磁驅(qū)動式主動控制膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研制.pdf

1、傳統(tǒng)消化道診查使用推拉式內(nèi)窺鏡，其檢查過程痛苦、易交叉感染，且無法檢查小腸部分。被動式無線膠囊內(nèi)窺鏡在過去十年里的長足發(fā)展克服了一些傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的不足，已成為發(fā)達(dá)國家成熟的檢查手段。但被動式膠囊內(nèi)窺鏡存在一些難以克服的問題，主要有1）檢查耗時長（6-12 小時），不可在線診查；2）膠囊運動不可控，不可對病狀進行定點仔細(xì)觀察；3）膠囊容易過早失效甚至在人體中滯留，只能用有創(chuàng)的方式取出。為克服這些問題并賦予膠囊內(nèi)窺鏡更大的醫(yī)療潛力，形狀記憶合

2、金、螺旋驅(qū)動、電刺激、電機驅(qū)動以及液壓驅(qū)動等膠囊主動驅(qū)動方案被相繼提出。然而這些方案都期望將驅(qū)動器集成到一次性的內(nèi)窺鏡膠囊上，極大地增加了其復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，降低了系統(tǒng)可靠性。相比之下，通過外磁場驅(qū)動則是一種更有保障的方案。1980年，弗吉尼亞大學(xué)研究了一種用于神經(jīng)外科治療的系統(tǒng)，使用外部磁場控制人腦內(nèi)的小磁珠對腦腫瘤進行熱療。研究成果后來發(fā)展成一種心血管介入診治設(shè)備——Stereotaxis 計算機輔助心血管介入系統(tǒng)，并實現(xiàn)了商業(yè)化

3、。
　　 基于以上考慮，本文將外磁場驅(qū)動控制原理應(yīng)用于主動式膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，提出了一種用永磁體作為磁源的外磁場驅(qū)動設(shè)備。對驅(qū)動過程中的力學(xué)與磁場進行了理論分析，建立了考慮蠕動波的膠囊與腸道的接觸力學(xué)模型，以指導(dǎo)磁驅(qū)動系統(tǒng)的研制和膠囊的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；建立了驅(qū)動外磁場的磁分析模型，分析討論了準(zhǔn)靜態(tài)磁場驅(qū)動的配置方式和關(guān)鍵參數(shù)的選擇。以理論分析為基礎(chǔ)，對磁驅(qū)動導(dǎo)航系統(tǒng)和與之相兼容的內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)進行了系統(tǒng)設(shè)計、運動分析和設(shè)備研制。磁驅(qū)動

4、系統(tǒng)使用兩組永磁體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動磁場，并通過五自由度機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)、控制磁場的分布，實現(xiàn)對膠囊在腸道中的驅(qū)動與控制，不僅成本低廉，而且避免了交變磁場的健康危害。膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)基于商用芯片構(gòu)建，成本低，并且能與磁驅(qū)動系統(tǒng)順利集成以擴展其功能。對開發(fā)的系統(tǒng)樣機進行了標(biāo)定實驗、模擬腸道實驗和圖像采集綜合實驗，記錄了實驗的材料、方法和結(jié)果。實驗結(jié)果表明，所開發(fā)的磁驅(qū)動式主動控制膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)安全可行，并具有較好的性能。實驗中膠囊的平均運動速度超過