嵌入式智能排泄系統(tǒng)的設(shè)計

直腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，目前我國直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢，手術(shù)切除仍是直腸癌的主要手段[1]?，F(xiàn)在大多采用Miles手術(shù)（即腹會陰聯(lián)合切除術(shù)）[2]。術(shù)后將腸道的出口外置于腹部，即腹部造瘺術(shù)。腹部造瘺術(shù)給患者的生活帶來諸多不便，于是我們提出原位人工肛門[3]的再造肛門方案。人工肛門是替代切除了的或已喪失擴約功能的自然肛門，模擬肛門生理功能的一種人工器官，是一切嚴重肛門失禁的最終解決方案，與藥物治療、手術(shù)修補相比有不可替代的作用。

1 智能型人工肛門總體設(shè)計方案

人工肛門是一個人造器官，它的腸壁是一種納米材料。超聲波發(fā)射器和超聲波接收器緊貼在腸壁兩側(cè)。人工肛門底端是一個腸道開合開關(guān)，一般處于閉合狀態(tài)。腸道開合開關(guān)內(nèi)部表面有一個壓力傳感器，用于檢測腸腔內(nèi)部的壓力變化。當有排泄物時，需要打開腸道開合開關(guān)。

智能人工肛門的物理模型如圖 1所示。

本文設(shè)計的智能人工肛門由四個模塊構(gòu)成：壓力傳感器探測模塊、超聲傳感器探測模塊、報警模塊以及單片機控制模塊，如圖2所示。壓力傳感器分析腸腔壓力變化，超聲傳感器探測模塊分析腸腔內(nèi)容物是氣體、液體、固體。如果是氣體，微處理器會自動驅(qū)動水泵工作打開肛門排出氣體，如果是液體或固體，將會啟動報警系統(tǒng)，提醒患者，等待患者的下一步指令。

壓力傳感器探測模塊：利用壓力傳感器測量到腸腔的壓力變化時，馬上給單片機發(fā)出信號并分析壓力的大小，通過單片機模塊來判斷排廢物的緊急程度。

超聲波傳感器探測模塊：單片機發(fā)出啟動超聲波傳感器時，555芯片便產(chǎn)生40 kHz的高頻振蕩脈沖，進入超聲波發(fā)射器，超聲波發(fā)射器發(fā)生40 kHz的超聲波，超聲波穿過腸腔，發(fā)射后的回波或衰減后的超聲波被超聲波接收器接收后的微弱信號經(jīng)放大電路放大，包絡(luò)檢波電路優(yōu)化信號波形，剔除干擾低頻成分信號，得到所需要的高頻信號，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到達單片機。

單片機控制模塊：單片機實時控制壓力傳感器探測模塊和超聲傳感器探測模塊，處理來自A/D轉(zhuǎn)換器的壓力數(shù)字信號和超聲波接收模塊的數(shù)字信號。根據(jù)這些數(shù)字信號判斷物質(zhì)的狀態(tài)和排泄的緊急程度，從而通知病人做出不同的反應(yīng)。

報警模塊包括一個蜂鳴器和一個發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光時，代表著腸腔內(nèi)有排泄物。而蜂鳴器的響聲則代表著排泄的緊急程度，響聲越響則排泄越緊急。整個系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。

2 壓力傳感器探測模塊

壓力傳感器探測模塊所要實現(xiàn)的功能是對腸壁壓力的實時檢測，即模塊必須實現(xiàn)根據(jù)已有的腸壁壓力數(shù)據(jù)，對比判斷腸道內(nèi)部所受壓力的強度，從而得到緊急級別。當?shù)竭_一定的級別后應(yīng)啟動超聲檢測，以判斷腸道內(nèi)容物的狀態(tài)，為使用者提供更豐富的信息。壓力檢測模塊如圖4所示。

包圍在腸腔四周的壓力傳感器不斷地將腸腔內(nèi)部壓力轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過放大器和A/D轉(zhuǎn)換傳送到單片機進行處理。

3 超聲傳感器探測模塊

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點[4]。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成回波,碰到活動物體會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[5]。以超聲波作為檢測手段,就要產(chǎn)生超聲波和接收超聲波,完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。利用超聲波傳感器檢測,迅速、方便、計算簡單,易于實現(xiàn)實時控制且測量精度能滿足要求。隨著計算機軟、硬件技術(shù)及信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在成像無損檢測、測距、超聲清洗、無損探傷、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。超聲波穿過不同介質(zhì)時，其速度v是不同的[6]。

由于腸腔寬度H是固定的，可以通過測量求得。如果能求得超聲波通過腸腔的平均速度v，就能推斷出腸腔內(nèi)容物是空氣、液體還是固體。所以提出了圖5所示的物理模型。

單片機啟動超聲波發(fā)射模塊，并同時啟動計時功能。這時超聲波從腸壁1進入，在腸壁1處有部分波被反射回來，即部分回波反射1，同時在穿過腸腔內(nèi)部時會產(chǎn)生一部分衰減，到達腸壁2時部分波被反射，即部分回波反射3。超聲波接收模塊在腸壁2處接收到穿過腸腔的超聲波，即部分波4，立即向單片機傳遞信號，單片機停止計時功能，這時可以得出超聲波穿過腸腔的時間t。

H=vt (1)

由于H是已知的，t可以求得，這樣就可以利用式（1）計算出超聲波穿過腸腔的平均速度v。這時可以大致推斷出腸腔的內(nèi)容物是固體還是液體。其物理模型如圖6所示。

4 軟件模塊設(shè)計

單片機系統(tǒng)啟動后，打開外部中斷0，監(jiān)視來自壓力檢測模塊的中斷信號。壓力檢測模塊不斷檢測人工肛門腸腔內(nèi)的壓力變化，當腸腔內(nèi)的壓力超過一定的數(shù)值時，將會觸發(fā)中斷。這時，為了判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)，單片機會啟動超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，并同時啟動定時器和開啟外部中斷1。超聲波穿越腸腔內(nèi)容物，將由另外一側(cè)的超聲接收模塊接收。超聲接收模塊接收超聲波后將會觸發(fā)中斷1。單片機收到中斷信號，關(guān)閉中斷1并關(guān)閉定時器。單片機讀取定時器數(shù)值，得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均時間t，然后根據(jù)公式H=vt處理數(shù)據(jù)得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均速度v。根據(jù)v，可以判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)。單片機將信息反饋給患者。患者根據(jù)腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)來做出動作。如果患者按下了控制按鈕，單片機將會打開腸道開合開關(guān)，排出腸腔內(nèi)的排泄物。

智能人工肛門的軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖8所示。