基于无线能量传输技术的视频胶囊内窥镜系统及实验研究

摘要

无线胶囊内窥镜（WCE）系统能让临床医生直接观测人体胃肠道内壁图像，得到病灶处最直观的信息。与传统内窥镜检测技术相比，其无痛无创、安全方便、全消化道检测的特点使得该技术成为了国内外医疗器械领域的研究重点。作为胃肠道腔内疾病无创检测新技术，现有无线胶囊内窥镜系统的工作时间、图像帧率以及图像质量尚无法完全满足其在临床应用中的需求，造成这些问题的原因在于胶囊内窥镜内部空间有限，只能采用纽扣电池作为能量来源。随着无线能量传输技术在植入式医疗设备上的广泛应用，研究者们将这一能量供给技术视为突破胶囊内窥镜能量瓶颈的可行途径。本研究在国家和省部级多项科学研究计划项目的支持下，开展了基于无线能量传输技术的视频胶囊内窥镜研究。
　　基于电磁技术，针对无线供能视频胶囊内窥镜系统的工作环境，本文展开了人体与电磁场的相互作用研究。基于VHP（Visible Human Project）数据集建立了高精度的人体电磁计算模型，从两方面研究了人体与电磁场的相互作用问题，即无线视频传输的电磁波信号从消化道内传播到体外接收系统过程中的功率损耗问题和无线能量传输系统在胶囊活动区域产生的交变磁场对人体组织产生的生物效应。建立并分析了电磁信号在人体介质中传播的功率损耗模型，对传播过程中由天线增益和电磁波辐射、衰减以及反射所引起的功率损耗进行了计算；分析对比了国际电磁安全性标准，得到了交变磁场环境下电流密度、SAR（Specific Absorption Rate）值在人体的分布，以及不同频率下无线能量发射的安全电流最大限值。
　　在对人体胃肠道生理特征进行介绍的基础上，分析了视频胶囊内窥镜设计中遇到的问题以及可能的解决方案，确立了系统方案与框架，对视频胶囊内窥镜各功能模块进行了研究与设计。选择了新型CMOS图像传感器 OV6922，设计了与之匹配的镜头与照明模块；选择PIC12F509作为微型控制处理器，完成了视频胶囊内窥镜控制电路与控制软件的设计；结合OV6922输出的NTSC（National Television System Committee）视频制式，设计了抗干扰性强、能量利用率高、频带宽的模拟调频发射电路；根据视频胶囊内窥镜内部空间尺寸，设计了法相型螺旋发射天线，通过HFSS仿真软件对其各项参数进行了优化。最后，设计了体外视频图像接收系统，在实现视频图像的接收、存储、与重复播放的同时，可通过实时显示功能对视频胶囊内窥镜的工作状态进行监测。
　　采用感应耦合模式实现本系统的无线供能。研究分析了感应耦合能量传输系统结构，提出了视频胶囊内窥镜无线能量传输系统方案以及相关控制策略，建立了松耦合变压器模型与改进型广义空间模型。在系统模型基础上，对系统参数不确定性进行了分析与研究，提出了相应的量化标准与方法；基于m综合方法，提出了以感应耦合能量传输系统为被控对象的系统鲁棒稳定性及鲁棒性能的检验方法。
　　通过实验研究，对无线供能视频胶囊内窥镜系统进行了参数优化以及功能验证。测试了视频胶囊内窥镜照明模块、无线通信模块以及视频采集模块的工作性能，通过离体肠道实验，采集到了清晰的离体肠道图像，并对视频图像进行了存储浏览，验证了视频获取部分系统设计的正确性；在能量获取部分的实验中，分别对能量发射装置与能量接收装置进行了实验，获得了系统参数数据；并利用鲁棒稳定性分析方法，建立了稳定的无线能量传输系统。本文研制的视频胶囊内窥镜直径11mm，长28mm，能够采集到30f/s的NTSC制式视频图像，无线能量传输系统保证了视频胶囊内窥镜长时间工作所需能量，传输效率达4.4％。最后，在动物活体实验中，对整个系统性能进行了验证，成功获取了动物猪消化道内壁图像，取得了预期研究成果。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 胶囊内窥镜的研究现状

1.3 无线供能技术的研究现状

1.4 课题的研究意义

1.5 本文框架与研究内容

第2章 人体与电磁场的相互作用研究

2.1 人体组织电磁特性研究

2.2 人体电磁计算模型

2.3 电磁信号人体介质中传播损耗研究

2.4 强电磁环境引起的人体生物效应

2.5 本章小结

第3章 视频胶囊内窥镜系统研究

3.1 人体胃肠道生理特征及其影响

3.2 体内视频胶囊内窥镜系统

3.3 体外视频图像接收系统

3.4 本章小结

第4章 无线能量传输技术研究

4.1 无线能量传输技术原理

4.2能量传输系统结构与关键技术

4.3 能量传输系统建模

4.4能量传输系统参数不确定性分析

4.5 本章小结

第5章 系统实验研究

5.1 无线供能视频胶囊内窥镜系统

5.2 视频胶囊内窥镜实验

5.3 无线能量传输实验

5.4 活体动物实验

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

计算机软件著作权及专利