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基于形状记忆合金的免充气直肠扩张装置的控制算法研究

作　者: 刘霞
导　师: 罗洪艳
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: TEM手术 直肠扩张装置 形状记忆合金 Preisach模型 控制算法
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


TEM手术是一种新型的直肠肿瘤局切手术,具有微创、病灶暴露良好、切除精确完整、术后并发症少、复发率低等优点。TEM采用CO2充气膨胀直肠以暴露病灶位置来实施经肛门入路的直肠内手术,但采用CO2充气膨胀直肠存在着潜在危险性、高度气密性、价格昂贵、操作技术要求高等缺点。鉴于此,国外研究学者在非充气方式扩张直肠方面做了一些尝试,尽管消除了CO2充气,但在直肠内病灶的有效暴露、操作安全性等方面有明显不足,难以达到TEM的临床应用要求。因此,亟需在新材料、设计革新方面寻求突破,而形状记忆合金的出现,为研制新型的免充气直肠扩张装置提供了可能性。形状记忆合金是一种新型的智能材料,具有形状记忆效应的特点,集驱动、传感于一身,广泛应用于航空航天、机械电子、医学及日常生活等诸多领域。但形状记忆合金本身具有的非线性迟滞特性,是准确控制形状记忆合金的难点,也是限制其发展的制约因素之一。因此,实现对形状记忆合金的准确控制是突破形状记忆合金驱动器应用限制的关键所在。目前,最常用的形状记忆合金驱动器的控制方法是基于模型的方法,而其中的模型多采用Preisach模型及其改进模型。本课题的主要工作是针对TEM手术中的直肠扩张方式存在的问题,结合形状记忆合金形状记忆效应和超弹性,对基于形状记忆合金的免充气直肠扩张转置进行初步构建,分别从扩张装置的结构设计、控制系统设计、控制算法设计三个部分进行研究和讨论。控制系统主要分硬件电路和控制算法两部分,控制算法是控制系统的核心,其通过对KP算子进行改进,并利用Preisach模型对形状记忆合金的迟滞行为进行建模补偿和自适应控制。控制方案是在对形状记忆合金迟滞特性进行研究和分析的基础上确定的,并在Matlab软件平台中编写实现,并以C-MEX文件格式保存封装在S-Function模块中,在Simulink环境下以Real-Time Windows Target方式与硬件部分链接。最后在初步构造的充气直肠扩张装置实验平台上对驱动系统、硬件电路及控制算法的性能进行测试,不仅确定了结构、电路及算法的参数,而且验证了将形状记忆合金应用于TEM手术免充气直肠扩张装置的可行性和有效性,对后续扩张装置的完善与临床试验有重要意义。本文的控制方案是在总结了以往的形状记忆合金驱动器控制技术的基础上根据应用环境要求提出的,可以将其应用于其他基于形状记忆合金的研究中,所以本文改进的模型和提出的控制方案在形状记忆合金驱动器控制技术理论上和应用中都有极大的价值。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 TEM 手术  9-13
    1.1.1 概述  9-10
    1.1.2 TEM 手术采用CO_2 充气膨胀直肠存在的问题  10-11
    1.1.3 直肠扩张装置的研究现状  11-13
  1.2 课题研究的目的及意义  13
    1.2.1 研究目的  13
    1.2.2 研究意义  13
  1.3 课题研究的主要内容  13-14
  1.4 本章小结  14-15
2 形状记忆合金及免充气直肠扩张装置设计构想  15-24
  2.1 形状记忆合金概述  15-21
    2.1.1 形状记忆合金的两个特性  15-18
    2.1.2 形状记忆合金的形状记忆原理  18-19
    2.1.3 形状记忆合金的类型及其应用  19-20
    2.1.4 形状记忆合金驱动器  20-21
  2.2 基于形状记忆合金的免充气直肠扩张装置的设计构想  21-22
  2.3 形状记忆合金驱动器控制技术研究现状  22-23
  2.4 本章小结  23-24
3 MKP-PREISACH 模型及其逆模型  24-35
  3.1 PREISACH 模型  24-28
    3.1.1 基本思想  24-26
    3.1.2 几何解释  26-27
    3.1.3 Preisach 模型的属性  27-28
  3.2 形状记忆合金驱动器迟滞建模  28-33
    3.2.1 MKP-Preisach 模型  28-30
    3.2.2 MKP-Preisach 逆模型  30-33
  3.3 本章小结  33-35
4 控制算法及控制系统设计  35-45
  4.1 控制原理  35-38
    4.1.1 控制算法  35
    4.1.2 自适应机理  35-38
  4.2 控制系统设计  38-44
    4.2.1 软件部分设计  39-40
    4.2.2 硬件部分设计  40-44
  4.3 本章小结  44-45
5 仿真与实验  45-54
  5.1 软件部分仿真实验  45-48
  5.2 硬件电路调试实验  48-53
  5.3 本章小结  53-54
6 总结与展望  54-56
  6.1 总结  54
  6.2 展望  54-56
致谢  56-57
参考文献  57-60
附录  60
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  60
  B 作者在攻读学位期间参与的科研项目  60

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 其他医疗器械
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