新型人工肛门括约肌系统及初步动物实验研究

目的研究可用于治疗肛门失禁的植入式人工肛门括约肌系统（artificial anal sphincter system，AASS）。方法系统由体内执行、体外控制和经皮能量传输3个模块构成，体内外通过无线模式通信。当体内直肠壁上压力超出阈值后，向体外发送排便报警信号，患者通过体外控制模块控制体内执行模块打开或关闭直肠，采用经皮能量传输模块为体内电池充电。通过1例猪的动物实验，评估在活体环境下系统各模块的可靠性和稳定性。15d后将动物解剖，观察组织变化并进行体内的腹泻实验和血供实验。结果植入体内后，体外控制模块可实时控制体内执行模块的各项操作，通过经皮能量传输充电3h，在体内可持续工作24h。拟腹泻状态下，对肠壁施加7．16kPa的压力（正常肛肠静息压为6．26～9．47kPa），能有效抑制肠道内容物渗漏。结论AASS可以模拟正常人体肛门括约肌功能，为严重肛门失禁的患者提供了一种新的治疗方法。

一种用于胶囊内窥图像的小肠出血智能识别算法

针对胶囊内窥图像的出血检测提出了一种新的智能识别算法。该算法首先将彩色内窥图像在RGB空间进行分水岭分割，再将图像转换至CIEluv彩色空间，在前分水岭分割的基础上，在CIEluv空间上对各分块区域依据欧氏距离判别彩色相似度，进行小肠出血的识别与出血区域提取的工作。实验结果表明该算法灵敏度为94．3％，特异度为98．4％。

胶囊内窥镜图像采集系统设计

研制了一种用于消化道图像采集并无线传送至体外的数字图像采集系统,该系统的图像传感器采用Microchip公司的CMOS数字图像传感器MT9D131。该图像传感器内嵌有JPEG压缩功能,可显著减小图像数据量,并降低对无线传送的带宽要求。生成的图像压缩数据由挪威Norcdic公司的无线射频收发一体芯片nRF24L01传送至体外,接收端接收到的数据通过串口传送至上位机。实验结果证明,该图像采集系统成像质量好,可以用于诊疗胶囊内窥镜的原型设计。

无线胶囊内镜便携式研究

提出了一种便携式的无线胶囊内镜系统,将系统的实现划分为前端、中端、后端3个部分,不仅减轻了吞入式无线胶囊的工作强度,还将胶囊对胃肠道影像的拍摄时间和医生对胃肠道检查的时间分离开来,增加了胃肠道检查的灵活性以及后续应用的可升级性。详细介绍了系统中端——无线视频接收盒的设计,将嵌入式技术运用于电子生物医学领域。

基于无线充电技术的胃肠电刺激系统

目的设计一种新型的植入式胃肠道刺激系统，不仅具有刺激功能，还具有肠电和压力检测功能，可用于检测胃肠道刺激的效果，同时增加无线能量供给，以实现刺激器的长期植入。方法系统由体内刺激模块、体外控制模块及无线能量传输模块组成。体外控制模块通过无线射频将控制信号传输到体内刺激模块，体内刺激模块的能量由体外能量发射装置通过电磁耦合进行供给。通过生物反馈控制检测不同刺激参数对胃肠道收缩活动的作用效果，实时调整刺激参数，输出需要的刺激脉冲。以模拟心电信号模拟肠电信号，进行了相关的体外实验。结果在体外实验中，系统可有效检测到2—20次／min的模拟心电信号，并实现实时刺激参数修改输出不同的刺激脉冲。该系统实现了电流检测功能，监测作用部分的胃肠电阻。经皮无线能量在两级线圈轴向距离为22mm时的接收充电稳定功率最大为0．93W，体内锂离子的充电电流为180～240mA。结论系统可检测到最大变化范围的模拟肠电信号。验证电流的作用效应为后续的恒流刺激模式提供参考。该系统的无线充电功能可满足植入式刺激器长期植入的能量需求。

无线供能图像胶囊内窥镜的设计与实验分析

针对目前胶囊内窥镜受到能量限制的问题,设计了一种基于无线供能的微型化、低功耗的图像胶囊内窥镜.对无线供能电路,图像传感器电路,无线发射电路进行设计研究,搭建了无线能量传输系统平台,制作了无线供能图像胶囊内窥镜样机,并通过实验验证了无线能量传输系统发射线圈设计的合理性.通过与医院合作的猪大肠内部图像采集实验,验证了研制的图像胶囊系统样机的可行性.完整的图像胶囊内窥镜的尺寸仅为510mm@20mm,图像传感器电路和无线发射电路的整体功耗最低约为65mW.

间歇工作图像胶囊内窥镜的设计与实验

针对图像胶囊内窥镜受到能量限制而工作时间较短的问题,基于图像胶囊在人体肠道蠕动的速度设计了一种间歇工作模式的微型化、低功耗图像胶囊内窥镜。采用霍尔开关代替干簧管作为电源总开关,进一步降低了图像胶囊的体积。通过对电池电源模块、模拟开关电路和软件进行设计研究,实现了无线发射和照明电路的间歇供电和图像传感器的间歇休眠。动物实验验证了整个系统的工作时间和可行性。结果表明,整个系统的尺寸仅为Φ12mm×25mm,1s间隔工作模式下系统的工作时间超过9h。

基于微型电机的肠道机器人机构设计

设计了一种基于微型电机的肠道机器人机构.分析了机器人运动方式,并针对该运动方式对轴向伸缩与径向涨缩机构进行了设计与实现,最后通过实验测试了伸缩机构的运动有效性.实现的机构本体蜷缩时尺寸为Φ13mm×50mm,能够实现10mm的轴向步距与8mm的径向变形.

驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型与实验分析

为获得驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的主要设计参数范围,采用超弹性应力-应变本构方程描述肠道的生物力学特性,推导了驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型.针对伸缩机构,根据临界步距模型中的速度-阻力关系系数,设计了光滑外壁的单舱体机器人模型实验,采用不同直径的离体肠道进行测试;为获取驻留机构设计参数,采用足模型测试了同一直径下不同足伸出长度的驻留力.将获得的机器人参数返回到数学模型中,导出了若干机器人设计准则.最后采用机器人样机的离体实验,验证了临界步距模型的有效性.

径向伸长可控的微型肠道蠕动机器人

针对肠道内特殊的生理结构特征与不同肠段直径的变化，提出了有径向伸长可控的钳位机构的微型肠道蠕动机器人模型。为满足模型需求，设计了阿基米德螺线构成的平面螺旋机构，通过对其自锁能力和伸出杆件的推力的计算验证了此设计模型。机器人控制系统采用分布式设计，本体内电路负责控制机器人单一动作，本体外控制器通过入机接口接收命令后向机器人本体以无线方式发送控制信号。装配完成的机器人实体最大外径约为13．5mm，蜷缩时长度约为50mm，径向伸长量为3．75mm，步距为lOmm，满足模型设计要求。

用于治疗功能性胃肠疾病的植入式电刺激器设计

所设计的植入式刺激器用于治疗功能性胃肠道疾病。该刺激器利用μC/OS-Ⅱ实时操作系统内核来建立稳定高效的软件系统。基于STM32F103芯片的硬件系统完成产生刺激脉冲,采集胃肠道压力信号的任务。刺激器通过无线通信模块与外部控制器进行通信,接收外部控制器的控制命令,并将采集到的压力数据发送给外部存储器进行存储。实验结果证明:样机输出波形正常,可以准确发送所采集的压力信息,电刺激系统设置的参数范围大,可以应用在动物实验中。

微型仿生肠道内窥镜机器人的设计与实验

根据当前胃肠道内窥镜自主运动机器人的研究方向,设计了一种微型的肠道内窥镜机器人系统。机器人采用仿尺蠖式的运动步态,通过直流无刷电机驱动驻留-伸缩-驻留式的结构实现主动运动。整体采用模块化设计,主要包括驻留机构、伸缩机构、电路控制系统以及无线供能模块。对机器人结构模型进行了理论探讨,介绍了电路控制系统的设计,以及无线供能模块的构成。最终的机器人样机直径约为14 mm,整体长度约为61 mm。机器人在PVC柔性管道和猪小肠离体爬行实验中运行稳定可靠,能够实现前进、退后和停留等步态。实验结果表明该微型仿生肠道内窥镜机器人在肠道内可以实现主动运动。

自体荧光诊断技术的研究进展及发展方向

自体荧光检测技术是目前新兴的癌症诊断技术,它与传统白光内窥镜相比,在癌前病变和早期癌症的诊断上有很大的优势。本文总结了国内外关于自体荧光检测技术的研究现状和进展,重点阐述了生物组织的内源性荧光分子、正常和异常生物组织荧光信号差异的来源、荧光激发光光源和波长的选择,以及荧光图像和光谱信号的处理方法。最后,本文分析并讨论了自体荧光成像与光谱技术在癌前病变和早期癌症诊断中的不足和发展方向。

驻留–伸缩式微型胃肠道机器人的力学建模

介绍了能够描述胃肠道组织的应力–应变关系的超弹性本构模型.针对胃肠道特殊的生物力学环境,提出了一种基于驻留–伸缩的微型胃肠道机器人运动方式.通过研究微机器人单舱体与肠道组织相互的力学作用,建立了机器人单舱体运动时的速度与阻力关系;通过研究机器人整机与肠道的力学作用,建立了机器人的运动效率公式;结合以上力学分析,推导出基于超弹性本构模型的临界步距数学模型.该数学模型能够指导机器人设计与参数优化.最后,通过机器人模型实验获得了单舱体在肠道中的速度–拉力关系,并用机器人样机的离体实验验证了临界步距模型.