CN111341185A - 一种消化道测压模拟装置、模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消化道测压模拟装置、模拟系统及方法。该消化道测压模拟装置包括流体源以及与流体源连通的N个压力测量通道；每个压力测量通道包括封闭腔体、连接流体源出口和封闭腔体的流体入口的第一管道、与封闭腔体的流体出口连接的第二管道、设置于第一管道上的第一流量控制单元、设置于第二管道上的第二流量控制单元、以及用于检测封闭腔体内部压力变化的压力传感器。该装置能够模拟运动过程中的消化道压力变化，无需通过人体患者真实插管检测做病例，能模拟出不同的消化道压力数据，节省人力物力和时间，便于芝加哥分类算法的临床研究。

Description

一种消化道测压模拟装置、模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗模拟技术领域，特别是涉及一种消化道测压模拟装置、模拟系统及方法。

背景技术

对消化道的压力进行监测分析是评估其运动能力的一项重要指标，能够为医生的正确诊断提供参考依据。以食道测压为例：食道压力监测是食管动力障碍性疾病的基本检测手段，自19世纪末开始，食管测压技术历经百余年的发展，从水灌注测压发展到固态测压，食管压力监测的记录方式也从传统的线性图形发展到压力云图。高分辨食道测压(highresolution manometry，HRM)，是采用水灌注或者固态测压的方式，通过均匀分布在食管全段的压力感应器检测食道的压力，并将其线性测压图形转换成彩色的压力云图。

临床上需根据分类算法对HRM的压力云图中的吞咽波数据分类计算得到的医学参数结果，并结合患者症状和体征，来量化和评估患者食管运动的功能，为责门失缓症、吞咽困难等食管动力障碍疾病的研究提供依据，指导临床诊断及治疗。

自HRM问世以来，食道动力领域的专家一直致力于将HRM的彩色压力分布时空图中的吞咽波数据进行归类。2009年在美国芝加哥西北大学的食管动力学专家PeterJ.Kahrilas和John E.Pandolfino的牵头下，第1版HRM食管动力障碍分类标准面世，并命名为“芝加哥分类”，该分类将食管动力监测过程中常见的吞咽波数据进行总结，这一分类在临床实践中不断更新，至2015年更新为第3版。芝加哥分类算法包括很多吞咽波分类标准，每个分类标准对应不同的吞咽波形，将大多数临床常见的食管动力障碍进行了细化，增加了临床可操作性，促进了动力相关食管症状的诊断和治疗，因此，对芝加哥分类算法进行深入研究有利于临床诊断和治疗。但是现有技术中，如果要研究芝加哥分类算法里一个参数，需要从大量的病例中，寻找合适的吞咽波形进行匹配，甚至有时需要重新做病例，才能找到与该参数相匹配的吞咽波，十分不利于芝加哥分类算法的临床研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种消化道测压模拟装置、模拟系统及方法。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种消化道测压模拟装置，包括流体源以及与所述流体源连通的N个压力测量通道，所述N为正整数；

每个所述压力测量通道包括封闭腔体、连接所述流体源出口和所述封闭腔体的流体入口的第一管道、与所述封闭腔体的流体出口连接的第二管道、设置于所述第一管道上的第一流量控制单元、设置于所述第二管道上的第二流量控制单元、以及用于检测所述封闭腔体内部压力变化的压力传感器。

上述技术方案的有益效果为：该装置能够模拟消化道运动过程中的压力变化，无需通过人体患者真实插管检测做病例，能模拟出不同的消化道压力数据，节省人力物力和时间。

在模拟食道吞咽过程时，食道吞咽过程中食道压力变化，无需通过人体患者真实插管检测做病例，能模拟出不同的食道压力数据，节省人力物力和时间，便于芝加哥分类算法的临床研究。

在本发明的一种优选实施方式中，所述流体源为气源或水源。

上述技术方案的有益效果为：获取方便，便于回收利用。

在本发明的一种优选实施方式中，所述压力传感器位于所述封闭腔体内部或封闭腔体外底部。

上述技术方案的有益效果为：结构简单。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括导管，N个压力传感器沿所述导管长度方向依次间隔设置，压力传感器设置于导管外部；

所述导管依次穿过N个封闭腔体。

上述技术方案的有益效果为：通过导管承载N个通道的压力传感器，更符合实际消化道测压环境，使获得的压力数据更具有临床研究研究价值。

在本发明的一种优选实施方式中，所述封闭腔体为弹性的环状结构，所述导管依次穿过N个封闭腔体的内环；

所述导管的外径大于封闭腔体在充入流体膨胀后的内环直径，导管的外径小于封闭腔体放出流体坍缩后的内环直径。

上述技术方案的有益效果为：将封闭腔体设置为弹性的环状结构，在流体通入的过程中，封闭腔体膨胀，挤压内环中的导管，在流体泄放过程中，封闭腔体坍缩，对内环中导管的挤压作用减小，通过导管中的压力传感器的测量数据能够很好的模拟消化道测压数据，且这种结构使用安装方便，能够长期的重复使用。

在本发明的一种优选实施方式中，所述封闭腔体上开设有导管进口和导管出口，所述导管依次穿过N个封闭腔体的导管进口和导管出口，并通过密封件分别与导管入口和导管出口密封连接。

上述技术方案的有益效果为：这种结构进一步准确地模拟了实际的消化道测压环境，获得的压力数据更接近真实数据，研究价值更高。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第一流量控制单元包括第一流量泵和/或第一阀门；

和/或所述第二流量控制单元第二流量泵和/或第二阀门；

至少有一个所述第二管道的出口连接所述流体源的入口。

上述技术方案的有益效果为：通过第一流量泵、第一阀门、第二流量泵和第二阀门容易实现精确控制和自动控制。第二管道的出口连接流体源的入口，对流体实现了回收利用，节省成本。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种模拟系统，包括如本发明所述的消化道测压模拟装置，以及控制器和记录仪；

所述控制器控制N个压力测量通道中的第一流量控制单元的流体通入时长和/或流体通入量，以及控制第二流量控制单元的流体泄放时长，使N个压力测量通道的封闭腔体依次被通入和排出流体以模拟运动过程中的消化道压力分布；

所述记录仪采集所有所述压力传感器输出的压力数据并记录；

或者还包括上位机，所述上位机分别与所述控制器和所述记录仪连接通信，进行人机交互。

上述技术方案的有益效果为：能够自动化模拟消化道运动过程(例如食道吞咽过程)中的压力变化，无需通过人体患者真实插管检测做病例，能模拟出不同的消化道压力数据，节省人力物力和时间，便于芝加哥分类算法的临床研究。通过上位机便于实现人机交互。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种基于本发明所述的模拟系统模拟消化道测压的方法，包括：

步骤S0，对N个压力传感器进行校准；

步骤S1，为每个压力测量通道预设流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长，并根据压力测量通道预设的流体通入时长和流体通入量确定第一流量控制单元的阀门开度；

步骤S2，N个压力测量通道依次进行如下操作：

第一流量控制单元基于步骤S1中的阀门开度开始向封闭腔体通入流体，当流体通入时长达到预设的流体通入时长时，关闭第一流量控制单元，第二流量控制单元开始泄放封闭腔体内的流体，当泄放时长达到预设的流体泄放时长后，关闭第二流量控制单元；

步骤S3，重复执行步骤S2共M次，记录M次执行步骤S2的过程中N个封闭腔体内压力传感器的输出数据；M为大于等于1的正整数；

步骤S4，将N个封闭腔体内压力传感器的输出数据绘制成压力云图。

上述技术方案的有益效果为：通过设置流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长等参数可以模拟出不同的消化道压力测试数据并绘制成压力云图，无需通过人体患者真实插管检测做病例，能模拟出不同的消化道压力数据，节省人力物力和时间，便于芝加哥分类算法的临床研究。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中还包括保存步骤S1中预设的流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长的步骤。

上述技术方案的有益效果为：便于后续直接调用，减少参数设置时间。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中模拟系统的系统控制框图；

图2是本发明一具体实施方式中上位机的控制界面示意图；

图3是本发明一种应用场景中模拟食道测压的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种消化道测压模拟装置，包括流体源以及与流体源连通的N个压力测量通道，N为正整数，优选的N的取值范围为21-36；

每个压力测量通道包括封闭腔体、连接流体源出口和封闭腔体的流体入口的第一管道、与封闭腔体的流体出口连接的第二管道、设置于第一管道上的第一流量控制单元、设置于第二管道上的第二流量控制单元、以及用于检测封闭腔体内部压力变化的压力传感器。

在本实施方式中，封闭腔体的流体入口与第一管道，以及封闭腔体的流体出口与第二管道均需要密封连接，第一管道和第二管道可以与封闭腔体一体设置，或者在连接处通过密封圈、密封胶等进行密封连接。封闭腔体可具有弹性或者不具备弹性，可以有多种形状。

在本实施方式中，N个压力测量通道模拟了消化道中N个不同位置点在运动过程中的受压情况，优选的，消化道为食道，通过N个压力测量通道模拟了食道中N个不同位置点在吞咽过程中的受压情况；通过第一流量控制单元向封闭腔体中通入流体的过程中，封闭腔体内部的压力随着流体通入量增加而增加，同时压力增加的速度与通入流体的流速正相关；通入流体后，通过第二流量控制单元使封闭腔体中的流体泄放，封闭腔体内的压力减小的速度与流体泄放速度正相关；依据上述原理，使N个封闭腔体依次通入流体和泄放流体，并采集整个过程中压力传感器的输出数据，利用这些数据就能获得一个模拟的消化道运动过程压力云图，通过改变第一流量控制单元的阀门开度和开启时间，以及第二流量控制单元的开启时间三者中一个或多个，就能获得不同类型的消化道运动过程的压力云图。

在本实施方式中，优选的，第一流量控制单元包括第一流量泵和/或第一阀门；和/或第二流量控制单元第二流量泵和/或第二阀门。第一流量控制单元可以为第一流量泵，或者为第一阀门，或者为第一流量泵和第一阀门的串接组合；第二流量控制单元可以为第二流量泵，或者为第二阀门，或者为第二流量泵和第二阀门的串接组合。

在本实施方式中，优选的，至少有一个第二管道的出口连接流体源的入口。在一种优选实施方式中，流体源为气源或水源。

在本实施方式中，流体源为气源时，优选的，选择无污染的C02等气体。水源可为自来水或纯净水等。

在一种优选实施方式中，压力传感器位于封闭腔体内部或封闭腔体外底部。

在本实施方式中，当流体源为气源时，压力传感器可为气压传感器。优选的，在远离封闭腔体流体出口和流体入口处开设有一个孔，气压传感器的气压感测探头通过该孔伸入封闭腔体中，且气压感测探头与该孔密封连接。也可以将整个气压传感器通过流体出口或流体入口放置于封闭腔体中，优选的，选择带无线通信模块的气压传感器，减少线缆数量，避免在封闭腔体上预留出线孔。

在本实施方式中，当流体源为水源时，压力传感器可为水压传感器；优选的，水压传感器靠近封闭腔体内底部设置，可在封闭腔体底部开设一个孔，水压传感器的水压感测探头通过该孔伸入封闭腔体中，且水压感测探头与该孔密封连接。

在本实施方式中，当流体源为水源时，N个封闭腔体放置于平台上，压力传感器可为重力传感器，重力传感器的重力感应元件固定于封闭腔体外底部感测封闭腔体通入水和排泄水这个过程中的重力变化。

在一种优选实施方式中，还包括导管，N个压力传感器沿导管长度方向依次间隔设置，压力传感器设置于导管外部；

导管依次穿过N个封闭腔体。

在本实施方式中，导管的材质优选但不限于为塑料；导管的长度与N个封闭腔体的排列总长有关；压力传感器之间的间隔距离与封闭腔体的间隔距离对应，在导管依次穿过N个封闭腔体后，使得在每个封闭腔体内或外具有一个压力传感器。

在本实施方式中，压力传感器可选择微型压力传感器，将其固定于导管外部；也可选择金属电阻丝缠绕在导管外壁，利用在机械作用下产生的应变/电阻效应(即封闭腔体内部或外部压力变化时，金属电阻丝发生微变形，该微变形会导致金属电阻丝的电阻值发生变化)来测量封闭腔体内部或外部压力变化。优选的，压力传感器和导管的结构形式可选择或参考现有的实际消化道测压中的压力传感器和导管的结构形式。

在本实施方式中，优选的，导管位于封闭腔体中间，感受压力的变化，每个压力传感器位于一个密闭的腔道，保证不受其他通道压力影响。

在一种优选实施方式中，封闭腔体为弹性的环状结构，导管依次穿过N个封闭腔体的内环；

导管的外径大于封闭腔体在充入流体膨胀后的内环直径，导管的外径小于封闭腔体放出流体坍缩后的内环直径。

在本实施方式中，封闭腔体可为弹性硅胶或塑胶制成。优选的，在没有通入流体前，导管与封闭腔体内环小间歇配合，导管的外径与封闭腔体通入流体前的内环直径之差为-0.5mm到-2mm。

在一种优选实施方式中，封闭腔体上开设有导管进口和导管出口，导管依次穿过N个封闭腔体的导管进口和导管出口，并通过密封件分别与导管入口和导管出口密封连接。

在本实施方式中，密封件优选但不限于为密封橡胶圈、密封胶等。

本发明还公开了一种模拟系统，在一种优选实施方式中，如图1所示，模拟系统包括本发明的消化道测压模拟装置，以及控制器和记录仪；

控制器控制N个压力测量通道中的第一流量控制单元的流体通入时长和/或流体通入量，以及控制第二流量控制单元的流体泄放时长，使N个压力测量通道的封闭腔体依次被通入和排出流体以模拟运动过程中的消化道压力分布；

记录仪采集所有压力传感器输出的压力数据并记录；

或者还包括上位机，上位机分别与控制器和记录仪连接通信，进行人机交互。

在本实施方式中，上位机优选为电脑，其通过显示屏显示该系统的操作面板，如图2所示，在操作面板上可以设置进气量、进气时长、泄气时长等参数，并将该参数传递给控制器。消化道的运动过程优选但不限于为食道吞咽过程或者肠道蠕动等。

在本实施方式中，控制器优选的为单片机、MCU、PLC等处理器，其与N个压力测量通道的第一流量控制单元和第二流量控制单元通信连接，控制第一流量控制单元的开启时长、阀门开度，以及控制第二流量控制单元的开启时长，进而控制了N个通道的压力值。第一流量控制单元的开启时长、阀门开度决定了流体通入量和流体通入速率，第二流量控制单元的开启时长决定了流体的泄放速率，这样就模拟出了封闭腔体内的压力瞬时变化。

在本实施方式中，记录仪用于记录压力数据的变化，将压力数据同步传输给上位机软件。上位机获得记录集记录的压力数据后，绘制出压力云图并显示。

本发明还公开了一种基于本发明的模拟系统模拟消化道测压的方法，在一种优选实施方式中，该方法包括：

步骤S0，对N个压力传感器进行校准；

步骤S1，为每个压力测量通道预设流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长，并根据压力测量通道预设的流体通入时长和流体通入量确定第一流量控制单元的阀门开度；

步骤S2，N个压力测量通道依次进行如下操作：

第一流量控制单元基于步骤S1中的阀门开度开始向封闭腔体通入流体，当流体通入时长达到预设的流体通入时长时，关闭第一流量控制单元，第二流量控制单元开始泄放封闭腔体内的流体，当泄放时长达到预设的流体泄放时长后，关闭第二流量控制单元；

步骤S3，重复执行步骤S2共M次，记录M次执行步骤S2的过程中N个封闭腔体内压力传感器的输出数据；M为大于等于1的正整数，M的取值范围可为6-10；

步骤S4，将N个封闭腔体内压力传感器的输出数据绘制成压力云图。

在本实施方式中，通过流体通入时长、流体通入量可以获得流体通入速率，流体通入时长由第一流量泵和/或第一阀门的开启时长确定，流体通入量由第一流量泵和/或第一阀门的开启时长和阀门开度确定；通过流体泄放时长可以获得流体泄放速率，这里预设第二流量泵和/或第二阀门的阀门开度固定，比如阀门开度100％，那么流体泄放时长由第二流量泵和/或第人阀门的开启时长确定。

在一种优选实施中，在步骤S3中还包括保存步骤S1中预设的流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长的步骤，这样使得在步骤S1中可以直接选择保存的参数，无需重复设置，或者在保存的参数上做调整即可，极大地节省了时间。

在该方法的一种应用场景中，具体流程示意图如图3所示。具体为：

对测压导管中的压力传感器进行校准，校准通过后，将导管顺序插入N个封闭腔体，开启数据采集流程，查看每个通道压力传感器输出数据是否正常，以判断安装是否正确，若有异常，调试安装，直到无异常；

在上位机的控制界面上设置进气/泄气参数(即每个压力测量通道预设流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长)，判断是否已有训练模型(即预设的进气/泄气参数是否已设置过)，若有，点击训练模型，若没有，新建训练模型设置进气/泄气参数，点击确定按钮，上位机将进气/泄气参数传递给控制器，控制器以接收到信息的时间点作为模拟过程的起始时间点，依次控制N个封闭腔体通入和排泄流体，模拟食道吞咽过程，获得一个吞咽波数据；

重复执行上述模拟食道吞咽过程10次，获得10个吞咽波数据，完成一个完整的病例数据模拟；将记录仪获得所有压力数据回传到上位机，上位机根据芝加哥分类算法分析单个吞咽框，得到单个吞咽框的分析结果，逐个分析吞咽框直到最后一个，得到所有吞咽框的分析结果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种消化道测压模拟装置，其特征在于，包括流体源以及与所述流体源连通的N个压力测量通道，所述N为正整数；

每个所述压力测量通道包括封闭腔体、连接所述流体源出口和所述封闭腔体的流体入口的第一管道、与所述封闭腔体的流体出口连接的第二管道、设置于所述第一管道上的第一流量控制单元、设置于所述第二管道上的第二流量控制单元、以及用于检测所述封闭腔体内部压力变化的压力传感器。

2.如权利要求1所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，所述流体源为气源或水源。

3.如权利要求1所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，所述压力传感器位于所述封闭腔体内部或封闭腔体外底部。

4.如权利要求1所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，还包括导管，N个压力传感器沿所述导管长度方向依次间隔设置，压力传感器设置于导管外部；

所述导管依次穿过N个封闭腔体。

5.如权利要求4所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，所述封闭腔体为弹性的环状结构，所述导管依次穿过N个封闭腔体的内环；

所述导管的外径大于封闭腔体在充入流体膨胀后的内环直径，导管的外径小于封闭腔体放出流体坍缩后的内环直径。

6.如权利要求4所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，所述封闭腔体上开设有导管进口和导管出口，所述导管依次穿过N个封闭腔体的导管进口和导管出口，并通过密封件分别与导管入口和导管出口密封连接。

7.如权利要求1所述的消化道测压模拟装置，其特征在于，所述第一流量控制单元包括第一流量泵和/或第一阀门；

和/或所述第二流量控制单元第二流量泵和/或第二阀门；

至少有一个所述第二管道的出口连接所述流体源的入口。

8.一种模拟系统，其特征在于，包括如权利要求1-6之一所述的消化道测压模拟装置，以及控制器和记录仪；

所述控制器控制N个压力测量通道中的第一流量控制单元的流体通入时长和/或流体通入量，以及控制第二流量控制单元的流体泄放时长，使N个压力测量通道的封闭腔体依次被通入和排出流体以模拟运动过程中消化道的压力分布；

所述记录仪采集所有所述压力传感器输出的压力数据并记录；

或者还包括上位机，所述上位机分别与所述控制器和所述记录仪连接通信，进行人机交互。

9.一种基于权利要求8所述的模拟系统模拟消化道测压的方法，其特征在于，包括：

步骤S0，对N个压力传感器进行校准；

步骤S1，为每个压力测量通道预设流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长，并根据压力测量通道预设的流体通入时长和流体通入量确定第一流量控制单元的阀门开度；

步骤S2，N个压力测量通道依次进行如下操作：

第一流量控制单元基于步骤S1中的阀门开度开始向封闭腔体通入流体，当流体通入时长达到预设的流体通入时长时，关闭第一流量控制单元，第二流量控制单元开始泄放封闭腔体内的流体，当泄放时长达到预设的流体泄放时长后，关闭第二流量控制单元；

步骤S3，重复执行步骤S2共M次，记录M次执行步骤S2的过程中N个封闭腔体内压力传感器的输出数据；M为大于等于1的正整数；

步骤S4，将N个封闭腔体内压力传感器的输出数据绘制成压力云图。

10.如权利要求9所述的模拟消化道测压的方法，其特征在于，在所述步骤S3中还包括保存步骤S1中预设的流体通入时长、流体通入量和流体泄放时长的步骤。

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