磁导式胶囊内窥镜力学建模与系统研制

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1、华中科技大学硕士学位论文实验室与日本SONY公司合作的内窥镜胶囊生产已正式投产。韩国的IntelligentMicro中心，英国的Glasgow大学等研究机构也在积极进行胶囊内窥镜的研制。表1.1列举了国内外主要的商用胶囊内窥镜发展概况。在胶囊内窥镜主动控制领域，日本东北大学Ishiyama教授早在1999年就提出了螺纹推进机器人原理并开展了相关实验研究[18-22]。此后不久，Olympus公司就与Ishiyama教授的研究团队合作，致力于胶囊内窥主动控制系统的研究，其控制机制是利用旋转磁场和螺纹结构来控制胶囊在肠道内的位置和方向。Olympus公司同时积极开展动物实验，

2、目前正在进行主动式胶囊内窥镜在狗肠道内的实验研究，由于控制机制复杂，尚未投入市场，Olympus公司目前投入市场的胶囊内窥镜产品均为被动控制方式，尺寸为直径11mm、长26mm，适用于小肠。通过体内照明进行拍摄，图像由微型天线通过无线电发射到体外。日本的RFSystem实验室开发出世界上最小的胶囊内窥镜“Sayaka”，直径仅为9mm，长度为23mm。成人和儿童均可以轻易吞服[40]。Sayaka采用无线供电和旋转镜头，基于双层壳体构建的胶囊经过8个小时，遍历6-8米的肠道。在肠道内通过LED照明并持续回转，由置于胶囊中间的CCD进行每秒30帧的图像采集，拍下87万余张照片

3、。图1.1为RFSystem实验室的产品结构示意图。图1.1日本RFSystem实验室胶囊内窥镜产品结构图国内方面，在国家863项目的支持下，重庆金山公司于研制出了具有实时摄像功能的被动式胶囊内窥镜，中国科学院合肥智能机械研究所设计了“基于CMOS图像传感器的胶囊内窥镜系统”。被动式检测带来了很多弊端：1）检测周期通常为6－8个小时，效率较低；2）一旦发现病灶，无法实现精确的分析和细致的观察；3）无法实现即时无创治疗，如药物释放。为了克服被动式胶囊内窥镜的缺点，更好的服务患者，近及年来主动控制式胶囊内窥镜的研究十分活跃，国内外已经形成了开发了各式各样的控制方法，如：蠕动机器

4、人、磁致伸缩技术、静电驱动技术、电机驱动微型机器人，形状记忆合金机器人、无损伤机器人等，仿生机器人等。其中形状记忆合金驱动利用SMA的记忆效应，3华中科技大学硕士学位论文通过控制温度循环，实现力和力矩的输出。仿生机器人模仿生物体的运动机理，如尺蠖和节肢昆虫等。C.A.Mosse等人提出了一种电激励驱动方法[24]。通过对置于胶囊表面上的电极施加电压或电流脉冲(幅值20V,持续时间10ms，频率20Hz；或幅值80mAh，持续时间30ms，频率15Hz)，刺激肠道伸缩，从而驱动胶囊在肠道中运动。图1.2ESC内部构造图1.3ESC运动原理ESC的构造如图1.2所示，除了照明、

5、图像采集和处理模块外(图中未画出)，还需要有两对以上的电极，电池，RF传输模块和天线。ESC的尺寸为直径11mm,长度22mm，其运动原理如图1.3所示，将电极置于胶囊的前端和后端，当向电极施加电流脉冲或电压脉冲时，肠道因感受到电刺激和收缩，驱动胶囊前进(激励胶囊后端的电极)或后退(激励胶囊前端的电极)。据实验报道，ESC在肠道内的运动速度为0.5－1.5mm/s,运动速度的大小与胶囊的几何尺寸和形状有关。现阶段的ESC采用柔性导线控制电极的工作方式，如果要实现无线内窥检测，需要开发相应的双工专用集成电路传输芯片。图1.4蠕虫式驱动原理4华中科技大学硕士学位论文大自然丰富多

6、彩的物种及其生活方式不断给人类提供创造的灵感。仿生机器人的研究就是通过学习借鉴自然生物的运动方式，设计和制作出模拟生物运动的自动化机器人系统。蠕虫通过交替伸缩其肢体以产生蠕动波，从而在泥土和其它介质上行走。借鉴蠕虫式运动方式驱动微型机器的想法自1979年由Frazer在其所发明的专利中提出以来，被业界广泛采用，并衍生出多种方案以驱动微型机器人，可适用于管道机器人巡查，肠道机器人检测等领域。其运动原理如图1.4所示。微型机器人的核心部件包括三个部分：前气囊3、后气囊1和风箱2。初始时，三部分都处于收缩状态(deflatedstate)，如图1.4(a);向后气囊1充气，使其膨

7、胀，与肠道表面相挤压，产生足够的静摩擦力，保持固定状态，此时后气囊1起到锚(anchor)的作用(图1.4(b));进而，向风箱2充气，推动微机器人前进(图1.4(c))；当风箱达到预定行程后，前气囊1充气，起到锚的作用，固定住微型机器人的前端(图1.4(d));最后，后气囊3和风箱2放气，收缩的风箱带到后气囊前进。至此，整个微机器人完成一个运动周期。通过不断地控制前后气囊和风箱的充放气，即可实现微机器人在肠道内的前进或后退。图1.5基于蠕虫运动原理的微机器人DarioP,CarrozzaMC等人利用蠕虫运动的原理