嵌入式智能排泄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李魯彬，黃琮軒

(暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510632)

直腸癌是我國(guó)常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，目前我國(guó)直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)，手術(shù)切除仍是直腸癌的主要手段[1]。現(xiàn)在大多采用Miles手術(shù)（即腹會(huì)陰聯(lián)合切除術(shù)）[2]。術(shù)后將腸道的出口外置于腹部，即腹部造瘺術(shù)。腹部造瘺術(shù)給患者的生活帶來(lái)諸多不便，于是我們提出原位人工肛門(mén)[3]的再造肛門(mén)方案。人工肛門(mén)是替代切除了的或已喪失擴(kuò)約功能的自然肛門(mén)，模擬肛門(mén)生理功能的一種人工器官，是一切嚴(yán)重肛門(mén)失禁的最終解決方案，與藥物治療、手術(shù)修補(bǔ)相比有不可替代的作用。

1 智能型人工肛門(mén)總體設(shè)計(jì)方案

人工肛門(mén)是一個(gè)人造器官，它的腸壁是一種納米材料。超聲波發(fā)射器和超聲波接收器緊貼在腸壁兩側(cè)。人工肛門(mén)底端是一個(gè)腸道開(kāi)合開(kāi)關(guān)，一般處于閉合狀態(tài)。腸道開(kāi)合開(kāi)關(guān)內(nèi)部表面有一個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)腸腔內(nèi)部的壓力變化。當(dāng)有排泄物時(shí)，需要打開(kāi)腸道開(kāi)合開(kāi)關(guān)。

智能人工肛門(mén)的物理模型如圖 1所示。

本文設(shè)計(jì)的智能人工肛門(mén)由四個(gè)模塊構(gòu)成：壓力傳感器探測(cè)模塊、超聲傳感器探測(cè)模塊、報(bào)警模塊以及單片機(jī)控制模塊，如圖2所示。壓力傳感器分析腸腔壓力變化，超聲傳感器探測(cè)模塊分析腸腔內(nèi)容物是氣體、液體、固體。如果是氣體，微處理器會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)水泵工作打開(kāi)肛門(mén)排出氣體，如果是液體或固體，將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提醒患者，等待患者的下一步指令。

壓力傳感器探測(cè)模塊：利用壓力傳感器測(cè)量到腸腔的壓力變化時(shí)，馬上給單片機(jī)發(fā)出信號(hào)并分析壓力的大小，通過(guò)單片機(jī)模塊來(lái)判斷排廢物的緊急程度。

超聲波傳感器探測(cè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出啟動(dòng)超聲波傳感器時(shí)，555芯片便產(chǎn)生40 kHz的高頻振蕩脈沖，進(jìn)入超聲波發(fā)射器，超聲波發(fā)射器發(fā)生40 kHz的超聲波，超聲波穿過(guò)腸腔，發(fā)射后的回波或衰減后的超聲波被超聲波接收器接收后的微弱信號(hào)經(jīng)放大電路放大，包絡(luò)檢波電路優(yōu)化信號(hào)波形，剔除干擾低頻成分信號(hào)，得到所需要的高頻信號(hào)，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到達(dá)單片機(jī)。

單片機(jī)控制模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)時(shí)控制壓力傳感器探測(cè)模塊和超聲傳感器探測(cè)模塊，處理來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的壓力數(shù)字信號(hào)和超聲波接收模塊的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)判斷物質(zhì)的狀態(tài)和排泄的緊急程度，從而通知病人做出不同的反應(yīng)。

報(bào)警模塊包括一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，代表著腸腔內(nèi)有排泄物。而蜂鳴器的響聲則代表著排泄的緊急程度，響聲越響則排泄越緊急。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

2 壓力傳感器探測(cè)模塊

壓力傳感器探測(cè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)腸壁壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，即模塊必須實(shí)現(xiàn)根據(jù)已有的腸壁壓力數(shù)據(jù)，對(duì)比判斷腸道內(nèi)部所受壓力的強(qiáng)度，從而得到緊急級(jí)別。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的級(jí)別后應(yīng)啟動(dòng)超聲檢測(cè)，以判斷腸道內(nèi)容物的狀態(tài)，為使用者提供更豐富的信息。壓力檢測(cè)模塊如圖4所示。

包圍在腸腔四周的壓力傳感器不斷地將腸腔內(nèi)部壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大器和A/D轉(zhuǎn)換傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

3 超聲傳感器探測(cè)模塊

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波,具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)[4]。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波,碰到活動(dòng)物體會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[5]。以超聲波作為檢測(cè)手段,就要產(chǎn)生超聲波和接收超聲波,完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。利用超聲波傳感器檢測(cè),迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制且測(cè)量精度能滿足要求。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在成像無(wú)損檢測(cè)、測(cè)距、超聲清洗、無(wú)損探傷、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。超聲波穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，其速度v是不同的[6]。

由于腸腔寬度H是固定的，可以通過(guò)測(cè)量求得。如果能求得超聲波通過(guò)腸腔的平均速度v，就能推斷出腸腔內(nèi)容物是空氣、液體還是固體。所以提出了圖5所示的物理模型。

單片機(jī)啟動(dòng)超聲波發(fā)射模塊，并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能。這時(shí)超聲波從腸壁1進(jìn)入，在腸壁1處有部分波被反射回來(lái)，即部分回波反射1，同時(shí)在穿過(guò)腸腔內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分衰減，到達(dá)腸壁2時(shí)部分波被反射，即部分回波反射3。超聲波接收模塊在腸壁2處接收到穿過(guò)腸腔的超聲波，即部分波4，立即向單片機(jī)傳遞信號(hào)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)功能，這時(shí)可以得出超聲波穿過(guò)腸腔的時(shí)間t。

由于H是已知的，t可以求得，這樣就可以利用式（1）計(jì)算出超聲波穿過(guò)腸腔的平均速度v。這時(shí)可以大致推斷出腸腔的內(nèi)容物是固體還是液體。其物理模型如圖6所示。

整個(gè)超聲波探測(cè)模塊的電路模型設(shè)計(jì)如圖7所示。

4 軟件模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后，打開(kāi)外部中斷0，監(jiān)視來(lái)自壓力檢測(cè)模塊的中斷信號(hào)。壓力檢測(cè)模塊不斷檢測(cè)人工肛門(mén)腸腔內(nèi)的壓力變化，當(dāng)腸腔內(nèi)的壓力超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，將會(huì)觸發(fā)中斷。這時(shí)，為了判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)，單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器和開(kāi)啟外部中斷1。超聲波穿越腸腔內(nèi)容物，將由另外一側(cè)的超聲接收模塊接收。超聲接收模塊接收超聲波后將會(huì)觸發(fā)中斷1。單片機(jī)收到中斷信號(hào)，關(guān)閉中斷1并關(guān)閉定時(shí)器。單片機(jī)讀取定時(shí)器數(shù)值，得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均時(shí)間t，然后根據(jù)公式H=vt處理數(shù)據(jù)得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均速度v。根據(jù)v，可以判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)。單片機(jī)將信息反饋給患者?；颊吒鶕?jù)腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)來(lái)做出動(dòng)作。如果患者按下了控制按鈕，單片機(jī)將會(huì)打開(kāi)腸道開(kāi)合開(kāi)關(guān)，排出腸腔內(nèi)的排泄物。

智能人工肛門(mén)的軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有考慮電路的供電功耗、電路的體積大小、電子元件是否適宜植入人體等問(wèn)題，完全從科研的角度來(lái)論證思路的可行性。再者，本設(shè)計(jì)不考慮腸腔內(nèi)容物的流動(dòng)性以及腸腔的寬度，在一定程度上理想化了系統(tǒng)的模型。本文針對(duì)目前直腸癌的治療方式對(duì)病人所造成的傷害，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用其中，為彌補(bǔ)手術(shù)的不足提供了一種解決方案。

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[3]凌保明，陳洪繆，陳達(dá)恭，等.原位人工肝門(mén)初步研究[J].中國(guó)康復(fù)，1994，9(4)：187-189.

[4]曹瑞，包空軍.基于超聲波傳感器新技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2009(3)：491.

[5]黃鴻，吳石曾.傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[6]來(lái)清民.傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.