Research on Key Technologies of Capsule Endoscope with Composite Diagnosis

胶囊内窥镜作为一种新型的消化道疾病检测手段，具有无痛、无创、无交叉感染、使用方便等优点，已广泛应用于临床。然而，现有的胶囊内窥镜产品仍存在一些缺陷，阻碍了该技术的临床价值与未来发展。第一，检测功能较为单一，仅能采集到消化道内的一种信息，即形态学信息或生理参数信息，导致许多消化道疾病的阳性诊断率偏低。第二，供电系统都是采用电能和输出功率均受限的纽扣电池，导致胶囊内窥镜的工作时间偏低，可能无法覆盖整个消化道。第三，图像传感器的帧率和分辨率以及生理参数传感器的采样率和精度都偏低，可能会造成一些病灶的遗漏，从而影响到它的临床效果。 为了解决上述问题，本文将设计一套集成复合诊断技术和无线供能技术的新型胶囊内窥镜。其中，前者可实现形态学信息和生理参数信息的同步采集，为消化道疾病的鉴别诊断提供多维信息，有效提高疾病的阳性诊断率。而后者利用了发射线圈与接收线圈之间的电磁耦合，可向体内的胶囊内窥镜传输连续、足量的电能，保证各功能模块的能量供给。 对于复合诊断技术，本文将在现有光学胶囊内窥镜的基础上，集成微型的生理传感器。考虑到pH值是临床常用的生理参数，将作为本文的研究对象。根据尺寸、性能、成本等约束条件，pH传感器将采用锑电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极。随后，搭建实验平台，对该传感器的线性度、准确性、响应时间、温度漂移等特性进行测试。结果显示，这些特性都可满足临床需求。 对于无线供能技术，本文将分别从该系统的设计、建模、优化及补偿控制等方面进行研究。首先，从总体上，先确定了发射线圈与接收线圈的谐振方式和拓扑结构。由于胶囊内窥镜的负载属于低电压、大电流的类型，更适合采用双串联谐振的方式。为了保证无线供能的位置稳定性和姿态稳定性，将采用单维发射线圈与三维接收线圈的拓扑结构。在此基础上，建立起该系统的效率模型，其总效率包括发射效率、耦合效率和接收效率。 其次，研究了发射端的建模与补偿策略。E类功率放大电路作为发射端的重要组成部分，具有电路简单、效率高、成本低等优势。目前，该电路的设计参数都是基于标称模型来确定。但是，由于该模型没有考虑MOSFET的开关时间及导通损耗，故不适合直接用于本系统。针对这一问题，本文将分别在考虑和不考虑开关时间的前提下，建立两套电路模型。结果显示，开关时间会影响电路波形，但基本不影响电路特性。同时，导通损耗会影响到电路效率，且次标称状态下的电路效率最高。随后，建立了次标称状态下的电路模型。在此基础上，确定了不同占空比下的最优电路参数，对应效率远高于标称状态下的效率，从而实现了发射端的参数优化。此外，发射电路的特性可能会受负载阻抗偏移的影响，使其偏离次标称状态。针对这一问题，本文设计了三套补偿系统，分别是电抗、占空比与频率补偿系统。通过对这三套系统的对比分析，发现频率补偿系统在便携性、使用范围和稳定性上具有明显优势，更适用于发射端的阻抗补偿。 最后，研究了接收端的建模与优化。接收端的设计参数主要包括接收线圈的层数、匝数和线径以及接收电路的结构。根据尺寸和频率等约束条件，本文将先建立接收线圈的阻抗模型，研究线圈参数与阻抗特性的之间关系。而接收电路由整流电路和稳压电路组成，包括两套可选方案。通过对两套方案的输入输出关系进行分析，分别建立相应的电路模型。根据这两套模型，可建立接收端的效率模型，推导出设计参数与总效率的关系，从而实现接收端的参数优化。 综上所述，本文对胶囊内窥镜的复合诊断技术和无线供能技术进行了深入的研究。其中，前者通过集成微型的图像传感器和生理参数传感器，实现消化道内多维信息的同步采集，提高了消化道疾病的阳性诊断率。而后者通过建立完整的效率模型，对发射端、接收端的设计参数进行优化和补偿控制，提高系统的效率和稳定性。通过对这两项关键技术的集成，可有效解决胶囊内窥镜在临床应用中面临的问题，推动了胶囊内窥镜的进一步发展与应用