CN103169547A - 一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统。它包括植入体内系统和体外系统两部分，植入体内系统由传感执行模块、经皮供能模块的体内部分、无线通信模块的体内部分组成，体外系统由经皮供能模块的体外部分、无线通信模块的体外部分、MCU、便携控制模块和外部报警模块组成。本发明克服了传统人工肛门括约肌中患者不能感知粪便量的程度的问题和控制不便的问题以及可能带来导线感染的问题。

Description

一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌

技术领域

本发明涉及一种新型的人工肛门括约肌系统，更具体的说，涉及一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统。 

背景技术

肛门失禁是临床上常见的一种病症，据资料统计成年人的发病率高达2%，65岁以上者发病率可达7%，它不仅给患者带来痛苦，也给社会带来负担。 

外科治疗肛门失禁的方法有肠造口手术和人工肛门括约肌。肠造口手术史外科治疗大便失禁的最后选择方案，它是挽救生命的一种有效方式，但它是一种违反生理的残疾和畸形，使患者的生活质量和生命质量受到很大影响。人工肛门括约肌是使用人造器官来治疗大便失禁病症，国外在临床上已经将人工肛门括约肌用于外科治疗大便失禁病症，并取得良好的效果。 

经过对现有技术的文献检索发现，传统的人工肛门括约肌存在以下几个缺点：体外系统与体内系统没有建立通信，不能实现体外对人工肛门括约肌的直接控制；患者不能感知粪便量的程度，不能实现自主排便功能；人工肛门括约肌植入体内以后，供能采用导线方式，如果应用于临床将在患者的体内和体始终存在导线连接，极有可能造成患者的感染，给患者带来巨大的痛苦。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统。该系统采用压力传感器监测肠道信号，克服了传统人工肛门括约肌中患者不能感知粪便量的程度的问题；体内系统与体外系统通过无线通讯模块建立连接，克服了传统人工肛门括约肌控制不便的问题；植入体内系统采用经皮供能技术来提供能量，克服了传统人工肛门括约肌可能带来导线感染的问题 

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，整个系统的技术路线主要由三大技术模块组成，即传感执行模块、无线通讯控制模块和经皮供能模块，这三大技术模块构成了经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统的关键技术。其中传感执行模块、无线通讯模块的体内部分和经皮供能模块的体内部分构成了植入体内系统，工作在人体体内；无线通讯模块的体外部分、经皮供能模块的体外部分、一个MCU以及两个小模块便携控制模块和外部报警模块构成了体外系统。

基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统的完美运行需要所有模块的协调工作：首先传感执行模块检测肠道内压力值和执行机构钳制肠道的压力大小，并把传感信息通过无线通信模块送到体外的MCU，然后MCU将接收到的压力信号进行分析和处理，判断患者应该进行的操作并控制外部报警模块做出相应指示，患者根据该指示操作便携控制模块的相关按钮，发给MCU一个相关的中断信号使MCU进入中断，MCU将相关命令通过无线通信模块发送给传感执行模块，执行夹紧或放松肠道的操作。 

传感执行模块主要解决肠道压力信号的采集、传感器信号的调理以及人工肛门括约肌的实现，以重建患者的直肠肛管感知功能和正常排便机制。传感执行模块中信号处理的性能直接影响系统的测量精度，重要性不言而喻。信号调理电路由可控增益的精密仪表放大器、有源滤波模块、无源滤波模块和带有10位ADC的MCU等组成，压力测量电路的两个电压输出端对应连接精密仪表放大器的两个输入端，精密仪表放大器的输出连接有源滤波模块的输入端，有源滤波模块的输出端连接无源控制模块的输出端，无源控制模块的输出端连接一个带有10位ADC的MCU。 

其中有源滤波器电路中电阻R1、R2串联后接入放大器的正向输入端，电容C1由电阻R1与电阻R2之间引出接入放大器的负向输入端，放大器的负向输入端短接放大器的输出端，放大器的正向输入端串联一个电容C2后接地，该滤波器是低通有源滤波器，用于滤除谐波和噪声，有隔离和缓冲信号的作用，它具有良好的低通滤波特性，但由于其自身带宽限制，对超过其带宽的信号，难以得到满意的滤波效果。为保证能给ADC提供干净的信号，在有源滤波电路之后，增加了第二级RC无源滤波，无源滤波器电路串联一个电阻R3以后接入带有10位ADC的MCU(13)，电容C3由电阻R3之后引出后接地。传感器压力测量电路测得的信号，经过精密仪器放大器的放大、两个滤波模块的滤波后为干净的信号，信号输入到采样位数为10位的ADC，进行数字采样。10位采样位数的ADC，可保证高精度的测量。该信号调理电路性能优异，在保证高精度测量的同时，具有较好的可扩展性，实现了高精度遥测平台的目标。 

无线通讯模块的电路结构是基于周立功公司的ZigBee无线模块ZM2410与Microchip公司出品的单片机PIC16F946实现的，ZM2410模块的第1引脚5V连接外部电源VCC，第2引脚GND接地，第1引脚与第2引脚之间串联电容C3，单片机PIC16F946的第62引脚RX、第61引脚TX分别连接ZM2410模块的第7引脚TXD、第6引脚RXD，ZM2410的第25引脚LED_RX依次串联LED灯D4和电阻R33之后接地，第24引脚LED_TX依次串联LED灯D5和电阻R34之后接地，第23引脚LED_ERR依次串联LED灯D6和电阻R35之后接地，构成ZM2410模块的最小系统，实现植入体内系统与体外系统的无线通信。 

经皮供能模块负责提供体内所有装置正常运行的能量，即代替传统的供能方式，例如电池和拖线。经皮供能模块的体外部分包括一个电源与依次连接的正弦信号发生器、功率放大器和初级线圈，外部电源连接正弦信号发生器的电源端、功率放大器的电源端为它们提供能量，正弦信号发生器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接初级线圈的输入端，外部电源电路给正弦信号发生器和功率放大器提供能量；体内部分包括依次连接的次级线圈、滤波整流电路和稳压电路，次级线圈的输出端连接滤波整流电路的输入端，滤波整流电路的输出端连接稳压电路的输入端。正弦信号发生器产生的正弦信号首先经过功率放大器进行放大，放大后的正弦信号送入初级线圈以产生交变磁场，根据电磁感应原理，体内的次级线圈感应到交变磁场会产生感应电动势，相应的产生交变电流，滤波整流电流对交变电流进行滤波、整流，然后经过稳压电路的稳压以后形成直流电流，直流电流为“植入体内系统”提供稳定直流的电能。 

外部报警模块，其特征在于硬件实现电路中首先串联一个电阻R3以后分开两路，一路连接一个普通PNP三极管的基极，另一路串联一个电阻R4以后连接该三极管的发射极，然后三极管的集电极分两路，一路串联电阻R5与一个普通蜂鸣器Bell，另一路串联电阻R6与一个LED二极管。三极管的发射基接电压VCC，LED二极管和普通蜂鸣器Bell接地。所述的外部报警模块的输入端接收单片机的输出频率信号T0。PNP三极管的发射极正向偏置，集电极反向偏置，起到放大电路电流以驱动LED二极管和普通蜂鸣器Bell的作用。单片机通过输出不同频率的T0信号，驱动普通蜂鸣器Bell发出不同声音以及LED二极管不同闪烁频率的报警，分别代表开始排便的报警信息和结束排便的报警信息，患者根据不同的报警信息可判断是准备排便还是排便结束。 

便携控制模块，其特征在于硬件电路中，S1、S2为两个面板控制开关，S1开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R1以后接地，S2开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R2以后接地，信号Switch1、Switch2分别从开关S1、S2的输出端引出，然后输入到单片机的两个I/O口作为外部中断信号，开关S1、S2分别开启和关闭括约肌。患者听到外部报警模块发出的不同的报警信息以后，根据报警信息的内容选择按下开始按钮(S1)还是结束按钮(S2)，以便患者开始排便或者结束排便。 

本发明与现有技术相比较具有如下突出实质性特点和显著优点： 

（1）本发明利用人工肛门括约肌系统检测活体生物柔性肠道内的排泄物信息，重建了患者的直肠肛管感知功能，建立其排便控制机制，实现了患者自主控制人工肛门括约肌的功能，有效的控制了肛门失禁；

（2）无线通讯模块建立了植入体内系统与体外系统之间的通信，患者可以利用在体外对植入体内系统进行控制，给操作带来了很大方便；

（3）经皮供能系统，可以在不破坏患者皮肤的前提下为“植入体内系统”提供能量，克服了传统供能方式如电池、导线可能带来的感染问题。

附图说明

图1 系统基本组成框图 

图2 为信号调理电路

图3 为经皮供能模块电路原理框图

图4 为无线通讯模块原理图

图5 为外部报警模块电路原理图

图6 为便捷控制模块电路原理图

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。 

实施例一： 

参见图1，本基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，包括植入体内系统(1)和体外系统(2)两部分，其特征在于所述植入体内系统(1)由传感执行模块(3)、经皮供能模块(4)的体内部分、无线通信模块(5)的体内部分组成，所述体外系统(2)由经皮供能模块(4)的体外部分、无线通信模块(5)的体外部分、MCU(6)、便携控制模块(7)和外部报警模块(8)组成；经皮供能模块(4)的输出端分别单向连接传感执行模块(3)和无线通信模块(5)而给该两个模块提供能量，传感执行模块(3)双向连接无线通信模块(5)进行信息的双向交互，无线通信模块(5)双向连接MCU(6)进行信息的双向交互，MCU(6)单向连接外部报警模块(7)的输入端，便携控制模块(8)的输出端单向连接MCU(6)，首先传感执行模块(3)测得肠道压力信号，通过无线通信模块(5)把压力信号发送给体外的MCU(6)，MCU(6)对压力信号进行算法处理以判断患者的排便情况，然后MCU(6)通知外部报警模块(7)做出相应指示提醒患者，患者根据提示操作便携控制模块(8)的相应按钮，发给MCU(6)一个相应的中断信号使MCU进入中断，此时MCU(6)将相关命令信息通过无线通信模块(5)发送给体内的传感执行模块(3)，以执行夹紧或放松肠道的相关动作。

实施例二： 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图2，所述传感执行模块(2)中信号调理电路的结构是：一个压力测量电路(9)的两个输出电压端对应连接一个精密仪表放大器(10)的两个电压输入端，该精密仪表放大器(10)的输出端连接一个有源滤波器(11)的输入端，该有源滤波器(11)的输出端连接一个无源滤波器(12)的输入端，该无源滤波器(12)的输出端连接一个带有10位ADC的MCU(13)；所述有源滤波器(11)中电阻R1、R2串联后接入放大器的正向输入端，电容C1由电阻R1与电阻R2之间引出接入放大器的负向输入端，放大器的负向输入端短接放大器的输出端，放大器的正向输入端串联一个电容C2后接地；所述无源滤波器(12)电路中串联一个电阻R3以后接入带有10位ADC的MCU(13)，电容C3由电阻R3之后引出后接地。

实施例三： 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图3，经皮供能模块包括体内和体外两部分，体外部分包括依次连接的正弦信号发生器(15)、功率放大器(16)和初级线圈(17)，体内部分包括依次连接的次级线圈(18)、滤波整流电路(19)和稳压电路(20)。

体外系统的正弦信号发生器产生正弦交流信号，首先经过功率放大器进行信号的放大，放大后的信号输入初级线圈产生一个交变电磁场，根据电磁感应原理，处于电磁场中的体内的次级线圈产生一定感应电动势，产生的感应电流输入滤波整流电路进行滤波和整流，滤波整流后的电流输入稳压电路进行稳压处理，形成稳定的直流电流，作为提供给植入体内系统的能量供给。 

实施例四 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图5，外部报警模块的硬件实现电路中首先串联一个电阻R3以后分开两路，一路连接一个普通PNP三极管的基极，另一路串联一个电阻R4以后连接该三极管的发射极，然后三极管的集电极分两路，一路串联电阻R5与一个普通蜂鸣器Bell，另一路串联电阻R6与一个LED二极管。三极管的发射基接电压VCC，LED二极管和普通蜂鸣器Bell接地。

所述的外部报警模块的输入端接收单片机的输出频率信号T0。T0信号首先经过PNP三极管进行信号的放大，然后分别驱动LED二极管和普通蜂鸣器Bell。通过控制单片机输出不同频率的T0信号，驱动普通蜂鸣器Bell发出不同声音以及LED二极管不同闪烁频率的报警。 

实施例五 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图6，便携控制模块的硬件电路中，S1、S2为两个面板控制开关，S1开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R1以后接地，S2开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R2以后接地，信号Switch1、Switch2分别从开关S1、S2的输出端引出，然后输入到单片机的两个I/O口作为外部中断信号，开关S1、S2分别开启和关闭括约肌。

当按下开关S1时，信号Switch1产生一定的电平信号，输入到单片机的一个I/O口，提醒单片机出现外部中断信号1，单片机控制报警模块发出开始排便的报警信号；当按下开关S2时，信号Switch2产生一定的电平信号，输入到单片机的另一个I/O口，提醒单片机出现外部中断信号2，单片机控制报警模块发出结束排便的报警信号。 

Claims (6)

1.一种基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，包括植入体内系统(1)和体外系统(2)两部分，其特征在于所述植入体内系统(1)由传感执行模块(3)、经皮供能模块(4)的体内部分、无线通信模块(5)的体内部分组成，所述体外系统(2)由经皮供能模块(4)的体外部分、无线通信模块(5)的体外部分、MCU(6)、便携控制模块(7)和外部报警模块(8)组成；经皮供能模块(4)的输出端分别单向连接传感执行模块(3)和无线通信模块(5)而给该两个模块提供能量，传感执行模块(3)双向连接无线通信模块(5)进行信息的双向交互，无线通信模块(5)双向连接MCU(6)进行信息的双向交互，MCU(6)单向连接外部报警模块(7)的输入端，便携控制模块(8)的输出端单向连接MCU(6)，首先传感执行模块(3)测得肠道压力信号，通过无线通信模块(5)把压力信号发送给体外的MCU(6)，MCU(6)对压力信号进行算法处理以判断患者的排便情况，然后MCU(6)通知外部报警模块(7)做出相应指示提醒患者，患者根据提示操作便携控制模块(8)的相应按钮，发给MCU(6)一个相应的中断信号使MCU进入中断，此时MCU(6)将相关命令信息通过无线通信模块(5)发送给体内的传感执行模块(3)，以执行夹紧或放松肠道的相关动作。

2.根据权利要求1所述的基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，其特征在于所述的传感执行模块(3)中信号调理电路的结构：一个压力测量电路(9)的两个输出电压端对应连接一个精密仪表放大器(10)的两个电压输入端，该精密仪表放大器(10)的输出端连接一个有源滤波器(11)的输入端，该有源滤波器(11)的输出端连接一个无源滤波器(12)的输入端，该无源滤波器(12)的输出端连接一个带有10位ADC的MCU(13)；所述有源滤波器(11)中电阻R1、R2串联后接入放大器的正向输入端，电容C1由电阻R1与电阻R2之间引出接入放大器的负向输入端，放大器的负向输入端短接放大器的输出端，放大器的正向输入端串联一个电容C2后接地；所述无源滤波器(12)电路中串联一个电阻R3以后接入带有10位ADC的MCU(13)，电容C3由电阻R3之后引出后接地。

3.根据权利要求1所述的基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，其特征在于所述的经皮供能模块的电路结构：体外部分：一个外部电源(14)连接一个正弦信号发生器(15)的电源端、一个功率放大器(16)的电源端为他们供电；所述正弦信号发生器(15)的输出端连接功率放大器(16)的输入端，用来将正弦信号送入功率放大器(16)进行放大，功率放大器(16)的输出端连接一个初级线圈(17)，将放大后的正弦信号送入次级线圈产生交变磁场；体内部分：一个次级线圈(18)根据电磁感应原理感应到交变磁场产生交变电流，该次级线圈(18)连接一个滤波整流电路(19)用来对交变电流进行滤波、整流，然后滤波整流电路(19)连接一个稳压电路(20)用来将交流电转换为直流电，最后直流电用来给植入体内系统(1)提供能量。

4.根据权利要求1所述的基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，其特征在于所述无线通讯模块(5)的电路结构是基于ZigBee无线模块ZM2410与Microchip公司出品的单片机PIC16F946实现的，ZM2410模块的第1引脚5V连接外部电源VCC，第2引脚GND接地，第1引脚与第2引脚之间串联电容C3，单片机PIC16F946的第62引脚RX、第61引脚TX分别连接ZM2410模块的第7引脚TXD、第6引脚RXD，ZM2410的第25引脚LED_RX依次串联LED灯D4和电阻R33之后接地，第24引脚LED_TX依次串联LED灯D5和电阻R34之后接地，第23引脚LED_ERR依次串联LED灯D6和电阻R35之后接地。

5.根据权利要求1所述的基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，其特征在于所述的外部报警模块(7)的电路结构：串联一个电阻R3以后分开两路，一路连接一个普通PNP三极管的基极，另一路串联一个电阻R4以后连接该PNP三极管的发射极，然后三极管的集电极分两路，一路串联电阻R5与一个普通蜂鸣器Bell，另一路串联电阻R6与一个LED二极管。三极管的发射基接电压VCC，LED二极管和普通蜂鸣器Bell接地；所述的外部报警模块的输入端接收单片机的输出频率信号T0，单片机通过输出不同频率的T0信号，驱动普通蜂鸣器Bell发出不同声音和LED二极管不同闪烁频率的报警，患者根据不同的报警可判断是准备排便还是排便结束。

6.根据权利要求1所述的基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌系统，其特征在于所述的便携控制模块(8)的电路结构中，有S1、S2为两个面板控制开关，S1开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R1以后接地，S2开关的一端接高电压VCC，另一端串联一个电阻R2以后接地，信号Switch1、Switch2分别从开关S1、S2的输出端引出，然后输入到单片机的两个I/O口作为外部中断信号，开关S1、S2分别开启和关闭括约肌。

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