基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭貴林，陶志浩

(武漢大學(xué)自動(dòng)化系，武漢430072)

傳感器研究

基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭貴林*，陶志浩

(武漢大學(xué)自動(dòng)化系，武漢430072)

胃腸動(dòng)力是影響人體消化的重要因素，如何評(píng)估胃腸動(dòng)力成為了醫(yī)療診斷與研究的一個(gè)難點(diǎn)?；诘凸乃{(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套可同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)胃內(nèi)的壓力、溫度、電導(dǎo)率和pH值的低功耗胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別從硬、軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了分析，并介紹了臨床動(dòng)物試驗(yàn)的情況。系統(tǒng)對(duì)壓力、溫度、電導(dǎo)率和pH值的測(cè)量精度分別可達(dá)±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定性好，通信成功率可達(dá)99%，能夠連續(xù)工作90天以上，采集響應(yīng)時(shí)間小于1 s，備份存儲(chǔ)可達(dá)10 000幀數(shù)據(jù)。本研究可望為胃腸動(dòng)力障礙性疾病和其他胃腸疾病的臨床診斷和療效評(píng)價(jià)等提供參考，為促進(jìn)胃腸動(dòng)力學(xué)的研究尋求一種新的途徑。

胃腸動(dòng)力;低功耗藍(lán)牙;胃腸動(dòng)力障礙性疾病;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

胃腸動(dòng)力障礙性疾病DGIM(Disorders of Gastrointestinal Motility)是一種臨床常見(jiàn)的疾病，主要指因胃腸動(dòng)力紊亂引起的以各種消化道癥狀為臨床表現(xiàn)的疾病，胃腸動(dòng)力障礙性疾病是臨床治療的難點(diǎn)，如何評(píng)估胃腸動(dòng)力的重要性也越來(lái)越受到人們廣泛的關(guān)注［1］。胃腸運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的、難以直接測(cè)量和量化描述的運(yùn)動(dòng)形式。目前，胃腸動(dòng)力障礙的臨床檢測(cè)方法主要包括超聲診斷、放射學(xué)、核素顯像、核磁共振、胃腸電圖、生物電阻抗、膠囊內(nèi)鏡、腔內(nèi)測(cè)壓等［2］，作為臨床診斷胃腸動(dòng)力的客觀手段，這些方法缺乏對(duì)胃腸動(dòng)力狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，仍不能全面評(píng)估胃腸動(dòng)力。文獻(xiàn)［3］研制了一種無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡醫(yī)療機(jī)器人，對(duì)胃腸動(dòng)力的診斷和評(píng)估仍需要依靠肉眼判斷，缺乏客觀、確切的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［4］采用生物電阻抗方法檢測(cè)胃動(dòng)力狀態(tài)，通過(guò)仿真明確了電阻抗與胃內(nèi)容物、胃收縮等有一定關(guān)系，但是仍缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)說(shuō)明問(wèn)題，而且沒(méi)有研究多種參數(shù)對(duì)胃動(dòng)力的影響;文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了一種用于治療功能性胃腸疾病的植入式電刺激器，具有壓力檢測(cè)和電刺激的功能，壓力檢測(cè)為電刺激提供參考和療效評(píng)價(jià)，但是胃壓力與所需電刺激強(qiáng)度的關(guān)系未知，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)與分析，而且功耗和體積較大。隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展，利用固件集成技術(shù)和低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)把大部分模塊集成在一個(gè)芯片上已成為可能。如今，無(wú)線胃腸動(dòng)力多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)正在成為胃腸動(dòng)力檢測(cè)與研究的重要手段［6－7］。

研發(fā)出一種兼顧功能全面，靈活高效，使用簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)合算的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅有利于胃腸動(dòng)力障礙性疾病的診斷和治療效果的實(shí)時(shí)評(píng)估，而且有助于推動(dòng)胃動(dòng)力學(xué)的研究。胃部的壓力、溫度、電導(dǎo)率、pH值等參數(shù)是診斷胃腸道疾病的重要依據(jù)［8－9］，本文采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種植入式的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)胃內(nèi)壓力、溫度、電導(dǎo)率、pH值等參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄，為胃腸動(dòng)力障礙檢測(cè)和胃腸動(dòng)力狀態(tài)評(píng)估的研究提供了更直觀、全面的檢測(cè)方法，以期為胃腸動(dòng)力障礙性疾病和其他胃腸動(dòng)力性疾病的臨床診斷、療效評(píng)價(jià)和醫(yī)學(xué)研究等提供一種新的方法。

1 胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)以Texas Instruments公司的低功耗藍(lán)牙芯片CC2541為控制核心，主要由電源管理、胃壓測(cè)量、溫度測(cè)量、電導(dǎo)率測(cè)量、pH值測(cè)量以及上位機(jī)軟件等部分組成。系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信方式與上位機(jī)軟件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)胃壓、溫度、電導(dǎo)率、pH值等參數(shù)的同步在線監(jiān)測(cè)和記錄功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主控芯片

藍(lán)牙是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)［10］，藍(lán)牙4.0版本將3種藍(lán)牙技術(shù)(即傳統(tǒng)藍(lán)牙，高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙技術(shù))合而為一。它集成了藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線上的固有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)增加了高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙的特點(diǎn)，低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy)是藍(lán)牙4.0的核心。表1為幾款主流藍(lán)牙芯片的對(duì)比，基于低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等原則，選擇了TI公司的CC2541作為主控芯片。該芯片具有高性能、超低功耗等特點(diǎn)，不僅支持藍(lán)牙4.0，而且接收靈敏度高、ADC轉(zhuǎn)換精度高、內(nèi)存容量大、封裝體積小。

表1 主流藍(lán)牙芯片對(duì)比

1.3 電源管理

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，對(duì)于當(dāng)前不需要工作的電路需要作斷電處理。常用的開(kāi)、斷器件主要有繼電器、模擬電子開(kāi)關(guān)。繼電器驅(qū)動(dòng)電路本身會(huì)消耗比較大的電流，而且繼電器為機(jī)械結(jié)構(gòu)，壽命短、噪音大、體積大。模擬電子開(kāi)關(guān)一般用作信號(hào)通道的選擇，體積及導(dǎo)通電阻都較大。依據(jù)應(yīng)用要求，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的電子開(kāi)關(guān)，主要由NPN三極管與PMOS管組成，NPN三極管采用S8050，PMOS管采用LP2301BLT1G。圖3為在輸出達(dá)2.8 A的情況下，開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通電阻與輸入電壓的特征曲線。本系統(tǒng)的輸入電壓為3.3 V，最大功耗電流僅為1 mA，因此輸入、輸出壓降值幾乎可忽略不計(jì)(小于5 mV)。NPN三極管和PMOS管均為SOT－23微型封裝，減小了電路體積。電路完全由分離元件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠。

圖2 電源管理電路

圖3 電路輸入特征曲線

1.4 集成傳感器設(shè)計(jì)

1.4.1 傳感器結(jié)構(gòu)

在胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于傳感器為植入式的，而且工作在具有腐蝕性的胃液環(huán)境中，所以傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮，特別定制。

如圖4所示，本文所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)主要包括:①導(dǎo)氣管，用于非接觸式檢測(cè)胃內(nèi)壓力，避免胃液腐蝕壓力傳感器;②R型熱電偶，用于測(cè)量溫度，采用具有耐腐蝕性的鉑、銠金屬定制，偶絲直徑為0.5 mm，其正極(RP)為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負(fù)極(RN)為純鉑;③鉑金電極，用于測(cè)量胃液的電導(dǎo)率，耐腐蝕性好，能夠減少電極的氧化和極化效應(yīng);④Ag/AgCl參比電極，作為電位參考點(diǎn)，與pH玻璃電極構(gòu)成原電池來(lái)測(cè)量胃液pH值;⑤pH玻璃電極，用于測(cè)量胃液pH值;⑥傳感器腔體，該腔體將會(huì)放置在胃部?jī)?nèi)，表面加工光潔度要求高，以避免食物堵塞。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器的實(shí)物圖見(jiàn)圖5左上方的透明錐體部分。圖5下方為胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的印刷電路板，包括了傳感器采集、藍(lán)牙通信和電源管理等部分。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)照片

1.4.2 胃壓測(cè)量

胃壓測(cè)量傳感器為Freescale公司的MP3V5010壓力傳感器，該傳感器集成了片上技術(shù)、雙極運(yùn)算放大器電路和薄膜電阻器網(wǎng)絡(luò)，可提供高輸出信號(hào)、溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，替換性好，適用于醫(yī)療領(lǐng)域中的病人監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備，如血壓計(jì)、醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀表等［11］。MP3V5010的檢測(cè)范圍為0～10 kPa (表壓)，輸出范圍為0.10 V～2.80 V，可直接使用CC2541的ADC模塊采集，不需要額外的信號(hào)處理，便于簡(jiǎn)化電路。圖6(a)為MP3V5010GCU壓力傳感器芯片的內(nèi)部原理圖，應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)單，具有外圍器件極少，可靠性高，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。如圖6(b)所示，采用FLUKE的微壓活塞式壓力計(jì)FPG8601的進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定曲線方程為y=0.280 5x+0.325 9，相關(guān)系數(shù)為0.992 8，測(cè)量精度可達(dá)±0.5 kPa，分辨率為0.003 kPa，重復(fù)性誤差小于1%。

圖6 胃壓測(cè)量

1.4.3 溫度測(cè)量

R型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測(cè)量溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其物理、化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)穩(wěn)定性及抗氧化性能好。但是R型熱電偶的不足之處是熱電勢(shì)和熱電勢(shì)率較小。因此，本文采用專門(mén)的熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX31856，設(shè)計(jì)了高精度、帶線性補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量電路，如圖7(a)所示。MAX31856可以對(duì)任何類型熱電偶的信號(hào)進(jìn)行冷端補(bǔ)償和數(shù)字轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)以攝氏度為單位，溫度分辨率達(dá)0.007 812 5℃，電壓測(cè)量精度達(dá)±0.15%。如圖7(b)所示，采用上海精宏恒溫箱JHG－9023A進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定曲線方程為y=0.999 8x+0.283 3，相關(guān)系數(shù)為0.999 9，測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。

1.4.4 電導(dǎo)率測(cè)量

本文采用Analog Devices公司的阻抗測(cè)量芯片AD5933實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率的測(cè)量［12］。AD5933是一款1 MSPS(Million Samples Per Second)、12 bit的高精度阻抗測(cè)量芯片，內(nèi)置有直接數(shù)字合成器(DDS)、放大器、濾波器等，能通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字化處理實(shí)現(xiàn)阻抗的測(cè)量，具有0.5%系統(tǒng)誤差。如圖8(a)所示，AD5933有一個(gè)電壓輸出引腳VOUT，它能發(fā)出一定頻率的正弦掃描信號(hào)對(duì)外部阻抗z(ω)進(jìn)行激勵(lì)。信號(hào)通過(guò)被測(cè)樣品后，再經(jīng)放大、濾波后被模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣，并進(jìn)行離散傅立葉變換，最終計(jì)算出待測(cè)阻抗值。如圖 8(b)所示，采用配制的鹽水和Bante52便攜式電導(dǎo)率儀進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定曲線方程為y=290.50x+79.19，相關(guān)系數(shù)為0.998 7，測(cè)量精度可達(dá)±0.1 ms。

圖7 溫度測(cè)量

圖8 電導(dǎo)率測(cè)量

1.4.5 pH值測(cè)量

pH傳感器由一個(gè)玻璃測(cè)量電極和一個(gè)參比電極構(gòu)成，類似于一塊原電池。當(dāng)把傳感器置于溶液中時(shí)，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，具體取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參考電極的電位進(jìn)行比較，用能斯脫方程表示為［13］:

式中:E為電極電壓，α為零點(diǎn)容差(±30 mV)，T為環(huán)境溫度(單位:℃)，n為氫離子上的電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(96 485 C/mol)，R為阿伏加德羅氏數(shù)(8.314(V·C)/°(K·mol))，pH為未知溶液的氫離子濃度，pHISO為參比氫離子濃度(等于7)。

方程表明，pH傳感器產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。在理想情況下，典型的pH傳感器在25℃下會(huì)產(chǎn)生59.154 mV/PH的輸出。本文設(shè)計(jì)了如圖9(a)所示的低功耗pH傳感器信號(hào)調(diào)理電路，pH傳感器具有極高的內(nèi)阻阻抗，約為108Ω～1010Ω，因此設(shè)計(jì)了前置緩沖級(jí)，輸入阻抗可達(dá) 1012Ω，偏置電流低于1 pA，信號(hào)經(jīng)放大后輸入到ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。如圖9(b)所示，通過(guò)pH標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)胃液pH值的高精度監(jiān)測(cè)。標(biāo)定曲線方程為y=0.181 2x+0.039 5，相關(guān)系數(shù)為0.999 3，測(cè)量精度可達(dá)±0.05 PH。

圖9 pH值測(cè)量

2 胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件

圖10 下位機(jī)軟件流程圖

本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件工作流程如圖10所示，該程序是一個(gè)不停循環(huán)的結(jié)構(gòu)，周而復(fù)始地根據(jù)通信指令工作。程序開(kāi)始先初始化各硬件模塊，如系統(tǒng)時(shí)鐘、IO口、ADC轉(zhuǎn)換、定時(shí)器、串口通信等，然后在休眠中等待采集指令，接收到采集指令后打開(kāi)傳感器的電源，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取胃壓、溫度、電導(dǎo)率、pH值的數(shù)據(jù)。接著關(guān)閉傳感器的電源，以實(shí)現(xiàn)低功耗。為防止通信失敗而造成的數(shù)據(jù)丟失，保存數(shù)據(jù)后才通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線通信，若通信失敗則在下次通信中增加本次的數(shù)據(jù)。

2.2 上位機(jī)軟件

圖11為本文所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件工作界面，采用Qt平臺(tái)設(shè)計(jì)，界面簡(jiǎn)潔美觀，易于操作，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)3個(gè)不同的胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖中顯示的為實(shí)時(shí)胃壓曲線，坐標(biāo)橫軸表示當(dāng)前時(shí)間，縱軸表示測(cè)量的胃壓值，單位為kPa。通過(guò)左上方的按鈕可以切換顯示胃壓、溫度、電導(dǎo)率和pH值的曲線，下方則顯示了當(dāng)前的電池電量、胃壓、溫度、電導(dǎo)率和pH值數(shù)據(jù)。該軟件還具有文件保存功能，自動(dòng)將接收到數(shù)據(jù)按日期和時(shí)間保存為文檔格式，便于研究人員的查看和分析。

圖11 上位機(jī)軟件工作界面

3 臨床動(dòng)物試驗(yàn)

根據(jù)生物控制論的原理，胃腸運(yùn)動(dòng)受壓力、溫度、電活動(dòng)、pH值以及激素、藥物、疾病等因素的影響，并且存在著某種聯(lián)系［8］。應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在武漢市某陸軍醫(yī)院進(jìn)行了臨床動(dòng)物試驗(yàn)，以研究、分析多變量胃腸動(dòng)力學(xué)，探討胃腸動(dòng)力障礙性疾病的病理生理學(xué)機(jī)制。

試驗(yàn)對(duì)象為購(gòu)自某大學(xué)畜牧科技發(fā)展研究中心的3只杜洛克幼豬，65～85日齡，雌雄不拘，體質(zhì)量為10 kg～12 kg。所有幼豬單籠飼養(yǎng)，術(shù)前飼以標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)飼料并自由攝食水，飼養(yǎng)環(huán)境遵循自然晝夜循環(huán)節(jié)律。術(shù)前禁食12 h，不禁水，手術(shù)當(dāng)日禁食禁水，術(shù)后1～3日內(nèi)予以流質(zhì)及半流質(zhì)飲食后過(guò)渡至正常飲食。集成傳感器通過(guò)縫合固定在幼豬的胃內(nèi)，而電路板主體及鋰電池則固定在幼豬的背部。采用1塊3.7 V、500 mAh的鋰電池，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠連續(xù)工作90天以上，監(jiān)測(cè)采樣間隔為10 min。系統(tǒng)的通信成功率達(dá)到了99%，響應(yīng)時(shí)間小于1 s，而且可備份10 000幀數(shù)據(jù)，即每10 min保存一次，能夠保存60天的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。其中某只幼豬24 h監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)如圖12所示，圖12(a)為胃壓隨時(shí)間的變化曲線，單位為 kPa，統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差為 1.918±0.613;圖12(b)為溫度隨時(shí)間的變化曲線，單位為℃，統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差為40.12±1.31;圖12(c)為電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線，單位為ms，統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差為9.71±2.03;圖12(d)為pH值隨時(shí)間的變化曲線，統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差為3.4±0.4。可見(jiàn)，在24 h之間，胃內(nèi)的壓力、溫度、電導(dǎo)率和pH值都隨著時(shí)間不停的變化，而這種變化可能與實(shí)驗(yàn)幼豬的飲食、活動(dòng)、體質(zhì)、疾病等有一定的關(guān)系，為相關(guān)醫(yī)學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。由于胃腸蠕動(dòng)的實(shí)際情況非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究還處于一片空白狀態(tài)，因此對(duì)胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加有效的處理方式和算法仍在探索之中。

圖12 24 h監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文分別從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方面討論了低功耗胃動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較為強(qiáng)大的功能:①低功耗，能夠長(zhǎng)期不間斷地監(jiān)測(cè);②藍(lán)牙通信，能夠?qū)崟r(shí)在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);③多參數(shù)監(jiān)測(cè)，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)胃壓、溫度、電導(dǎo)率以及pH值;④數(shù)據(jù)現(xiàn)地存儲(chǔ)，能夠在通信失敗時(shí)保存數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)不丟失;⑤數(shù)據(jù)文檔記錄，數(shù)據(jù)保存為文檔格式，以便研究人員查看和分析。臨床動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)對(duì)壓力、溫度、電導(dǎo)率和pH值的測(cè)量精度較高，分別達(dá)到了±0.5 kPa、±0.1℃、±0.1 ms和±0.05 PH，而且性能穩(wěn)定性好，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，工作可靠。由于目前的測(cè)試結(jié)果只是實(shí)驗(yàn)性的、部分的，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否真正有效還需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究為復(fù)雜而抽象的胃腸運(yùn)動(dòng)學(xué)研究創(chuàng)造了條件，為建立出多參數(shù)胃腸動(dòng)力學(xué)方程打下了良好的數(shù)據(jù)提取基礎(chǔ)。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，今后還將研究超微型、超低功耗的胃腸監(jiān)測(cè)膠囊，以及兼具監(jiān)測(cè)與治療功能的智能傳感機(jī)器人。

［1］ Weterle Smolińska K A，Banasiuk M，Dziekiewicz M，et al.Gastrointestinal Motility Disorders in Patients with Anorexia Nervosa—A Review of the Literature［J］.Journal of Bacteriology，2015，49 (4):721－729.

［2］ 彭麗華.胃腸動(dòng)力障礙性疾病檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展［J］.解放軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(3):201－203.

［3］ 劉波，程磊，徐建省，等.基于nRF24LE1的無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡醫(yī)療機(jī)器人［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，41(z1): 293－296.

［4］ 趙舒，沙洪，任超世.多通道電阻抗方法胃動(dòng)力測(cè)量機(jī)制研究［J］.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2014，33(2):129－138.

［5］ 韓云端，姜萍萍，王永兵，等.用于治療功能性胃腸疾病的植入式電刺激器設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(12):93－96.

［6］ Farmer A D，Scott S M，Hobson A R.Gastrointestinal Motility Revisited:The Wireless Motility Capsule［J］.United European Gastroenterology Journal，2013，1(6):413－421.

［7］ 魯麗，顏國(guó)正，王志武，等.低功耗人體全消化道生理參數(shù)遙測(cè)膠囊的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2013，21(3):687－693.

［8］ 侯海嶺，王化祥，陳曉艷.基于多周期欠采樣技術(shù)的生物電阻抗成像硬件系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015(2):211－216.

［9］ 蔡遜，馬丹丹，葉家欣，等.基于控制論對(duì)功能性胃排空障礙機(jī)制的多變量動(dòng)力學(xué)研究［J］.華南國(guó)防醫(yī)學(xué)雜志，2015(11): 810－813.

［10］萇飛霸，尹軍，張和華，等.一種基于智能終端的人體心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014(3):289－292.

［11］Schultz M R.Breath and Head Tilt Controlled Prosthetic Limb: US20160120664［P］.2016.

［12］Ghaffari S A，Caron W O，Loubier M，et al.A Wireless Multi-Sensor Dielectric Impedance，Spectroscopy Platform［J］.Sensors，2015，15(9):23572－23588.

［13］Analog Devices.Isolated Low Power pH Monitor with Temperature Compensation［EB/OL］.http://www.analog.com/media/en/ reference－design－documentation/reference－designs/CN0326.pdf，2013:9.

鄭貴林(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE武漢分會(huì)主席，IEEE高級(jí)會(huì)員?，F(xiàn)主要從事智慧建筑、智能電網(wǎng)、智能傳感器與檢測(cè)技術(shù)等方向研究;

陶志浩(1989－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器，taozhihao@ whu.edu.cn。

Design of a Gastrointestinal Motility Monitoring System Base on Bluetooth Low Energy Technology

ZHENG Guilin*，TAO Zhihao
(Department of Automation，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Gastrointestinal motility is an important influencing factor of human body digestion，but how to assess gastrointestinal motility has become a difficult problem in medical diagnosis and research.Based on the Bluetooth Low Energy(BLE)Technology，a low power dissipation monitoring system is designed，which can dynamically monitor the pressure，temperature，electrical conductivity and pH of the stomach.After analyzing the hardware and software design respectively，the clinical animal experiment is presented.The measurement accuracy of pressure，temperature，electrical conductivity and pH can respectively reach±0.5 kPa，±0.1℃，±0.1 ms and±0.05 PH，and the experimental results show that the system has good performance and stability，communication success can reach 99%，can work more than 90 days，response time is less than 1 s，storage can backup 10 000 frame data.This design is expected to provide a reference for the clinical diagnosis and therapeutic evaluation of disorders of gastrointestinal motility(DGIM)and other gastrointestinal disorders，and to seek a new way to promote the study of gastrointestinal motility.

gastrointestinal motility;bluetooth low energy;DGIM;dynamic monitoring

R322.4

A

1004－1699(2017)02－0167－07

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.001

2016－08－04 修改日期:2016－09－09