專業(yè)儀器科學(xué)與技術(shù).pdf

1、消化系統(tǒng)疾病是臨床上的常見病和多發(fā)病，在消化科門診中功能性胃腸病占有相當(dāng)大的比例。在醫(yī)學(xué)界，醫(yī)生多注重胃腸道器質(zhì)性疾病的研究而忽視功能性胃腸病的研究，其主要原因是傳統(tǒng)胃腸道生理參數(shù)檢測設(shè)備只能獲取非正常生理狀態(tài)下部分胃腸道生理參數(shù)數(shù)據(jù)，而且這些生理參數(shù)數(shù)據(jù)的可信度較低。以致到現(xiàn)在，人們還沒能完全了解和掌握胃腸道的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其變化規(guī)律，更沒有評(píng)價(jià)胃腸道功能的有效方法。微型電子膠囊的問世雖然解決了獲取正常生理狀態(tài)下胃腸道生理參數(shù)的難題，但是

2、現(xiàn)有微型電子膠囊產(chǎn)品的在體工作時(shí)間較短，不能滿足一些受試者全消化道檢測的要求。
　　本文以上海市科委項(xiàng)目（09DZ1907400）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170968）和載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目（010203）為依托，研制了胃腸道多參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在正常生理狀態(tài)下對(duì)人體胃腸道的多個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行檢測，其中微型電子膠囊的設(shè)計(jì)是基于自主研發(fā)的專用集成電路芯片，該芯片的應(yīng)用不但提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性，而且還大大降低了系統(tǒng)

3、的整體功耗。在此基礎(chǔ)上，開展了胃腸道運(yùn)動(dòng)功能的研究，分析了胃腸道蠕動(dòng)壓力信號(hào)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)并提出了評(píng)價(jià)胃腸道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法。本研究力求對(duì)正常生理狀態(tài)下胃腸生理參數(shù)的獲取，生理信號(hào)的降噪，不同胃腸道疾病參數(shù)數(shù)據(jù)的分析以及胃腸道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的評(píng)估方法等研究起到進(jìn)一步的推動(dòng)作用。
　　本文開展了如下幾個(gè)方面的研究：
　　研制了胃腸道多參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微型電子膠囊、便攜式數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)處理工作站組成。基于胃腸道生理信號(hào)的特點(diǎn)，開

4、發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用集成電路芯片，該芯片集成了模擬開關(guān)、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘系統(tǒng)、參考電壓源等模塊。以專用集成電路芯片為核心設(shè)計(jì)的微型電子膠囊系統(tǒng)，不但降低了系統(tǒng)的功耗，還大大提升了系統(tǒng)的可靠性。為進(jìn)一步提高微型電子膠囊中自封裝壓力傳感器的穩(wěn)定性，對(duì)自封裝壓力傳感器模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建模仿真和測試結(jié)果證實(shí)了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以有效地提升自封裝壓力傳感器模塊的穩(wěn)定性。
　　研究了胃腸道生理參數(shù)數(shù)據(jù)的降噪和信號(hào)提取方法

5、。通過對(duì)胃腸道壓力信號(hào)的分析，提出了胃腸道壓力信號(hào)中不同信號(hào)成分的劃分方法。根據(jù)胃腸道壓力信號(hào)的特點(diǎn)，研究了基于小波分析的降噪方法。相對(duì)于傳統(tǒng)濾波器濾波，小波降噪可以更好地消除生理信號(hào)中的噪聲干擾。利用小波多尺度分析的方法，提取出了胃腸道蠕動(dòng)壓力信號(hào)，該信號(hào)可以真實(shí)地反映出胃腸道的收縮與舒張運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
　　人體消化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)具有非線性系統(tǒng)的一些特征，因此對(duì)人體胃腸道生理信號(hào)進(jìn)行了非線性分析。本文主要從系統(tǒng)復(fù)雜度的角度分析解釋了健康

6、受試者和胃腸道功能異?；颊呓Y(jié)腸壓力信號(hào)的差異。對(duì)于人體胃腸道壓力信號(hào)復(fù)雜度的計(jì)算采用了多種計(jì)算分析方法，包括多重分形譜、近似熵、C0復(fù)雜度和L-Z復(fù)雜度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了不同算法對(duì)于結(jié)腸蠕動(dòng)壓力信號(hào)的適用性，對(duì)比分析了不同受試者結(jié)直腸壓力信號(hào)L-Z復(fù)雜度的差異性。
　　研究了基于胃腸道壓力信號(hào)特征參數(shù)的聚類分析方法。首先提取了反映胃腸道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征參數(shù)，再利用模糊c均值聚類算法對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行聚類分析。為避免模糊c均值聚類算法陷

7、入局部最優(yōu)解，本文先利用蟻群聚類算法的全局搜索特性求解樣本數(shù)據(jù)的聚類中心，再將獲得的聚類中心坐標(biāo)作為模糊c均值聚類算法的初始聚類中心，經(jīng)過迭代便可以得到新的聚類中心坐標(biāo)?；谠摲椒▽?duì)健康受試者和慢傳輸型便秘患者結(jié)腸運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)進(jìn)行了聚類分析，聚類結(jié)果表明相同類型受試者的結(jié)腸運(yùn)動(dòng)具有相似性。本文又以腸道蠕動(dòng)壓力信號(hào)的復(fù)雜度為特征值，對(duì)不同類型受試者的結(jié)直腸運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了聚類分析。該方法不但可以評(píng)價(jià)受試者的腸道健康狀況，同時(shí)還可以判別功能性