（精密仪器及机械专业论文）人体肠道诊查微型机器人系统及其无线供能技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海交通大学博士学位论文 ji_lm 1 1 人体肠道诊查微型机器人系统及其无线供能技术研究 摘要 本文以国家自然科学基金资助项目和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资 助项目为依托，研究了一种人体肠道诊查微型机器人系统，试图探索种肠道微创、 无创诊疗的新途径。通过对体内微系统无线供能技术的研究，力图解决机器人由于 拖缆不能深入人体的问题。 在对人体肠道这一特殊环境进行分析的基础上，研究了仿蚯蚓蠕动机器人系 统。利用直流电机作为动力源，经过三级齿轮减速器和丝杆螺母机构把旋转运动转 化为直线运动，实现了机器人的运动步态。机器人可以执行前进、后退、停止等指 令。无线通讯子系统实现体内外的信息交互，设计的数字通讯模块具有较强的抗干 扰能力，通讯速率达5 0 k b p s 。图像子系统采集图像并传输到体外，功耗仅2 0 0 m w ， 帧率3 0 帧秒，图像分辨率3 0 万像素。无线供能子系统为体内机器人提供电能。通 过这三个子系统的研究，实现了机器人从“有线”到“无线”的跨越。组装完成的 机器人样机外径m 1 2 m m ，长1 5 0 m m ，通过肠道离体实验初步验证了机器人运动的 有效性和能量传输的可靠性。 供能问题是限制体内诊疗系统的发展的“瓶颈 问题，本文对基于电磁感应的 机器人无线供能系统作了深入研究。首先分析了体内接收线圈与体外发射线圈之间 的耦合系数，指出与传统的经皮能量传输系统的区别。然后对并并、并串、串并、 串串四种电路结构的传输效率进行了分析，得出了能量传输效率最大化的条件。指 出了串联谐振电路和并联谐振电路的不同适用条件，并从根本上揭示了影响能量传 输效率的因素一耦合系数和线圈品质因数。针对机器人在体内姿态不确定的情况， 提出了一种自定向机构，利用重力保持接收线圈的姿态，从而提高能量传输的效率。 通过对线圈品质因数的理论和实验研究，得出了无线能量传输系统最佳工作频率这 一重要结论，为利用电磁耦合进行能量传输这一方法建立了理论基础。机器人在体 摘要 i ii ii i i ii i i ii i 内工作过程中，接收线圈和发射线圈间的耦合系数不断变化，导致能量传输效率不 稳定，同时为了满足能量传输效率最大化的条件，设计了基于无线通讯的接收电压 反馈回路和谐振频率自调节的双闭环能量传输系统，大大提高了能量传输的稳定性 和可靠性。 肠道诊查机器人系统采用电磁耦合方式进行无线能量传输，发射线圈产生的交 变磁场可能会对人体产生危害，为此研究了电磁场对人体的作用。电磁场通过三种 基本耦合机制在人体产生热效应和非热效应。然而由于匮乏流行病学研究，电磁场 对人体的长期作用效果目前尚不明确。但随着人们对电磁场的认识，国际上相关组 织已经研究并制定了限制电磁场暴露的标准和导则，本文以国际非电离辐射防护委 员会的导则和i e e ec 9 5 1 2 0 0 5 标准为依据，对发射线圈产生的电磁场作了暴露评 估。对于低频磁场而言，感应电流密度和比吸收率是主要参考量，通过实验测量出 这两个物理量存在很大困难，计算电磁学为生物电磁剂量学研究提供了新手段，本 文采用数值计算的方法求解电磁场对人体的作用量。采用美国可视人体项目的数据 集，运用半自动的图像分割技术，重建了包含5 6 种生物组织的高精度三维真实人 体模型，其分辨率达0 3 3 m i nx0 3 3 m mx2 m m 。通过“电磁特性文件 把组织模型 中每个体素的电特性描述出来，从而建立了人体电磁计算模型。采用有限积分方法 计算分析了发射线圈产生的电磁场在人体产生的电流密度、比吸收率等生物电磁剂 量学量，并研究了发射频率、发射电流等参数对电流密度及比吸收率的影响，为无 线供能系统的设计奠定了生物安全性基础。 关键词：微型机器人，无线能量传输，生物效应，人体模型，有限积分法，离体实 验 i i 上海交通大学博士学位论文 r e s e a r c ho n am d 叮a t u i 之er o b o ta n d w i r e l e s sp o w e r i n gt e c h n i q u e s f o ri n t e s t i n a li n s p e c t i o n a b s t r a c t u n d e rt h es u p p o r t so ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aa n dt h e n a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ，am i n i a t u r e r o b o tf o ri n t e s t i n a li n s p e c t i o nw a sr e s e a r c h e dw i t ht h ep u r p o s eo fe x p l o r i n gan e ww a y f o ri n t e s t m a li n s p e c t i o na n d d i a g n o s i sw i t hm i n i m a li n v a s i o no rn o n - i n v a s i o n w i r e l e s s p o w e r i n gt e c h n i q u ew a sr e s e a r c h e dt oa t t a c kt h et e t h e r i n go b s t a c l e ，w h i c hp r e v e n t st h e r o b o tg o i n gf u r t h e ri n t ob o d y a ne a r t h - w o r ml i k em i n i a t u r er o b o tw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ea n a l y s i so f e n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a ni n t e s t i n a l t h er o b o tg a i tw a sr e a l i z e dv i al i n e a r d r i v e r , w h i c hw a sc o m p o s e do fd cm o t o r , g e a rr e d u c e ra n ds c r e w - n u tt r a n s f e r t h er o b o t m a y e x e c u t ei n s t r u c t i o n s i n c l u d i n gf o r w a r d s ，b a c k w a r d s a n dh a l t w t r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mw a sc o n t r i b u t e dt oi n f o r m a t i o ne x c h a n g i n gb e t w e e ni n s i d e b o d ya n do u t s i d eb o d y 。t h ed e s i g n e dd i g i t a lr fc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew a sc a p a b l eo f a n t i j a m m i n gw i t hb a u dr a t eo f5 0 k b p s t h ei m a g i n gm o d u l ec a p t u r e si m a g e sa n d t r a n s m i t st oo u t s i d e sw i t hp o w e rc o n s u m p t i o no f2 0 0 m w t h ei m a g es t r e a m sa tr a t eo f 3 0f l a m e sp e rs e c o n dw i t hh i g hr e s o l u t i o nl e v e lu pt o3 0 0 ，0 0 0p i x e l s w i r e l e s sp o w e r s u b s y s t e mw a sd e d i c a t e dt op r o v i d i n ge l e c t r i c a le n e r g yf o rt h er o b o t t h er o b o ts t r i d e s f o r w a r df r o m “w i r e t o w i r e l e s s ”v i at h e s et h r e es u b s y s t e m s t h ed e v e l o p e dp r o t o t y p e i s 12 m mi no u t s i d ed i a m e t e ra n d15 0 m mi nl e n g t h t h er o b o tk i n e m a t i c sp e r f o r m a n c e a n dw i r e l e s sp o w e r i n gr e l i a b i l i t yw e r ev a l i d a t e db yi nv i t r oe x p e r i m e n t s p o w e r i n gi st h eb o t t l e n e c ko b s t r u c t i n gt h ep r o g r e s so fi m p l a n t e dd i a g n o s i sa n d t r e a t s y s t e m s t h er o b o tw i r e l e s sp o w e r i n gs y s t e mu s i n gi n d u c t i v ec o u p l i n gw a st h o r o u g h l y r e s e a r c hi nt h i st h e s i s t h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n tb e t w e e nt r a n s m i t t i n gc o i la n dr e c e i v i n g c o i lw a sa n a l y z e d ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt r a n s c u t a n e o u se n e r g yt r a n s m i s s i o n s y s t e m t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ff o u rc i r c u i tt o p o l o g i e sw a sd e d u c e d a n d h i a b s t r a c t i i i i i - - i ii t ii i i i ii i i i 离 c o n c l u d e dt h em a x i m i z i n ge o n d i t i o n s t h es e r i a lr e s o n a n tc i r c u i ta n dp a r a l l e lr e s o n a n t c k c u i ts h o u l db eu s e da c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n t h ee s s e n t i a lf a c t o r s e f f e c t i n gp o w e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , w h i c ha r ec o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n dc o i l s q u a l i t y f a c t o r , w a sr e v e a l e d as e l fo r i e n t a t i o nm e c h a n i s mw a sp u tf o r w a r dt om a i n t e n a n c et h e r e c e i v i n gc o i lo r i e n t a t i o n ，w h i c hi si n t e r n a l l yu n d e t e r m i n e d ，s oa st oe n h a n c ep o w e r t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y t h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o no fo p t i m a lt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c yw a s d r a w nf r o mt h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o i lq u a l i t yf a c t o r , w h i c h e s t a b l i s h e s t h ef o u n d a t i o no fi n d u c t i v ep o w e rt r a n s m i s s i o n i nt h ep r o c e s so fr o b o t w o r k i n gi nb o d y , t h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n to ft r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc o i li sa l w a y s c h a n g i n g ，r e s u l t i n g o fp o w e rt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yf l u c t u a t i o n i n o r d e rt ok e e p e f f i c i e n c yb a l a n c ea n ds a t i s f yt h em a x i m i z i n gc o n d i t i o n s ，d u a lc l o s e dl o o pp o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hc o n s i s t so fr e c e i v i n gv o l t a g ef e e d b a c kb a s e d o nw i r e l e s sc o m m u n i c m i o na n df r e q u e n c yl o c kl o o p t h ec l o s e dl o o pi m p r o v e dt h e s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o ne n e r g y t h ei n t e s t i n a li n s p e c t i o nr o b o ti sp o w e r e dv i aw i r e l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do ni n d u c t i v ec o u p l i n g t h ep a t i e n tm a ys u f f e rf r o mt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d p r o d u c e db yt r a n s m i t t i n gc o i l t h ee f f e c t so fe l e c t r o m a g n e t i ci n h u m a nb o d yw e r e r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt a k e se f f e c to nh u m a nb o d yi nt h e f o r mo ft h e r m a le f f e c t sa n dn o n - t h e r m a le f f e c t st h r o u g ht h r e eb a s i cc o u p l i n gm e c h a n i s m s t h el o n g - t e r me f f e c t si nh u m a nb o d ya r ec u r r e n t l yu n d e t e r m i n e db e c a u s eo fs h o r to f e p i d e m i o l o g i c a lr e p o r t s h o w e v e r ，w i t ht h ep r o g r e s so fc o g n i t i o ni ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， s o m e g u i d e l i n e s a n ds t a n d a r d sh a v eb e e ne s t a b l i s h e df o r l i m i t i n ge x p o s u r e t o e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d b y i n v o l v e d o r g a n i z a t i o n si n t h ew o r l d t h ee x p o s u r e t o e l e c t r o m a g n e t i cf i l e dp r o d u c e db yt r a n s m i t t i n gc o i lw a se v a l u a t e da c c o r d i n gt oi c n i r p ( n t e m a t i o n a lc o m m i s s i o no nn o n - i o n i z i n gr a d i a t i o np r o t e c t i o n ) g u i d e l i n e sa n di e e e c 9 5 1s t a n d a r d c u r r e n td e n s i t ya n ds a ra r et h ep r i m a r yd o s i m e t r i cp a r a m e t e r sf o r l o w - f r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d s h o w e v e lt h e s ep a r a m e t e r sd a t ac a nb eh a r d l ya c q u i r e d b ye x p e r i m e n t a t i o n n u m e r i c a le l e c t r o m a g n e t i s mp r o v i d e san e ww a yf o rb i o l o g i c a l d o s i m e t r y 砀ee f f e c t so nh u m a nb o d yw e r eo b t a i n e db yn u m e r i c a lc a l c u l m i o nm e t h o di n t h i st h e s i s ah i g hr e s o l u t i o nr e a l i s t i ch u m a nm o d e l ，w h i c hc o n s i s t so f 5 6k i n d so ft i s s u e s o ro r g a n s ，w a sc o n s t r u c t e db a s e do nv h p ( v i s i b l eh u m a np r o j e c t ) d a t a s e tt h r o u g h s e m i a u t o m a t i ci m a g es e g m e n t a t i o nt e c h n i q u e t h er e s o l u t i o no ft h em o d e li s0 3 3 r a mi n t r a n s v e r s es e c t i o na n d2 m mb e t w e e ns l i c e s t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fe v e r yv o x e lw e r e d e s c r i b e db yd p ff i l e t h u sae l e c t r o m a g n e t i cc a l c u l a t i o nm o d e lw a sb u i l t t h ec u r r e n t i v 上海交通大学博士学位论文 i ii iii i i ii i i i ii i i i i i i i i i i 宣i d e n s i t ya n ds a r ( s p e c i f i ca b s o r b f i o nr a t e ) i nh u m a nb o d yc a u s e db yt r a n s m i t t i n gc o i l e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw e r ec a l c u l a t e du s i n gf i n i t ei n t e g r a lm e t h o d t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r sw e r ea n a l y z e d ，s u c h 鹤t r a n s m i s s i o n1 5 r e q u e n c ya n dt r a n s m i s s i o nc u r r e n t t h e r e s u l t sp r o v i d eb i o l o g i c a ls a f e t yr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g no fw i r e l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m k e y w o r d s ：m i n i a t u r er o b o t ，w i r e l e s sp o w e rt r a n s m i s s i o n , b i o l o g i c a le f f e c t s ，h u m a n m o d e l ，f i n i t ei n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ，i nv i t r oe x p e r i m e n t s v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 眵吆 舻 老 时 抑 孵 签 玑 秘 瑚 能 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吼 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：乡害爹 指导教师签名：砉刍f 殂乙 日期：孝年妫吗日 日期：九。p 年，月y 3 e t 上海交通大学博士学位论文 第1 章绪论 能够自主进入人体肠道完成诊疗任务的微型机器人有着十分广阔的临床应用前景，具有重 要的研究意义，是国内外医疗器械领域研究的热点之一。本章首先阐述课题的研究背景，介绍 国内外的研究现状，指出当前所面临的主要困难及亟待解决的问题，阐明本课题研究的重要意 义。最后，给出本文的框架结构及主要研究内容和创新点。 1 1 课题的研究背景 随着人们生活节奏的加快与饮食结构的变化，肠道疾病的发病率日趋升高。全球肠癌的发 病率正以每年2 的速度上升，每年近5 0 万人死于肠癌，而我国肠癌发病率的增速是世界水平 的两倍，死亡率居癌症死因第三位【1 1 。对肠道疾病的检查，目前最常用和最直接有效的方法就 是内窥镜检查，它在消化道疾病的诊断中起着极为重要的作用。然而目前临床上常用的肠道内 窥镜都是从口腔或肛门直接插入的，由于消化道狭窄曲折，长距离插入存在很大困难，位于消 化道中间部位的小肠成为检查的“盲区”；另一方面，在插入过程中，病人承受巨大痛苦，还有 可能引起诸多并发症：咽部擦伤、食管贲门粘膜撕裂、急性胃扩张、胃肠道穿孔和出血甚至猝 死等2 一。 消化道功能的强弱直接关系到人体对所需营养物质的吸收和利用，关系到人类的健康。2 0 世纪8 0 年代以来，微机电系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术与医学技术的 结合以及在生物医学方面的应用得到了国际机电领域、医学领域的高度重视。能够进入人体消 化道，完成低侵袭、无创或微创诊疗的技术已成为当前国际生物医学领域研究的热点。 2 0 0 1 年，以色列g i v e ni m a g i n g 公司开发出口服式胶囊状内窥镜“m 2 a ”，可以拍摄胃肠 道内的图像并发送到体外的接收器。但是限于胶囊内电池的容量，这种胶囊的工作时间只有6 8 小时，而且每秒只能拍摄两帧图像( 4 1 。日本o l y m p u s 公司也有功能类似的胶囊内镜 “e n d o c a p s u l e ，【5 1 。国内重庆金山科技有限公司对胶囊内镜进行了国产化，开发了名为“o m o m ” 的胶囊内镜1 6 1 。 这些研究虽取得了多项突破，但还有以下两方面关键技术有待于进一步研究和探讨。 ( 1 ) 现有胶囊内镜都采用钮扣电池供电，限于电池容量，系统工作时间在8 小时以内，远 低于人体平均排空时间，这样有一部分消化道是看不见的，因此目前胶囊内镜主要适用于小肠 的检查。而且图像分辨率和帧频都很低，还不能与传统消化道内镜相比。此外，电池含有对人 体有害的物质，存在潜在危险，万一泄露就会危及病人。 第l 章绪论 m i l li i i i ii i i i i 萱i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i ( 2 ) 电子胶囊属于被动式诊查系统，在体内的运动完全依靠胃肠的蠕动产生的推进作用， 运动具有随机性，因此临床上胶囊内镜的漏检是不可避免的。它不能对胃肠道进行定点、长时 间连续、重复监测和结果比较，更无法实现胃肠诊断和治疗的有机统一。目前研究报导的“胶 囊机器人”大都采用有缆方式，不能深入人体，不具备传感功能，因而难以实现药物定点释放、 活检组织提取、手术治疗( 比如切除肠道内的肿瘤或息肉) 等人们梦寐以求的理想。 随着物质生活水平的提高，人们对医疗诊断提出了更高的要求，不仅要求准确可靠，还要 尽量减轻病人的痛苦。近年来，国内外开展了微创、无创诊疗研究，这不仅能极大的减少患者 的痛苦，还能够缩短治疗周期，降低医疗费用，对推进医学发展有着重大意义【7 】。国家自然科 学基金项目“胃肠道动力和生理参数无创检测技术及胃肠功能数字化研究”( 编号：3 0 5 7 0 4 8 5 ) 和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“基于无线供能的微型胶囊内镜系统实用化研究” ( 编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 3 6 8 ) ，正是在这样的应用背景下开展起来的，其目的在于研究一种实用化 的机器人内窥镜系统，以适应柔软、粘滑、狭小的人体胃肠道环境，实现有效驱动和可靠控制， 为实现体内微创或无创诊疗奠定基础。本文以该项目为依托，研究适于人体肠道环境的微型机 器人的运动机理、结构组成、控制方法等关键技术，研究体内微系统无线供能、无线通讯的方 法，解决机器人由于拖缆不能深入身体的问题，同时开展无线能量传输系统生物安全性问题研 究，力图探索一种实用的人体肠道诊疗的新方法、新手段，推进无创、微创诊疗技术的进一步 发展。 1 2 肠道诊查系统研究现状 内窥镜发展至今已有2 0 0 年的历史，经历了从硬性光学内窥镜到光导纤维内窥镜再到电子 内窥镜的过程，在不同的时期都促进了医学事业的巨大进步引。随着电子技术及其他科学技术 的不断发展，其功能不断加强，内窥镜不再是“窥视体内的镜子”，而逐渐发展成功能完备的智 能化诊疗系统。针对传统消化道内窥镜存在的问题，国内外学者在胃肠道微创、无创诊查方面 开展了广泛而深入的研究工作。 1 2 1 被动式诊查系统 被动式诊查系统主要指生物遥测胶囊，它实际上是一个胶囊状微型机电系统，在体内的运 动不受外部控制，随着人体自然的消化过程而排出体外，它可以在体内连续监测人体消化道的 一些生理参数( 包括压力、温度、p h 值、离子和酶等) 及图像信息，在对人体最小干扰的方式 下监测其正常活动或不易接近位置处的生理参数。 2 0 0 1 年以色列的g i v e ni m a g i n g 公司生产出一种称为“m 2 a ”的胶囊状内窥镜( 现更名为 “p i l l c a m ”) 【9 l o l ，如图1 1 所示，外形尺寸西1 1 x 2 6 m m 。胶囊口服吞下后，通过消化道的正常 蠕动而向前推进，最后排出体外。通过放置在患者身上的一组传感器阵列来接收胶囊发出来的 2 图像数据，并存储到数据记录仪，然后在工作站上回放图像供医生谚断。该研究成果显然是体 内无创成像的一大飞跃，被医学界称为2 1 世纪内镜发展的革命。但由于能源瓶颈，胶囊每秒只 能提供2 幅静止图像，不能拍摄运动圈像，工作时间只有6 8 小时，通常在胶囊进入大肠前 电池的能量已耗尽 涉翟 圈i = i 腔羹内镜 f i g i - ic 1 l c “0 0 p c 2 0 0 1 年起，国内重庆金山科技集团展开“胶囊内镜”的自主研发2 0 0 4 年6 月第一代产品 定型，外形中1 3 x ”9 m m 工作时间也不超过8 小时旧 针对电池供能容量不足的问题，日本r fs y s t e m 开发了不用电池的内窥镜胶囊 “n o r k a3 。- 如图i = 2 所示能量通过电磁场占l 体外传送到胶囊，可以以每秒3 0 帧的速度传 输动态图像1 ”】。目前正在开发第二代腔囊“s a y a h ”。它能够在体内沿胶囊轴线旋转以扩大视野 【。 曲h 蚰h 3 渤s a y a k 8 圈1 - 2 斛s y s t e m l a b 腔囊内镜 f i 量i r f s y s t e m l 血c a p 鲥c 如9 昨 胶囊内镜具有检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不髟响患者的正常工作等优点， 扩展了捎化道检查的视野克服了传统插入式内镜耐受性差、不适用于年老体弱和病情危重等 缺陷可作为消化道疾病尤其是小肠疾病诊断的首避方法。但是由于胶囊本身没有驱动能力， 吞服后靠胃肠的蠕动而推进，直至捧出体外固此，胶囊内镜对消化道内部图像的获取是随机 的，约有3 0 的体内图像是看不见的。因为无法控制胶囊内镜在体内的运动，也就无法对感 兴趣的特定位置进行仔细观察，这对于临床谚断是一种根大的限制因此包括o l y m p u s 在内 的著名企业和研究机构开始转向主动式内窥镜的研究。 1 2 2 主动式诊查系统 将且有自主运动能力的微小型机器人用于消化道诊畜中，实现徽刨，无创诊疗，一直是人 们梦寐以求的理想采用微型机器人代替传统内窥镜的设想可追踪到1 9 8 8 年i k u t a 提出的主动 式内噍，它实际上是由形状记忆台金( s m a s h a p em e m o r ya l l o y ) 驱动的头部弯曲机构， 外形尺蝴1 3 x 2 1 5 m m ，功耗为1 2 v ，i a 为了加速s m a 的回复该机构在工作过程中需要 流动求挣却洲 美国s l a t k i n 等人在2 0 世纪9 0 年代研制了旨在进入小肠的仿尺蠖型机器人内窥镜，如图 i - 3 所示机器人由三个钳位单元和两个伸缩单元组成各单元均采用气动方式进行驱动 进行了错结肠离体、在体h 爱人体肠道的离体试验，结果表明了机器人的可控性但由于采取 有缆方式事实上无法深入人体腔道 罔1 4 c p j m 实验宣舯气动机器人 f i g i - 4 c r i ml a b 叩a m i m b o t 上拇宜大学博士学位论文 意大利c r i m ( c e m e r f o rr e s e a r c h i n m i c r o e n g l n f i n g ) 实验室的d a f i o 等人在9 0 年代采 用气动方式先后研制成儿代肠道检查内窥镜机器 l 悼，如图】- 4 所示，机器人包括前后两十 钳值单元和一个伸缩单元，伸缩单元采用掾腔波纹管提供恢复力，钳擅单元通过表面的许多小 孔对肠壁进行真空吸附来获得夹持力。通过猪肠离体和在体试验，韧步验证了机器人的运动性 能，并分析了运动效率等问厢。由于采用气动方式，机器人进入肠道未能超过i 米。 1 9 9 6 年比利时p ”y n a c r t s 等人研制出一种基于尺蠖仿生原理的微小消化道介 系统样机 圳- 机器人直径) 铀l s m m 。长9 5 m m ，主要包括头尾两个完全一样的泊位机构和一十位于中间 的伸缩机构- 采用弯曲机构连接泊位机构和伸缩机构机构均使用s m a 驱动。泊位机构伸出 板支撑在肠壁上，前后交替泊位，在伸缩机构的轴向驱动下实现行走，弯曲机构用以改变机器 人的前进方向仅弯曲机构工作时所需电梳选1 n 导致】0 温升。 圈l 韩国i m c 提出的机器人挎想示意圈 f 唔i - 5 f a n c y r o b o ts k e t c h p 呷。刚b y 舵，k o 咐 r 一一_ 1 硼置躐田 0 坐! 一j 薹羹避 圈1 - 6 电抽供能机器 f 嘻1 - 6 e e l ：l p o w e r e d m 的t 韩国i m c ( i n t e l l i g m i t m i c r o s y s t e mc e n t e r ) 在2 1 s t c e n t i - l n e w f r o n t i e r r dp r o j e c t s 支持 下计划从1 9 9 9 - 2 0 1 0 研制肠道检查机器人系统川，该系统包括图像、传感器、喷药，无线能量 传输等模块图i - 5 为机器人系统的设想图。该中心b y u n g k y u 等人开发出了基于蚯蚓蠕动仿生 筇i 章绪论 原理设计的牵引机构夹持部分使用了模扭昆虫爪子的机构采用压电冲击式驱动器工作电 压8 5 v 1 ”i b y u n g l t y u 还研制了如围1 石( 口) 所示的s m a 驱动的无线蠕动机器人由于采用电池供能- 机器人只能工作8 分钟该课题组还研制了步进电机驱动的基于划檠原理的胶囊机器人，如 图l ( 6 ) 所示，并在猪大肠内做了在体实验，但机器人不能反向运动，井且运动过程中可能 划伤肠道【2 】。 意大利d l t r i o 领导的研究小组开展了胶囊机器人的研究。2 0 0 4 年设计了腿式牵引的胶囊机 器人m 2 1 1 ，如图i - 7 ( 口) , 9 f 7 7 , , 另外还研制出了人工蚯蚓机器人口9 圳，分为有腿式和无腿式两 种，如图l - 7 ( 6 ) 所示。它们均采用形状记忆台金驱动，机器人工作时电流超过3 5 0 m a 。2 0 0 5 年他1 口研制了图1 - 7 ( c ) 所示的基于s m a 的腔囊挟持机构”i ，以使腔囊可以停留在胃晒 道某一位置进行长时间观察。挟持机构伸出时s m a 驱动电流箍要3 5 0 m a 夹紧时1 4 0 m a c 圈1 - 7c r i m 实验室的腔羹机嚣 f i g i - 7r o b o t i c d c d l 删 m e i 图i - 8 0 l 娜o u s 机器, k l 窿i l p 嘻i - 8 0 口m p c 8 p 鲥c m 训cc a p l e 日本o l y m o t mm e d i a ls y s t e m s 公司正在研究以“腔囊导航系统”和“无线能量供给系统” 为棱心技术的主动式腔囊内镜嘲。其工作原理如圈i - e 所示，利用外磁场驱动腔囊在体内旋转， 依拄螺旋机构产生向前的推力控制胶囊的运动从而使腔囊内镜能够应用在包括食道、胃、 小肠和结肠在内的消化道所有部位 上海交通大学博士学位论文 国内浙江大学利用微电机及旋向相反的一对螺旋驱动机构，研制成人体肠道微机器人系统 1 3 4 , 3 5 1 ，但螺旋式牵引只有在严格的润滑膜形成机制条件下才能够获得理想的牵引能力，在人体 这种非结构环境中，消化道内壁表面起伏剧烈、肠道柔软易于变形、浮动性大，螺旋牵引能否 有效可靠，可能还需要作进一步的深入研究。上海大学进行了主动式机器人肠道检查内窥镜的 研究【3 6 1 ，他们采用电磁驱动方式研制成可在2 0 m m 直径管道内运动的微型机器人，为肠道检查 内窥镜的研制提供了思路。 上述几种机器人内窥镜的研究中，使用形状记忆合金驱动和气压驱动方式的研究占多数。 由于人体肠道内的温度较高且不能承受太高的温度，这就造成了形状记忆合金的变形与回复温 差较小，带来的问题是形状记忆合金驱动的速度较慢。另一方面，s m a 的驱动需要很高的电流， 系统功耗很高。气压驱动方式由于其特殊的运行机理，机器人外径不可能太小，而且需要拖带 通气管道。可以想象，这种管道也需要一定的刚性来避免因挤压、弯曲而导致的气体阻断，因 此在通过人体肠道弯曲处时会产生与传统内窥镜一样的问题。人体肠道这种特殊环境对机器人 的驱动原理和技术提出了特殊要求，选择合理的驱动原理，设计高效的驱动器是机器人内窥镜 研究的关键技术之一。本文试图从微型化、无线化角度，研究肠道微型机器人诊查系统，以期 早日实现肠道微创、无创诊疗的目标。此外，目前研究工作大多局限在机构原理研究方面，同 时由于系统采用拖缆方式而不能深入人体，离实际应用还有很大差距。为此，解决微型机器人 系统的能源问题是该系统成功应用的关键。 1 3 无线供能技术的研究现状 当前，消化道内诊查微系统的供能基本上采用传统的拖缆供能和微型电池供能两种方式， 对于狭小、柔软、在人体腹腔中曲折盘旋6 , - 一8 米长的人体肠道，这些供能方法实质上无法实现 肠道内微创、无创诊疗的目标。 1 3 1 无线供能方式 从整体上说，有两种方式可实现对肠道内微系统进行无线供能：一是从生物体本身获取能 量；二是通过无线能量传输，由外部供能。 人体本身就是一个巨大的能量场，如果能从这个场( 比如温度场) 中获得足够的能量而不 对人体产生有害的生理影响，是一个理想的办法。美国麻省理工学院的媒体实验室正在进行这 方面的研究，但目前还远不能满足需求1 3 7 1 。另外人体在运动过程中，各个部位不可避免的会发 生振动，这也是重要的能量来源。t s t e r k e n 等人设计了基于电荷转移的机械能一电能转换系统， 最大可以获得1 0 0 9 w 的能量【3 8 1 。a m i r t h a r a j a h 等人设计了一种自供能的信号处理器，它利用人 体行走过程中的振动，带动线圈切割永久磁铁的磁力线而产生电能，平均输出功率到4 0 0 9 w 印l 。 可以看出，这种内部供能方式体积小，有利于系统集成，但所获得的能量在g w 级，适用于能 7 第1 章绪论 m il l 耗极低的场合，如果作为“发电机”为其它驱动机构提供电能，还存在很大困难。 外部供能就是通过外部发射装置和内部接收装置实现能量无线传输的能量供给方式。由于 外部装置体积不受限制，很容易实现大功率发送，如果能有效的设计内部接收装置，提高传输 效率，就能获得足够的电能。因此这种方式被认为是解决问题的有效途径在有些产品已经应 用。 针对电池供能的不足的问题，有人提出应用微波进行无线能量传输的方法。但从目前的研 究来看，微波无线能量传输主要应用在太阳能卫星、卫星发电站等空间领域，问题集中在天线 阵列设计上 4 0 , 4