“抗帕颗粒”通过PINK1/Parkin信号通路对帕金森小鼠结肠ICC线粒体自噬的影响

目的 探讨“抗帕颗粒”通过PINK1/Parkin信号通路对帕金森(PD)小鼠结肠Cajal间质细胞(ICC)线粒体自噬的影响。方法 MPTP腹腔注射技术用于制作PD小鼠模型,将其随机分为A组(空白对照组)、B组(PD对照组)和C组(PD “抗帕颗粒”组),每组10只。A组和B组接受生理盐水灌胃(1mL·d^(-1)),C组“抗帕颗粒”(40mg·kg^(-1)·d^(-1))的灌胃治疗。4个月后每组中随机取5只小鼠结肠组织被用于免疫组化检测,每组余下5只小鼠结肠壁组织被用于提取蛋白Western blotting法检测,检测项目为PINK1、Parkin的表达;透射电子显微镜观测结肠壁ICC细胞自噬情况。结果(1)经过免疫组化检测,B组和C组的PINK1和Parkin表达水平较A组显著上升(P <0.01);而C组的PINK1和Parkin表达水平较B组则显著下降(P<0.01);(2)经过Western blot检测,与A组相比,B组和C组的PINK1和Parkin表达水平均显著提高(P<0.01);最后,经过与B组对比分析,发现C组PINK1的表达水平没有明显变化,而Parkin的表达水平却有所下降(P<0.05);(3)透射电子显微镜观察发现,PD模型小鼠结肠ICC中存在自噬囊泡,“抗帕颗粒”干预后,这种囊泡的数量明显减少。结论 “抗帕颗粒”通过抑制PD小鼠肠道ICC过度自噬,保护细胞结构;PINK1/Parkin途径是实现这种神经保护作用的通路。

抗线圈偏移与倾斜的人工肛门括约肌经皮能量传输系统

传统的经皮能量传输系统大多采用开环系统,充电过程中患者要尽量保持不动,否则会导致线圈错位或翻转,影响接收功率导致不能正常充电。针对上述问题,本文首先采用LCC-S拓扑结构实现了接收端恒压特征,然后基于互感估计和原边功率补偿的方法实时调节发射端发射功率对接收端电压进行控制。仿真和体外实验结果显示,该系统可以使得接收端输出电压在锂电池整个充电过程中恒定不变;该系统可以允许接收线圈在轴向偏移25 mm内、横向偏移22 mm内、翻转角度80°内进行有限姿态变化,使得患者可以在充电过程中适量运动,大大提高了经皮能量传输系统的稳定性与可靠性,对人工肛门括约肌系统的进一步应用有重要意义。

多维无线能量传输系统的设计与优化

为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输,减小接收线圈的绕制维度、体积与产热,设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向,同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯,其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整,减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型,通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高,最后通过搭建实验平台进行测试,优化了单维接收线圈的参数,同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明,在线径为0.05 mm的条件下,所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12,优化后的匝数为120。当发射电压为15 V,发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1578 mW,能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。

肠道机器人无线供能的混合式三维发射线圈特性研究

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和1 204 mW的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.

无线胶囊内窥镜新型接收线圈结构设计与分析方法

目前无线胶囊内窥镜(WCE)供应能量过低,限制了其诊查胃肠道病灶的性能。基于此提出了镂空三维接收线圈,线圈里可放置无线胶囊其他模块,进一步缩小无线胶囊体积。根据电磁场理论提出单匝分析法,分析了此线圈感应电动势和接收功率,并提出均匀度性能指标建立最优化模型,得出线圈最优设计参数;搭建角度姿态旋转平台测量线圈的感应电动势,实验测得感应电动势与理论值误差小于6%,验证了单匝分析法和线圈设计的合理性;将此线圈供能的无线胶囊内窥镜植入活体猪小肠内,得到的图像传输速率稳定为30 f/s,分辨率为400×400。新型线圈可给胶囊内窥镜提供充足稳定的能量,用于胃肠道疾病诊查。单匝分析法的应用不仅限于此结构的线圈,也可用于他它发射、接收装置相对位置和角度变化的植入式医疗设备的功率分析,并且此方法可用于求解发射和接收两级线圈之间的互感等电磁参数。

微型肠道机器人扩张机构与能量接收线圈的设计与实验

研究并设计了一种新型扩张方式的能在肠道中运动和驻留的微型肠道机器人.该肠道机器人的扩张机构采用阿基米德螺线腿的方式进行扩张,扩张直径可达32 mm,变径比达到2.13.设计减速比为489的减速器,保证较大的输出转矩.对扩张机构的扩张臂进行力学分析,并通过实验测试了扩张机构的扩张力.进而,对能量接收线圈进行建模分析.结果表明:扩张机构扩张力的实验测试值与理论分析的整体趋势基本一致,最小扩张力为1.5 N,满足肠道扩张力的需求;优化线圈磁芯厚度、绕组层数以及绞线规格可以提高无线供能系统性能;当发射线圈驱动电流为1.4 A时,该接收线圈相应的传输功率为812 mW,能量传输效率为8.3%,能满足肠道机器人的功率要求.

基于超宽带技术的强制戒毒人员实时定位系统

在戒毒所智能化管理的驱动下,基于超宽带技术,设计了一种应用于戒毒所的高精度测距定位系统,改进了原有紫蜂(ZigBee)和无线局域网(Wi-Fi)方法检测精度低的问题.分析测距的误差来源,做出相应的优化校正,并提出一种延迟参数的校准方法,进一步提升测距的精度和稳定性.该系统具有测距与定位两种功能,测距功能可以设置地理围栏以限制人员活动区域,定位功能可以实时监测人员位置.实验研究表明:修正后系统测距精度达到7 cm,测距更新频率达到10 Hz,定位精度提高至20 cm,定位频率达到5 Hz以上,可以更好地满足戒毒所定位系统的实时性和精确性的要求.

人工肛门括约肌无线供能系统设计与优化

基于电磁耦合原理,针对人造肛门括约肌系统,设计了一套无线供能系统.该系统主要包括无线能量发射端、接收端、整流模块、稳压模块和充电模块.研究了发射端的发射频率(40~120 kHz)对传输功率的影响,进而优化了稳压模块,并比较了锂电池充电效果.结果表明:在一定发射频率范围内,无线供能传输效率随着发射频率的增大而升高;发射频率为120 kHz时,传输效率可以达到57.47%,接收功率为1.12 W;锂电池能快速充电,为人造肛门括约肌系统提供稳定能量保障.

肠道机器人三维接收线圈的设计与优化

探究了一种新型三维接收线圈结构,以满足肠道机器人在人体内正常工作的功率需求,解决了机器人在人体内姿态随机变化带来的失谐问题.该三维接收线圈每个维度绕制方式相同,各个维度的接收功率相对稳定.从磁芯直径、线圈匝数与线径3个方面,通过一系列对比实验分析结构参数对传输效率和传输功率的影响.对优化接收线圈进行姿态稳定性分析.结果表明:最优接收线圈结构为磁芯直径6 mm、线圈匝数80、线圈线径0.12 mm.当发射线圈的驱动电压为10 V时,该优化接收线圈的最大传输功率为1216 mW,此时无线供能系统的传输效率为6.64%.在不同姿态角下,接收线圈3个维度方向产生的最大传输功率几乎相同.当绕x轴转动角α=45°,绕y轴转动角β=45°时,三维线圈输出最小功率,约为527 mW,该功率可使机器人基本维持正常工作.

无线健康监护系统设计及状态识别算法

该研究提出了一种面向强制戒毒所戒毒人员的穿戴式无线健康监护系统。该系统可以连续实时地监测戒毒人员的多项生理参数,当生理参数出现异常发出预警信息,起到及时行医的作用。此外,提出了一种卷积神经网络模型(convolutional neural network,CNN),该模型根据多项生理参数对戒毒人员的健康状态进行评估。实验表明,将该模型用于公开的生理参数数据集的身体状态识别任务,在单个实验对象的生理参数数据集上最高可达100%的识别准确率;当使用整个生理参数数据集时可获得高达99.1%的识别准确率,超过了传统的模式识别方法在此任务上的表现,验证了该模型的优越性。

新人造肛门括约肌系统充电模块热分析与控制

仿耻骨式人造肛门括约肌系统(PAAS)采用经皮能量传输(TET)为集成在充电模块内部的锂电池进行充电,使系统可长期稳定地在活体内工作.很多体内实验表明,无线充电过程中产生的大量热量对PAAS植入后充电模块附近活体组织的生物安全性不利,故需对无线充电过程进行合理规划.本文通过分析充电模块内部各组件的热传导关系,建立充电模块内部热阻模型,并利用体外实验对该模型进行验证及修正,经修正后的模型可以可靠地描述充电过程中活体组织温度变化情况.基于修正后的模型,本文制定了体内实验过程中单次最大连续无线充电时间,从而提高体内实验中PAAS的生物安全性,进而延长PAAS植入时间.

新型胃肠道机器人无线能量传输系统的设计与实现

为确保微型胃肠道机器人在人体内部稳定运行,研制了一种新型无线供能系统.该系统基于电磁场谐振原理,参考电磁场理论计算和纺锤形三维接收线圈模型的优化结果,并创新性地结合了肠道机器人的工作能耗、姿态稳定性、供能稳定性、尺寸设计等要求.其中,发射线圈采用4组螺线管线圈产生均匀交变磁场,优化后的发射线圈通过与集成于肠道机器人内部的接收线圈互感,可产生稳定大于500 mW的能量用于机器人工作.经过相关实验验证,该无线供能系统的性能满足机器人在肠道内复杂环境的工作需求.

仿生人工肛门括约肌假体的机构设计和实验验证

为模仿耻骨直肠肌牵引直肠形成肛肠角以实现控便,设计了一款基于三环式结构的仿生人工肛门括约肌假体.采用高度集成的减速器将电动机驱动由内向外输出,使用O型圈实现旋转部件的动密封;自制密封性良好的传感器来测量肠壁受力;进行力学性能测试、防水实验和动物实验以验证假体功能.结果表明:假体的总传动效率为49%~59%,输出转矩为2.04~2.51 N·m,单个行程响应时间为10 s;柔性压力传感器的输出和其所受压力之间具有良好的线性度;当假体对肠道径向的闭合压力为6.6 kPa时,可在直肠腔内维持98 cm高度的水柱不渗漏;假体在经历4 050次开关运动后仍不发生渗漏;植入假体可有效避免肠吻合术,并可在动物体内进行有效控便、排便.实验结果验证了所设计的仿生人工肛门括约肌假体是一种能有效控便且整体防水性能良好的机电一体化机构.

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能的优化

现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。本文结合双轴驱动式人造肛门括约肌系统,主要针对现有经皮无线供能存在的传输距离较短、发热较严重等问题,对现有线圈的线径、匝数、铁芯形状、线圈结构以及发射线圈和接收线圈之间的传输距离等参数进行优化。实验结果表明,经优化后经皮无线供能系统在传输距离为20 mm时,传输效率可达到77.64%,传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到52.59%。而优化后的发射线圈充电温度降低了55.6%。优化后的参数即满足双轴驱动式人造肛门括约肌系统性能要求,亦为以后研究工作的开展提供理论基础与数据支持。

基于肠道动力学仿真的AAS设计及便意感知重建

人造肛门括约肌(AAS)是一种用于治疗大便失禁(FI)的可植入医疗设备,现有的AAS在生物安全性和肠道内容物感知方面存在缺陷,故临床应用受限。首先,结合肠道动力学特性,建立直肠组织的超弹性模型,利用ANSYS进行有限元分析,模拟假体闭合肠道的过程。其次,根据仿真结果,提出了一种嵌入10路压力传感器的新型连杆式人造肛门括约肌结构。最后,进行离体实验和活体动物实验。实验结果证实,仿真模型建立准确,所设计的括约肌假体在血供安全压力内可控便200g,满足人体正常生活需求。10路压力传感器位置分布合理,测量结果线性度良好。离体实验中肠道内容物质量预测的准确性达89.69%,活体实验中排便预警准确性达82%,初步重建了FI患者直肠的便意感知。

新人工肛门括约肌系统低功耗设计与优化

以新人工肛门括约肌系统硬件为基础,分析各模块功耗,经过低功耗设计与采样周期的合理设置,将系统功耗显著降低.同时,以肠道压力波形下面积大小为便意判断标准,代替单点压力阈值法,为肛门失禁患者提供如厕依据,进而提高便意感知功能准确性.结合离体与活体实验,所研究的人工肛门括约肌低功耗设计可使系统单次充电后工作时长延长至16 d,工作时长提升达230%,新便意判断标准准确率可达96%.

人工肛门括约肌系统便意感知重建

针对现有人造肛门括约肌系统在便意感知功能上数据获取方式和分析方法的缺陷,设计了一个便意感知重建系统.该系统主要包括传感器模块、数据采集存储模块的设计以及数据分析算法.通过多传感器与数据采集存储模块的配合重建患者直肠表面压力的分布变化情况,并提出基于主元分析(PCA)法和支持向量机(SVM)的便意预测模型(PCA-SVM).结果表明:上臂轴向和径向以及中臂径向位置的压力信号与便意产生有显著联系,选择基于高斯核函数的SVM算法,取惩罚因子C=0.0595和核函数宽度σ=0.9536对有效压力指标向量进行便意分类预测,与前馈神经网络模型相比,具有较高的预测准确度,满足人造肛门括约肌系统便意感知功能的要求.

双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能

作为植入式医疗设备的一种,双轴驱动式人造肛门括约肌(BAAS)系统的经皮无线供能(TET)系统在植入活体后,受到增生包裹等体内环境的影响,面临耦合性能明显低于体外实验的问题,降低了其在医疗中的实用价值.结合现有BAAS的TET系统实验结果,针对受增生包裹导致的传输角度等问题,对现有TET系统的参数进行分析研究,得出了传输角度与传输效率的关系曲线.实验结果表明,在传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到60%以上.在传输距离为30 mm条件下,传输角度为20°时,传输效率的均值可达到66.65%;传输角度为30°时,传输效率的均值可达到59.96%.发射线圈充电温度最大值为23℃,充电温度不会对人体造成低温烫伤的情况,满足BAAS系统性能要求,达到了在传输距离较远时仍可高效率传输能量的目的.

新型连杆式AAS压力感知模块的设计与实验研究

人工肛门括约肌(AAS)植入体内后长期处于生物组织液环境下,设计稳定可靠的压力感知模块对重建便意与确保血供安全性有着至关重要的作用。基于人体直肠压力生理参数采集特点,首先通过有限元分析设计选取了传感器的材料、尺寸等参数,设计了假体臂的传感器安装开槽结构与压力模块电路走线槽;通过对多种系列防护胶进行防潮湿性能实验,研究了新型传感器的封装工艺及安装方式,并对系统电路模块设计了新型封装形式,提高了整体系统的防水性能。实验结果显示该新型传感器在20天水下环境中应变片阻值变化在1‰以内,传感器线性度较高,输出工作电压范围合适;AAS系统水下实验后传感器电压初值平均浮动率仅为4.1%,初步验证了本文设计的新型压力传感器在体内环境下的良好适用性与应用可行性。

肠道机器人获取的肠道图像降噪处理方法

无线供能式肠道机器人通过图像采集系统将拍摄到的肠道图像传输到体外上位机供医生诊断,但由于图像传输过程会受到电路结构、外在环境等干扰,导致采集到的图像中出现噪声.为此,提出一种基于非下采样轮廓变换(NSCT)的无线供能式肠道机器人采集图片的降噪算法.首先,利用直方图均衡化预处理,提升肠道噪声图片的亮度和对比度;其次,对肠道噪声图片进行NSCT变换并构建残差网络模型对变换后的频率域信息降噪;最后,利用NSCT反变换重构得到降噪后的图像.结果表明:该算法能够有效地降低复杂环境中肠道图片受噪声的影响,较好地保持图像的视觉效果.与其他智能算法模型相比,主客观降噪效果均有所提高,峰值信噪比(PSNR)提升了1.35~3.45 dB,结构相似性(SSIM)提高了0.0083~0.0252.