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胃腸道微型介入式診療裝置無線供能技術的優(yōu)化與應用研究

發(fā)布時間:2019-05-21 18:23
【摘要】:能量供給是胃腸道微型介入式診療裝置(以下簡稱:微診療裝置)在發(fā)展和完善過程中所面臨的至關重要的問題,微診療裝置的發(fā)展如工作時間的延長、圖像幀數和分辨率的提高、自主運動乃至活檢和定點施藥的實現都有賴于能量供給問題的解決。無線供能技術因被視為解決這一問題的可行途徑而受到越來越多的關注;诖,本研究在國家和省部級多項科研計劃項目的資助下,開展了用于微診療裝置供能的無線供能技術的優(yōu)化與應用研究。 在對人體胃腸道生理特征進行介紹的基礎上,分析了基于電磁感應的無線供能技術在實現過程中遇到的問題和可能的解決方案,推導了在疏耦合情形下的能量傳輸效率以及對應約束條件,建立了最優(yōu)化模型來描述整個無線供能模塊的設計,并提出了可行的算法對該最優(yōu)化模型進行求解。微診療裝置對無線供能模塊的要求主要體現在兩個方面:能量傳輸的穩(wěn)定性和對人體的安全性。穩(wěn)定性主要包括位置穩(wěn)定性、姿態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性三個方面,而安全性包括電磁生物安全性和接收裝置溫升安全性。分析了這些系統(tǒng)要求與發(fā)射線圈和接收裝置設計之間的關系,再結合人體胃腸道生理特征所帶來的限制,一起構成了最優(yōu)化模型的約束條件。 提出了多層螺線管對的發(fā)射線圈結構,從解決位置穩(wěn)定性問題、頻率穩(wěn)定性問題磁場和電磁生物安全性問題的角度出發(fā),對不同結構發(fā)射線圈進行了測量和評估。采用勻強磁場方案來解決位置穩(wěn)定性問題,推導和模擬了不同結構發(fā)射線圈的磁場分布,搭建磁場強度測試平臺對理論模型進行了驗證,提出了磁場均勻度的概念來衡量位置穩(wěn)定性問題的解決程度。設計并搭建了固有頻率檢測平臺測量發(fā)射線圈的固有頻率漂移情況,定義了頻率穩(wěn)定度來衡量固有頻率漂移帶來的影響,將此參數作為發(fā)射線圈設計的重要指標,使頻率穩(wěn)定性在發(fā)射線圈的優(yōu)化設計中得到體現?紤]了發(fā)射線圈磁場的人體安全性問題,應用電磁仿真軟件CST在高精度人體電磁計算模型上對人體組織中的電流密度、SAR等電磁劑量進行求解。并將磁場安全性指標轉化為對發(fā)射線圈上驅動電流的約束,為磁場安全性問題在發(fā)射線圈優(yōu)化設計中的體現提供了條件。 考慮了無線供能模塊接收裝置受到的尺寸和形狀的約束,從解決姿態(tài)穩(wěn)定性問題和溫升安全性問題角度出發(fā),,對接收裝置設計進行了優(yōu)化。對三維線圈的姿態(tài)穩(wěn)定度進行了定義和三維空間建模,通過推導和仿真計算確定了姿態(tài)穩(wěn)定度在衡量姿態(tài)穩(wěn)定性上的可行性,并設計和搭建旋轉平臺實際測試證實了其有效性。在此基礎上,對接收線圈三個維度之間的連接關系進行了比較和分析,得到了串聯(lián)連接和并聯(lián)連接各自的適應范圍。為提高空間利用率,重點考察了高磁導磁芯的引入,分析和實際測量了不同形狀磁芯的實際相對磁導率,發(fā)現八邊形截面柱體磁芯優(yōu)于正方形截面柱體。另外,在三維對稱的要求下通過分析各維度的空間幾何關系,建立并求解了多階方程來確定不同維度線圈的匝數,并得到了接收線圈在規(guī)定外形尺寸條件下磁芯的最優(yōu)尺寸。將能量接收線圈內阻引發(fā)的體內溫升安全性問題轉化為對能量接收線圈繞組導線的股數的約束,并通過溫升測試平臺實驗驗證了這種處理的有效性,為溫升安全性問題的解決提供了理論依據和切實可行的方法。 為了驗證上述最優(yōu)化模型的可行性,應用最優(yōu)化模型對腸道機器人和視頻膠囊內窺鏡的無線能量傳輸模塊進行了優(yōu)化設計,找出了符合安全性要求和能量要求的較優(yōu)設計方案,在此基礎上研制了可實用化的微診療裝置固定式體外發(fā)射模塊及相應的便攜式發(fā)射模塊,實現了能量傳輸的穩(wěn)定性,并通過實驗驗證了本研究的正確性。
[Abstract]:The energy supply is a vital problem in the development and improvement of the micro-interventional diagnosis and treatment device of the gastrointestinal tract (hereinafter referred to as the microdiagnosis and treatment device). The development of the microdiagnosis and treatment device, such as the extension of working time, the number of image frames and the improvement of resolution, The realization of independent movement and even biopsy and fixed-point application depends on the solution of energy supply problem. The technology of wireless power supply has been more and more concerned because it is regarded as a feasible way to solve this problem. Based on this, the research on the optimization and application of the wireless power supply technology for the energy supply of the microdiagnosis and treatment device is carried out with the aid of the national and provincial scientific research program projects. Based on the introduction of the physical characteristics of the gastrointestinal tract of the human body, the problems and possible solutions of the wireless power supply technology based on the electromagnetic induction are analyzed, and the energy transmission efficiency and the corresponding constraint bar in the case of the coupling are derived. In this paper, an optimization model is set up to describe the design of the whole wireless power supply module, and a feasible algorithm is put forward to obtain the optimization model. The requirements of the microdiagnosis and treatment device to the wireless energy supply module are mainly reflected in two aspects: the stability of energy transmission and the safety to the human body The stability mainly includes three aspects of position stability, attitude stability and frequency stability, and the safety includes the electromagnetic biological safety and the temperature rise safety of the receiving device The relationship between the system requirements and the design of the transmitting coil and the receiving device is analyzed, and the restriction of the optimization model is formed by combining the restriction caused by the physiological characteristics of the gastrointestinal tract of the human body. In this paper, the structure of the transmitting coil of multi-layer solenoid pair is put forward, and the measurement of different structure emission coils is carried out from the angle of solving the problem of the position stability, the magnetic field of frequency stability and the safety of electromagnetic biological safety. And the concept of the uniformity of the magnetic field is put forward to measure the solution of the position stability problem. The frequency stability is defined to measure the influence of the natural frequency drift, and this parameter is used as the weight of the design of the transmitting coil. To measure the frequency stability in the optimization design of the transmitting coil By taking into account the human safety problem of the magnetic field of the transmitting coil, the electromagnetic simulation software CST is applied to the high-precision human body electromagnetic calculation model, such as the current density, the SAR and other electromagnetic doses in the human body tissue. and the magnetic field safety index is converted into a constraint on the driving current on the transmitting coil, and the embodiment of the magnetic field safety problem in the optimization design of the transmitting coil The condition is given. Considering the constraints of the size and shape of the receiving device of the wireless power supply module, the receiving device is designed from the angle of solving the problem of the attitude stability and the safety of the temperature rise. The attitude stability of the three-dimensional coil is defined and the three-dimensional space modeling is carried out. The feasibility of the attitude stability is determined by the derivation and simulation calculation, and the actual test of the rotating platform is designed and constructed. In this paper, the connection relation between the three dimensions of the receiving coil is compared and analyzed, and the series connection and the parallel connection are obtained. In order to improve the space utilization ratio, the introduction, analysis and actual measurement of the magnetic core of the high-permeability magnetic core are mainly investigated, and the actual relative magnetic permeability of the magnetic cores of different shapes is analyzed and the actual relative magnetic permeability of the magnetic cores of different shapes is measured, and it is found that the cylindrical magnetic core of the octagonal cross-section is superior to the square in addition, by analyzing the spatial geometric relation of each dimension under the requirement of three-dimensional symmetry, a multi-order equation is established and solved to determine the number of turns of the different dimension coils, The internal temperature rise safety problem caused by the internal resistance of the energy receiving coil is converted into a restraint of the number of strands of the energy receiving coil winding wire, and the position is verified by the temperature rise test platform experiment. The effectiveness of the theory provides the theoretical basis and practical significance for solving the problem of the safety of temperature rise In order to validate the feasibility of the above optimization model, the optimization model is applied to optimize the wireless energy transmission module of the intestinal robot and the video capsule endoscope, and the safety requirements and the energy requirements are found out. In this paper, the fixed in-vitro transmitting module and the corresponding portable transmitting module of a practical microdiagnosis and treatment device are developed, and the stability of energy transmission is realized, and the experimental verification is carried out.
【學位授予單位】:上海交通大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2012
【分類號】:TH776

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4 張鵬

本文編號:2482294


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