可吸收缝合线的线径在线检测及控制技术

摘要

壳聚糖-胶原蛋白可吸收缝合线由于其可塑性强、组织相容性好及可降解的特性，被广泛地应用在需要内缝合的手术中。而在缝合线成形和缠绕过程中，对缝合线线径进行检测及控制是保证线径均匀和抗张强度不变的前提。传统的纺丝成形工艺由于缺乏对纺丝工艺关键技术的掌握，喷丝速度不易控制，导致成形后的可吸收缝合线线径粗细不均，严重影响其推广应用。传统测量是在缝合线实验台上进行离线测量，测量周期长、速度慢，无法实现闭环控制。本文研究一种可吸收缝合线的线径在线检测与控制技术，实现在纺丝成形过程中对线径进行闭环控制及在线检测，提升控制系统精度，保证成品壳聚糖-胶原蛋白可吸收缝合线线径均匀。
　　可吸收缝合线纺丝成形中的线径闭环控制系统包括核心控制模块、喷丝装置、线径检测模块三部分。其中线径检测模块通过对待测缝合线进行光学成像，由基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器STM32F103ZET6驱动线阵CCD图像传感器TCD1209D对光强信息进行采集，将采集的电信号通过信号调理后由片内AD进行A/D转换，通过采用基于遗传算法的二值化图像分割的方法进行数据处理，再经过线径计算，最终获得可吸收缝合线的线径测量值，实现线径的在线测量。
　　设计一种以反串联双液压缸为主体结构的喷丝装置，通过线径检测模块获得壳聚糖-胶原蛋白可吸收缝合线的线径测量值，将线径测量值送入以STM32F103ZET6为核心的控制模块中，由改进的广义预测控制算法控制喷丝装置中直流伺服电机的转速，进而调节喷嘴的喷丝速度，获得与线径设定值一致的初生态丝。初生态丝经一系列工艺流程后获得成品的可吸收缝合线，实现对壳聚糖-胶原蛋白可吸收缝合线成形过程中线径的闭环控制。
　　可吸收缝合线的线径在线检测与控制技术实现了针对可吸收缝合线的非接触式在线测量，完成了在纺丝成形过程中的闭环控制，同时保证了成品可吸收缝合线的线径符合中华人民共和国医药行业标准YY1116-2010《可吸收性外科缝线》的要求，系统误差精度可控制在2％内，成品可吸收缝合线线径均匀。
　　本论文在提升国内医疗水平和针对缝合线的科学研究方面具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 CCD非接触式测量的国内外研究状况

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 预测控制的发展概况

1．3．1 预测控制发展历程

1．3．2 预测控制的应用现状

1．4 课题研究意义

1．5 主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 系统总体设计

2．1 线径控制系统要求

2．2 缝合线制备工艺流程

2．2．1 湿法纺丝工艺的基本原理

2．2．2 本系统制备工艺流程

2．3 可吸收缝合线的线径闭环控制系统整体设计

2．4 本章小结

第三章 可吸收缝合线的线径检测模块设计

3．1 光学成像子模块

3．1．1 光学成像子模块的基本结构

3．1．2 照明光源的选型

3．1．3 工业镜头的选型

3．1．4 光路设计

3．2 线阵CCD驱动子模块

3．2．1 线阵CCD的工作原理

3．2．2 线阵CCD驱动时序设计

3．3 A／D采集

3．4 数据处理及运算

3．4．1 遗传算法的基本原理

3．4．2 二值化图像分割原理

3．5 线径检测模块硬件设计

3．6 线径检测模块软件设计

3．7 本章小结

第四章 可吸收缝合线的线径控制系统设计

4．1 控制系统整体介绍

4．2 喷丝装置

4．3 线径检测模块

4．4 GPC控制算法

4．4．1 预测控制原理

4．4．2 广义预测控制算法原理

4．4．3 改进的广义预测控制算法

4．5 线径控制系统软件设计

4．6 本章小结

第五章 实验

5．1 可吸收缝合线线径检测实验

5．1．1 在线测量实验

5．1．2 比对实验

5．1．3 实验数据分析

5．2 可吸收缝合线线径控制实验

5．2．1 GPC算法仿真实验

5．2．2 线径控制实验

5．2．3 实验数据分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

6．3 本章小结

参考文献

发表论文与参加科研情况

附录

致谢