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題目：膠囊內(nèi)窺鏡的磁導(dǎo)航式運(yùn)動(dòng)檢測臺(tái)設(shè)計(jì)
1 課題來源、目的、意義以及國內(nèi)外基本研究概況
1.1 課題來源
本課題來源于國家863資助的“基于 MEMS 技術(shù)的微型膠囊內(nèi)窺鏡研究”項(xiàng)目，編號(hào)2008AA04Z313。
1.2 課題研究的目的和意義
1.2.1 目的
通過對主動(dòng)運(yùn)動(dòng)式無線膠囊內(nèi)窺鏡的研究，開發(fā)出一套基于準(zhǔn)靜態(tài)磁場磁拖動(dòng)原理的膠囊內(nèi)窺鏡檢測用途的五聯(lián)動(dòng)軸磁導(dǎo)航式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過對外部控制磁導(dǎo)航儀系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和相對運(yùn)動(dòng)速度的精確控制，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在消化道環(huán)境下對內(nèi)嵌永磁體膠囊內(nèi)窺鏡快速運(yùn)動(dòng)、緩慢運(yùn)動(dòng)和局部定位等形式的主動(dòng)控制。
1.2.2 意義
消化道是人體中的多發(fā)病區(qū)域，消化道疾病人群全球普遍達(dá)到10%以上，中國更高達(dá)13%以上。傳統(tǒng)內(nèi)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(nèi)壁進(jìn)行有效診斷或組織取樣、微型手術(shù)等動(dòng)作，是消化道檢查最有效的方式，疾病檢出率高。但傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡插管的方式對于被檢測者極不舒服，甚至造成傷害，對于體虛和心血管患者不能進(jìn)行，而且插管方式還存在一定的交叉感染的機(jī)會(huì)，人們對于此也有一定的抗拒心理，因此不利于檢查的普及化。另外，人體的小腸是5-7米長、平均直徑為2.5厘米的狹長多曲管徑，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡很難深入小腸進(jìn)行檢查。小腸疾病檢查幾乎是消化道檢查的盲區(qū)[1]。
無線膠囊內(nèi)窺鏡檢測是近十年來發(fā)展起來的無創(chuàng)醫(yī)療檢測技術(shù)，通過一個(gè)集成LED照明芯片、成像裝置、無線傳輸模塊以及功率源的具有普通藥丸大小的可吞服式膠囊內(nèi)窺鏡，在人體胃腸道內(nèi)執(zhí)行病灶檢測，并將胃腸圖像數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)酵鈬邮昭b置，由富有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生在工作站上進(jìn)行在線或離線診斷。無線膠囊內(nèi)窺鏡克服了傳統(tǒng)推挽式腸胃鏡有創(chuàng)痛苦、檢測范圍有限(只能檢測小腸前端)和存在交叉感染的缺點(diǎn)。
在消化道疾病的臨床診斷上，比傳統(tǒng)技術(shù)更成功的應(yīng)用促成了無線膠囊內(nèi)窺鏡的迅快發(fā)展，然而，現(xiàn)有的膠囊內(nèi)窺鏡還存在著一些不足：1)只能依靠消化道自身的蠕動(dòng)被動(dòng)地移動(dòng)，因而過程持續(xù)時(shí)間長而不可控，且存在檢查盲區(qū)和不能有目的地停留以進(jìn)行長時(shí)間診斷或某種操作;2)功能過于單一，尚未達(dá)到集施藥、采樣、診療與微創(chuàng)手術(shù)等多功能于一體的完整醫(yī)療平臺(tái)的目標(biāo);3)能量從內(nèi)部電池獲取，難以滿足高品質(zhì)服務(wù)與功能擴(kuò)展的更高要求;4)大多只適于在一種器官環(huán)境下運(yùn)作，不能全范圍應(yīng)用于整個(gè)消化道;5)一旦在體內(nèi)滯留，只能采用有創(chuàng)的方式取出，存在安全隱患。鑒于以上存在的缺陷，發(fā)展膠囊內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵技術(shù)集中于微型化技術(shù)、能源供給及低功耗技術(shù)、無線驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、膠囊定位技術(shù)，突破這些技術(shù)瓶頸將對搶占國際市場、降低該產(chǎn)品的價(jià)格閾值有關(guān)鍵性的影響。
為了克服以上諸多缺陷，更好的服務(wù)患者，世界各國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在致力于主動(dòng)控制式膠囊內(nèi)窺鏡的研究，目前已經(jīng)發(fā)展了很多種控制方案，主要有形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、螺紋旋進(jìn)、蠕蟲式驅(qū)動(dòng)、觸角式驅(qū)動(dòng)、電激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。然而，上述主動(dòng)控制方式都存在較大的缺陷和安全隱患：蠕蟲式膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、“風(fēng)箱效應(yīng)”會(huì)對腸道造成較大程度的損傷;三維旋轉(zhuǎn)磁場控制方法十分復(fù)雜，螺旋結(jié)構(gòu)膠囊以轉(zhuǎn)動(dòng)的方式前進(jìn)，由于腸道的伸縮動(dòng)力特性，螺旋結(jié)構(gòu)與腸道產(chǎn)生接觸摩擦難以避免，因此，以螺旋運(yùn)動(dòng)為主的主動(dòng)控制方式會(huì)對人體腸道造成較大傷害，不利于臨床的推廣和使用;此外，交變電磁場產(chǎn)生的電磁輻射對人體的潛在傷害無法預(yù)知，仍需要進(jìn)行大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床驗(yàn)證[2]。
本課題所研究的用于膠囊內(nèi)窺鏡檢測的磁導(dǎo)航式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：1)不涉及復(fù)雜的膠囊內(nèi)部可動(dòng)結(jié)構(gòu)，不涉及工頻電磁場，安全性好;2)主動(dòng)控制方式簡易，成本低;3)可以顯著縮短膠囊內(nèi)窺鏡診斷時(shí)間并能夠?qū)崿F(xiàn)膠囊定位以便于醫(yī)生進(jìn)行細(xì)致觀察;4)膠囊運(yùn)動(dòng)的能量由外部磁場提供，擺脫內(nèi)置電源的能量限制。本技術(shù)方案有望應(yīng)用于消化道內(nèi)窺鏡臨床檢測領(lǐng)域，改變傳動(dòng)推挽式內(nèi)窺鏡檢測過程痛苦和被動(dòng)式膠囊內(nèi)窺鏡耗時(shí)低效的現(xiàn)狀，推進(jìn)主動(dòng)控制式膠囊內(nèi)窺鏡檢測的市場化，服務(wù)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)并造福于廣大患者。
1.3 國內(nèi)外基本研究概況
1.3.1 國外研究概況
國外膠囊內(nèi)窺鏡的研究已有成熟的商品和深厚的研究基礎(chǔ)。以色列的Given Imaging公司專門致力于膠囊內(nèi)窺鏡的研發(fā)，于1999年成功研究出第一個(gè)具有臨床實(shí)用性的膠囊內(nèi)窺鏡。如圖1.1所示，其尺寸長30mm、直徑11mm，內(nèi)含的電池可連續(xù)工作6-8個(gè)小時(shí)。經(jīng)過發(fā)展，Given Imaging公司在2000年生產(chǎn)出具有代表性的M2A型膠囊內(nèi)窺鏡，尺寸進(jìn)一步縮小到11mm×26mm，質(zhì)量為3.45g，分辨率可達(dá)0.1mm，視角為140?。M2A膠囊體內(nèi)安裝了一塊CMOS 圖像芯片、一塊射頻芯片和相應(yīng)外圍元件、兩節(jié)氧化銀電池、一個(gè)磁控開關(guān)和一個(gè)螺旋型天線。圖像芯片可以1：8的比率放大圖像。射頻芯片數(shù)據(jù)發(fā)送率達(dá)到2.7Mbit/s，實(shí)現(xiàn)每秒2幀的圖片傳輸。圖像發(fā)送至體外，通過可戴在手腕上的數(shù)據(jù)接收器接收后送到圖像工作站。整個(gè)過程可拍攝5萬幅圖片存儲(chǔ)于工作站。借助專用的圖像處理分析軟件RAPID，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并清晰顯示出所拍攝圖像。除M2A外，Given Imaging公司還開發(fā)了另外兩款膠囊內(nèi)窺鏡：Pillcam SB(面向小腸檢測，檢測時(shí)間8小時(shí))和PillCam ESO(面向食管檢測，檢測時(shí)間20分鐘)，相對M2A對部分參數(shù)加以調(diào)整。PillCam ESO對反流型食管疾病的病理檢測能力很高，敏感性達(dá)97%，特異性達(dá)100%。
美國的Smartpill 公司開發(fā)了兩種膠囊內(nèi)窺鏡。一種是用于圖像檢測的膠囊內(nèi)窺鏡。另一種膠囊Smartpill ACT-1(圖1.2)用于測量消化道蠕動(dòng)壓力、pH 值和檢測時(shí)間。其中Smartpill ACT-1 膠囊內(nèi)含電池可連續(xù)使用72個(gè)小時(shí)。
Norika是日本RF SYSTEM實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的第一款產(chǎn)品。普通Norika A3(圖1.3)膠囊直徑9mm，長23mm。該系統(tǒng)由內(nèi)窺鏡膠囊、外部控制器、嵌入線圈的背心以及圖像顯示分析終端4大部分構(gòu)成。其中，外部控制器用于無線遙控腸道圖像觀察及控制膠囊旋轉(zhuǎn)方向;嵌有線圈的背心用于體內(nèi)膠囊所需能源的發(fā)送及實(shí)現(xiàn)膠囊旋轉(zhuǎn)方向的控制。膠囊采用CCD圖像芯片，為41萬象素，具有很高的圖像清晰度，以每秒30幀圖像數(shù)字傳輸。鏡頭焦距可控。膠囊采用無線供電，使得供能不再有時(shí)間上的限制。采用無線能源傳輸技術(shù)，通過電磁場耦合將能源從體外傳遞到體內(nèi)，膠囊內(nèi)感應(yīng)線圈感應(yīng)出電磁場并整流為直流電源存儲(chǔ)在電容器中。膠囊通過三組60°間隔的線圈，形成一個(gè)三極電機(jī)的模式，從而控制膠囊的旋轉(zhuǎn)，以便不同方向觀察病灶。鏡頭四周有2個(gè)白色燈和2個(gè)近紅外線燈，從外部控制其不同亮度的比例，可產(chǎn)生模擬三維圖像。且可以網(wǎng)絡(luò)傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。另外，膠囊內(nèi)部有一個(gè)噴藥倉和一個(gè)取活檢倉，均可由外部控制分別打開其閥門，進(jìn)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(qū)動(dòng)方式也依靠腸道的自身蠕動(dòng)。
2008 年 RF 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制出世界最小的新一代膠囊內(nèi)窺鏡Sayaka，結(jié)構(gòu)見圖1.4。Sayaka的直徑僅9毫米，長2.3厘米。出于安全性考慮，Sayaka內(nèi)部并沒有搭載電池，靠接收來自體外線圈所發(fā)出的電磁感應(yīng)電產(chǎn)生50 毫瓦電力來驅(qū)動(dòng)其相機(jī)、燈光和計(jì)算機(jī)。當(dāng)Sayaka在腸道里攝影時(shí)，每秒大約可以拍攝30張2兆像素的圖像，與此同時(shí)，其熒光燈和白色LED燈會(huì)照亮腸道壁，實(shí)現(xiàn)清晰拍攝。先前的內(nèi)窺鏡將相機(jī)放在一端，朝前拍攝，因此只能拍到腸內(nèi)壁的外圍情況，而Sayaka首次將相機(jī)面向腸內(nèi)壁，且能360°旋轉(zhuǎn)，因此能對準(zhǔn)腸內(nèi)壁拍下更加清晰的照片。當(dāng)其外層膠囊在腸道里行進(jìn)時(shí)，內(nèi)層的電磁體就會(huì)顛倒其極性，從而使內(nèi)層膠囊和相機(jī)每2秒旋轉(zhuǎn)60°，每12秒旋轉(zhuǎn)一周，這就有足夠時(shí)間能重復(fù)拍攝特寫鏡頭。Sayaka拍攝到圖像數(shù)據(jù)不斷地通過無線傳輸?shù)窖b在患者背心里的天線中，并保存在一張標(biāo)準(zhǔn)的SD存儲(chǔ)卡上。醫(yī)生將此SD存儲(chǔ)卡插入電腦，用軟件將數(shù)千張重復(fù)的圖像編輯成腸道的平面圖，可以將每一張圖像可以放大75倍左右，達(dá)到1,175兆像素，以便讓醫(yī)生觀察其細(xì)節(jié)特征。Sayaka膠囊式內(nèi)窺鏡吞服大約8個(gè)小時(shí)后，就會(huì)自然排泄出來，累計(jì)可拍攝多達(dá)87萬張照片，整個(gè)過程中患者不會(huì)有任何感覺。Sayaka膠囊式內(nèi)窺鏡可以任意重復(fù)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(xué)等研究機(jī)構(gòu)也在積極進(jìn)行膠囊內(nèi)窺鏡的研制。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線膠囊式內(nèi)窺鏡的整體性能將逐步完善。在圖像傳感器技術(shù)、能源供給技術(shù)方面以具有較為成熟的技術(shù)。在其它方面亦有研究進(jìn)展，如研究驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)控制方式而不是僅依靠腸道的自身蠕動(dòng)，為醫(yī)生帶來更大的主動(dòng)性;除內(nèi)窺功能外，還包含藥物釋放機(jī)構(gòu)和組織采樣機(jī)構(gòu)以及溫度傳感與pH值測量、壓力檢測及激光治療等功能，360°全方位的腸道圖像攝取;進(jìn)一步減小體積;這些技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步研究和完善。其中釋藥、組織采樣、激光治療、手術(shù)操作等手段需要膠囊在某些部位進(jìn)行一定的停留或特定的運(yùn)動(dòng)方式，這需要主動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。
1.3.2 國內(nèi)研究概況
在國家863 項(xiàng)目的支持下，重慶金山公司于研制出了具有實(shí)時(shí)攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡，中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所設(shè)計(jì)了“基于CMOS 圖像傳感器的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”。他們研制的膠囊內(nèi)窺鏡擁有攝像功能。金山公司的膠囊內(nèi)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(gè)部件。具有圖像、溫度、壓力的檢測。它以每秒1幀的速率向外發(fā)送圖片。圖像為CMOS圖像。
中科院安徽合肥智能機(jī)械研究所承擔(dān)研究的國家“863”計(jì)劃重點(diǎn)課題“無線腸胃檢查機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”于2005年8月在北京通過國家驗(yàn)收，研制出的膠囊以5秒/幀的速度向外傳輸圖片。
另外，重慶大學(xué)進(jìn)行了定點(diǎn)釋放藥丸微系統(tǒng)與消化道采樣藥丸微系統(tǒng)研究，已經(jīng)開發(fā)出臨床試驗(yàn)樣機(jī)。上海交通大學(xué)開展了“人體全消化道微型介入式診查系統(tǒng)”研究，研發(fā)出了用于檢測壓力、溫度、pH 值的膠囊內(nèi)窺鏡。
目前，國內(nèi)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于研發(fā)專用芯片實(shí)現(xiàn)膠囊系統(tǒng)的無線圖像傳輸和微型化。具備了基本的圖像攝取功能和壓力等信號(hào)檢測功能。也在施藥、主動(dòng)驅(qū)動(dòng)等方面做了不少有益的探索[1]。
2 課題研究內(nèi)容、任務(wù)要求及關(guān)鍵理論和技術(shù)
2.1 課題內(nèi)容
對磁導(dǎo)航式運(yùn)動(dòng)檢測臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
1)檢測臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
2)多軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.2 課題任務(wù)要求
對檢測臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)要求如下：
1)多軸運(yùn)動(dòng)檢測臺(tái)移動(dòng)精度達(dá)微米級(jí);
2)實(shí)現(xiàn)5自由度運(yùn)動(dòng)。
2.3 現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及需改進(jìn)部分
2.3.1 現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
圖2.1所示的是現(xiàn)有磁導(dǎo)航式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)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接板連接，受檢者支撐部包括支撐座和可動(dòng)病床，支撐座上固定在磁裝配體的下方，可動(dòng)病床活動(dòng)安裝在支撐座上，可動(dòng)病床能夠相對于磁裝配體運(yùn)動(dòng);磁裝配體包括磁體組、夾具和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，所述磁體組由第一、第二磁體構(gòu)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能夠帶動(dòng)第一、第二磁體運(yùn)動(dòng);伺服控制單元安置于磁支撐座上，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(jī)動(dòng)作。
該系統(tǒng)采用永久磁鐵和機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)磁場，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)嵌永磁體膠囊內(nèi)窺鏡的定位和導(dǎo)向。系統(tǒng)含有5個(gè)聯(lián)動(dòng)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(dǎo)航儀系統(tǒng)各個(gè)部件的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和相對運(yùn)動(dòng)速度，可以實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡在消化道內(nèi)的快速運(yùn)動(dòng)、緩慢運(yùn)動(dòng)和局部定位等[2]。
2.3.2 需改進(jìn)部分
(1) 將開環(huán)控制系統(tǒng)更進(jìn)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)精度
現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案采用驅(qū)動(dòng)可動(dòng)病床與磁體組運(yùn)動(dòng)的4個(gè)伺服電機(jī)結(jié)合絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)可動(dòng)病床與磁體組的直線運(yùn)動(dòng)，沒有位置檢測反饋裝置，為開環(huán)控制，位移精度不高。為到達(dá)課題微米級(jí)精度要求，將以上4個(gè)伺服電機(jī)和絲桿螺母副換為可直接驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)部件的直線電機(jī)以縮短傳動(dòng)鏈，簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并安裝光柵尺，增加行程開關(guān)，在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的磁裝配體端安裝編碼器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高檢測臺(tái)的移動(dòng)、定位精度。
(2) 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化
現(xiàn)有方案結(jié)構(gòu)布局不合理，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(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)重心不穩(wěn)，需要較大的配重來平衡裝置。因此有必要對結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，可考慮把受檢者支撐部與磁支撐座連為一體，并將磁裝配體改為龍門式結(jié)構(gòu)。
(3) 減速器設(shè)計(jì)
現(xiàn)有方案為伺服電機(jī)通過蝸桿減速器減速后驅(qū)動(dòng)磁裝配體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。蝸桿減速器使得伺服電機(jī)與磁裝配體驅(qū)動(dòng)軸方向垂直，占用空間較大，且蝸桿減速器效率不高，可換用尺寸更小、效率更高、傳動(dòng)平穩(wěn)性更好的行星齒輪減速器，使伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸同向以節(jié)省空間，提高旋轉(zhuǎn)精度，且最好能選用在增速方向可自鎖的型號(hào)。
(4) 永磁體夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)有方案采用加固的方形永磁體與產(chǎn)生檢測臺(tái)所需準(zhǔn)靜磁場的圓形永磁體的相互吸引力結(jié)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(zhǔn)確，穩(wěn)定性不可靠，需要對圓形永磁體的夾緊機(jī)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3 課題研究進(jìn)展計(jì)劃
第一階段(第1—3周) 查閱課題相關(guān)文獻(xiàn)
第二階段(第3—5周) 了解課題基本方案
第三階段(第5—7周) 設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)
第四階段(第6—9周) 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化論證
第五階段(第9—10周) 確立畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第八階段(第14—17周) 圖紙繪制
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(xiàn)
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