胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)及胃腸動(dòng)力功能分析.pdf

1、胃腸道醫(yī)學(xué)信息可反映胃腸道動(dòng)力障礙性疾病生理病理改變情況，對(duì)消化系統(tǒng)疾病的早期診療及防止消化器官的惡性病變具有重要意義。目前，臨床獲取胃腸道醫(yī)學(xué)信息的診斷儀器，需要清腸、禁食等前期處理，患者痛苦大，檢測(cè)存在盲區(qū)，檢測(cè)數(shù)據(jù)不是正常生理狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，這些因素導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)醫(yī)學(xué)界無(wú)法對(duì)胃腸動(dòng)力功能疾病做出準(zhǔn)確診斷和精確治療，無(wú)法全面、客觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)胃腸道動(dòng)力功能。近年來(lái)，胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)的研究倍受?chē)?guó)內(nèi)外胃腸動(dòng)力功能研究者矚目，基

2、于此，本文以國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目以及上海市科委項(xiàng)目為依托，研制胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行大量的臨床試驗(yàn)，獲取正常生理狀態(tài)下的胃腸道醫(yī)學(xué)信息，并進(jìn)行胃腸道動(dòng)力功能分析，對(duì)胃腸道動(dòng)力特性做深入的探討。本研究將為科學(xué)、正確地認(rèn)識(shí)消化器官的物理、化學(xué)運(yùn)動(dòng)，探索、研究各生理量之間的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)字化醫(yī)療信息檔案等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)由“生理參數(shù)遙測(cè)膠囊”、“便攜式數(shù)據(jù)

3、記錄存儲(chǔ)器”、“膠囊定位裝置”和“數(shù)據(jù)分析處理中心”四部分組成。生理參數(shù)遙測(cè)膠囊是遙測(cè)系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)其工作原理、組成結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)，詳細(xì)地分析了如何研制高精度和高可靠性的生理參數(shù)遙測(cè)膠囊。隨后介紹了體外便攜式數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器的基本功能和工作原理，分析了其性能參數(shù)和技術(shù)特點(diǎn)。接著選擇三種互補(bǔ)的定位技術(shù)：基于內(nèi)置磁阻傳感器的定位技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和生理參數(shù)定位技術(shù)，提供生理參數(shù)遙測(cè)膠囊在胃腸道內(nèi)的位置信息。生理參數(shù)遙測(cè)膠囊的測(cè)量精度至關(guān)

4、重要，分析了遙測(cè)膠囊傳感器的誤差來(lái)源，設(shè)計(jì)了硬件標(biāo)定設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于免疫原理的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)數(shù)據(jù)軟件補(bǔ)償模型。基于VC++和matalab，開(kāi)發(fā)了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息分析軟件。最后，介紹了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)的臨床試驗(yàn)情況，分析了所獲得醫(yī)學(xué)信息的基本統(tǒng)計(jì)特性。 研究了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境，分析了其通信的獨(dú)特性及復(fù)雜性，提出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)了胃腸道多元醫(yī)學(xué)

5、信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，保證通信的可靠性?；谌梭w的三維數(shù)字模型和FDTD算法，設(shè)計(jì)三種適用于生理參數(shù)遙測(cè)膠囊的天線(xiàn)：法向螺旋天線(xiàn)、長(zhǎng)方體天線(xiàn)和回旋式線(xiàn)型天線(xiàn)，并給出了這三種天線(xiàn)的幾何參數(shù)和基本性能參數(shù)。以回旋式線(xiàn)型天線(xiàn)為例，研究了生理參數(shù)遙測(cè)膠囊天線(xiàn)在人體胃腸道四個(gè)典型位置的輻射特性。研究分析表明，生理參數(shù)遙測(cè)膠囊天線(xiàn)在人體胃腸道的諧振頻率差異較小；由于人體生物組織的影響，生理參數(shù)遙測(cè)膠囊天線(xiàn)在體內(nèi)的諧振頻率高于在自由空間中的

6、諧振頻率；近場(chǎng)輻射特性表明，生理參數(shù)遙測(cè)膠囊經(jīng)過(guò)人體產(chǎn)生的衰減為-20～-55dB，人體腹部方向的信號(hào)強(qiáng)度高于其他方向的信號(hào)強(qiáng)度；遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性表明，由于生理參數(shù)遙測(cè)膠囊周?chē)梭w生物組織的差異性較大，體內(nèi)反射、折射較多，造成了天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性較為復(fù)雜。與生理參數(shù)遙測(cè)膠囊在人體生物組織內(nèi)的輻射特性不同，該天線(xiàn)在自由空間中的輻射特性有較強(qiáng)的規(guī)律性。最后，進(jìn)行了SAR值分析，求出了生理參數(shù)遙測(cè)膠囊在胃腸道內(nèi)的最大允許發(fā)射功率，進(jìn)一步研究表明，

7、生理參數(shù)遙測(cè)膠囊周?chē)纳锝M織吸收電磁輻射的強(qiáng)度最大。 生理參數(shù)遙測(cè)膠囊記錄的胃內(nèi)壓力信息由胃內(nèi)壓力蠕動(dòng)、腹部肌肉運(yùn)動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)、噪聲等因素共同作用的結(jié)果。要研究胃內(nèi)壓力信息特性必須從單維壓力時(shí)間序列分離出胃蠕動(dòng)引起的壓力信息成分，才能進(jìn)行下一步分析。本文提出采用自動(dòng)嵌入式相空間重構(gòu)算法和FastICA算法來(lái)解決這一問(wèn)題。不同運(yùn)動(dòng)形式的胃壓力收縮波形的相空間重構(gòu)圖具有明顯的區(qū)別。分離出的胃內(nèi)的壓力信息代表了胃內(nèi)蠕動(dòng)引起的壓力變化

8、，隨后利用Hilbert Huang變換(HHT)進(jìn)行時(shí)頻譜分析，結(jié)果表明，胃消化期只存在一個(gè)占主導(dǎo)的3次/分鐘(cpm)蠕動(dòng)收縮頻率；胃消化間期Ⅱ相有較少的強(qiáng)烈收縮，除此之外，還存在持續(xù)的、小幅值的收縮變化；胃消化間期Ⅲ相除了有強(qiáng)烈的頻率為3cpm收縮外，還存在較小幅值的、頻率為12cpm的蠕動(dòng)收縮。 結(jié)腸的運(yùn)動(dòng)模式較多，結(jié)腸內(nèi)的壓力信息呈現(xiàn)混沌特性，為時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)，經(jīng)典的平穩(wěn)信號(hào)分析方法難以取得滿(mǎn)意的效果。以健康志愿者、慢

9、傳輸型便秘患者和腸梗阻型便秘患者的結(jié)腸壓力信息為例，分析結(jié)腸的動(dòng)力特性。采用不同域的信息熵作為結(jié)腸壓力活動(dòng)的非平穩(wěn)特征，能定量評(píng)價(jià)結(jié)腸壓力信息的非平穩(wěn)特性。提取的信息熵特征域包括：奇異譜熵、功率譜熵、小波能譜熵和小波狀態(tài)空間特征熵。分類(lèi)結(jié)果表明，時(shí)-頻域的信息熵特征包含的有效信息量多于時(shí)域和頻域的信息熵特征包含的有效信息量。最后，把提取的信息熵特征和決策融合算法有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了結(jié)腸動(dòng)力功能診斷模型，實(shí)現(xiàn)了不同結(jié)腸動(dòng)力功能類(lèi)型的有效識(shí)別，

10、驗(yàn)證了基于信息熵和信息融合識(shí)別模型對(duì)于結(jié)腸動(dòng)力功能診斷的有效性。進(jìn)一步分析表明，雖然時(shí)域和頻域信息熵中包含的有效信息小于時(shí)-頻域信息熵中的有效信息，但可為時(shí)-頻域信息熵特征提供信息補(bǔ)償，能進(jìn)一步提高識(shí)別率。 本文對(duì)胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無(wú)創(chuàng)遙測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、精度等方面做了深入研究；利用系統(tǒng)所獲取的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析了胃腸道動(dòng)力功能的一些特性，為深入研究胃腸道動(dòng)力機(jī)制提供了依據(jù)。胃腸道醫(yī)學(xué)信息的探測(cè)和分析仍然有較多的未知領(lǐng)域，