氣驅(qū)動(dòng)仿食道蠕動(dòng)軟驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

， ， Peter Xu(.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京　0094； .奧克蘭大學(xué) 工程學(xué)院， 奧克蘭 新西蘭　00)

引言

日常進(jìn)食是保證人體新陳代謝，維持各項(xiàng)功能的一項(xiàng)必要過程[1]。一般的，吞咽過程被分解成口腔準(zhǔn)備期、口腔期、咽期、以及食道期四個(gè)階段。經(jīng)咀嚼后的食物從口腔開始，通過咽喉和食道，最終被運(yùn)送至胃部。整個(gè)咽食過程需依靠舌、咽和食道的骨骼肌/平滑肌在神經(jīng)系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)完成[1, 2]。

吞咽困難是消化道疾病、神經(jīng)肌肉疾病的常見并發(fā)癥，特別在老年人群體和消化道手術(shù)后人群中占很大比例[3]。吞咽困難使得患者不能安全有效地進(jìn)行咽食，易造成窒息、咳嗽、營養(yǎng)不良、脫水等癥狀。

食物的材質(zhì)特性，包括大小、黏度、硬度等，影響參與吞咽的各組織結(jié)構(gòu)的生理行為[4, 5]。針對(duì)不同患者吞咽困難的嚴(yán)重程度，通過改善食品的材質(zhì)特性，施以相對(duì)安全的食品，是一種治療吞咽困難的手段。然而，由于人體吞咽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不易獲得吞咽時(shí)食物流動(dòng)和吞咽系統(tǒng)的體內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)，阻礙了食品材質(zhì)特性對(duì)吞咽過程影響的研究以及安全食品的開發(fā)。

為提高吞咽困難醫(yī)療診斷水平，提出了仿生吞咽機(jī)器人，提供體外試驗(yàn)環(huán)境，用于研究食物被吞咽后的流動(dòng)特性。本研究設(shè)計(jì)和制造了仿食道蠕動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器，模仿人類吞咽過程中食道的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

1　仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1.1　人體食道蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

人體的食道是一根肌肉管道，主要由外層環(huán)形肌，中層縱向肌和內(nèi)層粘膜構(gòu)成[6]。成人食道長20～25 cm，內(nèi)徑大約2 cm[6]。食道的環(huán)形肌和縱形肌有序收縮和放松，產(chǎn)生了類似波浪的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。食道收縮時(shí)，擠壓食團(tuán)，推動(dòng)食團(tuán)進(jìn)入胃部。

臨床上通過造影、測(cè)壓法等手段，測(cè)量了大量吞咽中食道期的物理參數(shù)，包括食道蠕動(dòng)傳播速度，食道內(nèi)壁擠壓力，以及食物內(nèi)部壓力等。受食物硬度、黏度等影響，一次完整的蠕動(dòng)過程大約持續(xù)5～10 s[7]。有研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)人站立時(shí)，流質(zhì)食物更多受到重力影響進(jìn)入胃，而不是通過食道蠕動(dòng)前行。

測(cè)壓法常被用來測(cè)定食道蠕動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力。通過分析壓力波的產(chǎn)生時(shí)間、最大壓力等特征值，可以直接反映食道的蠕動(dòng)能力，也可以間接得到蠕動(dòng)波的速度特點(diǎn)。一般的，在一次吞咽過程中，蠕動(dòng)在食道不同位置的速度是不一樣的。其中一個(gè)重要原因是食道上下兩段的組成肌肉不同，上段是橫紋肌，下段是平滑肌。因肌肉收縮能力不同，導(dǎo)致蠕動(dòng)速度和最大擠壓力沿食道變化。食道吞咽的平均速度是2～4 cm/s[8]。上端最大壓力值(53.4±9.0) mmHg，下端最大壓力值(69.5±12.1) mmHg[8]。

1.2　多腔室蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示是仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)器由柔軟的硅橡膠制備，模擬人體肌肉性食道。驅(qū)動(dòng)器中部沿軸向方向，是貫穿驅(qū)動(dòng)器兩段的圓柱形通道，直徑20 mm(圖2)，模擬人體食道。驅(qū)動(dòng)器總長為215 mm，類似于成人食道。十二層腔室圍繞著食物通道，嵌在硅橡膠材料內(nèi)。每層四個(gè)腔室均布在通道四周，如圖2所示。

圖1　仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2　仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的制備

仿食道軟體蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器由雙組份室溫硫化硅橡膠(Ecoflex 0030， Smoot-on， US)制成。制備驅(qū)動(dòng)器的大致步驟是：

(1) 設(shè)計(jì)用于裝載硅橡膠凝固成型的模具，并使用3D打印技術(shù)制備模具；

圖2　仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器橫截面結(jié)構(gòu)

(2) 將硅橡膠的兩種成分以1∶1比例均勻混合，除去攪拌時(shí)混入的氣泡后，澆筑在定制的模具中；

(3) 在室溫下，經(jīng)大約4 h自然凝固；

(4) 拆卸模具，取出軟體驅(qū)動(dòng)器中心部分——十二層腔室未封閉；

(5) 采用同種橡膠材料，封閉驅(qū)動(dòng)器四周的腔室；

(6) 將驅(qū)動(dòng)器放置在烤箱中，恒溫60 ℃加熱約3 h，用于加固腔室處硅橡膠的粘接；

(7) 重復(fù)利用模具，安裝在橡膠體外部，限制驅(qū)動(dòng)器充氣時(shí)向外的變形。圖3所示是蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的原型，內(nèi)嵌48個(gè)可充氣腔室，總長215 mm，總重約690 g。

圖3　仿食道蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器原型

3　蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的目的是研究驅(qū)動(dòng)器管道內(nèi)壁變形與充氣腔內(nèi)氣壓力間的力學(xué)關(guān)系。

3.1　驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

圖4是實(shí)驗(yàn)裝置和主要組成部分簡圖，包括用于生成氣動(dòng)控制指令的GUI，微控制器，D/A轉(zhuǎn)換電路，氣動(dòng)控制回路，蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和用于記錄驅(qū)動(dòng)器管道內(nèi)壁變形的動(dòng)態(tài)言語動(dòng)作觀測(cè)儀。

GUI生成的控制信號(hào)經(jīng)串口輸入并保存在微控制器(PIC24FJ128GA010)內(nèi)，繼而由D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，控制比例電磁閥的輸出氣壓。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率被設(shè)置為10 Hz。氣動(dòng)控制回路中每一個(gè)比例電磁閥控制一層4個(gè)腔室，響應(yīng)時(shí)間為0.1 s，接受0～10 V電壓信號(hào)，其供氣壓力維持在0.4 MPa。

1.計(jì)算機(jī)及GUI　2.微控制器　3.D/A轉(zhuǎn)換電路　4a.氣源 4b.減壓閥　4c.比例電磁閥　5.蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器　6.動(dòng)態(tài)言語動(dòng)作觀測(cè)儀

實(shí)驗(yàn)中采用動(dòng)態(tài)言語動(dòng)作觀測(cè)儀來記錄驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁的變形。觀測(cè)儀能夠在立方體空間創(chuàng)建磁場，并記錄球形電磁式傳感器在磁場內(nèi)的動(dòng)態(tài)位置。本實(shí)驗(yàn)選用了7個(gè)電磁式傳感器，將其均勻粘貼在內(nèi)壁壁面。隨著驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁變形，觀測(cè)儀可以記錄傳感器所在點(diǎn)位置的變化。傳感器直徑大約為2 mm，互相間隔7.5 mm。其中3個(gè)傳感器被安置在對(duì)應(yīng)腔室中間的位置，其余4個(gè)被安置在對(duì)應(yīng)腔室隔離材料的位置(如圖5所示)。

圖5　動(dòng)態(tài)言語動(dòng)作觀測(cè)儀傳感器安裝示意圖

3.2　驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)氣驅(qū)動(dòng)模式

由于每層腔室都配備了1個(gè)比例電磁閥，每層的充、放氣過程互相獨(dú)立，理論上可以形成多種不同的驅(qū)動(dòng)模式。例如，可以調(diào)節(jié)每層的氣壓變化，也可以調(diào)節(jié)相鄰層間相位差，來實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)模式。

本實(shí)驗(yàn)研究蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的徑向收縮性能，選擇3個(gè)比例電磁閥同時(shí)控制相鄰的三層腔室，控制氣壓分別為pa、pb和pc(圖 5)，其余層腔室與大氣聯(lián)通。氣壓力pa、pb和pc遵循同一個(gè)規(guī)律，從0 kPa開始階梯式增長，直至壓力足夠大使得驅(qū)動(dòng)器管道閉合。同時(shí)，三個(gè)壓力還遵循pa≤pb≤pc規(guī)則。以pc為例，氣壓力模型可以表述為：

pc=3.57n,n=0,1,2,…

(1)

圖6是氣壓力的增長模型。實(shí)驗(yàn)中，每一組壓力組合維持1 s時(shí)間，以保證驅(qū)動(dòng)器變形進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　驅(qū)動(dòng)氣壓pa、pb、pc增長模型

3.3　驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7和圖8是提取出的驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量部分結(jié)果。在圖7中，氣驅(qū)動(dòng)方案是：pa=pb=0 kPa，pc分別是35.71 kPa、46.43 kPa、57.14 kPa和67.86 kPa?？傮w上，與壓力pc對(duì)應(yīng)的腔室膨脹程度大于其余2個(gè)腔室。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁形狀從pa腔室到pc腔室呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)pc為67.86 kPa時(shí)，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁最大位移大約為8.5 mm。考慮到電磁傳感器內(nèi)徑為1 mm，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器管道已經(jīng)基本閉合。

圖7　驅(qū)動(dòng)方案一

在圖8中，氣驅(qū)動(dòng)方案是：pa=0 kPa；pb=pc，按公式(1)變化。提取pb和pc值和圖 7中相同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)比較，當(dāng)氣壓力較低，如35.71 kPa，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁最大位移約為1.2 mm，與方案一中最大位移相近。而當(dāng)氣壓增大時(shí)，如當(dāng)氣壓力為57.14 kPa，方案二中最大位移達(dá)到約5.4 mm，明顯大于方案一中最大位移，3.5 mm。并且，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁整體偏向管道中軸。當(dāng)氣壓增大至67.86 kPa時(shí)，驅(qū)動(dòng)器管道接近閉合。

圖8　驅(qū)動(dòng)方案二

4　結(jié)論

為提高吞咽困難診斷水平和研究食品與吞咽系統(tǒng)交互關(guān)系提供體外環(huán)境，提出了吞咽機(jī)器人，設(shè)計(jì)并制造了仿人體食道軟體蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器原型。該驅(qū)動(dòng)器使用室溫硫化硅橡膠制成，內(nèi)嵌十二層可充氣腔室。驅(qū)動(dòng)器成型模具通過3D打印技術(shù)生成。驅(qū)動(dòng)器變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，采用了動(dòng)態(tài)言語動(dòng)作觀測(cè)儀，記錄充氣膨脹時(shí)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)壁的變形。

為實(shí)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)器生成蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，需研究該軟體驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)模型。軟體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型研究是仿食道軟體蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的下一步研究方向，也是軟體機(jī)器人領(lǐng)域尚未解決的研究難題。

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