CN105030194A - 基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统及方法，包括：人工肛门括约肌执行机构、若干用于采集肠道压力的柔性压力传感器、红外发射与接收器、压力信息处理模块和微控制器，其中：柔性压力传感器置于人工肛门括约肌执行机构内壁并与肠道表面紧密贴合，提取肠道压力并由压力信息处理模块进行处理并将肠道压力信息传送至微控制器，微控制器在收到肠道压力信息后经判断并向红外发射与接收器输出启动指令，并接受来自红外发射与接收器的红外信号传输强度信息，从而判断内容物类型信息，微控制器同时从肠道压力信息中计算出的肠道内容物数量，并与内容物类型信息一并发送至体外，从而实现便意感知系统重建。

Description

基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种胃肠道医疗器械技术领域的系统，具体是一种基于内嵌在人工肛门括约肌机械臂内的柔性压力传感器与红外探测头，实现对肠道内容物种类与数量检测的系统。

背景技术

肛门失禁是指肛门括约肌失去对粪便(固体、液体和气体)排出的控制能力，属于排便功能紊乱的一种，严重干扰患者正常生活和工作，对患者的身心产生巨大的影响，伴随着现代人不良的生活方式、日益突出的社会老龄化以及精神压力的攀升，肛门失禁已经成为一个不可忽视的社会问题。现有常规治疗手段以结肠造口术为主，治疗效果差，易引起并发症，严重影响患者生活质量。植入式人工肛门括约肌是一种全新的治疗方法，通过植入人体直肠末端替代人体固有组织，实现肛门括约肌的排便控便功能。但因为肛门失禁患者丧失便意感受神经，而现有人工肛门括约肌系统均未很好地解决患者便意感知问题，如何让患者得知何时需要排便，并掌握排泄物的种类(固体、液体和气体)信息是人工肛门括约肌研究面临的一大难题。

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ArtificialAnalSphincter(用于治疗大便失禁的人工肛门括约肌)，该技术采用水囊式执行机构模拟人体肛门括约肌，通过水泵对水囊充水或排水实现对直肠的夹紧与放松，可很好地实现排便控便供能，但其不具备肠道内容物检测功能，无法提供便意信息，患者需通过长期训练自行掌握排便时机。

中国专利文献号：CN1935085A，公开日2007‐03‐28，公开了一种基于胃肠电的便意检测方法，该方法通过对胃肠电信号采集、放大、陷波、带通滤波后进行信号分析，判断患者是否有排便需要。该方法需要专用胃肠电信号检测设备与患者相连，患者无法自由活动，并且基于电信号的处理系统有较高的误判率与延时，无法准确及时地判断患者的便意信息。

中国专利文献号：CN103654804A，公开日2013‐12‐25，公开了一种便意信号检测与便意重建系统，该系统通过内置于指扣式肛门括约肌的压力传感器，与设定阈值比较后判断是否有排便需要。该方法仅基于肠道压力的大小信息判断便意，误判率较高，此外当肠道内容物为不同种类(固体、液体和气体)时，该系统无法通过肠道压力信息判断排泄物的具体种类。

综上所述，植入式人工肛门括约肌虽能帮助肛门失禁患者实现排便控便功能，但现有系统无法满足患者对肠道内容物感知的需要。因此迫切需要一种面向人工肛门括约肌的肠道内容物检测系统，实现便意感知系统的重建。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统及方法，通过设置压力传感器于人工肛门括约肌机构内壁并与肠道外壁紧密贴合，提取肠道压力信息。当肠道有内容物时，压力上升，系统开启位于肠道外壁相对位置的红外发射与接收器，根据红外接收强度信息判断内容物的种类(固体、液体和气体)，结合肠道压力值计算肠道内容物数量并判断是否需要排便。以上信息均通过无线通讯系统反馈至体外监测端，实现患者便意感知系统重建。

本发明是通过以下技术方案实现的:

本发明涉及一种基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统，包括：人工肛门括约肌执行机构、若干用于采集肠道压力的柔性压力传感器、红外发射与接收器、压力信息处理模块和微控制器，其中：柔性压力传感器置于人工肛门括约肌执行机构内壁并与肠道表面紧密贴合，提取肠道压力并由压力信息处理模块进行处理并将肠道压力信息传送至微控制器，微控制器在收到肠道压力信息后经判断并向红外发射与接收器输出启动指令，并接受来自红外发射与接收器的红外信号传输强度信息，从而判断内容物类型(固体、液体和气体)信息，微控制器同时从肠道压力信息中计算出的肠道内容物数量，并与内容物类型信息一并发送至体外，从而实现便意感知系统重建。

所述的控制器优选通过无线方式将肠道内容物数量和内容物类型信息实时输出至体外显示装置或人机控制装置，使得用户了解当前肠道内容物数量和内容物类型信息，以实时掌握肠道内容物信息。

所述的柔性压力传感器采集肠道压力信息判断内容物数量，通过红外接收强度判断肠道内容物类型，二者结合形成便意信息。

所述的人工肛门括约肌执行机构包括：上、下两层的固定机构、中间摆臂和电机驱动机构，其中：上、下两层的固定机构、中间摆臂和电机驱动机构，其中：固定机构套置于肠道外壁实现定位，中间摆臂与电机驱动机构相连并在径向平面内自由摆动，实现对肠道牵引与夹持。

所述的电机驱动机构包括微型电机与紧凑型微型减速箱，减速箱齿轮最后一级与中间摆臂连接，驱动摆臂转动。

所述的微型电机可采用但不限于福尔哈贝1016N003G型微型电机。该电机采用3V供电，额定转速2500rpm，额定转矩0.43g·cm，直径10mm，具有较高的可靠性。

所述的柔性压力传感器设置于人工肛门括约肌机构内壁并环绕于肠道外壁与之紧密贴合。在仿耻骨直肠肌式人工肛门括约肌系统中，三个柔性压力传感器分别嵌入中间摆臂与上下两层固定机构的内壁中以及上层环状机构的上表面。

所述的柔性压力传感器是内置耐水性电桥式压力传感器裸片的条状可弯曲肠道压力传感器，其中：压力传感器裸片设置于医用硅胶管内，充入生理盐水后于硅胶管两端使用丁基橡胶塞密封。当硅胶管受外力挤压时，管内生理盐水可将压力信息传导至压力传感器裸片，完成压力采集后的数模转换值由埋置在丁基橡胶塞中的数据传输线传出。该传感器可环绕于肠道外壁，实现肠道面状收缩压的采集。

所述的耐水性电桥式压力传感器裸片可采用但不限于TDK‐C29压力传感器裸片。该压力传感器裸片适用于液体检测环境，测量范围较宽，可测量绝对压力值。

所述的红外发射与接收器中的红外发射器发出红外信号后由在肠道另一侧的红外接收器接收，红外发射器和红外接收器分别设置于人工肛门括约肌机构内壁相对位置上。

所述的红外发射与接收器可采用但不限于HS0038B红外发射二极管与TSAL6200红外接收二极管，该组红外发射与接收器具有较高的灵敏度，在红外感应领域中应用广泛。

所述的压力信号处理模块包括：信号传输电路、精密放大电路和模数转换电路，其中：信号传输电路将内置于硅胶管内的压力传感器裸片采集的肠道压力传出给精密放大电路，精密放大电路将信号传输电路输出的微弱差分信号放大至模数转换电路的输入电压范围，模数转换电路将模拟电压信号转换为肠道压力信息。

所述的微处理器可采用但不限于PIC16F886微控制器，该微控制器具有较小的体积与超低的功耗，针对仿耻骨直肠肌式人工肛门括约肌系统，其系统自身内置该模块。

所述的无线通讯模块可采用但不限于以si4431无线通讯芯片为核心的通讯电路，该无线通讯模块具有较小的体积与较低的功耗，针对仿耻骨直肠肌式人工肛门括约肌系统，其系统自身内置该模块。

所述的体外控制模块可采用但不限于以PIC24FJ64GA004微控制器为核心的控制电路，该模块可对体内传出的肠道内容物信息进行处理与显示，提示患者是否有便意信号产生，并可通过人机交互接口接收患者排便、控便指令，控制人工肛门括约肌执行机构产生相应动作，针对仿耻骨直肠肌式人工肛门括约肌系统，其系统自身内置该模块。

本发明涉及上述系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、肠道有内容物时，产生径向膨胀，肠道外壁挤压嵌入人工肛门括约肌机构内壁的压力传感器，当压力随内容物增多而增大并超过设定的压力阈值a(Kpa)时微控制器控制开启红外发射与接收器。

步骤2、红外发射器发出红外线，穿过肠道及内容物后被位于肠道另一侧的红外接收器接收并转换为接收强度信号传送至微控制器。若接收强度小于设定的液相阈值b，则内容物为气体；若接收强度大于液相阈值b并小于固相阈值c，则内容物为液体；若接收强度大于固相阈值c，则内容物为固体。

步骤3、微控制器继续采集肠道压力值，并根据内容物的种类(固体，液体和气体)调用不同的内容物数量计算公式，结合肠道压力值计算内容物数量。

步骤4、若内容物数量大于设定的排便阈值d，微控制器则通过无线通讯模块发送肠道内容物信息与便意信号给体外控制模块，实现便意感知系统重建。

附图说明

图1为实施例1设置图。

图2为肠道柔性压力传感器示意图。

图3为实施例1肠道内容物检测流程图。

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

如图1所示，本实施例包括：电机驱动机构1、上层固定机构2、下层固定机构3、中间摆臂4、肠道柔性压力传感器5、6、7、8、红外发射器9、红外接收器10。

本实施例中的肠道柔性压力传感器为4个，具体运用中传感器数量不限于4个，分别设置于人工肛门括约肌执行机构的中间摆臂4、上下两层固定机构2、3的内壁及上层固定机构2的上表面，弯曲为半环形状，与肠道紧密贴合。

所述的红外发射与接收器为一对，在本实施例中设置在人工肛门括约肌执行机构上层固定机构2的内壁，发射器与接收器分别设置在径向平面相对位置上。

如图2所示，所述的肠道柔性压力传感器为基于TDK‐C29液体环境绝对压力传感器裸片开发的条状可弯曲肠道压力传感器，包括：信号传输线11、传感器端丁基橡胶塞12、压力传感器裸片13、PCB衬底14、生理盐水15、医用硅胶管16、丁基橡胶塞17，其中：压力传感器裸片13放置于内径2.7mm，外径3.0mm，长度30mm的医用硅胶管16内，管内注入生理盐水15后对硅胶管两端使用丁基橡胶塞2、7密封，肠道挤压硅胶管通过生理盐水作用于压力传感器裸片，提取压力信息后由信号传输线11传出。该压力传感器规格为，厚度0.3mm，量程80～120kPa。

如图3所示，本实施例中传感器的设置方式运用在人工肛门括约肌执行机构夹持状态下，中间摆臂径向摆至机构中心位置时，肠道与机构内壁上的压力传感器紧密贴合，肠道有内容物时，产生径向膨胀，肠道外壁挤压四个压力传感器。当压力随内容物增多而增大并超过设定阈值时，微控制器控制开启红外发射与接收器，红外发射器发出红外线，穿过肠道及内容物到达接收器，当肠道内容物为气体时，红外接收强度较强；当肠道内容物为液体时，红外接收强度较弱；当肠道内容物为固体时，红外接收强度最弱。微控制器实时检测红外接收器的接收强度从而判断内容物类型(固体、液体和气体)，并采集4个肠道压力传感器的压力值计算内容物的数量，当内容物数量超过设定阈值时，微控制器通过无线通讯模块向体外控制模块发送肠道内容物信息及便意信号。

体外控制模块接收到便意信号，进行蜂鸣提醒患者排便，并显示肠道内容物类型与数量信息，实现便意感知系统重建。

本实施例中的压力传感器、红外发送与接收器设置完成后，对整个人工肛门括约肌执行机构及传感器需进行医用硅胶薄膜封装，避免系统植入人体时被组织液腐蚀，并保证机构与人体组织的相容性与安全性。封装完成后，需对传感器进行标定。

本实施例的包裹薄膜厚度为0.5mm，采用医用硅橡胶制成，具有良好的耐水性、拉伸性与生物相容性。

本系统用于人工肛门括约肌系统中对肠道内容物信息提取与便意信号的重建，为患者提供实时的肠道内容物类型与数量信息，并自动判断是否需要排便，实现患者便意感知系统重建，具有创新性与实用性，具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于柔性压力传感器与红外探测的肠道内容物检测系统，其特征在于，包括：人工肛门括约肌执行机构、若干用于采集肠道压力的柔性压力传感器、红外发射与接收器、压力信息处理模块和微控制器，其中：柔性压力传感器置于人工肛门括约肌执行机构内壁并与肠道表面紧密贴合，提取肠道压力并由压力信息处理模块进行处理并将肠道压力信息传送至微控制器，微控制器在收到肠道压力信息后经判断并向红外发射与接收器输出启动指令，并接受来自红外发射与接收器的红外信号传输强度信息，从而判断内容物类型信息，微控制器同时从肠道压力信息中计算出的肠道内容物数量，并与内容物类型信息一并发送至体外，从而实现便意感知系统重建。

2.根据权利要求1所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的人工肛门括约肌执行机构包括：上、下两层的固定机构、中间摆臂和电机驱动机构，其中：固定机构套置于肠道外壁实现定位，中间摆臂与电机驱动机构相连并在径向平面内自由摆动，实现对肠道牵引与夹持。

3.根据权利要求2所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的电机驱动机构包括微型电机与紧凑型微型减速箱，减速箱齿轮最后一级与中间摆臂连接，驱动摆臂转动。

4.根据权利要求2所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的柔性压力传感器共三个且分别嵌入中间摆臂与上下两层固定机构的内壁中以及上层环状机构的上表面。

5.根据权利要求1或4所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的柔性压力传感器是内置耐水性电桥式压力传感器裸片的条状可弯曲肠道压力传感器，其中：压力传感器裸片设置于医用硅胶管内，充入生理盐水后于硅胶管两端使用丁基橡胶塞密封。

6.根据权利要求1所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的红外发射与接收器中的红外发射器发出红外信号后由在肠道另一侧的红外接收器接收，红外发射器和红外接收器分别设置于人工肛门括约肌机构内壁相对位置上。

7.根据权利要求1所述的肠道内容物检测系统，其特征是，所述的压力信号处理模块包括：信号传输电路、精密放大电路和模数转换电路，其中：信号传输电路将内置于硅胶管内的压力传感器裸片采集的肠道压力传出给精密放大电路，精密放大电路将信号传输电路输出的微弱差分信号放大至模数转换电路的输入电压范围，模数转换电路将模拟电压信号转换为肠道压力信息。

8.一种根据上述任一权利要求所述系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、肠道有内容物时，产生径向膨胀，肠道外壁挤压嵌入人工肛门括约肌机构内壁的压力传感器，当压力随内容物增多而增大并超过设定的压力阈值时微控制器控制开启红外发射与接收器；

步骤2、红外发射器发出红外线，穿过肠道及内容物后被位于肠道另一侧的红外接收器接收并转换为接收强度信号传送至微控制器；当接收强度小于设定的液相阈值，则内容物为气体；当接收强度大于液相阈值并小于固相阈值，则内容物为液体；当接收强度大于固相阈值，则内容物为固体；

步骤3、微控制器继续采集肠道压力值，并根据内容物的种类调用不同的内容物数量计算公式，结合肠道压力值计算内容物数量；

步骤4、当内容物数量大于设定的排便阈值，微控制器则通过无线通讯模块发送肠道内容物信息与便意信号给体外控制模块，实现便意感知系统重建。