自動(dòng)化畢業(yè)論文開(kāi)題報告范本

　　開(kāi)題報告是學(xué)位論文的一個(gè)總體規劃和設計，是研究生學(xué)位論文工作的重要環(huán)節，以下是小編搜集整理的自動(dòng)化畢業(yè)論文開(kāi)題報告，歡迎閱讀參考。

　　題目：膠囊內窺鏡的磁導航式運動(dòng)檢測臺設計

　　1 課題來(lái)源、目的、意義以及國內外基本研究概況

　　1.1 課題來(lái)源

　　本課題來(lái)源于國家863資助的“基于 MEMS 技術(shù)的微型膠囊內窺鏡研究”項目，編號2008AA04Z313。

　　1.2 課題研究的目的和意義

　　1.2.1 目的

　　通過(guò)對主動(dòng)運動(dòng)式無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡的研究，開(kāi)發(fā)出一套基于準靜態(tài)磁場(chǎng)磁拖動(dòng)原理的膠囊內窺鏡檢測用途的五聯(lián)動(dòng)軸磁導航式運動(dòng)控制系統。通過(guò)對外部控制磁導航儀系統各個(gè)部件進(jìn)給速度、轉動(dòng)速度和相對運動(dòng)速度的精確控制，可進(jìn)一步實(shí)現在消化道環(huán)境下對內嵌永磁體膠囊內窺鏡快速運動(dòng)、緩慢運動(dòng)和局部定位等形式的主動(dòng)控制。

　　1.2.2 意義

　　消化道是人體中的多發(fā)病區域，消化道疾病人群全球普遍達到10%以上，中國更高達13%以上。傳統內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，對消化道內壁進(jìn)行有效診斷或組織取樣、微型手術(shù)等動(dòng)作，是消化道檢查最有效的方式，疾病檢出率高。但傳統內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(jìn)行，而且插管方式還存在一定的交叉感染的機會(huì )，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(cháng)、平均直徑為2.5厘米的狹長(cháng)多曲管徑，傳統的內窺鏡很難深入小腸進(jìn)行檢查。小腸疾病檢查幾乎是消化道檢查的盲區[1]。

　　無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡檢測是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的無(wú)創(chuàng )醫療檢測技術(shù)，通過(guò)一個(gè)集成LED照明芯片、成像裝置、無(wú)線(xiàn)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窺鏡，在人體胃腸道內執行病灶檢測，并將胃腸圖像數據無(wú)線(xiàn)傳輸到外圍接收裝置，由富有經(jīng)驗的醫生在工作站上進(jìn)行在線(xiàn)或離線(xiàn)診斷。無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡克服了傳統推挽式腸胃鏡有創(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(diǎn)。

　　在消化道疾病的臨床診斷上，比傳統技術(shù)更成功的應用促成了無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡的迅快發(fā)展，然而，現有的膠囊內窺鏡還存在著(zhù)一些不足：1)只能依靠消化道自身的蠕動(dòng)被動(dòng)地移動(dòng)，因而過(guò)程持續時(shí)間長(cháng)而不可控，且存在檢查盲區和不能有目的地停留以進(jìn)行長(cháng)時(shí)間診斷或某種操作;2)功能過(guò)于單一，尚未達到集施藥、采樣、診療與微創(chuàng )手術(shù)等多功能于一體的完整醫療平臺的目標;3)能量從內部電池獲取，難以滿(mǎn)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，不能全范圍應用于整個(gè)消化道;5)一旦在體內滯留，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(wú)線(xiàn)驅動(dòng)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(chǎng)、降低該產(chǎn)品的價(jià)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)研究機構和企業(yè)都在致力于主動(dòng)控制式膠囊內窺鏡的研究，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動(dòng)、螺紋旋進(jìn)、蠕蟲(chóng)式驅動(dòng)、觸角式驅動(dòng)、電激勵驅動(dòng)、液壓驅動(dòng)及氣動(dòng)驅動(dòng)等。然而，上述主動(dòng)控制方式都存在較大的缺陷和安全隱患：蠕蟲(chóng)式膠囊內窺鏡內部結構復雜、“風(fēng)箱效應”會(huì )對腸道造成較大程度的損傷;三維旋轉磁場(chǎng)控制方法十分復雜，螺旋結構膠囊以轉動(dòng)的方式前進(jìn)，由于腸道的伸縮動(dòng)力特性，螺旋結構與腸道產(chǎn)生接觸摩擦難以避免，因此，以螺旋運動(dòng)為主的主動(dòng)控制方式會(huì )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(chǎng)產(chǎn)生的電磁輻射對人體的潛在傷害無(wú)法預知，仍需要進(jìn)行大量的動(dòng)物實(shí)驗和臨床驗證[2]。

　　本課題所研究的用于膠囊內窺鏡檢測的磁導航式運動(dòng)控制系統：1)不涉及復雜的膠囊內部可動(dòng)結構，不涉及工頻電磁場(chǎng)，安全性好;2)主動(dòng)控制方式簡(jiǎn)易，成本低;3)可以顯著(zhù)縮短膠囊內窺鏡診斷時(shí)間并能夠實(shí)現膠囊定位以便于醫生進(jìn)行細致觀(guān)察;4)膠囊運動(dòng)的能量由外部磁場(chǎng)提供，擺脫內置電源的能量限制。本技術(shù)方案有望應用于消化道內窺鏡臨床檢測領(lǐng)域，改變傳動(dòng)推挽式內窺鏡檢測過(guò)程痛苦和被動(dòng)式膠囊內窺鏡耗時(shí)低效的現狀，推進(jìn)主動(dòng)控制式膠囊內窺鏡檢測的市場(chǎng)化，服務(wù)于醫療機構并造福于廣大患者。

　　1.3 國內外基本研究概況

　　1.3.1 國外研究概況

　　國外膠囊內窺鏡的研究已有成熟的商品和深厚的研究基礎。以色列的Given Imaging公司專(zhuān)門(mén)致力于膠囊內窺鏡的研發(fā)，于1999年成功研究出第一個(gè)具有臨床實(shí)用性的膠囊內窺鏡。如圖1.1所示，其尺寸長(cháng)30mm、直徑11mm，內含的電池可連續工作6-8個(gè)小時(shí)。經(jīng)過(guò)發(fā)展，Given Imaging公司在2000年生產(chǎn)出具有代表性的M2A型膠囊內窺鏡，尺寸進(jìn)一步縮小到11mm×26mm，質(zhì)量為3.45g，分辨率可達0.1mm，視角為140?。M2A膠囊體內安裝了一塊CMOS 圖像芯片、一塊射頻芯片和相應外圍元件、兩節氧化銀電池、一個(gè)磁控開(kāi)關(guān)和一個(gè)螺旋型天線(xiàn)。圖像芯片可以1：8的比率放大圖像。射頻芯片數據發(fā)送率達到2.7Mbit/s，實(shí)現每秒2幀的圖片傳輸。圖像發(fā)送至體外，通過(guò)可戴在手腕上的數據接收器接收后送到圖像工作站。整個(gè)過(guò)程可拍攝5萬(wàn)幅圖片存儲于工作站。借助專(zhuān)用的圖像處理分析軟件RAPID，進(jìn)行數據處理并清晰顯示出所拍攝圖像。除M2A外，Given Imaging公司還開(kāi)發(fā)了另外兩款膠囊內窺鏡：Pillcam SB(面向小腸檢測，檢測時(shí)間8小時(shí))和PillCam ESO(面向食管檢測，檢測時(shí)間20分鐘)，相對M2A對部分參數加以調整。PillCam ESO對反流型食管疾病的病理檢測能力很高，敏感性達97%，特異性達100%。

　　美國的Smartpill 公司開(kāi)發(fā)了兩種膠囊內窺鏡。一種是用于圖像檢測的膠囊內窺鏡。另一種膠囊Smartpill ACT-1(圖1.2)用于測量消化道蠕動(dòng)壓力、pH 值和檢測時(shí)間。其中Smartpill ACT-1 膠囊內含電池可連續使用72個(gè)小時(shí)。

　　Norika是日本RF SYSTEM實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的第一款產(chǎn)品。普通Norika A3(圖1.3)膠囊直徑9mm，長(cháng)23mm。該系統由內窺鏡膠囊、外部控制器、嵌入線(xiàn)圈的背心以及圖像顯示分析終端4大部分構成。其中，外部控制器用于無(wú)線(xiàn)遙控腸道圖像觀(guān)察及控制膠囊旋轉方向;嵌有線(xiàn)圈的背心用于體內膠囊所需能源的發(fā)送及實(shí)現膠囊旋轉方向的控制。膠囊采用CCD圖像芯片，為41萬(wàn)象素，具有很高的圖像清晰度，以每秒30幀圖像數字傳輸。鏡頭焦距可控。膠囊采用無(wú)線(xiàn)供電，使得供能不再有時(shí)間上的限制。采用無(wú)線(xiàn)能源傳輸技術(shù)，通過(guò)電磁場(chǎng)耦合將能源從體外傳遞到體內，膠囊內感應線(xiàn)圈感應出電磁場(chǎng)并整流為直流電源存儲在電容器中。膠囊通過(guò)三組60°間隔的線(xiàn)圈，形成一個(gè)三極電機的模式，從而控制膠囊的旋轉，以便不同方向觀(guān)察病灶。鏡頭四周有2個(gè)白色燈和2個(gè)近紅外線(xiàn)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(jìn)行遠程會(huì )診。另外，膠囊內部有一個(gè)噴藥倉和一個(gè)取活檢倉，均可由外部控制分別打開(kāi)其閥門(mén)，進(jìn)行對病灶的噴藥或伸出微型鈦金屬針取活檢。Norika A3 膠囊的驅動(dòng)方式也依靠腸道的自身蠕動(dòng)。

　　2008 年 RF 系統實(shí)驗室研制出世界最小的新一代膠囊內窺鏡Sayaka，結構見(jiàn)圖1.4。Sayaka的直徑僅9毫米，長(cháng)2.3厘米。出于安全性考慮，Sayaka內部并沒(méi)有搭載電池，靠接收來(lái)自體外線(xiàn)圈所發(fā)出的電磁感應電產(chǎn)生50 毫瓦電力來(lái)驅動(dòng)其相機、燈光和計算機。當Sayaka在腸道里攝影時(shí)，每秒大約可以拍攝30張2兆像素的圖像，與此同時(shí)，其熒光燈和白色LED燈會(huì )照亮腸道壁，實(shí)現清晰拍攝。先前的內窺鏡將相機放在一端，朝前拍攝，因此只能拍到腸內壁的外圍情況，而Sayaka首次將相機面向腸內壁，且能360°旋轉，因此能對準腸內壁拍下更加清晰的照片。當其外層膠囊在腸道里行進(jìn)時(shí)，內層的電磁體就會(huì )顛倒其極性，從而使內層膠囊和相機每2秒旋轉60°，每12秒旋轉一周，這就有足夠時(shí)間能重復拍攝特寫(xiě)鏡頭。Sayaka拍攝到圖像數據不斷地通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到裝在患者背心里的天線(xiàn)中，并保存在一張標準的SD存儲卡上。醫生將此SD存儲卡插入電腦，用軟件將數千張重復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，達到1,175兆像素，以便讓醫生觀(guān)察其細節特征。Sayaka膠囊式內窺鏡吞服大約8個(gè)小時(shí)后，就會(huì )自然排泄出來(lái)，累計可拍攝多達87萬(wàn)張照片，整個(gè)過(guò)程中患者不會(huì )有任何感覺(jué)。Sayaka膠囊式內窺鏡可以任意重復使用。目前，Sayaka已通過(guò)美國臨床測試。

　　此外，韓國的Intelligent Micro中心，英國的Glasgow大學(xué)等研究機構也在積極進(jìn)行膠囊內窺鏡的研制。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)膠囊式內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(jìn)展，如研究驅動(dòng)的主動(dòng)控制方式而不是僅依靠腸道的自身蠕動(dòng)，為醫生帶來(lái)更大的主動(dòng)性;除內窺功能外，還包含藥物釋放機構和組織采樣機構以及溫度傳感與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(jìn)一步減小體積;這些技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)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(jìn)行一定的停留或特定的運動(dòng)方式，這需要主動(dòng)驅動(dòng)控制技術(shù)。

　　1.3.2 國內研究概況

　　在國家863 項目的支持下，重慶金山公司于研制出了具有實(shí)時(shí)攝像功能的膠囊內窺鏡，中國科學(xué)院合肥智能機械研究所設計了“基于CMOS 圖像傳感器的膠囊內窺鏡系統”。他們研制的膠囊內窺鏡擁有攝像功能。金山公司的膠囊內窺鏡(圖1.5)直徑大約10毫米、長(cháng)度大約21毫米。它分為下面的幾個(gè)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研究的國家“863”計劃重點(diǎn)課題“無(wú)線(xiàn)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(guò)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(jìn)行了定點(diǎn)釋放藥丸微系統與消化道采樣藥丸微系統研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出臨床試驗樣機。上海交通大學(xué)開(kāi)展了“人體全消化道微型介入式診查系統”研究，研發(fā)出了用于檢測壓力、溫度、pH 值的膠囊內窺鏡。

　　目前，國內研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于研發(fā)專(zhuān)用芯片實(shí)現膠囊系統的無(wú)線(xiàn)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(dòng)驅動(dòng)等方面做了不少有益的探索[1]。

　　2 課題研究?jì)热�、任�?wù)要求及關(guān)鍵理論和技術(shù)

　　2.1 課題內容

　　對磁導航式運動(dòng)檢測臺進(jìn)行結構設計：

　　1)檢測臺結構設計;

　　2)多軸運動(dòng)結構設計。

　　2.2 課題任務(wù)要求

　　對檢測臺結構進(jìn)行詳細設計要求如下：

　　1)多軸運動(dòng)檢測臺移動(dòng)精度達微米級;

　　2)實(shí)現5自由度運動(dòng)。

　　2.3 現有系統設計方案及需改進(jìn)部分

　　2.3.1 現有系統設計方案

　　圖2.1所示的是現有磁導航式運動(dòng)控制系統的整體結構。系統由受檢者支撐部、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(guò)連接板連接，受檢者支撐部包括支撐座和可動(dòng)病床，支撐座上固定在磁裝配體的下方，可動(dòng)病床活動(dòng)安裝在支撐座上，可動(dòng)病床能夠相對于磁裝配體運動(dòng);磁裝配體包括磁體組、夾具和導向機構，所述磁體組由第一、第二磁體構成，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，夾具固定在導向機構上，導向機構能夠帶動(dòng)第一、第二磁體運動(dòng);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(dòng)作。

　　該系統采用永久磁鐵和機械運動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)準靜態(tài)磁場(chǎng)，實(shí)現對內嵌永磁體膠囊內窺鏡的定位和導向。系統含有5個(gè)聯(lián)動(dòng)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(guò)外部控制磁導航儀系統各個(gè)部件的進(jìn)給速度、轉動(dòng)速度和相對運動(dòng)速度，可以實(shí)現膠囊內窺鏡在消化道內的快速運動(dòng)、緩慢運動(dòng)和局部定位等[2]。

　　2.3.2 需改進(jìn)部分

　　(1) 將開(kāi)環(huán)控制系統更進(jìn)為閉環(huán)控制系統，提高系統精度

　　現有設計方案采用驅動(dòng)可動(dòng)病床與磁體組運動(dòng)的4個(gè)伺服電機結合絲桿螺母副實(shí)現可動(dòng)病床與磁體組的直線(xiàn)運動(dòng)，沒(méi)有位置檢測反饋裝置，為開(kāi)環(huán)控制，位移精度不高。為到達課題微米級精度要求，將以上4個(gè)伺服電機和絲桿螺母副換為可直接驅動(dòng)直線(xiàn)運動(dòng)部件的直線(xiàn)電機以縮短傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化傳動(dòng)機構，并安裝光柵尺，增加行程開(kāi)關(guān)，在做旋轉運動(dòng)的磁裝配體端安裝編碼器，這樣就可以實(shí)現閉環(huán)控制，提高檢測臺的移動(dòng)、定位精度。

　　(2) 系統整體結構布局優(yōu)化

　　現有方案結構布局不合理，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計，導致系統重心不穩，需要較大的配重來(lái)平衡裝置。因此有必要對結構布局進(jìn)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(mén)式結構。

　　(3) 減速器設計

　　現有方案為伺服電機通過(guò)蝸桿減速器減速后驅動(dòng)磁裝配體做旋轉運動(dòng)。蝸桿減速器使得伺服電機與磁裝配體驅動(dòng)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(dòng)平穩性更好的行星齒輪減速器，使伺服電機與驅動(dòng)軸同向以節省空間，提高旋轉精度，且最好能選用在增速方向可自鎖的型號。

　　(4) 永磁體夾緊機構設計

　　現有方案采用加固的方形永磁體與產(chǎn)生檢測臺所需準靜磁場(chǎng)的圓形永磁體的相互吸引力結合限位螺桿簡(jiǎn)陋地懸掛圓形永磁體，致使圓形永磁體定位不準確，穩定性不可靠，需要對圓形永磁體的夾緊機構重新進(jìn)行設計。

　　3 課題研究進(jìn)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) 設計方案總體設計

　　第四階段(第6—9周) 設計方案優(yōu)化論證

　　第五階段(第9—10周) 確立畢業(yè)設計最終方案

　　第六階段(第10—11周) 論文翻譯

　　第七階段(第11—15周) 結構設計

　　第八階段(第14—17周) 圖紙繪制

　　第九階段(第16—19周) 論文撰寫(xiě)

　　第十階段(第18—20周) 答辯

　　4 主要參考文獻

　　[1] 陸瑞毓.膠囊內窺鏡電路設計與主動(dòng)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. 用于膠囊內窺鏡檢測的磁導航式運動(dòng)控制系統.中國，發(fā)明專(zhuān)利，申請號：200910270388.3

　　[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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