胃肠道多元医学信息无创遥测系统及胃肠动力功能分析

论文摘要

胃肠道医学信息可反映胃肠道动力障碍性疾病生理病理改变情况,对消化系统疾病的早期诊疗及防止消化器官的恶性病变具有重要意义。目前,临床获取胃肠道医学信息的诊断仪器,需要清肠、禁食等前期处理,患者痛苦大,检测存在盲区,检测数据不是正常生理状态下的数据,这些因素导致长期以来医学界无法对胃肠动力功能疾病做出准确诊断和精确治疗,无法全面、客观、科学地评价胃肠道动力功能。近年来,胃肠道多元医学信息无创遥测系统的研究倍受国内外胃肠动力功能研究者瞩目,基于此,本文以国家高技术研究发展计划资助项目、国家自然科学基金资助项目以及上海市科委项目为依托,研制胃肠道多元医学信息无创遥测系统,进行大量的临床试验,获取正常生理状态下的胃肠道医学信息,并进行胃肠道动力功能分析,对胃肠道动力特性做深入的探讨。本研究将为科学、正确地认识消化器官的物理、化学运动,探索、研究各生理量之间的关系,构建数字化医疗信息档案等打下坚实的基础。胃肠道多元医学信息无创遥测系统由“生理参数遥测胶囊”、“便携式数据记录存储器”、“胶囊定位装置”和“数据分析处理中心”四部分组成。生理参数遥测胶囊是遥测系统的核心部件,根据其工作原理、组成结构和性能指标,详细地分析了如何研制高精度和高可靠性的生理参数遥测胶囊。随后介绍了体外便携式数据记录存储器的基本功能和工作原理,分析了其性能参数和技术特点。接着选择三种互补的定位技术:基于内置磁阻传感器的定位技术、医学成像技术和生理参数定位技术,提供生理参数遥测胶囊在胃肠道内的位置信息。生理参数遥测胶囊的测量精度至关重要,分析了遥测胶囊传感器的误差来源,设计了硬件标定设备,设计了基于免疫原理的RBF神经网络检测数据软件补偿模型。基于VC++和matalab,开发了胃肠道多元医学信息分析软件。最后,介绍了胃肠道多元医学信息无创遥测系统的临床试验情况,分析了所获得医学信息的基本统计特性。研究了胃肠道多元医学信息无创遥测系统无线通信中的关键技术。根据遥测系统的工作环境,分析了其通信的独特性及复杂性,提出了需要解决的关键技术。设计了胃肠道多元医学信息无创遥测系统的无线通信协议,保证通信的可靠性。基于人体的三维数字模型和FDTD算法,设计三种适用于生理参数遥测胶囊的天线:法向螺旋天线、长方体天线和回旋式线型天线,并给出了这三种天线的几何参数和基本性能参数。以回旋式线型天线为例,研究了生理参数遥测胶囊天线在人体胃肠道四个典型位置的辐射特性。研究分析表明,生理参数遥测胶囊天线在人体胃肠道的谐振频率差异较小;由于人体生物组织的影响,生理参数遥测胶囊天线在体内的谐振频率高于在自由空间中的谐振频率;近场辐射特性表明,生理参数遥测胶囊经过人体产生的衰减为-20～-55dB,人体腹部方向的信号强度高于其他方向的信号强度;远场辐射特性表明,由于生理参数遥测胶囊周围人体生物组织的差异性较大,体内反射、折射较多,造成了天线的远场辐射特性较为复杂。与生理参数遥测胶囊在人体生物组织内的辐射特性不同,该天线在自由空间中的辐射特性有较强的规律性。最后,进行了SAR值分析,求出了生理参数遥测胶囊在胃肠道内的最大允许发射功率,进一步研究表明,生理参数遥测胶囊周围的生物组织吸收电磁辐射的强度最大。生理参数遥测胶囊记录的胃内压力信息由胃内压力蠕动、腹部肌肉运动、呼吸运动、噪声等因素共同作用的结果。要研究胃内压力信息特性必须从单维压力时间序列分离出胃蠕动引起的压力信息成分,才能进行下一步分析。本文提出采用自动嵌入式相空间重构算法和FastICA算法来解决这一问题。不同运动形式的胃压力收缩波形的相空间重构图具有明显的区别。分离出的胃内的压力信息代表了胃内蠕动引起的压力变化,随后利用Hilbert Huang变换（HHT）进行时频谱分析,结果表明,胃消化期只存在一个占主导的3次/分钟（cpm）蠕动收缩频率;胃消化间期Ⅱ相有较少的强烈收缩,除此之外,还存在持续的、小幅值的收缩变化;胃消化间期Ⅲ相除了有强烈的频率为3cpm收缩外,还存在较小幅值的、频率为12cpm的蠕动收缩。结肠的运动模式较多,结肠内的压力信息呈现混沌特性,为时变非平稳信号,经典的平稳信号分析方法难以取得满意的效果。以健康志愿者、慢传输型便秘患者和肠梗阻型便秘患者的结肠压力信息为例,分析结肠的动力特性。采用不同域的信息熵作为结肠压力活动的非平稳特征,能定量评价结肠压力信息的非平稳特性。提取的信息熵特征域包括:奇异谱熵、功率谱熵、小波能谱熵和小波状态空间特征熵。分类结果表明,时-频域的信息熵特征包含的有效信息量多于时域和频域的信息熵特征包含的有效信息量。最后,把提取的信息熵特征和决策融合算法有机结合,构建了结肠动力功能诊断模型,实现了不同结肠动力功能类型的有效识别,验证了基于信息熵和信息融合识别模型对于结肠动力功能诊断的有效性。进一步分析表明,虽然时域和频域信息熵中包含的有效信息小于时-频域信息熵中的有效信息,但可为时-频域信息熵特征提供信息补偿,能进一步提高识别率。本文对胃肠道多元医学信息无创遥测系统的结构、性能、精度等方面做了深入研究;利用系统所获取的临床试验数据,深入分析了胃肠道动力功能的一些特性,为深入研究胃肠道动力机制提供了依据。胃肠道医学信息的探测和分析仍然有较多的未知领域,系统的主动性、胶囊的定位精度、胃肠道医学信息的非线性非平稳处理方法是下一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 胃肠道生理基础
• 1.2.1 胃肠道结构
• 1.2.2 胃肠道运动模式
• 1.2.3 常见的胃肠动力疾病
• 1.3 生理参数遥测胶囊的国内外研究现状
• 1.4 胃肠道医学信息分析国内外研究现状
• 1.5 本课题的研究目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容及创新点
• 第2章 胃肠道多元医学信息无创遥测系统
• 2.1 胃肠道多元医学信息无创遥测系统总体结构
• 2.1.1 生理参数遥测胶囊
• 2.1.1.1 微传感器模块
• 2.1.1.2 传感器信号处理模块
• 2.1.1.3 无线通信模块
• 2.1.1.4 电源模块
• 2.1.1.5 信息控制与管理模块
• 2.1.1.6 生理参数遥测胶囊
• 2.1.2 便携式数据记录存储器
• 2.1.3 生理参数遥测胶囊定位技术
• 2.1.3.1 基于内置磁阻传感器的定位技术
• 2.1.3.2 医学成像定位法
• 2.1.3.3 生理参数定位技术
• 2.2 生理参数遥测胶囊的标定
• 2.2.1 传感器误差来源
• 2.2.1.1 温度传感器误差来源
• 2.2.1.2 压力传感器误差来源
• 2.2.1.3 pH 值传感器误差来源
• 2.2.2 标定设备及标定方法
• 2.2.2.1 温度和压力的标定
• 2.2.2.2 pH 值标定
• 2.2.3 基于免疫原理的RBF 网络模型学习算法
• 2.2.3.1 RBF 网络模型算法
• 2.2.3.2 人工免疫识别算法
• 2.2.3.3 基于免疫原理的RBF 网络模型学习算法
• 2.2.4 基于免疫原理RBF 神经网络的标定数据处理
• 2.2.4.1 温度标定数据的处理
• 2.2.4.2 压力标定数据的处理
• 2.3 胃肠道多元医学信息数据处理系统
• 2.3.1 软件的开发环境
• 2.3.2 胃肠道多元医学信息分析系统
• 2.4 胃肠道多元医学信息无创遥测系统临床试验
• 2.4.1 临床试验概况
• 2.4.2 临床试验过程
• 2.4.3 胃肠道医学信息基本统计特性
• 2.4.3.1 生理参数遥测胶囊通过时间信息统计
• 2.4.3.2 幽门、回盲部压力特性
• 2.4.3.3 胃肠道pH 值变化趋势
• 2.4.3.4 胃肠道温度变化趋势
• 2.5 本章小结
• 第3章 遥测系统无线通信中关键技术研究
• 3.1 遥测系统通信协议设计
• 3.1.1 通信模块概述
• 3.1.2 通信模块分层模型
• 3.1.3 遥测系统通信协议
• 3.2 生理参数遥测胶囊天线设计
• 3.2.1 FDTD 算法
• 3.2.1.1 FDTD 算法理论基础
• 3.2.1.2 吸收边界条件
• 3.2.1.3 激励源
• 3.2.2 人体模型
• 3.2.2.1 三维数字人体模型
• 3.2.2.2 人体组织电参数
• 3.2.2.3 网格化的人体模型
• 3.2.3 生理参数遥测胶囊天线
• 3.2.3.1 法向模螺旋天线
• 3.2.3.2 长方体天线
• 3.2.3.3 回旋式线型天线
• 3.2.4 回旋式线型天线的辐射特性
• 3.2.4.1 回波损耗特性
• 3.2.4.2 人体对谐振频率的影响
• 3.2.4.3 近场辐射特性
• 3.2.4.4 远场辐射特性
• 3.3 SAR 值分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于独立分量分析和HHT 的胃内压力活动信息特性分析
• 4.1 胃的运动生理基础
• 4.1.1 消化间期胃运动
• 4.1.2 消化期胃运动
• 4.1.3 常见的胃动力疾病
• 4.2 胃的排空类型及生理参数遥测胶囊的测量内容
• 4.3 胃内压力信息分析算法
• 4.3.1 自动嵌入式相空间重构算法
• 4.3.2 FastICA 算法
• 4.3.3 胃消化期及消化间期的压力试验数据
• 4.4 胃内压力信息的相空间重构和独立分量分析
• 4.5 胃内压力信息HHT 谱分析
• 4.5.1 HHT 基本原理
• 4.5.2 胃动力的Hilbert 谱分析
• 4.6 小结
• 第5章 基于信息熵和信息融合的结肠压力活动信息的分类分析
• 5.1 结肠的运动生理基础及常见的结肠动力疾病
• 5.2 生理参数遥测胶囊与结肠运动的相容性试验
• 5.3 结肠压力活动信息熵特征提取
• 5.3.1 时域信息熵
• 5.3.2 频域信息熵
• 5.3.3 时-频域信息熵
• 5.3.4 信息熵特征提取试验
• 5.4 信息融合基础理论
• 5.4.1 D-S 证据理论
• 5.4.2 基于支持向量机决策树的基本概率指派
• 5.5 基于决策融合的结肠动力功能诊断模型
• 5.5.1 结肠压力活动信息数据
• 5.5.2 识别分类模型参数设置
• 5.5.3 基于决策融合的结肠动力功能分类诊断结果
• 5.6 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文主要工作
• 6.2 进一步的研究内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和录用的学术论文
• 攻读博士学位期间已申请的著作权