CN112137777B - 人工肛门括约肌装置体外控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于Android/iOS平台的人工肛门括约肌装置体外控制系统，包括设置于体内的人工肛门括约肌装置、设置于体外的射频通信模块和设置于移动设备内的控制系统，其中：用于采集肠道压力信息并根据指令动作的人工肛门括约肌装置和用于人工肛门括约肌装置遥控和压力信号分析的控制系统通过射频通信模块实现双向无线通信，人工肛门括约肌装置采集肠道压力信息并通过射频通信模块输出至控制系统，控制系统根据个性化标定所确定的最佳便意阈值和肠道压力变化阈值，利用便意智能识别算法实时解析肠道压力信息，以报警提示排便或手动控制通过射频通信模块向人工肛门括约肌装置发送指令以执行排便动作。本发明提高了便意识别的准确性，增强了人工括约肌在体内的安全性。

Description

人工肛门括约肌装置体外控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种基于Android/iOS平台的人工肛门括约肌装置体外控制系统。

背景技术

肛门失禁是一种严重的排便功能障碍，影响对象的日常生活和工作。对于严重的肛门失禁问题，人工肛门括约肌装置成为治疗肛门失禁的一种新方法。现有采用人工肛门括约肌装置的技术大都未涉及其体外控制系统的具体设计方法，已有的设计方法存在命令不直观、操作步骤繁琐、易出现误操作或误提示，以及无法实时对数据进行分析处理和波形显示的问题，影响体内植入装置的可靠性和安全性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种人工肛门括约肌装置体外控制系统，能够实现人工肛门括约肌装置和体外控制系统的双向无线通信，通过系统对人工肛门括约肌装置的状态信息进行采集、排便/控便控制、智能识别便意、存储信息，实时分析处理肠道压力信息并显示波形。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：设置于体内的人工肛门括约肌装置、设置于体外的射频通信模块和设置于移动设备内的控制系统，其中：用于采集肠道压力信息并根据指令动作的人工肛门括约肌装置和用于人工肛门括约肌装置遥控和压力信号分析的控制系统通过射频通信模块实现双向无线通信，人工肛门括约肌装置采集肠道压力信息并通过射频通信模块输出至控制系统，控制系统根据个性化标定所确定的最佳便意阈值和肠道压力变化阈值，利用便意智能识别算法实时解析肠道压力信息，以报警提示排便或手动控制通过射频通信模块向人工肛门括约肌装置发送指令以执行排便动作。

所述的控制系统包括：信息存储模块和分别与之相连的通信模块、体内信息查询模块、体内参数设置模块、排便/控便模块、体内工作模式设定模块、压力信号分析处理模块、便意识别模块和历史信息查询模块，其中：信息存储模块分别与压力信号分析处理模块、便意识别模块和历史信息查询模块相连并传输压力传感数据、压力传感数据特征信息及所查询的历史信息；通信模块分别与体内信息查询模块、体内参数设置模块、排便/控便模块、体内工作模式设定模块和信息存储模块相连并传输指令信息、从人工肛门括约肌装置返回的应答信息、状态信息及压力传感数据信息；体内信息查询模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内信息查询指令，并将接收到的体内状态信息存储到信息存储模块；体内参数设置模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内参数设置指令和所设置的参数，并将所设置的参数保存到信息存储模块；排便/控便模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输排便/控便指令，并将排便/控便的时间保存到信息存储模块；体内工作模式设定模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内工作模式设定指令，并将所设置的工作模式及设定时间保存到信息存储模块；压力信号分析处理模块分别与信息存储模块相连，读取保存的人工肛门括约肌装置的压力传感数据，经预处理后对数据分段并提取信号特征后输出至信息存储模块；便意识别模块分别与信息存储模块相连，读取压力传感数据特征信息，经便意智能识别算法判别后将所识别出的便意信息及时间输出至信息存储模块；历史信息查询模块与信息存储模块相连并传输信息查询指令和所需信息。

所述的预处理是指：异常值剔除、人体动作或呼吸干扰消除和数字滤波。

所述的信号特征包括：时域特征、频域特征和时频域特征，其中时域特征采用但不限于信号的最大值、最小值、平均值、极差和曲线下面积；频域特征是指信号功率谱密度分析结果；时频域特征是指信号的多尺度小波分析结果。

所述的便意智能识别算法综合利用肠道压力水平和肠道压力的变化程度两方面的特征进行便意的识别和判断，具体为：当断一段时间内各固定时间间隔段压力平均值序列均超出便意阈值时，进一步判断压力平均值序列的最大值与最小值之差低于肠道压力变化阈值，当满足时确定便意产生。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过运行在基于Android/iOS操作系统的设备上的人工肛门括约肌装置体外控制系统，将传统的基于机械按键的操作方式改为智能操作形式，使操作控制更加简单直观，减少了误操作的可能性，增强了人工括约肌装置在体内的安全性；实现了肠道压力数据的实时分析处理、波形和信号特征显示，使用户可以及时了解肠道压力的动态变化，并根据个性化标定所确定的肠道压力和粪便容量的关系曲线估计肠道内的粪便累积情况；所设计的便意智能识别算法同时依据肠道压力水平和肠道压力的变化程度两方面的特征，并采用肠道压力平均值作为判别指标，可以减少因各种原因导致的瞬时或短时压力变化而引起的误判，提高了便意识别的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为射频通信模块的结构示意图；

图3为体外控制的控制系统的结构示意图；

图4为便意智能识别算法的原理图；

其中：射频通信模块1、移动设备2、控制系统3、射频通信单元4、微处理器5、USB接口单元6、无线接口单元7、电源管理单元8、通信模块9、体内信息查询模块10、体内参数设置模块11、排便/控便模块12、体内工作模式设定模块13、压力信号分析处理模块14、便意识别模块15、信息存储模块16、历史信息查询模块17、数据接口单元18、人工肛门括约肌装置19。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：射频通信模块1、基于Android/iOS操作系统的移动设备2、人工肛门括约肌装置体外控制系统3和人工肛门括约肌装置19，其中：控制系统3设置于移动设备2内，移动设备2通过有线或无线接口与射频通信模块1连接以实现双向传输信息和/或指令，射频通信模块1与人工肛门括约肌装置19以双向无线形式传输信息和/或指令。

所述的移动设备2包括但不限于具有Android/iOS操作系统的手机或平板电脑。

如图2所示，所述的射频通信模块1包括：依次连接的射频通信单元4、微处理器5、数据接口单元18和电源管理单元8，其中：电源管理单元8分别与射频通信单元4和微处理器5相连以为其提供所需的工作电源，射频通信单元4与人工肛门括约肌装置19无线连接且频率一致，射频通信单元4将微处理器5发出的控制信号传输至人工肛门括约肌装置19，并将从人工肛门括约肌装置19接收到的信息传输至微处理器5，微处理器5经数据接口单元18与移动设备2连接，并将传来的人工肛门括约肌装置信息传输至移动设备2进行分析、显示或存储。

所述的数据接口单元18包括：USB接口单元6和无线接口单元7；所述的无线接口单元7包括：蓝牙接口或Wi-Fi接口。

如图3所示，所述的控制系统3包括：通信模块9、体内信息查询模块10、体内参数设置模块11、排便/控便模块12、体内工作模式设定模块13、压力信号分析处理模块14、便意识别模块15、信息存储模块16和历史信息查询模块17，其中：通信模块9、体内信息查询模块10、体内参数设置模块11、排便/控便模块12、体内工作模式设定模块13、压力信号分析处理模块14、便意识别模块15和历史信息查询模块17均通过数据接口将信息传输至信息存储模块16，信息存储模块16将信息反馈至压力信号分析处理模块14、便意识别模块15和历史信息查询模块17，通信模块9通过数据接口分别与体内信息查询模块10、体内参数设置模块11、排便/控便模块12和体内工作模式设定模块13双向传输信息。

所述的通信模块9用于配置并实现移动设备2与射频通信模块1进行USB通信或无线通信功能，并双向传输用户指令信息和人工肛门括约肌装置19返回的信息。

所述的体内信息查询模块10用于查询人工肛门括约肌装置19的状态信息，由射频通信模块1向人体肛门括约肌19发送指令并获取人工肛门括约肌装置19的反馈信息，该反馈信息被传输至移动设备2显示并保存。

所述的状态信息是指：电池电压或肠道的实时压力信息。

所述的体内参数设置模块11用于控制人工肛门括约肌装置19工作的相关参数，该参数是指控制人工肛门括约肌装置19的控便机构开放和闭合行程的肠道压力阈值。

所述的排便/控便模块12用于控制人工肛门括约肌装置19处于排便或控便的状态。

所述的体内工作模式设定模块13用于设置体内人工肛门括约肌装置19进入低功耗模式，处于低功耗模式下的人工肛门括约肌装置19依照设定的周期从休眠状态唤醒，采集、发送体内状态信息，并查询控制系统3是否传输了控制指令；当接收到控制指令后，人工肛门括约肌装置19将退出低功耗模式，返回至正常模式并执行相应的指令；在低功耗模式下，通信模块9接收到人工肛门括约肌装置19发送的体内状态信息并存储至信息存储模块16，该信息供压力信号分析处理模块14分析处理或历史信息查询模块17查询。

所述的体内状态信息包括：人工肛门括约肌装置19内的各个压力传感器的压力信号或电池电压。

所述的压力信号分析处理模块14用于实时分析处理接收到的人工肛门括约肌装置19发送的肠道压力信号，并读取信息存储模块16的压力传感器的数据文件，进行数据预处理，再对数据分段提取信号特征，并将结果显示在设备2上且保存至信息存储模块16。

所述的预处理是指：异常值剔除、人体动作或呼吸干扰消除和数字滤波。

所述的信号特征是指：时域特征、频域特征和时频域特征。

所述的便意识别模块15从信息存储模块16中读取压力信号分析结果，通过便意智能识别算法进行便意的判断和提示。

如图4所示，所述的便意智能识别算法具体是：根据个性化标定确定最佳便意阈值和肠道压力变化阈值，从控制系统3中的信息存储模块16中读取一段时间内肠道压力平均值序列{X_i}，X_i为对应的各个时间段的肠道压力平均值计算结果，判断当序列{X_i}中的每个X_i均大于便意阈值时，进一步判断序列{X_i}中的最大值和最小值之差小于肠道压力变化阈值，当满足时则判断为便意产生并发出提示排便信息。

所述的个性化标定是指：控制系统从人工肛门括约肌装置接收肠道压力，并计算固定时间间隔段的肠道压力平均值，当肠道压力平均值随着粪便累积逐渐升高并趋于平稳时，即一段时间内肠道压力平均值变化较小，则判断进入排便状态并记录每次排便容量V_i和对应的一段时间内的肠道压力平均值序列{p_i1,p_i2,…,p_in}，进一步处理得到{p_i1,p_i2,…,p_in}序列的最小值P_imin及极差值P_i。经过多次试验，拟合出肠道压力和粪便容量的关系曲线，将获得的{V_i}序列的中值V_m所对应的肠道压力平均值序列{p_m1,p_m2,…,p_mn}的最小值P_mmin作为最佳便意阈值，并取所获得的极差序列{P_i}的中值为肠道压力变化阈值。

所述的信息存储模块16以文件的形式存储包括：用户信息、体内信息查询模块10接收到的人工肛门括约肌装置19的状态信息及接收时间、体内参数设置模块11发送的参数信息、排便/控便模块12执行的排便/控便的操作时间、人工肛门括约肌装置19在低功耗模式下定时发送的肠道压力信息、压力信号分析处理显示模块13输出的分析结果以及便意识别模块15输出的便意提示信息的时间。

所述的历史信息查询模块17通过信息存储模块16调取所需信息。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于Android/iOS平台的人工肛门括约肌装置体外控制系统，包括：设置于体内的人工肛门括约肌装置、设置于体外的射频通信模块和设置于移动设备内的控制系统，其中：用于采集肠道压力信息并根据指令动作的人工肛门括约肌装置和用于人工肛门括约肌装置遥控和压力信号分析的控制系统通过射频通信模块实现双向无线通信，人工肛门括约肌装置采集肠道压力信息并通过射频通信模块输出至控制系统，控制系统根据个性化标定所确定的最佳便意阈值和肠道压力变化阈值，利用便意智能识别算法实时解析肠道压力信息，以报警提示排便或手动控制通过射频通信模块向人工肛门括约肌装置发送指令以执行排便动作，其特征在于：

所述的移动设备包括具有Android/iOS操作系统的手机或平板电脑；

所述的便意智能识别算法综合利用肠道压力水平和肠道压力的变化程度两方面的特征进行便意的识别和判断，具体为：当判断一段时间内各固定时间间隔段压力平均值序列均超出便意阈值时，进一步判断压力平均值序列的最大值与最小值之差低于肠道压力变化阈值，当满足时确定便意产生。

2.根据权利要求1所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的射频通信模块包括：依次连接的射频通信单元、微处理器、数据接口单元和电源管理单元，其中：电源管理单元分别与射频通信单元和微处理器相连以为其提供所需的工作电源，射频通信单元与人工肛门括约肌装置无线连接且频率一致，射频通信单元将微处理器发出的控制信号传输至人工肛门括约肌装置，并将从人工肛门括约肌装置接收到的信息传输至微处理器，微处理器经数据接口单元与移动设备连接，并将传来的人工肛门括约肌装置信息传输至移动设备进行分析、显示或存储。

3.根据权利要求1所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的控制系统包括：信息存储模块和分别与之相连的通信模块、体内信息查询模块、体内参数设置模块、排便/控便模块、体内工作模式设定模块、压力信号分析处理模块、便意识别模块和历史信息查询模块，其中：信息存储模块分别与压力信号分析处理模块、便意识别模块和历史信息查询模块相连并传输压力传感数据、压力传感数据特征信息及所查询的历史信息；通信模块分别与体内信息查询模块、体内参数设置模块、排便/控便模块、体内工作模式设定模块和信息存储模块相连并传输指令信息、从人工肛门括约肌装置返回的应答信息、状态信息及压力传感数据信息；体内信息查询模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内信息查询指令，并将接收到的体内状态信息存储到信息存储模块；体内参数设置模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内参数设置指令和所设置的参数，并将所设置的参数保存到信息存储模块；排便/控便模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输排便/控便指令，并将排便/控便的时间保存到信息存储模块；体内工作模式设定模块分别与通信模块、信息存储模块相连传输体内工作模式设定指令，并将所设置的工作模式及设定时间保存到信息存储模块；压力信号分析处理模块分别与信息存储模块相连，读取保存的人工肛门括约肌装置的压力传感数据，经预处理后对数据分段并提取信号特征后输出至信息存储模块；便意识别模块分别与信息存储模块相连，读取压力传感数据特征信息，经便意智能识别算法判别后将所识别出的便意信息及时间输出至信息存储模块；历史信息查询模块与信息存储模块相连并传输信息查询指令和所需信息。

4.根据权利要求3所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的预处理是指：异常值剔除、人体动作或呼吸干扰消除和数字滤波。

5.根据权利要求1所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的信号特征包括：时域特征、频域特征和时频域特征，其中时域特征采用信号的最大值、最小值、平均值、极差和曲线下面积；频域特征是指信号功率谱密度分析结果；时频域特征是指信号的多尺度小波分析结果。

6.根据权利要求1所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的个性化标定是指：控制系统从人工肛门括约肌装置接收肠道压力，并计算固定时间间隔段的肠道压力平均值，当肠道压力平均值随着粪便累积逐渐升高并趋于平稳时，即一段时间内肠道压力平均值变化较小，则判断进入排便状态并记录每次排便容量V_i和对应的一段时间内的肠道压力平均值序列{p_i1,p_i2,…,p_in}，进一步处理得到{p_i1,p_i2,…,p_in}序列的最小值P_imin及极差值P_i，经过多次试验，拟合出肠道压力和粪便容量的关系曲线，将获得的{V_i}序列的中值V_m所对应的肠道压力平均值序列{p_m1,p_m2,…,p_mn}的最小值P_mmin作为最佳便意阈值，并取所获得的极差序列{P_i}的中值为肠道压力变化阈值。

7.根据权利要求6所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的便意智能识别算法具体是：根据个性化标定确定最佳便意阈值和肠道压力变化阈值，从控制系统中的信息存储模块中读取一段时间内肠道压力平均值序列{X_i}，X_i为对应的各个时间段的肠道压力平均值计算结果，判断当序列{X_i}中的每个X_i均大于便意阈值时，进一步判断序列{X_i}中的最大值和最小值之差小于肠道压力变化阈值，当满足时则判断为便意产生并发出提示排便信息。

8.根据权利要求1所述的人工肛门括约肌装置体外控制系统，其特征是，所述的信息存储模块以文件的形式存储包括：用户信息、体内信息查询模块接收到的人工肛门括约肌装置的状态信息及接收时间、体内参数设置模块发送的参数信息、排便/控便模块执行的排便/控便的操作时间、人工肛门括约肌装置在低功耗模式下定时发送的肠道压力信息、压力信号分析处理显示模块输出的分析结果以及便意识别模块输出的便意提示信息的时间。

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