智能型人工肛門封堵器感知系統(tǒng)的研制.pdf

1、背景：全球結(jié)直腸疾病的發(fā)病率不斷上升，施行結(jié)腸造口術(shù)是許多結(jié)直腸疾病患者無(wú)奈的選擇。近年來(lái)結(jié)腸造口患者逐漸增加，根據(jù)中國(guó)造口學(xué)會(huì)估計(jì)，中國(guó)每年新增永久性腸造口患者者約10萬(wàn)人，共有腸造口者約100萬(wàn)人，且仍有有增加趨勢(shì)。結(jié)腸造口手術(shù)給患者生理、心理和經(jīng)濟(jì)等帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。造口患者肛門括約功能和感知功能基本缺失，存在嚴(yán)重的大便失禁(fecal incontinence，F(xiàn)I)。為恢復(fù)正常的肛門功能，有效的控制失禁，長(zhǎng)期以來(lái)各國(guó)學(xué)者作了許多探

2、索，如肌肉的強(qiáng)化治療、生物反饋訓(xùn)練、神經(jīng)電刺激等，可惜效果均不太理想。在造口的處理方面，傳統(tǒng)的方法是使用造口袋收集排泄物。造口袋有效的解決排泄物的管理難題，但佩戴造口袋給患者的生活造成極大影響，患者容易對(duì)生活失去信心，長(zhǎng)期使用會(huì)增加皮膚感染和造口壞死等癥的發(fā)生率。1986年丹麥學(xué)者Burcharth等人設(shè)計(jì)的一次性造口栓由膨脹材料制成，應(yīng)用在腹壁的永久性結(jié)腸造口，該肛門栓置入造口后吸水膨脹進(jìn)而封堵造口，是結(jié)腸造口處理的一次巨大進(jìn)步，但該

3、類產(chǎn)品為一次性用品，患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，且存在一定并發(fā)癥。人工肛門封堵器的應(yīng)用使控制造口的完全性大便失禁成為可能，一定程度解決患者無(wú)法自主控制大便的痛苦。臨床使用的各種造口護(hù)理產(chǎn)品多存在護(hù)理不方便、容易脫落、易泄漏、不能感知腸內(nèi)容物和不具備調(diào)節(jié)的功能等缺點(diǎn)。因此，研制能判斷腸內(nèi)容物不同性質(zhì)的智能型人工肛門封堵感知系統(tǒng)，能提高造口患者的生活質(zhì)量，具有重要的臨床意義。超聲波(ultrasound，US)本質(zhì)上是一種彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，包括縱向

4、振蕩（縱波）和橫波振蕩（橫波）兩種形式，其中縱波具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。縱波的特點(diǎn)是具有束射特性、能定向傳播、方向性強(qiáng)、能量遠(yuǎn)大于相同振幅的一般聲波、并具有很強(qiáng)的穿透力。不同物質(zhì)對(duì)超聲波有各自對(duì)應(yīng)的聲阻抗特性，反映該物質(zhì)傳播超聲的特性，聲阻抗特性越高越有利超聲波的傳播，通常固體的聲阻抗最高、液體其次、氣體最低。腸道內(nèi)容物的典型狀態(tài)包括氣體狀態(tài)、固體狀態(tài)和液體狀態(tài)，當(dāng)超聲經(jīng)過(guò)不同狀態(tài)的腸道內(nèi)容物時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的衰減，傳感器接收到不同強(qiáng)度的超

5、聲信號(hào)后把聲波能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。利用超聲探測(cè)技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)模擬感知神經(jīng)感受腸內(nèi)容物的功能，相信在不久的將來(lái)該技術(shù)可作為智能型人工肛門封堵器的感知系統(tǒng)應(yīng)用于臨床。
　　 目的：研制智能型人工肛門封堵器的模擬感知神經(jīng)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)智能型排便感知系統(tǒng)的原理圖、電路設(shè)計(jì)、硬件調(diào)試、軟件編程、樣機(jī)制作;人為模擬家兔腸內(nèi)容物不同狀態(tài)的模型制備;驗(yàn)證制作的模擬感知系統(tǒng)在動(dòng)物模型上的效果，為智能型人工肛門封堵器的最終應(yīng)用提供支持。

6、r>　　 方法：⑴通過(guò)對(duì)TCT40-18 FS-1.2 B探測(cè)儀改裝，采用SendK型5V直流變壓器作為系統(tǒng)電源，DT9205型數(shù)字萬(wàn)用表顯示電壓數(shù)值，超聲發(fā)射頻率與超聲波探頭頻率都為2 MHz，兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)依次為48與35。超聲信號(hào)發(fā)射電路是整個(gè)裝置最初始工作信號(hào)的產(chǎn)生部位，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，發(fā)射用于探測(cè)超聲波。⑵測(cè)量過(guò)程由電源提供能量，經(jīng)超聲發(fā)射電路激發(fā)后由探頭發(fā)射超聲波，集成的一體化探頭捕獲通過(guò)不同浸入狀態(tài)的反射信號(hào)，

7、經(jīng)放大電路的放大作用，信號(hào)傳到單片微型計(jì)算機(jī)，單片機(jī)處理后將電壓信號(hào)傳送到液晶顯示屏上。為了更好的顯示電壓結(jié)果，將數(shù)字萬(wàn)用表的負(fù)極和正極分別與超聲放大電路末端的引出線與接地線相接，把數(shù)字萬(wàn)用表量程的旋鈕指向2V位置，讀取數(shù)字萬(wàn)用表的電壓讀數(shù)。⑶超聲傳感器在每一份生理鹽水里的狀態(tài)包括三種:A、超聲探頭置于空氣中不與生理鹽水接觸，所測(cè)數(shù)據(jù)納入未浸入組;B、把超聲探頭慢慢向下牽引使超聲探頭平面半徑的一半浸入生理鹽水中，再次讀取數(shù)字萬(wàn)用表數(shù)值，

8、所測(cè)的數(shù)據(jù)納入半浸入組;C、繼續(xù)牽引超聲探頭直至其完全浸入水中，讀取數(shù)據(jù)納入全浸入組，每個(gè)系列測(cè)量動(dòng)作重復(fù)五次，記錄其平均值。⑷超聲傳感器的放大電路后接入一階濾波電路、二階濾波電路和整流電路，其中，整流電路可把超聲信號(hào)從交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，各級(jí)濾波電路用于濾去輸出電壓的紋波，以減小脈動(dòng)直流電壓的交流成分，只保留直流成分，降低了輸出電壓的紋波系數(shù)，使波形平滑，便于讀數(shù)。⑸手術(shù)操作經(jīng)家兔耳緣靜脈緩慢注入20％的氨基甲酸乙酯(uretha

9、ne烏拉坦)，5ml/kg，約5分鐘后觀察麻醉成功，將家兔固定于操作臺(tái)，按照常規(guī)消毒、鋪巾，取腹正中線為手術(shù)切口，逐層進(jìn)腹，充分暴露腸管。以結(jié)腸遠(yuǎn)端距離肛門大約20cm處為起點(diǎn)，向結(jié)腸近端游離腸管，長(zhǎng)度約10cm左右，將游離的腸管末端作橫向切開，腸管備用。⑹腸管內(nèi)容物的不同狀態(tài)模型準(zhǔn)備空虛狀態(tài):把游離腸管內(nèi)的原有腸內(nèi)容物逐一排出，并于斷端置入反射型超聲傳感器的超聲探頭，夾閉斷端;氣體狀態(tài):10ml注射器連接三通管，三通管另一端連接頭皮針

10、管，頭皮針針頭剪除，將管子置入游離腸管，向腸腔內(nèi)注入10ml空氣;固體狀態(tài):將腸內(nèi)注射的氣體排空，由結(jié)腸近端逐漸向遠(yuǎn)端擠壓，使大便顆粒抵達(dá)超聲探頭處;流體狀態(tài):向結(jié)腸近端擠壓糞便顆粒使腸管稍微松弛，向腸管內(nèi)注入生理鹽水5ml，并使兩者得到充分混勻呈流動(dòng)狀態(tài)。⑺電壓測(cè)量將反射型超聲傳感器調(diào)試完畢，接通電源，測(cè)量不同狀態(tài)下的電壓值，每種狀態(tài)下隨機(jī)測(cè)量5次，經(jīng)由集成電路的顯示，在液晶顯示屏上表現(xiàn)為不同的電壓數(shù)值。為了便于觀察，將數(shù)字萬(wàn)用表的正

11、負(fù)極分別和整流電路的引出線與接地線相連，讀取萬(wàn)用表的數(shù)值，取平均值。⑻用重復(fù)測(cè)量方差方法觀察腸管內(nèi)容物四種不同狀態(tài)電壓值是否有顯著性差異。⑼采用C++型計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，使用ICC7.0軟件開發(fā)工具，軟件語(yǔ)言對(duì)腸管內(nèi)氣體狀態(tài)、固體狀態(tài)、流體狀態(tài)和空虛狀態(tài)四種閾值。⑽報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)置單片機(jī)的輸入電壓、蜂鳴器及震動(dòng)子和LED燈變化與腸管內(nèi)容物的不同狀態(tài)的關(guān)系:當(dāng)U≤295 mV時(shí)，綠燈亮，蜂鳴器發(fā)出單音節(jié)“嘀”音，震動(dòng)子處于工作狀態(tài)，提

12、示腸管內(nèi)容物為氣體狀態(tài);當(dāng)295 mV＜U≤455 mV，藍(lán)燈亮，蜂鳴器發(fā)出雙音節(jié)“嘀嘀”音，震動(dòng)子處于工作狀態(tài)，提示腸管內(nèi)容物為固體狀態(tài);當(dāng)455 mV＜U≤598 mV時(shí)，紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出“緊急”聲音，震動(dòng)子處于工作狀態(tài)，提示腸管內(nèi)容物為流體狀態(tài);U＞598 mV時(shí)，白燈亮，蜂鳴器和震動(dòng)子處于靜止?fàn)铙w，提示腸管處于空虛狀態(tài)。⑾手術(shù)操作經(jīng)家兔耳緣靜脈緩慢注入20％的氨基甲酸乙酯（urethane烏拉坦），5ml/kg，約5分鐘后觀察

13、麻醉成功，將家兔固定于操作臺(tái)，按照常規(guī)消毒、鋪巾，取腹正中線為手術(shù)切口，逐層進(jìn)腹，充分暴露腸管。以結(jié)腸遠(yuǎn)端距離肛門大約20cm處為起點(diǎn)，向結(jié)腸近端游離腸管，長(zhǎng)度約10cm左右，將游離的腸管末端作橫向切開，腸管備用。⑿腸管內(nèi)容物的不同狀態(tài)準(zhǔn)備空虛狀態(tài):把游離腸管內(nèi)的原有腸內(nèi)容物逐一排出，并于斷端置入超聲探頭，夾閉斷端;氣體狀態(tài):10ml注射器連接三通管，三通管另一端連接頭皮針管，頭皮針針頭剪除，將管子置入游離腸管，向腸腔內(nèi)注入10ml空氣

14、;固體狀態(tài):將腸內(nèi)注射的氣體排空，由結(jié)腸近端逐漸向遠(yuǎn)端擠壓，使大便顆粒抵達(dá)超聲探頭處;流體狀態(tài):向結(jié)腸近端擠壓糞便顆粒使腸管稍微松弛，向腸管內(nèi)注入生理鹽水5ml，并使兩者得到充分混勻呈流動(dòng)狀態(tài)。⒀模擬感知實(shí)驗(yàn)及報(bào)警將反射型超聲傳感器調(diào)試完畢，接通電源，超聲探頭置入腸管斷端，每種狀態(tài)下隨機(jī)測(cè)量5處腸管，觀察LED燈的亮燈情況和蜂鳴器報(bào)警情況，4種狀態(tài)共計(jì)400個(gè)數(shù)據(jù)納入結(jié)果分析。數(shù)據(jù)結(jié)果僅作統(tǒng)計(jì)學(xué)描述。
　　 結(jié)果：①超聲傳感器能

15、捕獲到超聲波信號(hào)，集成的一體化探頭、發(fā)射電路及接收電路、換能器及放大電路可以達(dá)到一定的工作程度，且傳感器各零配件組裝完整，單片機(jī)的嵌入程序運(yùn)行正常，各硬件之間兼容性良好。未浸入組(343.850±2.110mV)＜半浸入組（637.600±8.009 mV）＜全浸入組(943.350±3.856 mV)，三種不同浸入狀態(tài)的電壓信號(hào)之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=71675.880，P=0.000，＜0.05)，三種不同浸入狀態(tài)電壓信號(hào)的數(shù)值

16、之間的多重比較差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，未浸入組、半浸入組和全浸入組之間兩兩比較均P=0.000，＜0.05。信號(hào)電壓值在空氣中(9 mV)和水中(16 mV)的波動(dòng)范圍較小，在臨界面的半浸入狀態(tài)波動(dòng)較大(39 mV)。②氣體狀態(tài)電壓信號(hào)(257.120±7.534 mV)＜固體狀態(tài)電壓信號(hào)(398.120±21.819mV)＜流體狀態(tài)電壓信號(hào)（507.240±14.357 mV）＜空虛狀態(tài)的電壓信號(hào)（658.560±11.407 mV）。各

17、種狀態(tài)之間電壓信號(hào)的比較有顯著性差異(P=0.000，＜0.05)。四種電壓信號(hào)之間存在著“空白區(qū)域”:氣體狀態(tài)的電壓信號(hào)最大值和固體電壓信號(hào)的最小值差距為40 mV，固體電壓信號(hào)的上限與流體的電壓信號(hào)最小值差距為30 mV，流體電壓信號(hào)的最大值和空虛狀態(tài)的電壓信號(hào)最小值差距為76 mV。③LED燈和蜂鳴器及震動(dòng)子均運(yùn)行良好，起到較好的反饋?zhàn)饔?。腸管處空虛狀態(tài)時(shí)判斷正確99次，誤判1次，誤判為氣體狀態(tài);對(duì)氣體狀態(tài)的正確判斷100次，錯(cuò)誤

18、0次;對(duì)固體狀態(tài)正確判斷為95次，錯(cuò)誤5次，其中3次誤判為氣體狀態(tài)，2次誤判為流體狀態(tài);對(duì)流體狀態(tài)的正確判斷為98次，錯(cuò)誤判斷2次，均誤判為氣體狀態(tài)。
　　 結(jié)論：肛門失禁是多種原因所致的肛門自制紊亂，以人工肛門造口最常見，該病治療的難點(diǎn)在于功能重建，本文總結(jié)了人工肛門封堵器的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制作了能感知腸內(nèi)容物不同狀態(tài)的智能型感知系統(tǒng)。制作的反射型超聲傳感器能捕獲超聲信號(hào)，整合的超聲發(fā)射電路與接收電路、波換能器、濾波電路、放大電