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題目：膠囊內窺鏡的磁導航式運動檢測臺設計
1 課題來源、目的、意義以及國內外基本研究概況
1.1 課題來源
本課題來源於國家863資助的“基於 MEMS 技術的微型膠囊內窺鏡研究”專案，編號2008AA04Z313。
1.2 課題研究的目的和意義
1.2.1 目的
通過對主動運動式無線膠囊內窺鏡的研究，開發出一套基於準靜態磁場磁拖動原理的膠囊內窺鏡檢測用途的五聯動軸磁導航式運動控制系統。通過對外部控制磁導航儀系統各個部件進給速度、轉動速度和相對運動速度的精確控制，可進一步實現在消化道環境下對內嵌永磁體膠囊內窺鏡快速運動、緩慢運動和區域性定位等形式的主動控制。
1.2.2 意義
消化道是人體中的多發病區域，消化道疾病人群全球普遍達到10%以上，中國更高達13%以上。傳統內窺鏡是消化道診療的主要方式，它使用插管的方式將攝像頭和組織取樣等裝置深入到胃部、腸管部位，對消化道內壁進行有效診斷或組織取樣、微型手術等動作，是消化道檢查最有效的方式，疾病檢出率高。但傳統內窺鏡插管的方式對於被檢測者極不舒服，甚至造成傷害，對於體虛和心血管患者不能進行，而且插管方式還存在一定的交叉感染的機會，人們對於此也有一定的抗拒心理，因此不利於檢查的普及化。另外，人體的小腸是5-7米長、平均直徑為2.5釐米的狹長多曲管徑，傳統的內窺鏡很難深入小腸進行檢查。小腸疾病檢查幾乎是消化道檢查的盲區[1]。
無線膠囊內窺鏡檢測是近十年來發展起來的無創醫療檢測技術，通過一個整合LED照明晶片、成像裝置、無線傳輸模組以及功率源的具有普通藥丸大小的可吞服式膠囊內窺鏡，在人體胃腸道內執行病灶檢測，並將胃腸影象資料無線傳輸到外圍接收裝置，由富有經驗的醫生在工作站上進行線上或離線診斷。無線膠囊內窺鏡克服了傳統推輓式腸胃鏡有創痛苦、檢測範圍有限(只能檢測小腸前端)和存在交叉感染的缺點。
在消化道疾病的臨床診斷上，比傳統技術更成功的應用促成了無線膠囊內窺鏡的迅快發展，然而，現有的膠囊內窺鏡還存在著一些不足：1)只能依靠消化道自身的蠕動被動地移動，因而過程持續時間長而不可控，且存在檢查盲區和不能有目的地停留以進行長時間診斷或某種操作;2)功能過於單一，尚未達到集施藥、取樣、診療與微創手術等多功能於一體的完整醫療平臺的目標;3)能量從內部電池獲取，難以滿足高品質服務與功能擴充套件的更高要求;4)大多隻適於在一種器官環境下運作，不能全範圍應用於整個消化道;5)一旦在體內滯留，只能採用有創的方式取出，存在安全隱患。鑑於以上存在的缺陷，發展膠囊內窺鏡的關鍵技術集中於微型化技術、能源供給及低功耗技術、無線驅動控制技術、膠囊定位技術，突破這些技術瓶頸將對搶佔國際市場、降低該產品的價格閾值有關鍵性的影響。
為了克服以上諸多缺陷，更好的服務患者，世界各國的相關研究機構和企業都在致力於主動控制式膠囊內窺鏡的研究，目前已經發展了很多種控制方案，主要有形狀記憶合金驅動、螺紋旋進、蠕蟲式驅動、觸角式驅動、電激勵驅動、液壓驅動及氣動驅動等。然而，上述主動控制方式都存在較大的缺陷和安全隱患：蠕蟲式膠囊內窺鏡內部結構複雜、“風箱效應”會對腸道造成較大程度的損傷;三維旋轉磁場控制方法十分複雜，螺旋結構膠囊以轉動的方式前進，由於腸道的伸縮動力特性，螺旋結構與腸道產生接觸摩擦難以避免，因此，以螺旋運動為主的主動控制方式會對人體腸道造成較大傷害，不利於臨床的推廣和使用;此外，交變電磁場產生的電磁輻射對人體的潛在傷害無法預知，仍需要進行大量的動物實驗和臨床驗證[2]。
本課題所研究的`用於膠囊內窺鏡檢測的磁導航式運動控制系統：1)不涉及複雜的膠囊內部可動結構，不涉及工頻電磁場，安全性好;2)主動控制方式簡易，成本低;3)可以顯著縮短膠囊內窺鏡診斷時間並能夠實現膠囊定位以便於醫生進行細緻觀察;4)膠囊運動的能量由外部磁場提供，擺脫內建電源的能量限制。本技術方案有望應用於消化道內窺鏡臨床檢測領域，改變傳動推輓式內窺鏡檢測過程痛苦和被動式膠囊內窺鏡耗時低效的現狀，推進主動控制式膠囊內窺鏡檢測的市場化，服務於醫療機構並造福於廣大患者。
1.3 國內外基本研究概況
1.3.1 國外研究概況
國外膠囊內窺鏡的研究已有成熟的商品和深厚的研究基礎。以色列的Given Imaging公司專門致力於膠囊內窺鏡的研發，於1999年成功研究出第一個具有臨床實用性的膠囊內窺鏡。如圖1.1所示，其尺寸長30mm、直徑11mm，內含的電池可連續工作6-8個小時。經過發展，Given Imaging公司在2000年生產出具有代表性的M2A型膠囊內窺鏡，尺寸進一步縮小到11mm×26mm，質量為3.45g，解析度可達0.1mm，視角為140?。M2A膠囊體內安裝了一塊CMOS 影象晶片、一塊射頻晶片和相應外圍元件、兩節氧化銀電池、一個磁控開關和一個螺旋型天線。影象晶片可以1：8的比率放大影象。射頻晶片資料傳送率達到2.7Mbit/s，實現每秒2幀的圖片傳輸。影象傳送至體外，通過可戴在手腕上的資料接收器接收後送到影象工作站。整個過程可拍攝5萬幅圖片儲存於工作站。藉助專用的影象處理分析軟體RAPID，進行資料處理並清晰顯示出所拍攝影象。除M2A外，Given Imaging公司還開發了另外兩款膠囊內窺鏡：Pillcam SB(面向小腸檢測，檢測時間8小時)和PillCam ESO(面向食管檢測，檢測時間20分鐘)，相對M2A對部分引數加以調整。PillCam ESO對反流型食管疾病的病理檢測能力很高，敏感性達97%，特異性達100%。
美國的Smartpill 公司開發了兩種膠囊內窺鏡。一種是用於影象檢測的膠囊內窺鏡。另一種膠囊Smartpill ACT-1(圖1.2)用於測量消化道蠕動壓力、pH 值和檢測時間。其中Smartpill ACT-1 膠囊內含電池可連續使用72個小時。
Norika是日本RF SYSTEM實驗室開發的第一款產品。普通Norika A3(圖1.3)膠囊直徑9mm，長23mm。該系統由內窺鏡膠囊、外部控制器、嵌入線圈的背心以及影象顯示分析終端4大部分構成。其中，外部控制器用於無線遙控腸道影象觀察及控制膠囊旋轉方向;嵌有線圈的背心用於體內膠囊所需能源的傳送及實現膠囊旋轉方向的控制。膠囊採用CCD影象晶片，為41永珍素，具有很高的影象清晰度，以每秒30幀影象數字傳輸。鏡頭焦距可控。膠囊採用無線供電，使得供能不再有時間上的限制。採用無線能源傳輸技術，通過電磁場耦合將能源從體外傳遞到體內，膠囊內感應線圈感應出電磁場並整流為直流電源儲存在電容器中。膠囊通過三組60°間隔的線圈，形成一個三極電機的模式，從而控制膠囊的旋轉，以便不同方向觀察病灶。鏡頭四周有2個白色燈和2個近紅外線燈，從外部控制其不同亮度的比例，可產生模擬三維影象。且可以網路傳輸，進行遠端會診。另外，膠囊內部有一個噴藥倉和一個取活檢倉，均可由外部控制分別開啟其閥門，進行對病灶的噴藥或伸出微型鈦金屬針取活檢。Norika A3 膠囊的驅動方式也依靠腸道的自身蠕動。
2008 年 RF 系統實驗室研製出世界最小的新一代膠囊內窺鏡Sayaka，結構見圖1.4。Sayaka的直徑僅9毫米，長2.3釐米。出於安全性考慮，Sayaka內部並沒有搭載電池，靠接收來自體外線圈所發出的電磁感應電產生50 毫瓦電力來驅動其相機、燈光和計算機。當Sayaka在腸道里攝影時，每秒大約可以拍攝30張2兆畫素的影象，與此同時，其熒光燈和白色LED燈會照亮腸道壁，實現清晰拍攝。先前的內窺鏡將相機放在一端，朝前拍攝，因此只能拍到腸內壁的外圍情況，而Sayaka首次將相機面向腸內壁，且能360°旋轉，因此能對準腸內壁拍下更加清晰的照片。當其外層膠囊在腸道里行進時，內層的電磁體就會顛倒其極性，從而使內層膠囊和相機每2秒旋轉60°，每12秒旋轉一週，這就有足夠時間能重複拍攝特寫鏡頭。Sayaka拍攝到影象資料不斷地通過無線傳輸到裝在患者背心裡的天線中，並儲存在一張標準的SD儲存卡上。醫生將此SD儲存卡插入電腦，用軟體將數千張重複的影象編輯成腸道的平面圖，可以將每一張影象可以放大75倍左右，達到1,175兆畫素，以便讓醫生觀察其細節特徵。Sayaka膠囊式內窺鏡吞服大約8個小時後，就會自然排洩出來，累計可拍攝多達87萬張照片，整個過程中患者不會有任何感覺。Sayaka膠囊式內窺鏡可以任意重複使用。目前，Sayaka已通過美國臨床測試。
此外，韓國的Intelligent Micro中心，英國的Glasgow大學等研究機構也在積極進行膠囊內窺鏡的研製。隨著技術的不斷進步，無線膠囊式內窺鏡的整體效能將逐步完善。在影象感測器技術、能源供給技術方面以具有較為成熟的技術。在其它方面亦有研究進展，如研究驅動的主動控制方式而不是僅依靠腸道的自身蠕動，為醫生帶來更大的主動性;除內窺功能外，還包含藥物釋放機構和組織取樣機構以及溫度感測與pH值測量、壓力檢測及鐳射治療等功能，360°全方位的腸道影象攝取;進一步減小體積;這些技術還不夠成熟，需要進一步研究和完善。其中釋藥、組織取樣、鐳射治療、手術操作等手段需要膠囊在某些部位進行一定的停留或特定的運動方式，這需要主動驅動控制技術。
1.3.2 國內研究概況
在國家863 專案的支援下，重慶金山公司於研製出了具有實時攝像功能的膠囊內窺鏡，中國科學院合肥智慧機械研究所設計了“基於CMOS 影象感測器的膠囊內窺鏡系統”。他們研製的膠囊內窺鏡擁有攝像功能。金山公司的膠囊內窺鏡(圖1.5)直徑大約10毫米、長度大約21毫米。它分為下面的幾個部件。具有影象、溫度、壓力的檢測。它以每秒1幀的速率向外傳送圖片。影象為CMOS影象。
中科院安徽合肥智慧機械研究所承擔研究的國家“863”計劃重點課題“無線腸胃檢查機器人關鍵技術研究”於2005年8月在北京通過國家驗收，研製出的膠囊以5秒/幀的速度向外傳輸圖片。
另外，重慶大學進行了定點釋放藥丸微系統與消化道取樣藥丸微系統研究，已經開發出臨床試驗樣機。上海交通大學開展了“人體全消化道微型介入式診查系統”研究，研發出了用於檢測壓力、溫度、pH 值的膠囊內窺鏡。
目前，國內研究的關鍵點在於研發專用晶片實現膠囊系統的無線影象傳輸和微型化。具備了基本的影象攝取功能和壓力等訊號檢測功能。也在施藥、主動驅動等方面做了不少有益的探索[1]。
2 課題研究內容、任務要求及關鍵理論和技術
2.1 課題內容
對磁導航式運動檢測臺進行結構設計：
1)檢測臺結構設計;
2)多軸運動結構設計。
2.2 課題任務要求
對檢測臺結構進行詳細設計要求如下：
1)多軸運動檢測臺移動精度達微米級;
2)實現5自由度運動。
2.3 現有系統設計方案及需改進部分
2.3.1 現有系統設計方案
圖2.1所示的是現有磁導航式運動控制系統的整體結構。系統由受檢者支撐部、磁裝配體、磁支撐座和伺服控制單元四大塊組成。其中，磁裝配體和磁支撐座通過連線板連線，受檢者支撐部包括支撐座和可動病床，支撐座上固定在磁裝配體的下方，可動病床活動安裝在支撐座上，可動病床能夠相對於磁裝配體運動;磁裝配體包括磁體組、夾具和導向機構，所述磁體組由第一、第二磁體構成，第一、第二磁體安裝在夾具上，且第一、第二磁體的N極、S極相向放置，夾具固定在導向機構上，導向機構能夠帶動第一、第二磁體運動;伺服控制單元安置於磁支撐座上，伺服控制單元控制受檢者支撐部、磁裝配體和磁支撐座的伺服電機動作。
該系統採用永久磁鐵和機械運動產生一個準靜態磁場，實現對內嵌永磁體膠囊內窺鏡的定位和導向。系統含有5個聯動軸，包括受檢者支撐部、磁裝配體、磁支撐座和伺服控制單元。通過外部控制磁導航儀系統各個部件的進給速度、轉動速度和相對運動速度，可以實現膠囊內窺鏡在消化道內的快速運動、緩慢運動和區域性定位等[2]。
2.3.2 需改進部分
(1) 將開環控制系統更進為閉環控制系統，提高系統精度
現有設計方案採用驅動可動病床與磁體組運動的4個伺服電機結合絲桿螺母副實現可動病床與磁體組的直線運動，沒有位置檢測反饋裝置，為開環控制，位移精度不高。為到達課題微米級精度要求，將以上4個伺服電機和絲桿螺母副換為可直接驅動直線運動部件的直線電機以縮短傳動鏈，簡化傳動機構，並安裝光柵尺，增加行程開關，在做旋轉運動的磁裝配體端安裝編碼器，這樣就可以實現閉環控制，提高檢測臺的移動、定位精度。
(2) 系統整體結構佈局優化
現有方案結構佈局不合理，受檢者支撐部與磁支撐座相分離，重量較大的磁裝配體懸臂設計，導致系統重心不穩，需要較大的配重來平衡裝置。因此有必要對結構佈局進行優化，可考慮把受檢者支撐部與磁支撐座連為一體，並將磁裝配體改為龍門式結構。
(3) 減速器設計
現有方案為伺服電機通過蝸桿減速器減速後驅動磁裝配體做旋轉運動。蝸桿減速器使得伺服電機與磁裝配體驅動軸方向垂直，佔用空間較大，且蝸桿減速器效率不高，可換用尺寸更小、效率更高、傳動平穩性更好的行星齒輪減速器，使伺服電機與驅動軸同向以節省空間，提高旋轉精度，且最好能選用在增速方向可自鎖的型號。
(4) 永磁體夾緊機構設計
現有方案採用加固的方形永磁體與產生檢測臺所需準靜磁場的圓形永磁體的相互吸引力結合限位螺桿簡陋地懸掛圓形永磁體，致使圓形永磁體定位不準確，穩定性不可靠，需要對圓形永磁體的夾緊機構重新進行設計。
3 課題研究進展計劃
第一階段(第1—3周) 查閱課題相關文獻
第二階段(第3—5周) 瞭解課題基本方案
第三階段(第5—7周) 設計方案總體設計
第四階段(第6—9周) 設計方案優化論證
第五階段(第9—10周) 確立畢業設計最終方案
第六階段(第10—11周) 論文翻譯
第七階段(第11—15周) 結構設計
第八階段(第14—17周) 圖紙繪製
第九階段(第16—19周) 論文撰寫
第十階段(第18—20周) 答辯
4 主要參考文獻
[1] 陸瑞毓.膠囊內窺鏡電路設計與主動控制研究：[碩士學位論文].華中科技大學：2007
[2] 劉勝，高鳴源，陳振知，胡程志，張鴻海. 用於膠囊內窺鏡檢測的磁導航式運動控制系統.中國，發明專利，申請號：200910270388.3
[3] Andrea Moglia, Arianna Menciassi, Marc Oliver Schurr, Paolo Dario. Wireless capsule endoscopy: from diagnostic devices to multipurpose robotic systems. Biomed Microde-vices. 2007, 9:235~243