胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

提出了用三维接收线圈组成接收电路,解决由于无线胶囊内窥镜在人体消化道内姿态不确定所带来的接收能量不稳定问题.分析了由三维接收线圈组成的不同接收电路的接收效果,得出了对每一维线圈单独全桥整流后再并联输出的电路结构是最适合于为胶囊内窥镜供能的电路.计算了该接收电路的输出范围,并通过试验对其进行了验证.结果表明:当发射功率为 25 W时,胶囊内窥镜可在姿态任意变化的情况下获得320 mW以上可用能量,满足其高清晰度、高帧率功能对能量的需求.     

间歇工作图像胶囊内窥镜的设计与实验

针对图像胶囊内窥镜受到能量限制而工作时间较短的问题,基于图像胶囊在人体肠道蠕动的速度设计了一种间歇工作模式的微型化、低功耗图像胶囊内窥镜。采用霍尔开关代替干簧管作为电源总开关,进一步降低了图像胶囊的体积。通过对电池电源模块、模拟开关电路和软件进行设计研究,实现了无线发射和照明电路的间歇供电和图像传感器的间歇休眠。动物实验验证了整个系统的工作时间和可行性。结果表明,整个系统的尺寸仅为Φ12mm×25mm,1s间隔工作模式下系统的工作时间超过9h。     

胶囊内窥镜便携式无线能量发射系统

对采用电磁感应无线能量传输(WPT)系统为视频胶囊内窥镜(VCE)提供能量的技术进行优化,主要对无线能量发射系统进行了改进,并搭建了便携式WPT平台。通过比较磁场强度和均匀度,选定了合适的发射线圈结构;通过分析谐振原理并测试Q值变化,确定了传输频率;在发射电路中加入可调电感提高频率稳定性,并测量了电流的波动情况。实验显示:优化设计的WPT系统稳定可靠,VCE在WPT平台上工作正常,可以30frame/s的帧率向接收天线发送分辨率为320×240的图像,功率为78.4mW。该无线能量发射系统可携带,传输效率和稳定性受人体行动影响较小,可保证VCE在高频率和高分辨率状态下持续工作,提高了VCE临床应用的可行性。     

用于主动控制胶囊内窥镜的磁驱动导航仪的设计

为克服传统推拉式内窥镜和被动式无线胶囊内窥镜的缺点,提出了一种用于主动控制胶囊内窥镜的磁驱动导航仪,该系统包括可动病床和磁源支架两部分,采用稀土永磁体产生外磁场,通过机械结构控制外磁场与胶囊磁壳的相互作用实现对胶囊的主动控制。在模拟肠道环境下对磁驱动导航仪进行了体外试验。试验结果表明磁驱动导航系统不仅能实时控制胶囊在模拟肠道中的位置,并能实时调节胶囊的姿态,极大地提高了无线胶囊内窥镜的检测效率。     

胶囊内窥镜在肠道中的钳位

由于胶囊内窥镜的有效钳位是实现其在肠道中有效驻停及运动的重要因素,本文研究并设计了胶囊内窥镜的钳位机构.首先,基于对摩擦力和肠道形变的分析,讨论了影响钳位力的因素.考虑肠道安全性,设计了阿基米德螺线腿机构.然后,通过构建离体肠道测试平台,测试不同直径、宽度、纹理及形状的样本在肠道内的钳位特性;分析实验结果,并建立了可定性描述钳位力的方程.最后,基于电流反馈实现钳位机构的安全控制;通过离体实验测试了钳位机构运动性能,并验证了钳位机构的安全性和可行性.实验结果显示,优化后的螺线腿钳位机构的钳位力达1.486 N;可较好地适应肠道的生理环境,满足扩展肠道、安全钳位的要求.     

胶囊内窥镜中晶振电路的设计与实验研究

针对无线胶囊内窥镜低功耗设计的要求,研究降低胶囊系统中晶振电路能耗的方法。分别采用有源晶振和无源晶振的设计方案进行实验,对比结果证明了两种方案在成像方面的可行性及无源晶振系统在低能耗方面的优越性。实验结果表明,正常工作时无源晶振相比有源晶振系统能耗减少18.4%,胶囊工作时间延长至90min以上。最后制作无源系统的印刷电路板(PCB)并进行组装,实验表明,该设计方案可以有效降低系统能耗,是合理和可行的。     

胶囊内窥镜无线遥测定位的校正

为了进一步提高采用交流励磁定位无线跟踪胶囊内窥镜的定位精度,减小系统误差,提出了改进的神经网络定位校正方法。首先,设计了适应于胶囊内窥镜定位校正的神经网络结构;然后,采用Levenberg-Marquart算法结合贝叶斯正则化方法改进校正网络,抑制校正网络的过拟合。通过定位实验平台,建立了定位目标的跟踪位置与实际位置的样本对照数据表,并应用校正网络对定位数据进行校正。定位校正实验表明,改进的神经网络校正法可进一步减小定位误差,校正后的X,Y,Z,α,β分量的平均误差分别减小至8.7 mm,10.1 mm,7.3 mm,0.086 rad和0.081 rad。与基本BP算法相比,采用Levenberg-Marquart贝叶斯正则化的改进算法有效提高了定位校正网络的泛化能力和收敛精度。     

基于超声电机的食道胶囊内窥镜光扫描机构

为了实现对食道的光学相干断层成像(optical coherence tomography,简称OCT)扫描,研制了基于直线超声电机轴向运动和旋转超声电机环向扫描的内窥镜光扫描机构。其中,直线电机采用New Scale Technologies公司的squiggle?压电直线电机;旋转电机为基于圆环形薄板面外弯曲模态的中空轴超声电机,利用有限元软件COMSOL Multiphysics优化了旋转电机尺寸,测得该电机在78.5kHz,60Vp-p驱动电压的激励下转速为4 200r/min,满足调制频率200kHz激光食道OCT扫描的要求。设计了包含镜头在内的内窥镜光扫描机构,加工的胶囊内窥镜原型直径为16mm,直线行程超过5mm。因为采用压电超声电机驱动,该医疗设备可以与核磁共振成像(magnetic resonance imaging,简称MRI)相兼容。     

内窥镜仿生机器人的研究现状与发展

论述国外内窥镜机器人系统的研究现状和成果,分别对自主内窥镜机器人系统、超微内窥镜机器人系统、胶囊内窥镜机器人系统、虚拟内镜技术和医用导管的应用研究进行了阐述,指出了内窥镜仿生机器人研究的重要意义和未来发展方向.     

无线胶囊内窥镜新型接收线圈结构设计与分析方法

目前无线胶囊内窥镜(WCE)供应能量过低,限制了其诊查胃肠道病灶的性能。基于此提出了镂空三维接收线圈,线圈里可放置无线胶囊其他模块,进一步缩小无线胶囊体积。根据电磁场理论提出单匝分析法,分析了此线圈感应电动势和接收功率,并提出均匀度性能指标建立最优化模型,得出线圈最优设计参数;搭建角度姿态旋转平台测量线圈的感应电动势,实验测得感应电动势与理论值误差小于6%,验证了单匝分析法和线圈设计的合理性;将此线圈供能的无线胶囊内窥镜植入活体猪小肠内,得到的图像传输速率稳定为30 f/s,分辨率为400×400。新型线圈可给胶囊内窥镜提供充足稳定的能量,用于胃肠道疾病诊查。单匝分析法的应用不仅限于此结构的线圈,也可用于他它发射、接收装置相对位置和角度变化的植入式医疗设备的功率分析,并且此方法可用于求解发射和接收两级线圈之间的互感等电磁参数。     

A paddling based locomotive mechanism for capsule endoscopes

Diagnosis and treatment using the conventional flexible endoscope in gastro-intestinal tract are very common since advanced and instrumented endoscopes allow diagnosis and treatment by introducing the human body through natural orifices. However, the operation of endoscope is very labor intensive work and gives patients some pains. As an alternative, therefore, the capsule endoscope is developed for the diagnosis of digestive organs. Although the capsule endoscope has conveniences for diagnosis, it is passively moved by the peristaltic waves of gastro-intestinal tract and thus has some limitations for doctor to get the image of the organ and to diagnose more thoroughly. As a solution of these problems, various locomotive mechanisms for capsule endoscopes are introduced. In our proposed mechanism, the capsule-type microrobot has synchronized multiple legs that are actuated by a linear actuator and two mobile cylinders inside of the capsule. For the feasibility test of the proposed microrobot, a series of in-vitro experiments using small intestine without incision were carried out. From the experimental results, our proposed microrobot can advance along the 3D curved and sloped path with the velocity of about 3.29–6.26 mm/sec and 35.1–66.7% of theoretical velocity. Finally, the proposed locomotive mechanism can be not only applicable to micro capsule endoscopes but also effective to advance inside of gastro-intestinal tract.     

Design of on-demand wireless capsule endoscope

An on-demand wireless capsule endoscope with full-digital and bidirectional communication is presented,aiming at fulfilling the requirements of micromation and micropower consumption of modern wireless endoscope.The proposed multifunctional operation and unique radio transmission system cuts down the power consumption efficiently and on-demand bidirectional communication in vitro improves the detection rate of focus.Meanwhile,gray dilatation is introduced in a bit plane that optimizes the distortion rate in the process of image recording and transmission.     

胶囊内窥系统的像质提升方法

针对目前胶囊内窥镜存在分辨率低,视场角有限,受噪声影响大等问题,提出了系统解决方案。通过引入Q-type非球面校正像差,得到一款全视场角为160°,相对孔径为F#3.0,系统总长为4.3 mm的内窥镜成像镜头,在140 lp/mm处各视场调制传递函数（MTF）值均大于0.3。光学系统成像质量的好坏不仅取决于镜头的性能,还与图像传感器有关,尤其在低照度环境下。通过分析传感器工作时各个阶段噪声的特性得到噪声模型。利用建立的噪声模型,合成了胶囊内窥镜图像数据集,并训练神经网络模型。对算法模型的测试结果表明,本文提出的综合解决方案可以有效地提高胶囊内窥镜系统的成像质量。     

消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术

消化道取样微型机器人是胃肠道疾病无创诊疗的研究热点,介绍了国内外消化道取样微机器人的研究现状,对取样微型机器人的关键技术问题进行了详细分析。     

CCD口腔内窥镜结构设计及其工艺分析

CCD口腔内窥镜是口腔内窥系统的重要组成部分,它通过探头前部的光学系统成像后利用监视器进行观察,并可对图像进行编辑、存储和打印。就其结构设计及其工艺进行了分析,并利用CAD三维软件对其外观进行了辅助设计。     

内窥检查机器人化的传感与主动介入技术

本文提出了一种医用内窥检察系统的传感与主动介入技术,它是通过由压觉传感器、蠕动式柔性移动机构和基于形状记忆合金记忆效应的转向机构等构成的内窥检查机器人实现的。压觉传感器检测机器人与腔道壁之间作用力的大小和方位,为机器人提供避障、弯曲等信息,避免穿孔等医疗事故的发生;蠕动式柔性移动机构通过充入气体的膨胀橡胶囊与腔道壁接触,因而具有较好的柔软性;采用通电调节形状记忆合金元件的方法,可改变转向机构弯曲角度,以适应腔道的变化。因此,传动与主动介入技术对腔道组织损害程度极小,具有较高的安全性,还可减轻医务人员的工作强度,提高内窥检查的效率。     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。     

适于内镜下胃肠重建的磁吻合环的优化设计

胃肠道吻合重建是普通外科最基本的操作,现有的胃肠道缝线吻合或吻合器吻合必须通过开腹手术或腔镜手术来完成。然而,无论是开腹手术还是腔镜手术都会给患者带来巨大创伤,尤其是对于胃肠道恶性肿瘤晚期患者,通过手术来达到姑息治疗的目的往往令外科医生难以均衡利弊,同时这也与目前所倡导的微创外科和快速康复外科理念不相符。因此,降低患者胃肠吻合重建创伤有着重要临床研究意义。笔者在磁压迫吻合技术多年研究基础上,优化设计了一种用于胃肠吻合重建的磁性吻合环,借助该吻合环可实现胃镜下操作,尤其适用于胃肠道肿瘤所造成的恶性梗阻姑息治疗,该方法可将传统外科手术变成内镜操作,不仅能实现姑息治疗目的,而且大大降低了传统手术吻合重建带给患者的打击。本文详细介绍该磁吻合环的结构设计特点、手术操作路径及临床应用优势。     

工业内窥镜在预防发电机定子单相接地的应用

由于水轮发电机频繁开停机,定子铁芯端部的矽钢片很容易滑出。割伤定子线棒,从而造成定子单相接地故障。然而矽钢片滑出过程不易被肉眼发现,也不能通过监测系统检测,而工业内窥镜可以在定转子狭小的缝隙中。发现矽钢片的滑出现象。并能估算出其滑出尺寸及滑出速度,很好地诊断与预防单相接地故障。     

Development of a novel successive suturing instrument for an endoscope using beads and a side suction cap

The large number of patients who suffer from diseases such as gastritis, obesity, and chronic gastro-esophageal reflux disease has made the development of a new suture device using an endoscope instrument channel an important priority. This paper deals with a novel design of an endoscopic instrument that facilitates suture operations on the stomach and esophagus. Unlike a laparoscope, it is very difficult to transfer forces and moments to the end of a gastrointestinal endoscope from the outside handle dues to its extreme flexibility. The only feasible forces are pushing and pulling using wires and tubes. This new design requires only the push-pull action from the outside handle to complete suture operations. Furthermore, several stitches can be performed with a single endoscope insertion. This new endoscope suturing methodology thus significantly reduces the time for surgical operations and the pain that patients experience. The feasibility of the instrument was demonstrated through in vitro and in vivo animal experiments.