基于無線經(jīng)皮供能的反饋式人工肛門括約肌系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、健全的排便機(jī)能對(duì)于人類代謝和排毒的重要性不言而喻,在醫(yī)學(xué)的發(fā)展過程中,人們一直在探尋肛腸的奧秘以及救贖肛門失禁者的技術(shù)。近年,國(guó)內(nèi)外開展了人工肛門括約肌系統(tǒng)的研制,為臨床上治療肛門失禁提供了全新的方法,但現(xiàn)有系統(tǒng)在假體結(jié)構(gòu)、排便預(yù)警、血供安全、控制方式、價(jià)格成本等方面存在諸多缺陷,設(shè)計(jì)符合人體生理要求的人工肛門括約肌系統(tǒng)已成為醫(yī)工交叉重要課題。
　　本文依托國(guó)家自然基金(NO.31170968)、上海交通大學(xué)醫(yī)工交叉基金(YG20

2、11MS05)等項(xiàng)目資助,深入研究符合人體生理要求人工肛門括約肌系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)前期工作中各功能模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能升級(jí)、性能提升,研究系統(tǒng)集成和封裝,通過活體實(shí)驗(yàn)研制滿足人體生理需求的第三代人工肛門括約肌系統(tǒng)、探索便意重建機(jī)制。
　　1.研制對(duì)直腸夾持更加均勻的柱囊式括約肌假體,結(jié)合醫(yī)用微泵和儲(chǔ)液囊袋設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過多樣化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料,探索驅(qū)動(dòng)和控制參數(shù),探究假體的環(huán)境適應(yīng)性和血供安全性。
　　2.設(shè)計(jì)和優(yōu)化

3、體內(nèi)外控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件功能,模擬神經(jīng)控制和感知系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)仿生智能電子式人工臟器。重點(diǎn)模塊有①壓力/溫度檢測(cè)②運(yùn)放和AD③Si4431無線通訊④微泵驅(qū)動(dòng)⑤無線充電⑥電源管理⑦SD卡存儲(chǔ)⑧LCD顯示⑨排便預(yù)警⑩電量檢測(cè)。制定相應(yīng)通信協(xié)議,編程實(shí)現(xiàn)10種功能模式。
　　3.便意重建和排便預(yù)警。開展集成式和裸片開發(fā)式精密生物壓力傳感器研究,包含封裝設(shè)計(jì)、壓力標(biāo)定、穩(wěn)定性測(cè)試(耐水、耐壓、耐溫)、信號(hào)采集和處理、閾值報(bào)警算法等;

4、假體內(nèi)置傳感器檢測(cè)壓腸道壓力變化;通過離體、活體實(shí)驗(yàn)探索活體柔性腸道內(nèi)糞便量的檢測(cè)方法,建立糞便量與檢測(cè)參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　4.利用耦合諧振式原理設(shè)計(jì)無線供能系統(tǒng),以優(yōu)化效率和穩(wěn)定接收功率為目標(biāo),主要圍繞線圈選擇、傳輸水平、傳輸路徑、障礙物影響和植入活體開展實(shí)驗(yàn)。在直徑分別為6cm和3.5cm的初級(jí)和次級(jí)平面螺旋線圈作用下,設(shè)定固有頻率230KHz,發(fā)射功率2W,系統(tǒng)傳輸效率高達(dá)82％,在10~15mm的距離內(nèi)效率仍有63%

5、~75%的能量傳輸,保證了體內(nèi)系統(tǒng)的供電和充電。
　　5.探索系統(tǒng)集成和封裝。采用醫(yī)用硅橡膠封裝醫(yī)用微泵、儲(chǔ)液囊袋和體內(nèi)控制電路為一集成體A,封裝尺寸5.5×4.5×2.5cm,總重115g,通過醫(yī)用硅膠管連接到假體。將能量接收線圈及鐵氧體磁芯、可充電聚合物鋰電池、充電控制電路封裝為一集成體B,封裝尺寸45×35×6mm,總重20g,使用時(shí)植入皮下脂肪層,經(jīng)皮下膠封導(dǎo)線連接微泵單元。用聚類二甲苯噴涂上述集成體,集成化使結(jié)構(gòu)更加緊湊

6、、易于體內(nèi)安置。
　　6.植入式活體實(shí)驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)功能性、安全性、穩(wěn)定性和生物相容性。先后進(jìn)行了為期15天的小香豬活體實(shí)驗(yàn)以及7周的Beagle犬活體實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成功渡過排異期,有效證明AASS系統(tǒng)具有良好的控便效果、無線能量充電、體內(nèi)外通信及生物相容性,積累了有關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和術(shù)后管理經(jīng)驗(yàn)。Beagle犬活體實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行了X-ray影像學(xué)分析、肛腸測(cè)壓分析、血清化學(xué)和組織病理學(xué)分析等。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,AASS系統(tǒng)為嚴(yán)重肛門失禁的患者提