CN103637860B - 人工肛门括约肌假体开闭控制系统 - Google Patents

Abstract

一种假体领域的人工肛门括约肌假体开闭控制系统，包括：括约肌假体、若干等距离设置于括约肌假体与器官接触部的压力传感器、压力信号处理模块和微控制器，其中：压力传感器感知括约肌假体对器官的咬合压力，该咬合压力经由压力信号处理模块转化为电信号并传输至微控制器，微控制器进行开闭控制计算，对括约肌假体发出打开或关闭的指令，从而实现对括约肌假体的开闭动作控制；本发明能够实现括约肌假体开闭的精确控制。

Description

人工肛门括约肌假体开闭控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种假体领域的控制系统，具体是一种人工肛门括约肌假体开闭控制系统。

背景技术

大便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%，实际上这种病症的发病率常因患者羞于求医而被低估。大便失禁是指肛管括约肌失去对粪便及气体排出的控制能力，它容易造成多种并发症，不仅给患者带来极大痛苦，而且给护理工作带来诸多困难，随着人口老龄化趋势的发展，大便失禁已经成为临床急需解决的病症之一。

由于肛管括约肌丧失功能或肛管括约肌被切除等原因造成重度大便失禁病症，外科治疗这种大便失禁的方法有肠造口手术和植入人工肛门括约肌假体。肠造口手术是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或畸形，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-人工肛门括约肌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(Artificial Anal SPhincter)用于外科治疗大便失禁病症，并取得良好的效果。

经对现有技术的文献检索发现：美国专利号US7011622B2以及US8172745A1，公开了一种Artificial Anal Sphincter（用于治疗大便失禁的人工肛门括约肌），该技术由PressureRegulating Ballon(压力调节球)、Control Pump(控制泵)和Cuff(钳夹囊袋)三个部件组成，控制泵是这种人工肛门括约肌的关键部件，其工作原理是手动挤压使进行工作，这种人工肛门括约肌存在的缺点是：患者必须通过手动挤压控制泵方式将钳夹囊袋内的液体排至储液囊袋，控制泵植入到阴囊（男）或阴唇（女），对患者的生活造成影响。

中国专利公开号CN102871773A，公开日2013-01-16，公开了一种“基于直肠感知功能的电磁控制式人工肛门括约肌装置”，该技术由一个电磁控制式执行机构，两块夹板传动机构跟弧形闭合机构构成，通过电磁执行机构对通过传动机构，让弧形闭合机构收紧夹持住肠道，然而此机构的缺点是：假体为非精确控制式的开闭，有效控便性与血供安全性有待验证。

综上所述，人工肛门括约肌系统虽然是治疗重度大便失禁的有效方案，但Artificial AnalSphincter假体结构在假体开闭控制方面的人工控制对患者造成不良影响；直肠感知功能的电磁控制在开闭控制方面较为粗糙。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种人工肛门括约肌假体开闭控制系统，能够实现假体开闭的精确控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：括约肌假体、若干等距离设置于括约肌假体与器官接触部的压力传感器、压力信号处理模块和微控制器，其中：压力传感器感知括约肌假体对器官的咬合压力，该咬合压力经由压力信号处理模块转化为电信号并传输至微控制器，微控制器进行开闭控制计算，对括约肌假体发出打开或关闭的指令，从而实现对括约肌假体的开闭动作控制；

所述的开闭控制计算为模糊控制算法，具体步骤包括：采用模糊二值逻辑1表征开闭完成，0表示开闭失当，当动作为关闭时，设定关闭阈值集合：{x|k-0.001≤x≤k+0.001},单位为Kpa，k为设定的关闭阈值，当实时咬合压力属于关闭阈值集合时，判断模糊逻辑为1，关闭完成；当实时咬合压力不属于关闭阈值集合内时，判断模糊逻辑值为0，微处理器控制括约肌假体进行打开或关闭的动作，直至括约肌假体咬合压力属于关闭阈值集合，模糊逻辑值为1，关闭完成。

所述的压力信号处理模块包括：桥式的处理电路，用于将对应的压力信号输出为线性对应的电压信号；精密放大电路，用于将电压信号放大并输出模拟电压信号；AD转换电路，用于将模拟电压信号转换为数字信号。

所述的括约肌假体包括：指节机构和收放执行机构，其中：指节机构为圆环形结构且包括若干依次转动连接的指节件，收放执行机构包括：驱动绳、两个卷扬轮和微型电机，其中：驱动绳顺次穿过指节机构的各个指节件，驱动绳一端固定在末端指节件上，另一端穿过卷扬轮上设置的圆形孔，并固定在卷扬轮上，两个卷扬轮与微型电机相连，微型电机接收微控制器发出的打开或关闭的指令，控制卷扬轮实现驱动绳的收放，进而带动各个指节件沿径向收缩或扩张，使得指节机构整体内径的变化，实现开闭动作。

所述的驱动绳在每个指节结构上设有两根，分别设置于指节件的两侧，从而整体上分别位于指节结构的内径侧和外径侧且对应控制缩和控制放。

所述的位于指节机构的首端和尾端的两个指节件分别与卷扬轮转动连接。

所述的指节件的结构为：中部为长方形主体，前端和末端为用于转动连接的连接部，两侧为设置驱动绳的穿线孔，压力传感器的咬合压力经由数据线沿该穿线孔传输。

所述的连接部为开有通孔的耳板结构，不同指节件的两个耳板结构分别由插销件相连。

所述的括约肌假体为水囊式假体，压力传感器设置于水囊内，微控制器控制水囊阀的开闭；在另一种实现方案中，所述的括约肌假体也可以是弹性缩放式括约肌假体，压力传感器设置于执行机构与连接机构上。

技术效果

本发明实现对括约肌假体的精准开闭控制；既简单易于实现，又具有良好的控制效果；同时压力传感器装置可以运用于人工肛门括约肌系统的便意重建。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为指节件正视图；

图3为指节件后视图；

图4为实施例1控制括约肌假体开闭的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：括约肌假体、若干等距离设置于括约肌假体与器官接触部的压力传感器3、压力信号处理模块和微控制器，其中：压力传感器3感知括约肌假体对器官的咬合压力，该咬合压力经由压力信号处理模块转化为电信号并传输至微控制器，微控制器进行开闭控制计算，对括约肌假体发出打开或关闭的指令，从而实现对括约肌假体的开闭动作控制；

所述的开闭控制计算具体为：模糊控制算法，以关闭假体为例，设定合理的关闭阈值集合：{x|k-0.001≤x≤k+0.001},单位为Kpa，K为设定的精确关闭阈值，当实时咬合压属于关闭阈值集合时，判断模糊逻辑为1，关闭完成；当实时咬合压不属于关闭阈值集合内时，判断模糊逻辑值为0，微处理器控制执行机构进行相应动作：在模糊逻辑0的集合里，分为集合A与集合B，其中集合A：{x|x<x-0.001}，表征关闭过松，集合B：{x|x>x+0.001}，表示关闭过紧；当实时咬合压属于集合A时，处理器控制执行机构对假体进行关闭动作，直至模糊逻辑为1；当实时咬合压属于集合B时，处理器控制执行机构对假体进行打开动作，直至模糊逻辑为1。

所述的压力信号处理模块包括：桥式的处理电路，将对应的压力信号输出为线性对应的电压信号U1；精密放大电路，将电压信号U1放大并输出模拟电压信号U2；AD转换电路，将模拟电压信号U2转换为数字信号U3。

所述的微控制器为：PIC16F690单片机，具有低功耗，体积微小，外围电路简单，特点。

如图1所示，所述的括约肌假体包括：指节机构和收放执行机构，其中：指节机构为圆环形结构且包括若干依次转动连接的指节件4，收放执行机构包括：驱动绳、两个卷扬轮5和微型电机6，其中：驱动绳顺次穿过指节机构的各个指节件4，驱动绳一端固定在末端指节件4上，另一端穿过卷扬轮5上设置的圆形孔，并固定在卷扬轮5上，两个卷扬轮5与微型电机6相连，微型电机6接收微控制器发出的打开或关闭的指令，控制卷扬轮5实现驱动绳的收放，进而带动各个指节件4沿径向收缩或扩张，使得指节机构整体内径的变化，实现开闭动作。

所述的驱动绳在每个指节结构上设有两根，分别设置于指节件4的两侧，从而整体上分别位于指节结构的内径侧和外径侧且对应控制缩和控制放。

所述的位于指节机构的首端和尾端的两个指节件4分别与卷扬轮5转动连接。

所述的指节件4的结构为：中部为长方形主体，前端和末端为用于转动连接的连接部，两侧为设置驱动绳的穿线孔，压力传感器3的咬合压力经由数据线沿该穿线孔1、2传输。

所述的连接部为开有通孔的耳板结构，不同指节件4的两个耳板结构分别由插销件相连。

本实施例等距设置三个压力传感器3，实时采集对应的三个点括约肌假体对肠道的咬合压。

所述的压力传感器3为接触式压力传感器3或者其它适合的压力传感器3；在假体开闭过程中，其能够实时采集假体对肠道的咬合压力。

本例中传感器的信号传递线沿假体指节键的穿线孔1、2传出。

本例中的传感器设置完成后，对整个假体及传感器进行医用硅橡胶薄膜封装，保证整个机构的生物相容性与组织安全性。封装完成后，需对传感器进行标定。

本例中针对假体开闭的精确控制的程序流程图如图3所示，当假体关闭时：执行机构关闭假体，并实时监测假体对肠道的咬合压；对三个传感器采集到的压力值取平均，与关闭阈值相比较，直至咬合压稳定大于或等于关闭阈值，关闭动作停止；测量此时咬合压，与关闭阈值相比较，微调假体的状态，直至咬合压与关闭阈值基本一致。假体打开的原理与关闭的原理一致，本实施例的阈值设定为0.001kpa。

假体的关闭阈值充分考虑控便有效性与肠道的供血安全性，根据多次实验结果进行设置；假体的打开阈值，充分考虑肠道有便情况下假体能够打开充分，根据多次实验结果进行设置。

实施例2

所述的括约肌假体为水囊式假体，如现有技术中所述的用于治疗大便失禁的人工肛门括约肌，压力传感器设置于水囊内，微控制器控制水囊阀的开闭。

Claims (7)

1.一种人工肛门括约肌假体开闭控制系统，其特征在于，包括：括约肌假体、若干等距离设置于括约肌假体与器官接触部的压力传感器、压力信号处理模块和微控制器，其中：压力传感器感知括约肌假体对器官的咬合压力，该咬合压力经由压力信号处理模块转化为电信号并传输至微控制器，微控制器进行开闭控制计算，对括约肌假体发出打开或关闭的指令，从而实现对括约肌假体的开闭动作控制；开闭控制计算采用模糊控制算法；

所述的括约肌假体包括：指节机构和收放执行机构，其中：指节机构为圆环形结构且包括若干依次转动连接的指节件，收放执行机构包括：驱动绳、两个卷扬轮和微型电机，其中：驱动绳顺次穿过指节机构的各个指节件，驱动绳一端固定在末端指节件上，另一端穿过卷扬轮上设置的圆形孔，并固定在卷扬轮上，两个卷扬轮与微型电机相连，微型电机接收微控制器发出的打开或关闭的指令，控制卷扬轮实现驱动绳的收放，进而带动各个指节件沿径向收缩或扩张，使得指节机构整体内径的变化，实现开闭动作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的开闭控制计算具体为：采用模糊二值逻辑1表征开闭完成，0表示开闭失当，当动作为关闭时，设定关闭阈值集合：{x|k-0.001≤x≤k+0.001},单位为Kpa，k为设定的关闭阈值，当实时咬合压力属于关闭阈值集合时，判断模糊逻辑为1，关闭完成；当实时咬合压力不属于关闭阈值集合内时，判断模糊逻辑值为0，微处理器控制括约肌假体进行打开或关闭的动作，直至括约肌假体咬合压力属于关闭阈值集合，模糊逻辑值为1，关闭完成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的压力信号处理模块包括：桥式的处理电路，用于将对应的压力信号输出为线性对应的电压信号；精密放大电路，用于将电压信号放大并输出模拟电压信号；AD转换电路，用于将模拟电压信号转换为数字信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的驱动绳在每个指节结构上设有两根，分别设置于指节件的两侧，从而整体上分别位于指节结构的内径侧和外径侧且对应控制缩和控制放。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，位于指节机构的首端和尾端的两个指节件分别与卷扬轮转动连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的指节件的结构为：中部为长方形主体，前端和末端为用于转动连接的连接部，两侧为设置驱动绳的穿线孔，压力传感器的咬合压力经由数据线沿该穿线孔传输。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的连接部为开有通孔的耳板结构，不同指节件的两个耳板结构分别由插销件相连。