基于肠道动力学仿真的 AAS 设计及便意感知重建

人造肛门括约肌(AAS)是一种用于治疗大便失禁(FI)的可植入医疗设备,现有的AAS在生物安全性和肠道内容物感知方面存在缺陷,故临床应用受限。首先,结合肠道动力学特性,建立直肠组织的超弹性模型,利用ANSYS进行有限元分析,模拟假体闭合肠道的过程。其次,根据仿真结果,提出了一种嵌入10路压力传感器的新型连杆式人造肛门括约肌结构。最后,进行离体实验和活体动物实验。实验结果证实,仿真模型建立准确,所设计的括约肌假体在血供安全压力内可控便200g,满足人体正常生活需求。10路压力传感器位置分布合理,测量结果线性度良好。离体实验中肠道内容物质量预测的准确性达89.69%,活体实验中排便预警准确性达82%,初步重建了FI患者直肠的便意感知。     

生物反馈式括约肌的研制

针对肛门失禁患者的排便控制问题,研制了一种新的生物反馈式括约肌装置.根据正常人排便控制原理及内括约肌松弛反射过程,利用压力传感器对肠道压力进行测量,实现生物反馈;采用直流电机制成微型双向泵,对医用硅胶囊袋进行充(抽)液,模拟正常人内括约肌的收紧和松弛功能;整个装置由MSP430F1121单片机进行控制.动物实验结果表明,该装置能够较好地控制排便.     

基于改进Fast ICA BP算法在直肠生理信号处理中的研究

大便失禁是指肛门括约肌失去对粪便及气体排出的控制能力。随着医工学科的交叉发展,提出了使用人工肛门括约肌系统(AAS)来帮助患者治疗大便失禁,重建直肠感知功能,监测直肠压力和诊断直肠病变。本文改进了原括约肌执行机构,分析了直肠受力情况,进行了AAS系统的离体信号采集实验。针对AAS系统在直肠生理信号处理方面的缺失,提出了使用相空间重构(PSR)对一维直肠压力信号进行多维重建,并利用改进的快速独立分量分析(Fast ICA)算法对重构信号进行分离,提取分离后直肠信号的特征分量,采用BP神经网络进行模式识别。实验对比表明,改进的执行机构对直肠平均最大应力基本保持在12 kPa左右,保证了直肠受压区域的正常供血,实现直肠内容物的夹持。该算法迭代次数少,分离效率高,直肠功能平均诊断率达89.5%,可以实现直肠生理信号的初步处理。     

反馈式人工肛门括约肌生物力学相容性研究

针对人工肛门括约的直肠感知功能重建和肌生物力学相容性问题,提出将HAPC波作为产生便意的主要依据,利用小波包分析对直肠压力信号进行特征提取,采用DB算法优化后通过SVM分类器进行便意预测,从而实现直肠感知功能重建;构建了直肠和人工肛门括约肌的三维有限元模型,对直肠进行了黏弹性分析,利用直肠的本构方程推导出了Prony级数形式,并模拟括约肌的收缩和舒张施加载荷对人工肛门括约肌进行了有限元分析,得到了直肠受压迫时的位移和应力的分布情况。仿真实验结果表明,该人工肛门括约肌较高精度地实现了便意预测,并具有较好的生物力学相容性。     

新型连杆式 AAS 压力感知模块的设计与实验研究

人工肛门括约肌(AAS)植入体内后长期处于生物组织液环境下,设计稳定可靠的压力感知模块对重建便意与确保血供 安全性有着至关重要的作用。 基于人体直肠压力生理参数采集特点,首先通过有限元分析设计选取了传感器的材料、尺寸等参 数,设计了假体臂的传感器安装开槽结构与压力模块电路走线槽;通过对多种系列防护胶进行防潮湿性能实验,研究了新型传 感器的封装工艺及安装方式,并对系统电路模块设计了新型封装形式,提高了整体系统的防水性能。 实验结果显示该新型传感 器在 20 天水下环境中应变片阻值变化在 1‰以内,传感器线性度较高,输出工作电压范围合适;AAS 系统水下实验后传感器电 压初值平均浮动率仅为 4. 1% ,初步验证了本文设计的新型压力传感器在体内环境下的良好适用性与应用可行性。     

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能的优化

现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文 介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。 本文结合双轴驱动式人 造肛门括约肌系统,主要针对现有经皮无线供能存在的传输距离较短、发热较严重等问题,对现有线圈的线径、匝数、铁芯形 状、线圈结构以及发射线圈和接收线圈之间的传输距离等参数进行优化。 实验结果表明,经优化后经皮无线供能系统在传 输距离为 20 mm 时,传输效率可达到 77. 64% ,传输距离为 30 mm 时,传输效率仍可达到 52. 59% 。 而优化后的发射线圈充电 温度降低了 55. 6% 。 优化后的参数即满足双轴驱动式人造肛门括约肌系统性能要求,亦为以后研究工作的开展提供理论基 础与数据支持。     

磁控人体胶囊式无线内窥微机电系统的结构设计与实验研究

通过理论分析和实验研究,详细讨论了磁控人体胶囊式无线内窥微机电系统设计中的结构设计问题.首先根据无线内窥镜的使用环境和微型化要求,设计了合理的镜头,依照图像传感器采样照度确定了照明装置,选用了无线磁控式的控制方式实现系统的定点工作.然后对研制出来的内窥镜样机进行了离体和活体动物实验,实验中采集到的图像表明,此无线内窥镜的结构设计方案是可行的.     

结肠诊疗微机器人控制系统的设计和实现

为了实现对人体消化道的无损检查及治疗,基于结肠主动检查和肿瘤热疗的控制要求,设计并实现了结肠诊疗微机器人控制系统.首先,设计了结肠诊疗机器人系统的硬件组成模块和硬件电路;基于射频双向无线通信,给出了软件通信流程和通信时序的实时性要求.之后,驱动运动机构完成仿尺蠖的蠕动运动,并采用PID型广义预测算法控制加热线圈对肠道实施热疗,控制转台角度可旋转观察肠壁图像.最后,通过管道实验和动物活体实验,验证了系统的控制性能.实验结果表明:射频双向通讯可在0.6s内完成控制命令的发送和诊查数据的接收,机器人运动步态连续稳定,视频摄像头可查看肠道前方和侧壁0～360°的图像,对肠道肿瘤实施热疗能在50 s内稳定到热疗温度设定值.设计的系统基本满足结肠机器人对肠道实时诊查和热疗的要求.     

人体感知电流阈值与脑电图特征的关联研究

在电气产品的漏电安全性能测试中,人体感知电流是最重要的指标之一.传统上,人体感知电流阈值的测定完全依赖受试者的主观感受,可靠性、一致性较差.依据脑电活动机理建立了实验研究方案,获得了382组实验数据,探索了脑电特征与感知电流阈值的关系.研究发现:时域脑电图经快速傅里叶变换后,频域特性与感知电流阈值之间存在明显的关联:绝大多数人通电前后脑电特征确有明显变化,该变化包含a波或b波幅度抑制或增强,但其明确的对应变化规律,尚待进一步深入研究,研究结果将有助于对电气安全性能的客观认定.     

胶囊内窥镜在肠道中的钳位

由于胶囊内窥镜的有效钳位是实现其在肠道中有效驻停及运动的重要因素,本文研究并设计了胶囊内窥镜的钳位机构.首先,基于对摩擦力和肠道形变的分析,讨论了影响钳位力的因素.考虑肠道安全性,设计了阿基米德螺线腿机构.然后,通过构建离体肠道测试平台,测试不同直径、宽度、纹理及形状的样本在肠道内的钳位特性;分析实验结果,并建立了可定性描述钳位力的方程.最后,基于电流反馈实现钳位机构的安全控制;通过离体实验测试了钳位机构运动性能,并验证了钳位机构的安全性和可行性.实验结果显示,优化后的螺线腿钳位机构的钳位力达1.486 N;可较好地适应肠道的生理环境,满足扩展肠道、安全钳位的要求.