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微型胶囊内窥镜电磁驱动设计与主动控制研究

作　者: 胡程志
导　师: 张鸿海
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 胶囊内窥镜旋转磁场磁导航技术磁场仿真主动控制
分类号: TH776.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着大规模集成电路技术、MEMS、无线通信、光学技术的发展,胶囊内窥镜作为一种有效的诊断肠道疾病的方法,目前已被广泛的研究并得到了迅速的发展。然而,目前所有已商业化的胶囊内窥镜产品都不能进行主动控制,这导致胶囊内窥镜在遍历肠道检测的过程中产生很多问题。由于胶囊在肠道内的运动仅仅依靠人体的肠道蠕动系统,其自身在任意时刻的运动姿态,速度,方向,位置状态都将是随机的,这将不利于医生对肠道内病灶部位信息的获取与诊断。此外,被动式胶囊内镜的检查一般要花费6-8个小时,这将消耗病人和医生大量的时间,然而所获得的数据信息也不足以让医生进行准确的病情分析。为了实现对胶囊内窥镜在肠道内主动运动控制,本文研究了两种基于磁场的胶囊内窥镜的主动控制方法。分别是基于亥姆霍兹线圈的旋转磁场驱动技术和基于永磁体静磁拖动的磁导航技术。本文首先介绍了主动式胶囊内窥镜的研究背景、研究目的和意义;概述了胶囊内窥镜的国内外发展现状和国内外专家学者开展的针对胶囊内窥镜主动控制研究;同时介绍了胶囊内窥镜现存的问题及研究发展方向。其次本文研究了基于旋转磁场的驱动胶囊内窥镜主动运动的原理和方法,并进行了相应的电磁驱动设计及仿真分析。文中采用了两组亥姆霍兹线圈,当通入不同强度且成一定相位关系的电流后,在较大空间区域,通过磁场叠加产生旋转磁场,从而带动嵌有径向极化永磁体且表面具有螺纹结构的胶囊在肠道内运动。文中建立了磁分析模型,介绍了旋转磁场产生的方法,分析了线圈结构参数对旋转磁场特性的影响;对亥姆霍兹线圈产生磁场的特性进行了研究并对磁场的空间均匀性进行了分析,同时利用有限元分析软件COMSOL,分析了磁场的均匀区域,计算了两组线圈的驱动电流大小及电磁驱动力和驱动力矩的大小。同时根据正交设计的仿真结果,进一步优化胶囊结构和胶囊表面的螺纹形状参数,如节距,螺纹升角,螺纹高度和螺纹线数等。然后本文研究了基于磁拖动原理的磁导航技术并进行了仿真分析。文中介绍了磁导航技术原理,驱动力学分析和理论建模。同时对永磁体周围磁场特性进行了研究,利用外部永磁体驱动内部嵌有小永磁体的胶囊内窥镜在肠道内运动。开展了相关实验验证了此种方法的可行性,并对组合式永磁体驱动性能进行了研究。最后针对磁拖动原理设计了磁导航仪并进行了相关驱动控制研究。提出并设计了一种磁导式胶囊内窥镜系统,主要包括受检者支撑部、磁装配体、磁支撑座和伺服控制单元。通过外部控制磁导航仪系统各个部件的进给速度、转动速度和相对运动速度,可以实现胶囊内窥镜在消化道内的快速运动、缓慢运动和局部定位等。开展了相关实验并对实验结果进行了讨论。介绍了实验材料和方法,进行了模拟肠道实验并记录了位置和速度信息。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-23
  1.1 引言  10-11
  1.2 医用微型胶囊内窥镜的发展现状  11-15
  1.3 主动式胶囊内窥镜技术的研究进展  15-20
  1.4 医用微型胶囊内窥镜存在的问题及发展方向  20-21
  1.5 本文研究内容  21-23
2 基于旋转磁场的电磁驱动设计及仿真分析  23-36
  2.1 旋转磁场驱动原理  23-25
  2.2 旋转驱动的力学模型  25-26
  2.3 旋转驱动磁场生产机理  26-27
  2.4 亥姆霍兹线圈磁场特性研究  27-30
  2.5 组合线圈的设计与电磁场仿真  30-33
  2.6 磁场发生装置设计  33-34
  2.7 基于正交设计的胶囊结构优化  34-35
  2.8 小结  35-36
3 基于磁拖动原理的磁导航技术及仿真分析  36-51
  3.1 永磁体的一些基本性质和概念  36-38
  3.2 磁导航技术原理  38-39
  3.3 磁导航技术的力学分析和理论建模  39-42
  3.4 磁导航技术中永磁体周围磁场特性仿真研究  42-44
  3.5 磁导航技术的实验研究与结果分析  44-49
  3.6 组合永磁体的磁场分析与设计  49
  3.7 小结  49-51
4 基于磁拖动原理的导航仪设计与驱动控制研究  51-65
  4.1 磁控导航仪结构与运动分析  52-55
  4.2 磁控导航仪运动控制系统  55-59
  4.3 磁导航仪的实验设计与结果分析  59-64
  4.4 小结  64-65
5 全文总结和展望  65-67
  5.1 全文总结  65-66
  5.2 未来研究方向  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-73
附录攻读硕士学位期间发表的论文目录  73

微型胶囊内窥镜电磁驱动设计与主动控制研究

内容摘要

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