基于旋转永磁体的磁性螺旋型胶囊内窥镜主动控制研究

摘要

无线胶囊内窥镜（Wireless Capsule Endoscope, WCE）在检测胃肠道疾病特别是小肠肠道疾病方面显示出了极大的优势，但传统的WCE在胃肠道内都是依靠肠道蠕动和自身重力而被动运动。实现对WCE的主动控制可以降低其检测疾病的漏检率，提高检测效率，并能为未来的活检、施药、微创治疗等提供技术保障。现有在研的WCE主动控制方法主要有：电刺激法、仿生型机器人控制法和磁控制方法。其中磁控制法由于其无需电源和能无线控制等优点得到广泛研究。本文结合现有磁控制法中的磁拖动法和亥姆霍兹线圈法的优点，并在克服现有方法设备复杂、控制范围小和容易对肠道造成伤害的基础上提出利用旋转外部永磁体驱动磁性螺旋型 WCE同步旋转的主动控制方法，并研制了旋转永磁体主动控制系统。
　　分析了WCE主动控制的基本原理及目前常见的几种主动控制方法，包括电刺激法、仿生机器人法和磁控制法。比较了它们之间的优缺点，重点分析了永磁体拖动法和基于亥姆霍兹线圈的旋转磁场控制磁性螺旋型WCE法，在此基础上提出了基于旋转永磁体的主动控制磁性螺旋型WCE法。分析了旋转永磁体主动控制磁性螺旋型WCE的控制原理。分析了旋转永磁体与磁性螺旋型WCE之间的悬浮“同步”旋转控制模型。介绍了该方法具体的控制方案，分析了这种控制法的控制距离及该方法中磁性螺旋型WCE所受到的来自于肠道内壁的摩擦阻力矩的估算方法。
　　研究了基于Ansoft Maxwell的该主动控制方法中所涉及到的静磁场仿真。主要牵涉到所用外部永磁体（方块形和圆柱形）和磁性螺旋型WCE表面磁壳之间的磁力及磁矩的仿真，由此仿真结果推算出该主动控制方法所能提供的最小和最大控制距离。详细介绍了该静磁仿真的实施过程，包括模型建立、材料分配、网格划分、载荷施加、后处理及参数扫描等。给出了磁力和磁矩的仿真结果，并以此分析了该主动控制法的最小和最大控制距离。
　　详细介绍了旋转永磁体主动控制系统的设计和制备，主要分为手持式永磁体控制机构的制备、可调支架的制备和磁性螺旋型WCE的制备。
　　利用旋转永磁体主动控制系统在离体猪小肠内对磁性螺旋型 WCE进行主动控制实验。分别对比了有无控制支架、不同形状和磁性的外部永磁体、不同肠道填充和不同螺纹线数条件下的控制系统性能差异，测量了对应的最小和最大控制距离、运动速度，并且记录了磁性螺旋型WCE在行进过程中的稳定性。通过实验数据估算了磁性螺旋型WCE在运动过程中所受到的来自于肠道内壁的摩擦阻力矩。
　　通过在新鲜离体猪小肠肠道中利用旋转永磁体主动控制系统进行实验，验证了该主动控制方法和系统的可行性和有效性。实验结果说明该主动控制系统操作简便、控制效果好。该主动控制系统对磁性螺旋型WCE的最大控制速度可达到27.17 mm/s，最大的控制距离可以达到253.3 mm，该控制距离已经达到跟成人的胸部厚度相当，这表示该系统在未来的医疗实践中将会有很大的应用前景。同时该系统也具有很好的控制稳定性。相对于传统的亥姆霍兹线圈法，本文提出的旋转永磁体控制法在对磁性螺旋型WCE的主动控制中具有更高的控制速度、更大的控制距离、无电磁辐射、控制空间受限程度低、控制设备成本低、系统操作相对简单等明显优势。

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1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究工作

1.5 文章组织结构

2 无线胶囊内窥镜旋转永磁体主动控制原理

2.1 旋转永磁体主动控制法的引入

2.2 悬浮“同步”旋转控制模型

2.3 旋转永磁体主动控制方案设计与分析

2.4 旋转永磁体主动控制的控制距离分析

2.5 旋转永磁体主动控制中的摩擦阻力矩估算

2.6 本章小结

3 旋转永磁体主动控制中的磁场仿真

3.1 旋转永磁体仿真项目创建及分析类型定义

3.2 外部永磁体与磁壳几何模型的建立

3.3 外部永磁体与磁壳材料的定义及分配

3.4 旋转永磁体激励源加载及边界条件的定义

3.5 磁力和磁矩求解参数的设定

3.6 旋转永磁体仿真的后处理

3.7 外部永磁体与磁壳间距的参数化求解

3.8 旋转永磁体磁力与磁矩的数值仿真结果

3.9 本章小结

4 旋转永磁体主动控制系统的设计与制备

4.1 手持式永磁体控制机构

4.2 磁性螺旋型WCE

4.3 位置调节机构

4.4 本章小结

5 旋转永磁体主动控制系统实验与分析

5.1 磁性螺旋型WCE转动惯量的测量

5.2 外部永磁体驱动磁矩的测试

5.3 有无支架条件下系统性能测试

5.4 不同形状、磁性外部永磁体条件下系统性能测试

5.5 不同填充条件下系统性能测试

5.6 不同螺纹线数条件下系统性能测试

5.7 磁性螺旋型WCE所受摩擦阻力矩测试与估算

5.8 系统性能与亥姆霍兹线圈法性能对比分析

5.9 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录

附录2 单片机控制步进电机程序代码