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近年来,随着MEMS技术和医学的进步,消化道微诊疗系统越来越受到人们的关注,其中消化道定点施药微系统是消化道微诊疗系统的一个重要分支。消化道定点施药微系统实现了无创的消化道定点施药,在临床上具有良好的市场前景。定点施药胶囊可以无创地到达小肠及结肠,对该部位的病变进行靶向施药,提高治疗效果,特别是对于小肠出血具有直接的疗效,而当前最先进的小肠内窥镜到达小肠远端也是比较困难的。对于结肠部位的疾病,如结肠癌,有望利用消化道定点施药胶囊携带化疗药物在最佳的治疗部位释放药物,提高疗效的同时,大大减少了药物的副作用。
无线能量传输技术是近十年来兴起的一种新型能量供给技术,可为消化道定点施药微系统提供良好的的能量供给方法。随着该技术在生物医学领域的逐步应用,它将会进一步推动医疗领域无创、低危险治疗的发展,具有重要的科学意义和研究价值。
本课题主要研究了一种可用于消化道定点施药微系统的无线能量传输系统,它主要是基于电磁感应原理,由发射装置向体内发射特定频率的电磁波信号,能量耦合单元感应得到感生电压,作为定点释放胶囊的工作电源。本课题研究内容主要包括无线能量发射装置和接收装置的设计。文中阐述了发射线圈的选型,对比了不同设计下的优点和缺点,构建了能量传输的模型,经过讨论得到了提高无线能量传输的方法,并完整的阐述了系统阻抗匹配的过程和结果。论文对体外装置和体内单元的能量耦合也进行了理论和实际的分析,讨论了不同变量对能量耦合的影响。此外,论文还对发射线圈的磁场进行了详细分析,并绘制了相关图片。在接收线圈的设计方面,计算了线圈的谐振电容,讨论并分析了不同谐振电路的情况。另外,论文还对人体介入后系统的等效电路进行了分析,建立了模型并提出了解决办法。此外,论文还详细分析了谐振频率选择等问题,并对本装置进行了安全性分析、成本分析等。
在实验部分,进行了频率选定的实验、体内单元的感应电压测试实验、样机体外模拟试验和样机可靠性实验等。实验结果表明,本装置能够使消化道定点施药微系统正常工作,并且可达到较高的成功率。由于本课题是实用化研究,因此论文在产品工艺方面也有研究,最终使设备能够达到产品化要求。论文最后总结了研究成果并对未来的研究方向进行了展望。