面向腸道平滑肌的微弱肌張力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

倪偉杰，郭旭東?，陳 杰

(1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院小兒外科，上海 200092)

功能性胃腸病(Functional Gastrointestinal Disorder，F(xiàn)GIDs)，作為一種因胃腸道功能紊亂引起的慢性或者是反復(fù)發(fā)作性的消化科常見疾病，由于FGIDs 的病因和發(fā)病機(jī)制尚未明確，因此目前治療功能性胃腸病的手段主要是改善飲食習(xí)慣以及心理輔助治療[1－2]，這種治療方法經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)間不久后病情反復(fù)和直接作用時(shí)收效甚微等后果，治標(biāo)不治本。真正要從根本治療功能性胃腸病，必須要明確它的發(fā)病機(jī)制。研究認(rèn)為腸動(dòng)力異常與腸道功能紊亂有著密切關(guān)系[3]，腸動(dòng)力異常最直觀表現(xiàn)在腸道器官平滑肌肌張力異常上，所以準(zhǔn)確檢測(cè)人體腸道器官平滑肌肌張力，實(shí)時(shí)對(duì)比正常人腸道器官平滑肌肌張力與功能性胃腸病患者腸道器官平滑肌肌張力，能夠?yàn)殛U明功能性胃腸病的內(nèi)在機(jī)理提供巨大幫助，可為臨床上改善患者的預(yù)后、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療目標(biāo)提供依據(jù)。

市場(chǎng)上的肌張力測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同，可以分為運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)和靜息肌張力測(cè)試系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)量目標(biāo)是人體骨骼肌肌肉肌張力突變時(shí)產(chǎn)生的生理信號(hào)，當(dāng)肌肉收縮(抽搐、痙攣)時(shí)，肌肉的形狀隨之改變，導(dǎo)致皮膚表層的起伏，這種起伏直接作用在壓力傳感器上，根據(jù)壓力傳感器輸出信號(hào)的大小，可以直觀地觀察肌張力的大小[4]。運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)過程中肌張力的大小，當(dāng)肌肉處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，肌張力大小就無法被測(cè)量到，并且運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)往往需要依附在人體表面進(jìn)行測(cè)量，顯然不適用于人體腸道器官平滑肌肌張力的測(cè)量。

靜息肌張力測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)量目標(biāo)是人體內(nèi)器官肌條肌張力的大小，在測(cè)量肌條肌張力大小時(shí)，需要先將肌條靜置15 min，利用肌條自主收縮產(chǎn)生的拉力進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)榧l所產(chǎn)生的肌張力不比骨骼肌，所以靜息肌張力測(cè)試系統(tǒng)不像運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)一樣可以采用直接測(cè)量的方式，需要將肌條肌張力進(jìn)行放大后才能進(jìn)行測(cè)量，又因?yàn)榧l本身尺寸很小，如何有效固定肌條，保證每次測(cè)量時(shí)肌張力的方向一致，也是靜息肌張力測(cè)試系統(tǒng)需要克服的難題之一。綜上所述，與運(yùn)動(dòng)肌張力測(cè)試系統(tǒng)相比，靜息肌張力測(cè)試系統(tǒng)的量程更小、精度更高、測(cè)試環(huán)境更苛刻，也更適合用來測(cè)量人體腸道器官平滑肌肌張力。

為了研究腸動(dòng)力異常導(dǎo)致的功能性胃腸病的發(fā)病機(jī)制，需要以平滑肌肌條自發(fā)收縮運(yùn)動(dòng)的肌肉張力變化為測(cè)量指標(biāo)，現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)均采用離線測(cè)量方式[5－6]。然而，臨床的肌張力測(cè)試設(shè)備主要用于運(yùn)動(dòng)肌張力的無創(chuàng)實(shí)時(shí)測(cè)量，通過對(duì)肌張力測(cè)量數(shù)據(jù)特征參數(shù)的提取，實(shí)現(xiàn)患者肌張力異常程度的評(píng)價(jià)，為康復(fù)訓(xùn)練效果的量化評(píng)估提供參考依據(jù)。但尚無專用于平滑肌張力測(cè)試和電生理測(cè)試的靜息肌張力測(cè)試儀器，現(xiàn)有的通用生物信號(hào)記錄儀，傳感器的測(cè)量量程、靈敏度、分辨率、精度難以與被測(cè)的平滑肌的肌張力參數(shù)完全匹配。因此，需要設(shè)計(jì)針對(duì)腸道平滑肌的高精度肌張力測(cè)試系統(tǒng)，一方面在腸動(dòng)力異常發(fā)病機(jī)制研究中，采用模型小鼠獲取離體全部結(jié)腸，進(jìn)行離體腸動(dòng)力檢測(cè)，分析各種藥物或者不同干預(yù)對(duì)平滑肌自發(fā)性收縮的影響，獲得生理和病理狀態(tài)下的腸道功能變化，驗(yàn)證平滑肌肌張力異常與腸道功能紊亂的必然聯(lián)系；另一方面，通過術(shù)中獲取人體腸道平滑肌的標(biāo)本，進(jìn)行離體腸動(dòng)力檢測(cè)。為了提高現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度，基于多級(jí)杠桿放大原理和差分式霍爾傳感原理開發(fā)了微弱肌張力測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用微處理器進(jìn)行控制，并選擇自適應(yīng)肌條夾持裝置固定肌條，防止平滑肌肌條的抖動(dòng)和偏移影響最終測(cè)量結(jié)果。因?yàn)槠交〖埩Υ笮≈挥衜N 級(jí)別，測(cè)量電路回路內(nèi)噪聲會(huì)對(duì)測(cè)量裝置的輸出信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，需要有肌張力放大裝置放大肌張力再進(jìn)行測(cè)量，在對(duì)各方案進(jìn)行權(quán)衡后，選擇多級(jí)杠桿的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的放大，同時(shí)杠桿支點(diǎn)處選用柔性鉸鏈的形式傳遞壓力，使得裝置一體化程度提高，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)。在UG 軟件中建立杠桿模型并施加壓力載荷進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出杠桿放大倍數(shù)。利用霍爾式力傳感器來測(cè)量經(jīng)多級(jí)杠桿放大后的力，通過特殊的轉(zhuǎn)換元件，通過霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的方式來測(cè)量力的大小。信號(hào)處理模塊由多級(jí)電路組成，目的是去除高頻噪聲信號(hào)、50 Hz 工頻干擾信號(hào)、放大有效電壓信號(hào)，保證測(cè)試系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 肌張力放大裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 多級(jí)杠桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將多個(gè)單級(jí)杠桿串聯(lián)，形成更大的力放大倍數(shù)，整體杠桿的放大倍數(shù)是各子杠桿放大倍數(shù)的乘積，根據(jù)多級(jí)杠桿放大原理與平行杠桿疊加原理[7]，可以設(shè)計(jì)出帶有較大放大倍數(shù)且穩(wěn)定的杠桿結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 多級(jí)杠桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多級(jí)杠桿放大倍數(shù)k為:

式中:L1，L3，L5分別為杠桿的長(zhǎng)臂端，表示被放大力的一端，L2，L4，L6分別為杠桿的短臂端，表示輸出的一端。杠桿間通過柔性結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)力的傳遞及放大功能。L1＝90 mm，L2＝10 mm，L3＝50 mm，L4＝10 mm，L5＝20 mm，L6＝10 mm，代入到式(1)計(jì)算，理論上杠桿系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以達(dá)到180 倍。

2.1.2 柔性鉸鏈設(shè)計(jì)

柔性鉸鏈?zhǔn)且环N一體化結(jié)構(gòu)鉸鏈，也經(jīng)過一體化加工方式來實(shí)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)一體化，柔性鉸鏈的體積非常小且與杠桿本身相連無需固定，已經(jīng)在微傳動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。與傳統(tǒng)鉸鏈相同，柔性鉸鏈的作用在于傳遞力和運(yùn)動(dòng)，依靠構(gòu)件間的幾何約束與構(gòu)件之間的相對(duì)形式運(yùn)動(dòng)，在構(gòu)件末端得到相對(duì)位移。即利用薄弱部分產(chǎn)生彈性形變，經(jīng)過幾代工程師的研究，為了更高的精度和柔性，柔性鉸鏈鉆孔形狀最優(yōu)為橢圓形[8]。橢圓形柔性鉸鏈平面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 橢圓形柔性鉸鏈

橢圓形柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)剛度J的計(jì)算公式如下:

式中:E為柔性鉸鏈材料彈性模量，b為柔性鉸鏈厚度，ay為橢圓形鉆孔縱軸長(zhǎng)度，ax為橢圓形鉆孔橫軸長(zhǎng)度，f3為轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)。

在本系統(tǒng)中，柔性鉸鏈設(shè)計(jì)為12 mm×4 mm×5 mm規(guī)模六面體，中心鉆孔最薄處設(shè)計(jì)為0.1 mm，及t＝0.1 mm，b＝5 mm，ay＝1.95 mm。

2.2 基于霍爾效應(yīng)的差分式力傳感器設(shè)計(jì)

基于霍爾效應(yīng)的力傳感器具有響應(yīng)速度快[9]、靈敏度高、體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)mN級(jí)平滑肌肌張力的精密測(cè)量，在平滑肌肌張力經(jīng)肌張力放大裝置放大后，擬采用基于霍爾效應(yīng)的差分式力傳感器測(cè)量放大后的力。針對(duì)霍爾式力傳感器的輸出性質(zhì)及工作原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方案和轉(zhuǎn)換元件。

2.2.1 轉(zhuǎn)換原理的設(shè)計(jì)

霍爾傳感器內(nèi)霍爾元件的工作原理是檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，如何將力的變化轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)的變化，是本次設(shè)計(jì)需要確定的關(guān)鍵技術(shù)之一。擬采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，即:將力的變化轉(zhuǎn)換為彈簧片形變，再轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)源與霍爾傳感器距離的變化，最后轉(zhuǎn)換為霍爾式力傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化這一設(shè)計(jì)思路。

2.2.2 轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)要素轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)，將所要測(cè)得的力通過懸臂梁結(jié)構(gòu)掛在彈簧片上，實(shí)現(xiàn)力的大小變化轉(zhuǎn)換為彈簧片的形變，將N45 釹鐵硼打造的尺寸為10 mm×2.5 mm×1.2 mm 的矩形永磁體固定在彈簧片上，彈簧片為厚度為0.6 mm 的鈹銅板，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)彈簧片的形變轉(zhuǎn)換為霍爾元件與永磁體距離的變化，即霍爾元件感應(yīng)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，根據(jù)元件各部位擺放需求，確定元件外部框架結(jié)構(gòu)為U型[10]，完成整個(gè)要素轉(zhuǎn)換流程，根據(jù)設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)圖

2.3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

圍繞霍爾元件輸出的原始信號(hào)存在的問題，設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊，霍爾元件輸出電信號(hào)存在的兩大問題，分別是電路內(nèi)部存在失調(diào)電壓以及輸出信號(hào)摻雜噪聲[11]。為了有效過濾出有效的霍爾元件輸出信號(hào)，一般采用正交電流調(diào)制電路解決失調(diào)電壓?jiǎn)栴}；用斬波濾波電路解決噪聲問題。

正交電流調(diào)制電路是利用電橋電路整流功能周期性改變輸入電流道路(改變電流相位)，使得失調(diào)電壓正向反向疊加，從而起到消除失調(diào)電壓的效果[12]。失調(diào)電壓去除后，霍爾元件輸出偏平穩(wěn)，但是信號(hào)的幅值仍處于毫伏級(jí)別，不便于后續(xù)的觀察和處理，所以在后級(jí)電路中設(shè)計(jì)一個(gè)儀表放大器，放大倍數(shù)為1 000。

設(shè)計(jì)斬波濾波電路的目的是去除電路輸出信號(hào)中的噪聲，按照信號(hào)處理的順序可以分為:①斬波電路將混合信號(hào)中的有效信號(hào)(霍爾元件輸出的理想信號(hào)是直流電平)調(diào)制到高頻段，再將高頻信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加放大，經(jīng)過解調(diào)階段將高頻段的有效信號(hào)轉(zhuǎn)化到低頻段，同時(shí)將噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)化到高頻段，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離。②濾波電路為高階低通濾波電路，目的是讓低頻的有效信號(hào)通過，濾去高頻的噪聲信號(hào)[13]。斬波電路可以有效地去除因傳感器制造工藝引起的閃爍噪聲，并且不增加電路繁瑣度，電路自身所攜帶的熱噪聲也得到了有效的控制。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

3.1 杠桿建模及有限元分析

使用NX10.0 軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的杠桿模型進(jìn)行建模，柔性鉸鏈設(shè)置為5×4×12 mm 規(guī)模六面體，中心鉆孔最薄處設(shè)置為0.1 mm。保證輸出力有效傳遞的同時(shí)，杠桿另一端設(shè)計(jì)了一體化材料的配重塊，保證杠桿初始平衡，如圖5 所示。

圖5 杠桿建模模型

使用ANSYS 軟件對(duì)杠桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡量保證選取硬度優(yōu)秀的材料保證杠桿不易彎曲形變，提高杠桿工作性能，所以設(shè)定模型材料為鈦合金(Titanium＿Alloy)，載荷力以向下拉力載荷的形式實(shí)現(xiàn)，在杠桿端點(diǎn)處設(shè)置向下拉力代替實(shí)際模型砝碼產(chǎn)生的向下壓力。

模型的約束條件類型為固定約束，在柔性鉸鏈的一端設(shè)置固定約束模擬杠桿支撐點(diǎn)，將三個(gè)支撐點(diǎn)通過模型后方一根較粗的橫梁連接(固定約束1)，既為后續(xù)測(cè)量提供方便，又保證了固定約束在實(shí)際操作過程中的穩(wěn)定性。輸出力的測(cè)量方式以測(cè)量反作用力為準(zhǔn)，在輸出端放置固定約束2，通過反作用力測(cè)量輸出力大小。具體固定約束放置如圖6 所示。

圖6 固定約束放置圖

完成以上各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置后，將輸入載荷力設(shè)置為1 mN，可導(dǎo)出的輸出量為:載荷點(diǎn)力、結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變、柔性鉸鏈應(yīng)力、及輸出力大小，求解當(dāng)前模型。當(dāng)輸入載荷為1 mN，得到杠桿形變程度渲染圖如圖7 所示。

表1 多級(jí)杠桿輸入輸出的仿真結(jié)果

圖7 杠桿有限元分析渲染圖

根據(jù)有限元分析結(jié)果，當(dāng)杠桿處于不受載荷力的初始情況下時(shí)，輸入端力為0 mN，載荷點(diǎn)壓力為0 MPa，柔性鉸鏈最大應(yīng)力為1.598 6 MPa，輸出端力為1.78 mN。杠桿在初始狀態(tài)下的平衡情況良好；當(dāng)輸入變化范圍為0.5 mN～1.5 mN、變化步長(zhǎng)為0.1 mN 的載荷力時(shí)，導(dǎo)出輸出量:載荷點(diǎn)力、結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變、柔性鉸鏈最大應(yīng)力、及輸出端力大小，其中應(yīng)變和柔性鉸鏈最大應(yīng)力用來檢測(cè)杠桿和柔性鉸鏈的受力情況是否超過材料承受極限，載荷點(diǎn)壓力和輸出端力可以直觀觀察杠桿輸入輸出間的關(guān)系，在輸入端力不斷增大的過程中，載荷點(diǎn)壓力、結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變、柔性鉸鏈最大應(yīng)力及輸出端力大小都隨之增大，在輸入端力到達(dá)1.5 mN 時(shí)，應(yīng)變量達(dá)到最大，為1.754 7 m，柔性鉸鏈最大應(yīng)力達(dá)到最大，為1.683 6 MPa，均未超過鈦合金材料的承受極限。杠桿平均放大倍數(shù)為145，已實(shí)現(xiàn)肌張力的放大。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)性能驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，選擇F1 等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼產(chǎn)生0～0.15 gn標(biāo)準(zhǔn)力，選擇0～0.15 gn量程的張力換能器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試結(jié)果。如圖8 所示，橫坐標(biāo)為砝碼重量(gn)，縱坐標(biāo)為信號(hào)處理電路后的張力換能器輸出信號(hào)(V)，觀察整體的輸出曲線，如圖8 所示。

圖8 信號(hào)處理模塊輸出測(cè)量曲線

測(cè)試系統(tǒng)的工作曲線如圖9 所示。其性能參數(shù)如表2 所示。

表2 測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)

可以觀察到，經(jīng)過信號(hào)處理模塊處理，測(cè)試系統(tǒng)的輸出具有零點(diǎn)漂移小、穩(wěn)定性好、重復(fù)性高且靈敏度較好的特點(diǎn)。

4 小結(jié)

本文從胃腸道動(dòng)力異常的特征信息出發(fā)，結(jié)合功能性性胃腸病的發(fā)病機(jī)制分析，設(shè)計(jì)了一種可用于測(cè)量平滑肌肌張力的測(cè)試系統(tǒng)，將腸道器官平滑肌肌張力大小轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，根據(jù)有限元分析結(jié)果給出肌張力放大裝置放大倍數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證給出測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)表，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)量腸道器官平滑肌肌張力的可行性，該系統(tǒng)為微弱的平滑肌肌張力測(cè)量提供測(cè)量精度，為探究功能性胃腸病和腸動(dòng)力異常的內(nèi)在聯(lián)系提供了幫助。