主动胶囊机器人在肠胃道中运动和导航机理研究

The invention of wireless capsule endoscope(capsule robot) is a greate innovation in non-destructive inspection for gastrointestinal tract.However,there are some deficiencies need to further research,for example,lacking of localization,treatement,and active driving.It is imperitive to realize active driving because the capsule robot with this function can decrease the time when the robot goes through into the gastrointestinal tract, improving the inspection effiency and solving the shortage of energy capacity of battery;and it can also reduce the pictures generated in the inspecton progress,alleviating the doctor's workload for analysing the pictures; at the same time, it can realize particular inspection for interesting regions.We add a specially designed magnetic loop outside the the capsule and make an equipment which can produce appropriate magnetic field to propel the capsule outside the body. The security, reliability, and guidance are the primary problems before its applying to the clinlic inspection. So it is imperative for us to study the capsule robot's movement mechanism, interaction between capsule robot and gastrointestinal tract.

胶囊机器人（无线胶囊内窥镜）的发明开创了消化道无损检测的新篇章。当前的胶囊机器人还有许多问题需要克服，如：没有定位，治疗和主动驱动功能，其中，主动驱动是当前需要迫切解决的问题。具有主动驱动功能的胶囊机器人可以缩短胶囊在体内的运行时间，提高检查效率；减少检查过程中产生的图片数量，降低医生的工作量；实现可疑区域的重点检查，防止病灶漏检；克服因检查时间过长胶囊内电池能量不足的问题。通过在机器人的胶囊外壳套上一个专门设计的磁环，利用体外磁场发生装置产生的磁场来驱动胶囊机器人，达到主动驱动的目的。要将这种新型胶囊机器人应用于临床，需要保证其安全性和可靠性，实现正确导航。因此，根据肠胃道的蠕动机理，研究胶囊机器人在肠胃道中的运动机理，胶囊与肠胃道的相互作用，胶囊机器人运动轨迹和位姿的可视化是实现其应用必须首先解决的研究课题。

第一代胶囊机器人（胶囊内窥镜）是被动式的胶囊机器人，病人吞服如普通药物胶囊大小的电子胶囊，胶囊在肠胃道蠕动下排除体外。整个过程不能受医生控制，因此，漏检率高；不能对特征部位进行重复观察；检查所需时间长(8小时左右)；整个过程产生大约5万多张图片, 医生难以在短时间完成大量图像的筛查，这成为广泛应用的瓶颈。如果这种胶囊机器人具有定位和驱动功能，医生通过定位系统就可以准确判断病灶的位置，通过驱动控制系统可调整胶囊的姿态或者加快运动，提高诊断效果。.在胶囊内部嵌入永磁体，用磁定位方法定位胶囊；在体外产生磁场，还可控制胶囊。为此，我们研究了圆柱磁体的磁通量密度分布模型。由于胶囊内部空间有限并且空间非常珍贵，我们又改进胶囊的结构，在胶囊外部套上一个1mm厚的永磁环，只给胶囊增加了少量的体积，不影响吞服，却节省了胶囊内部空间。.实验测试了套永磁环的胶囊在猪小肠中前进所需的牵引力，验证了通过外磁场牵引套永磁环的胶囊在肠道前进的可行性。我们研究了永磁环的磁通量密度分布模型，在磁通量密度模型的基础上，深入研究了套永磁环胶囊的定位模型，并提出了效果较好的混合定位算法；在永磁环磁通量密度模型的基础上，研究了永磁体对永磁环产生的作用力，并建立了数学模型，通过实验验证了模型的正确性，为定量研究和产生合适的磁力提供了依据。.除了牵引胶囊前进，我们还研究了胶囊在猪肠道中旋转前进。在永磁环外部安装螺纹，磁环在外部旋转磁场的耦合下旋转，螺纹将旋转运动变为直线运动。制作了十个不同螺纹参数的模型胶囊，研究了胶囊在猪肠中旋转前进的运动机理及胶囊旋转前进对肠道的影响。为了提高诊断效果，我们研究了胶囊内窥镜图像特征点提取和匹配算法；为了能重三维建肠道，我们还研究了图像超分辨率重建算法。总之，我们探索了磁场驱动和定位肠道内胶囊的原理，胶囊在肠道中运动的原理，主动驱动胶囊对肠道产生的负面影响，为以后进一步研究奠定了基础。