人体胃肠道腔内诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用研究

发布时间：2017-08-20 01:16

  本文关键词：人体胃肠道腔内诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用研究

  更多相关文章： 人体胃肠道诊疗微系统 无线能量传输 电磁辐射安全性 温升安全性 电磁耦合效率 环形线圈 穿戴式线圈

【摘要】：供能问题和生物电磁辐射安全性,是胃肠道腔内诊疗微系统研究需要考虑的两大重要问题,前者涉及系统的可行性,后者是临床应用的准入条件。胃肠道诊疗微系统技术发展的同时,对能量的需求相应增加,以期实现体内连续工作时间延长、图像质量提高、运动和诊疗方式可控等目标,基于电磁感应的无线供能技术为解决这一问题提供了一种可行方法。另外,随着研究的推进,生物电磁辐射安全问题也已凸现出来,需要同步解决,以实现胃肠道诊疗微系统的临床应用。在国家和省级多项科研计划项目资助下,本文开展了针对人体胃肠道诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用的研究。针对无线供能的胃肠道诊疗微系统的应用环境,根据其结构、安全性、效率和可靠性要求,提出了模块化系统设计思想。分析了国内外电磁辐射安全标准,提出以人体感应电流密度和比吸收率(SAR)为指标的判定函数,确定了能量发射系统的安全运行范围;利用生物传热方程分析体内温升特性,明确了能量接收线圈的安全性约束条件;通过解析电磁耦合方程,得到能量传输效率的表达函数,并将能量发射端与接收端参数分离,以利于后续设计;分析了无线供能系统可靠性的三个主要方面,包括磁场均匀性、频率稳定性和姿态稳定性。由此,形成了无线供能系统的总体设计方案,为后续工作奠定了基础。根据诊疗微系统的能量要求,围绕能量发射线圈结构、生物电磁辐射安全性、磁场均匀性和频率稳定性等方面,对无线能量发射系统进行了研究。通过分析比较,结合螺线管和亥姆霍兹线圈的特点,提出了多层螺线管对能量发射线圈结构,兼顾了发射磁场强度和均匀性;通过有限积分方法构建了高精度人体电磁计算模型,根据生物电磁感应原理计算得到电磁场中人体组织电流密度和比吸收率等电磁剂量学量,并对照生物电磁辐射安全标准得到电流上限,为能量发射线圈的设计提供了安全性约束条件;以电磁场基本原理为起点,推导不同的能量发射线圈磁场分布表达,并通过对比计算值和测量值进行验证,分析了能量发射线圈的磁场均匀性;针对能量发射线圈的频率漂移问题,提出保持电路谐振稳定的方法,以线圈的品质因数Q为标识,分析频率漂移对驱动电流的影响,并以此作为评估参量,比较了人体对能量发射线圈影响的两种极限状态。由此,得到了能量发射系统的具体设计方案和参考指标。根据感应能量的姿态稳定性要求,引入了三维能量接收线圈结构,并从温升安全性、能量传输效率以及接收能量的稳定性等方面,对无线能量接收系统进行了研究。检测了不同线圈的温升情况,讨论了能量接收线圈内阻的安全范围。从能量接收线圈的磁芯材料、几何形状、尺寸以及绕线股数方面,研究了传输效率的优化问题:由初始磁导率的频率特性,得出磁芯材料的选择方案;通过分析影响磁导率的参数并测量对比,确定几何形状为圆柱体的磁芯具有更高磁导率;引入面积系数概念并测量感应电动势,得出磁芯的最佳尺寸;测量不同线圈的接收功率,得到传输效率最高的绕线股数。研究了接收能量与接收线圈姿态的关系,模拟接收电路的串并联效果并实际测量,分析了接收能量的稳定性。通过对磁芯、绕组和电路的研究,为无线能量接收系统的设计提供了理论依据和方法。为验证上述理论和方法的可行性,依照模块化系统设计思想,应用各项研究分析结论,设计了被动式视频胶囊内窥镜和主动式肠道机器人两种装置,及其相应的无线供能系统。根据第2~4章的理论研究和方法,设计并实现了视频胶囊内镜和穿戴式无线供能系统。通过视频胶囊内镜在人体胃肠道内的受力分析,确定其安全尺寸和封装要求;研究视频胶囊内镜图像模块的工作原理,并确定了电路设计方案。视频胶囊内镜的封装尺寸为Ф10mm×26mm,功耗为63.9m W。重点研究了无线能量发射线圈和电路:根据临床应用和人体腹部外型,设计了类椭圆单层螺线管对结构的穿戴式能量发射线圈,重量为2.1Kg;测量并分析了发射磁场均匀性;根据安全、功率和效率要求,确定了能量发射线圈匝数为28,工作频率为208KHz;将能量发射电路集成为小型控制盒,重量约1Kg,实现了便携化设计。视频胶囊内镜和无线供能系统满足可穿戴、安全性、高效率和可靠性等要求。在空气介质、猪肉介质和活体动物实验中,均获得了清晰稳定的视频图像,其分辨率为320×240,帧率为30帧/秒,无线供能效率为2.8%。通过实验,验证了系统的可行性,并提出了下一步的改进方案。在对主动式胃肠道诊疗系统运动机构研究的基础上,根据尺蠖运动原理,设计实现了肠道诊查机器人:通过分析肠道结构和力学特性,得到其环向和轴向的应力-应变曲线,讨论了肠道的生理组织安全性;通过仿真分析,提出了机器人运动效率的优化方案;利用阿基米德螺线原理设计了均匀扩张的腿式钳位机构,保证了肠道的生理组织安全性,提高了运动效率;采用丝杠螺母伸缩机构缩短机体轴向长度,使机器人的运动适应肠道环境变化;将驱动电机一体化设计,节省了机体内部空间;机器人的收缩尺寸为Φ18mm×41mm,步距为22mm,径向最大扩张直径为38mm;测试分析了钳位机构和伸缩机构特性,得到钳位力为1.49N,最大推力为9.67N,最大拉力为10.89N,符合主动运动要求。搭建了无线供能平台,并设计了新型环状三维能量接收线圈,以减小机体体积并保证能量传输的效率和稳定性。在无线供能平台上,分别对机器人进行了离体肠道和活体动物实验。实验中,由无线供能系统作为能量源的机器人可以完整实现主动运动、通信以及视频传输等功能,运行能耗不超过550m W,无线供能频率为218KHz。在离体肠道实验中,能量传输效率为7.98%,在活体肠道实验中,能量传输效率为6.13%,实验验证了机器人系统的可行性。最后,分析了实验结果,并提出了下一步的改进方案。
【关键词】：人体胃肠道诊疗微系统 无线能量传输 电磁辐射安全性 温升安全性 电磁耦合效率 环形线圈 穿戴式线圈
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH776
【目录】：

• 摘要4-9
• ABSTRACT9-18
• 第1章 绪论18-38
• 1.1 研究背景与意义18-19
• 1.2 人体胃肠道生理特征及其影响19-22
• 1.2.1 人体胃肠道生理特征19-21
• 1.2.2 对诊疗微系统设计的影响21-22
• 1.3 胃肠道诊疗微系统的研究现状22-31
• 1.3.1 传统内镜22-23
• 1.3.2 被动式诊查微系统23-26
• 1.3.3 主动式诊疗机器人26-31
• 1.4 胃肠道诊疗微系统关键技术31-32
• 1.5 无线供能技术的研究进展32-36
• 1.6 研究内容及创新点36-38
• 第2章 无线能量传输理论研究38-60
• 2.1 模块化设计方案38-41
• 2.2 生物体电磁感应与安全研究41-46
• 2.2.1 无线能量传输系统概述41-42
• 2.2.2 电磁场的生物效应42-43
• 2.2.3 电磁辐射安全标准43-45
• 2.2.4 生物传热方程与温升安全性45-46
• 2.3 无线供能效率与稳定性研究46-58
• 2.3.1 电磁感应相关定律46-48
• 2.3.2 耦合效率分析48-51
• 2.3.3 电路转换效率分析51-54
• 2.3.4 无线供能稳定性分析54-57
• 2.3.5 实验验证57-58
• 2.4 本章小结58-60
• 第3章 能量发射系统研究设计60-80
• 3.1 能量发射线圈结构60-62
• 3.2 能量发射线圈磁场安全性分析62-69
• 3.2.1 生物电磁剂量学62-63
• 3.2.2 人体电磁模型分析63-65
• 3.2.3 感应电流密度65-67
• 3.2.4 比吸收率67-69
• 3.3 能量发射线圈磁场均匀性分析69-75
• 3.3.1 磁通密度计算69-72
• 3.3.2 磁通密度仿真72
• 3.3.3 磁场强度测试72-74
• 3.3.4 磁场均匀性分析74-75
• 3.4 能量发射线圈的频率稳定性分析75-78
• 3.5 本章小结78-80
• 第4章 能量接收系统研究设计80-96
• 4.1 能量接收线圈结构80
• 4.2 温升安全性检测与分析80-83
• 4.3 能量接收线圈效率优化83-89
• 4.3.1 磁芯的优化83-87
• 4.3.2 绕组选择87-89
• 4.4 姿态稳定性研究89-94
• 4.4.1 三维能量接收线圈稳定性分析89-93
• 4.4.2 三维能量接收线圈稳定性测试93-94
• 4.5 本章小结94-96
• 第5章 视频胶囊内镜及其无线供能系统设计96-112
• 5.1 视频胶囊内镜系统设计96-100
• 5.1.1 视频胶囊安全性分析97
• 5.1.2 视频胶囊模块设计97-100
• 5.2 穿戴式无线供能系统设计100-106
• 5.2.1 穿戴式能量发射线圈100-105
• 5.2.2 便携式能量发射控制盒105-106
• 5.3 系统集成与实验106-109
• 5.3.1 视频胶囊内镜系统集成106-108
• 5.3.2 无线供能实验108-109
• 5.4 本章小结109-112
• 第6章 肠道机器人及其无线供能系统设计112-134
• 6.1 肠道力学特性与安全性分析112-117
• 6.1.1 肠道本构方程112-115
• 6.1.2 拟应变能函数与生理组织安全115-117
• 6.2 肠道机器人运动效率分析117-119
• 6.3 肠道机器人机构设计119-126
• 6.3.1 螺线腿钳位机构120-123
• 6.3.2 钳位力测试123-124
• 6.3.3 伸缩机构设计与测试124-126
• 6.4 肠道机器人无线能量传输平台设计126-130
• 6.4.1 能量发射线圈优化设计126-127
• 6.4.2 环状能量接收线圈设计与测试127-130
• 6.5 实验与分析130-132
• 6.5.1 离体肠道实验130-131
• 6.5.2 活体动物肠道实验131-132
• 6.6 本章小结132-134
• 第7章 总结与展望134-138
• 7.1 论文总结134-136
• 7.2 下一步研究内容136-138
• 参考文献138-146
• 致谢146-148
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文148-150
• 攻读博士学位期间已公开的专利150-152

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