shù)成為了國內(nèi)外醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。作為胃腸道腔內(nèi)疾病無創(chuàng)檢測新技術(shù),現(xiàn)有無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的工作時間、圖像幀率以及圖像質(zhì)量尚無法完全滿足其在臨床應(yīng)用中的需求,造成這些問題的原因在于膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)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(shù)在植入式醫(yī)療設(shè)備上的廣泛應(yīng)用,研究者們將這一能量供給技術(shù)視為突破膠囊內(nèi)窺鏡能量瓶頸的可行途徑。本研究在國家和省部級多項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,開展了基于無線能量傳輸技術(shù)的視頻膠囊內(nèi)窺鏡研究�；陔姶偶夹g(shù),針對無線供能視頻膠囊內(nèi)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�；赩HP(Visible Human Project)數(shù)據(jù)集建立了高精度的人體電磁計(jì)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?nèi)傳播到體外接收系統(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(chǎn)生的交變磁場對人體組織產(chǎn)生的生物效應(yīng)。建立并分析了電磁信號在人體介質(zhì)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(jìn)行了計(jì)算;分析對比了國際電磁安全性標(biāo)準(zhǔn),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(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上,分析了視頻膠囊內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)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(nèi)窺鏡各功能模塊進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。選擇了新型cmos圖像傳感器ov6922,設(shè)計(jì)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(nèi)窺鏡控制電路與控制軟件的設(shè)計(jì);結(jié)合ov6922輸出的ntsc(nationaltelevisionsystemcommittee)視頻制式,設(shè)計(jì)了抗干擾性強(qiáng)、能量利用率高、頻帶寬的模擬調(diào)頻發(fā)射電路;根據(jù)視頻膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部空間尺寸,設(shè)計(jì)了法相型螺旋發(fā)射天線,通過hfss仿真軟件對其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后,設(shè)計(jì)了體外視頻圖像接收系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)視頻圖像的接收、存儲、與重復(fù)播放的同時,可通過實(shí)時顯示功能對視頻膠囊內(nèi)窺鏡的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。采用感應(yīng)耦合模式實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的無線供能。研究分析了感應(yīng)耦合能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提出了視頻膠囊內(nèi)窺鏡無線能量傳輸系統(tǒng)方案以及相關(guān)控制策略,建立了松耦合變壓器模型與改進(jìn)型廣義空間模型。在系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)參數(shù)不確定性進(jìn)行了分析與研究,提出了相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)與方法;基于m綜合方法,提出了以感應(yīng)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(yàn)方法。通過實(shí)驗(yàn)研究,對無線供能視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化以及功能驗(yàn)證。測試了視頻膠囊內(nèi)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(shí)驗(yàn),采集到了清晰的離體腸道圖像,并對視頻圖像進(jìn)行了存儲瀏覽,驗(yàn)證了視頻獲取部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性;在能量獲取部分的實(shí)驗(yàn)中,分別對能量發(fā)射裝置與能量接收裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),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(nèi)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(nèi)窺鏡長時間工作所需能量,傳輸效率達(dá)4.4%。最后,在動物活體實(shí)驗(yàn)中,對整個系統(tǒng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證,成功獲取了動物豬消化道內(nèi)壁圖像,取得了預(yù)期研究成果。
【關(guān)鍵詞】：視頻膠囊內(nèi)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(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(nèi)窺鏡的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.3 無線供能技術(shù)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(nèi)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(jī)制30-31
• 2.1.2 人體電磁參數(shù)31-35
• 2.2 人體電磁計(jì)算模型35-41
• 2.2.1 人體電磁計(jì)算模型的建立35-39
• 2.2.2 人體模型電磁計(jì)算方法39-41
• 2.3 電磁信號人體介質(zhì)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(qiáng)電磁環(huán)境引起的人體生物效應(yīng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)48-51
• 2.4.3 感應(yīng)電流密度與比吸收率51-53
• 2.5 本章小結(jié)53-55
• 第3章 視頻膠囊內(nèi)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(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)影響56-58
• 3.2 體內(nèi)視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)58-73
• 3.2.1 系統(tǒng)方案與框架設(shè)計(jì)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(jié)74-75
• 第4章 無線能量傳輸技術(shù)研究75-109
• 4.1 無線能量傳輸技術(shù)原理75-78
• 4.1.1 無線能量傳輸模式75-76
• 4.1.2 電磁感應(yīng)相關(guān)原理76-78
• 4.2 能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)78-84
• 4.2.1 能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)78-79
• 4.2.2 能量變換技術(shù)79-80
• 4.2.3 諧振補(bǔ)償技術(shù)80-83
• 4.2.4 電磁感應(yīng)耦合技術(shù)83-84
• 4.3 能量傳輸系統(tǒng)建模84-94
• 4.3.1 膠囊內(nèi)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(jìn)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(qiáng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)107-109
• 第5章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究109-133
• 5.1 無線供能視頻膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)109-110
• 5.2 視頻膠囊內(nèi)窺鏡實(shí)驗(yàn)110-115
• 5.2.1 照明實(shí)驗(yàn)110-112
• 5.2.2 無線通信實(shí)驗(yàn)112-113
• 5.2.3 視頻采集實(shí)驗(yàn)113-114
• 5.2.4 視頻膠囊內(nèi)窺鏡實(shí)驗(yàn)綜合分析114-115
• 5.3 無線能量傳輸實(shí)驗(yàn)研究115-130
• 5.3.1 能量發(fā)射裝置實(shí)驗(yàn)115-123
• 5.3.1.1 磁場強(qiáng)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(shí)驗(yàn)123-128
• 5.3.2.1 互感系數(shù)123-124
• 5.3.2.2 三維線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)130-131
• 5.5 本章小結(jié)131-133
• 第6章 總結(jié)與展望133-136
• 6.1 論文總結(jié)133-135
• 6.2 工作展望135-136
• 參考文獻(xiàn)136-145
• 致謝145-146
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文146
• 計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)及專利146-149

【參考文獻(xiàn)】

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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(shù);2007年08期

中國博士學(xué)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(jī)器人系統(tǒng)及其無線供能技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2008年

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本文編號：914685