新人造肛门括约肌系统充电模块热分析与控制

仿耻骨式人造肛门括约肌系统(PAAS)采用经皮能量传输(TET)为集成在充电模块内部的锂电池进行充电,使系统可长期稳定地在活体内工作.很多体内实验表明,无线充电过程中产生的大量热量对PAAS植入后充电模块附近活体组织的生物安全性不利,故需对无线充电过程进行合理规划.本文通过分析充电模块内部各组件的热传导关系,建立充电模块内部热阻模型,并利用体外实验对该模型进行验证及修正,经修正后的模型可以可靠地描述充电过程中活体组织温度变化情况.基于修正后的模型,本文制定了体内实验过程中单次最大连续无线充电时间,从而提高体内实验中PAAS的生物安全性,进而延长PAAS植入时间.     

人工肛门括约肌无线供能系统设计与优化

基于电磁耦合原理,针对人造肛门括约肌系统,设计了一套无线供能系统.该系统主要包括无线能量发射端、接收端、整流模块、稳压模块和充电模块.研究了发射端的发射频率(40～120 kHz)对传输功率的影响,进而优化了稳压模块,并比较了锂电池充电效果.结果表明:在一定发射频率范围内,无线供能传输效率随着发射频率的增大而升高;发射频率为120 kHz时,传输效率可以达到57.47%,接收功率为1.12 W;锂电池能快速充电,为人造肛门括约肌系统提供稳定能量保障.     

人工肛门括约肌系统便意感知重建

针对现有人造肛门括约肌系统在便意感知功能上数据获取方式和分析方法的缺陷,设计了一个便意感知重建系统.该系统主要包括传感器模块、数据采集存储模块的设计以及数据分析算法.通过多传感器与数据采集存储模块的配合重建患者直肠表面压力的分布变化情况,并提出基于主元分析(PCA)法和支持向量机(SVM)的便意预测模型(PCA-SVM).结果表明:上臂轴向和径向以及中臂径向位置的压力信号与便意产生有显著联系,选择基于高斯核函数的SVM算法,取惩罚因子C=0.059 5和核函数宽度σ=0.953 6对有效压力指标向量进行便意分类预测,与前馈神经网络模型相比,具有较高的预测准确度,满足人造肛门括约肌系统便意感知功能的要求.     

仿生人工肛门括约肌假体的机构设计和实验验证

为模仿耻骨直肠肌牵引直肠形成肛肠角以实现控便,设计了一款基于三环式结构的仿生人工肛门括约肌假体.采用高度集成的减速器将电动机驱动由内向外输出,使用O型圈实现旋转部件的动密封;自制密封性良好的传感器来测量肠壁受力;进行力学性能测试、防水实验和动物实验以验证假体功能.结果表明:假体的总传动效率为49%～59%,输出转矩为2.04～2.51 N·m,单个行程响应时间为10 s;柔性压力传感器的输出和其所受压力之间具有良好的线性度;当假体对肠道径向的闭合压力为6.6 kPa时,可在直肠腔内维持98 cm高度的水柱不渗漏;假体在经历4 050次开关运动后仍不发生渗漏;植入假体可有效避免肠吻合术,并可在动物体内进行有效控便、排便.实验结果验证了所设计的仿生人工肛门括约肌假体是一种能有效控便且整体防水性能良好的机电一体化机构.