人工肛门括约肌系统关键技术及实验研究

论文摘要

肛门失禁指四岁以上患者出现反复发生的不能控制排便的症状,并持续一个月以上。由于该病症的特殊性,病人难以启齿,因此该病例数目往往被低估,所以研发一种隐蔽、可靠的植入式人工肛门括约肌系统至关重要。美国、日本、英国、德国等都对人工肛门括约肌进行了研究,然而存在不足,因此,开展新型的人工肛门括约肌系统研究具有十分重要的意义。本论文依托国家自然科学基金项目“原位植入式人工肛门括约肌重建理论及其关键技术研究”(编号:30800235)、教育部博士点基金新教师基金“基于经皮供能的反馈式人工肛门括约肌实验研究”(编号:20070248094)和上海交通大学青年教师基金“反馈式人工肛门括约肌系统预研”(编号:06DBX006),对人工肛门括约肌重建及其关键技术进行了深入研究。论文提出了人工肛门括约肌系统的设计原理,通过传感器、单片机、无线通信和微执行机构来分别模拟人体肛门直肠神经、大脑中枢神经、神经信号传输和肛门括约肌的功能。从总体上给出了体内装置和体外装置的结构,并分别对此设计的关键点进行了攻关研究。论文着重介绍该系统设计的关键技术。首先,在微执行机构上提出了三种新型微型泵:滚轮式微型泵、凸轮式微型泵和注射式微型泵。阐述了各种微型泵的工作原理和优劣,比较了工作效率。其次,在经皮能量传输上建立了串联谐振电路和并联谐振电路效率模型,分析了影响传输效率的因素。第三,在肛门直肠动力学的研究中,提出了一种血液流速与压强的关系模型。此外对直肠感知功能实现、单片机及无线通讯模块进行了研究设计。论文通过三方面实验来论证该系统的可实施性。微型泵实验包括微型泵输出力、工作时间的测定以及工作电压的选择。经皮能量传输实验讨论了能量传输效率与线圈轴向间距、径向间距、夹角、负载之间的关系。人工肛门括约肌系统的模拟实验研究了阈值设定这一难点问题。最后,论文总结了该系统功能上的创新,尤其突出了微型执行机构,经皮能量传输,并提出了今后的改进方向,为将来的研究提供了丰富的素材,打下了扎实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 肛门失禁的定义
• 1.1.2 肛门失禁的发病情况
• 1.1.3 肛门失禁的病因
• 1.1.4 肛门失禁的治疗方法
• 1.1.5 人工肛门括约肌及其研究意义
• 1.2 国内外人工肛门括约肌的研究现状
• 1.2.1 美国人工肛门括约肌系统（American Medical System, AMS）
• 1.2.2 日本基于形状记忆合金的人工肛门括约肌系统
• 1.2.3 英国人工肛门括约肌系统（Prosthetic Artificial Sphincter, PAS）
• 1.2.4 德国基于微机电系统的人工肛门括约肌系统
• 1.3 本文研究目的和内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 人工肛门括约肌系统设计方案
• 2.1 人工肛门括约肌设计原理
• 2.2 系统总体设计
• 2.2.1 体内装置
• 2.2.2 体外装置
• 2.3 直肠感知功能重建方案
• 2.3.1 直肠肛门测压
• 2.3.2 直肠肛门测压传感器
• 2.4 执行机构方案
• 2.5 能量供给方案
• 2.6 控制方案
• 2.7 材料的生物相容性问题
• 2.8 本章小结
• 第三章 系统关键技术
• 3.1 直肠感知功能实现
• 3.1.1 微传感器
• 3.1.2 运算放大器
• 3.2 微型执行机构设计
• 3.2.1 微型泵设计
• 3.2.2 囊袋设计
• 3.3 微控制器及无线通讯模块
• 3.3.1 微控制器模块
• 3.3.2 无线通信模块
• 3.4 无线能量传输设计
• 3.4.2 无线能量传输原理及电路模型
• 3.4.3 发射端驱动电路和接收端整流电路设计
• 3.4.4 影响无线能量传输效率衰减因素
• 3.5 肛门直肠血液流速与钳夹囊袋压强的关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统实验
• 4.1 系统软件设计
• 4.2 系统实验
• 4.2.1 微泵实验
• 4.2.2 无线能量传输实验
• 4.2.3 系统模拟实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 系统功能总结
• 5.2 系统创新点总结
• 5.3 研究展望
• 5.3.1 微执行机构
• 5.3.2 无线能量传输效率的提高
• 5.3.3 胃肠道动力学模型的进一步研究以及生物相容性研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读硕士学位期间已申请的国家发明专利
• 上海交通大学学位论文答辩决议书