自動化畢業(yè)論文開題報告模板

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　　題目：膠囊內(nèi)窺鏡的磁導(dǎo)航式運動檢測臺設(shè)計

　　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”項目，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(nèi)窺鏡的研究，開發(fā)出一套基于準(zhǔn)靜態(tài)磁場磁拖動原理的膠囊內(nèi)窺鏡檢測用途的五聯(lián)動軸磁導(dǎo)航式運動控制系統(tǒng)。通過對外部控制磁導(dǎo)航儀系統(tǒng)各個部件進給速度、轉(zhuǎn)動速度和相對運動速度的精確控制，可進一步實現(xiàn)在消化道環(huán)境下對內(nèi)嵌永磁體膠囊內(nèi)窺鏡快速運動、緩慢運動和局部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(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)壁進行有效診斷或組織取樣、微型手術(shù)等動作，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行，而且插管方式還存在一定的交叉感染的機會，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�接收裝置，由富有經(jīng)驗的醫(yī)生在工作站上進行在線或離線診斷。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。

　　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被動地移動，因而過程持續(xù)時間長而不可控，且存在檢查盲區(qū)和不能有目的地停留以進行長時間診斷或某種操作;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)與功能擴展的更高要求;4)大多只適于在一種器官環(huán)境下運作，不能全范圍應(yīng)用于整個消化道;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)研究機構(gòu)和企業(yè)都在致力于主動控制式膠囊內(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、螺紋旋進、蠕蟲式驅(qū)動、觸角式驅(qū)動、電激勵驅(qū)動、液壓驅(qū)動及氣動驅(qū)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(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、“風(fēng)箱效應(yīng)”會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)動的方式前進，由于腸道的伸縮動力特性，螺旋結(jié)構(gòu)與腸道產(chǎn)生接觸摩擦難以避免，因此，以螺旋運動為主的主動控制方式會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，仍需要進行大量的動物實驗和臨床驗證[2]。

　　本課題所研究的用于膠囊內(nèi)窺鏡檢測的磁導(dǎo)航式運動控制系統(tǒng)：1)不涉及復(fù)雜的膠囊內(nèi)部可動結(jié)構(gòu)，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(nèi)窺鏡診斷時間并能夠?qū)崿F(xiàn)膠囊定位以便于醫(yī)生進行細(xì)致觀察;4)膠囊運動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，改變傳動推挽式內(nèi)窺鏡檢測過程痛苦和被動式膠囊內(nèi)窺鏡耗時低效的現(xiàn)狀，推進主動控制式膠囊內(nèi)窺鏡檢測的市場化，服務(wù)于醫(yī)療機構(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具有臨床實用性的膠囊內(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個小時。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，尺寸進一步縮小到11mm×26mm，質(zhì)量為3.45g，分辨率可達(dá)0.1mm，視角為140û。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、一個磁控開關(guān)和一個螺旋型天線。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。整個過程可拍攝5萬幅圖片存儲于工作站。借助專用的圖像處理分析軟件RAPID，進行數(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壓力、pH 值和檢測時間。其中Smartpill ACT-1 膠囊內(nèi)含電池可連續(xù)使用72個小時。

　　Norika是日本RF SYSTEM實驗室開發(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(zhuǎn)，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(chǎn)生模擬三維圖像。且可以網(wǎng)絡(luò)傳輸，進行遠(yuǎn)程會診。另外，膠囊內(nèi)部有一個噴藥倉和一個取活檢倉，均可由外部控制分別打開其閥門，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(qū)動方式也依靠腸道的自身蠕動。

　　2008 年 RF 系統(tǒng)實驗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)動其相機、燈光和計算機。當(dāng)Sayaka在腸道里攝影時，每秒大約可以拍攝30張2兆像素的圖像，與此同時，其熒光燈和白色LED燈會照亮腸道壁，實現(xiàn)清晰拍攝。先前的內(nèi)窺鏡將相機放在一端，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時，內(nèi)層的電磁體就會顛倒其極性，從而使內(nèi)層膠囊和相機每2秒旋轉(zhuǎn)60°，每12秒旋轉(zhuǎn)一周，這就有足夠時間能重復(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存儲卡上。醫(yī)生將此SD存儲卡插入電腦，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個小時后，就會自然排泄出來，累計可拍攝多達(dá)87萬張照片，整個過程中患者不會有任何感覺。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)等研究機構(gòu)也在積極進行膠囊內(nèi)窺鏡的研制。隨著技術(shù)的不斷進步，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展，如研究驅(qū)動的主動控制方式而不是僅依靠腸道的自身蠕動，為醫(yī)生帶來更大的主動性;除內(nèi)窺功能外，還包含藥物釋放機構(gòu)和組織采樣機構(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;進一步減小體積;這些技術(shù)還不夠成熟，需要進一步研究和完善。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行一定的停留或特定的運動方式，這需要主動驅(qū)動控制技術(shù)。

　　1.3.2 國內(nèi)研究概況

　　在國家863 項目的支持下，重慶金山公司于研制出了具有實時攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡，中國科學(xué)院合肥智能機械研究所設(shè)計了“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械研究所承擔(dān)研究的國家“863”計劃重點課題“無線腸胃檢查機器人關(guān)鍵技術(shù)研究”于2005年8月在北京通過國家驗收，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)進行了定點釋放藥丸微系統(tǒng)與消化道采樣藥丸微系統(tǒng)研究，已經(jīng)開發(fā)出臨床試驗樣機。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)鍵點在于研發(fā)專用芯片實現(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檢測功能。也在施藥、主動驅(qū)動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)航式運動檢測臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計：

　　1)檢測臺結(jié)構(gòu)設(shè)計;

　　2)多軸運動結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　2.2 課題任務(wù)要求

　　對檢測臺結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)設(shè)計要求如下：

　　1)多軸運動檢測臺移動精度達(dá)微米級;

　　2)實現(xiàn)5自由度運動。

　　2.3 現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計方案及需改進部分

　　2.3.1 現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計方案

　　圖2.1所示的是現(xiàn)有磁導(dǎo)航式運動控制系統(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，可動病床能夠相對于磁裝配體運動;磁裝配體包括磁體組、夾具和導(dǎo)向機構(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)向機構(gòu)上，導(dǎo)向機構(gòu)能夠帶動第一、第二磁體運動;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動作。

　　該系統(tǒng)采用永久磁鐵和機械運動產(chǎn)生一個準(zhǔn)靜態(tài)磁場，實現(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個聯(lián)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(dǎo)航儀系統(tǒng)各個部件的進給速度、轉(zhuǎn)動速度和相對運動速度，可以實現(xiàn)膠囊內(nèi)窺鏡在消化道內(nèi)的快速運動、緩慢運動和局部定位等[2]。

　　2.3.2 需改進部分

　　(1) 將開環(huán)控制系統(tǒng)更進為閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)精度

　　現(xiàn)有設(shè)計方案采用驅(qū)動可動病床與磁體組運動的4個伺服電機結(jié)合絲桿螺母副實現(xiàn)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(huán)控制，位移精度不高。為到達(dá)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(qū)動直線運動部件的直線電機以縮短傳動鏈，簡化傳動機構(gòu)，并安裝光柵尺，增加行程開關(guān)，在做旋轉(zhuǎn)運動的磁裝配體端安裝編碼器，這樣就可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高檢測臺的移動、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，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

　　現(xiàn)有方案為伺服電機通過蝸桿減速器減速后驅(qū)動磁裝配體做旋轉(zhuǎn)運動。蝸桿減速器使得伺服電機與磁裝配體驅(qū)動軸方向垂直，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、傳動平穩(wěn)性更好的行星齒輪減速器，使伺服電機與驅(qū)動軸同向以節(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。

　　(4) 永磁體夾緊機構(gòu)設(shè)計

　　現(xiàn)有方案采用加固的方形永磁體與產(chǎn)生檢測臺所需準(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構(gòu)重新進行設(shè)計。

　　3 課題研究進展計劃

　　第一階段(第1—3周) 查閱課題相關(guān)文獻

　　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)計方案總體設(shè)計

　　第四階段(第6—9周) 設(shè)計方案優(yōu)化論證

　　第五階段(第9—10周) 確立畢業(yè)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

　　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

　　[1] 陸瑞毓.膠囊內(nèi)窺鏡電路設(shè)計與主動控制研究：[碩士學(xué)位論文].華中科技大學(xué)：2007

　　[2] 劉勝，高鳴源，陳振知，胡程志，張鴻海. 用于膠囊內(nèi)窺鏡檢測的磁導(dǎo)航式運動控制系統(tǒng).中國，發(fā)明專利，申請?zhí)枺?00910270388.3

　　[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

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