人体胃肠道腔内诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用研究

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1、上海交通大学博士学位论文人体胃肠道腔内诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用研究专业名称：仪器科学与技术作者姓名：石煜指导教师：颜国正申请上海交通大学博士学位论文人体胃肠道腔内诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应用研究国家自然科学基金、上海市科委科研计划项目学科：仪器科学与技术导师：颜国正教授博士生：石煜上海交通大学电子信息与电气工程学院2015年7月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityRESEARCHOFWIRELESSPOWERTRANSMISSIONK

2、EYTECHNOLOGYANDAPPLICATIONUSEDINMICROSYSTEMSFORDIAGNOSISANDTREATMENTOFHUMANGASTROINTESTINALINTRATRACTSpecialty:InstrumentScienceandEngineeringAuthor:ShiYuAdvisor:Prof.YanGuozhengSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityJuly，2015上海交通大学博士学位论文人体胃肠道腔内诊疗微

3、系统无线能量传输关键技术及其应用研究摘要供能问题和生物电磁辐射安全性，是胃肠道腔内诊疗微系统研究需要考虑的两大重要问题，前者涉及系统的可行性，后者是临床应用的准入条件。胃肠道诊疗微系统技术发展的同时，对能量的需求相应增加，以期实现体内连续工作时间延长、图像质量提高、运动和诊疗方式可控等目标，基于电磁感应的无线供能技术为解决这一问题提供了一种可行方法。另外，随着研究的推进，生物电磁辐射安全问题也已凸现出来，需要同步解决，以实现胃肠道诊疗微系统的临床应用。在国家和省级多项科研计划项目资助下，本文开展了针对人体胃肠道诊疗微系统无线能量传输关键技术及其应

4、用的研究。针对无线供能的胃肠道诊疗微系统的应用环境，根据其结构、安全性、效率和可靠性要求，提出了模块化系统设计思想。分析了国内外电磁辐射安全标准，提出以人体感应电流密度和比吸收率（SAR）为指标的判定函数，确定了能量发射系统的安全运行范围；利用生物传热方程分析体内温升特性，明确了能量接收线圈的安全性约束条件；通过解析电磁耦合方程，得到能量传输效率的表达函数，并将能量发射端与接收端参数分离，以利于后续设计；分析了无线供能系统可靠性的三个主要方面，包括磁场均匀性、频率稳定性和姿态稳定性。由IX摘要此，形成了无线供能系统的总体设计方案，为后续工作奠定了

5、基础。根据诊疗微系统的能量要求，围绕能量发射线圈结构、生物电磁辐射安全性、磁场均匀性和频率稳定性等方面，对无线能量发射系统进行了研究。通过分析比较，结合螺线管和亥姆霍兹线圈的特点，提出了多层螺线管对能量发射线圈结构，兼顾了发射磁场强度和均匀性；通过有限积分方法构建了高精度人体电磁计算模型，根据生物电磁感应原理计算得到电磁场中人体组织电流密度和比吸收率等电磁剂量学量，并对照生物电磁辐射安全标准得到电流上限，为能量发射线圈的设计提供了安全性约束条件；以电磁场基本原理为起点，推导不同的能量发射线圈磁场分布表达，并通过对比计算值和测量值进行验证，分析了能

6、量发射线圈的磁场均匀性；针对能量发射线圈的频率漂移问题，提出保持电路谐振稳定的方法，以线圈的品质因数Q为标识，分析频率漂移对驱动电流的影响，并以此作为评估参量，比较了人体对能量发射线圈影响的两种极限状态。由此，得到了能量发射系统的具体设计方案和参考指标。根据感应能量的姿态稳定性要求，引入了三维能量接收线圈结构，并从温升安全性、能量传输效率以及接收能量的稳定性等方面，对无线能量接收系统进行了研究。检测了不同线圈的温升情况，讨论了能量接收线圈内阻的安全范围。从能量接收线圈的磁芯材料、几何形状、尺寸以及绕线股数方面，研究了传输效率的优化问题：由初始磁导

7、率的频率特性，得出磁芯材料的选择方案；通过分析影X上海交通大学博士学位论文响磁导率的参数并测量对比，确定几何形状为圆柱体的磁芯具有更高磁导率；引入面积系数概念并测量感应电动势，得出磁芯的最佳尺寸；测量不同线圈的接收功率，得到传输效率最高的绕线股数。研究了接收能量与接收线圈姿态的关系，模拟接收电路的串并联效果并实际测量，分析了接收能量的稳定性。通过对磁芯、绕组和电路的研究，为无线能量接收系统的设计提供了理论依据和方法。为验证上述理论和方法的可行性，依照模块化系统设计思想，应用各项研究分析结论，设计了被动式视频胶囊内窥镜和主动式肠道机器人两种装置，及

8、其相应的无线供能系统。根据第2~4章的理论研究和方法，设计并实现了视频胶囊内镜和穿戴式无线供能系统。通过视频胶囊内镜在人体胃肠道内的受力