1 智能型人工肛门总体设计方案
人工肛门是一个人造器官,它的肠壁是一种纳米材料。超声波发射器和超声波接收器紧贴在肠壁两侧。人工肛门底端是一个肠道开合开关,一般处于闭合状态。肠道开合开关内部表面有一个压力传感器,用于检测肠腔内部的压力变化。当有排泄物时,需要打开肠道开合开关。
智能人工肛门的物理模型如图 1所示。
![](http://www.21ic.com/d/file/201106/1027aaa504c792274d37769f6843ed35.gif)
压力传感器探测模块:利用压力传感器测量到肠腔的压力变化时,马上给单片机发出信号并分析压力的大小,通过单片机模块来判断排废物的紧急程度。
超声波传感器探测模块:单片机发出启动超声波传感器时,555芯片便产生40 kHz的高频振荡脉冲,进入超声波发射器,超声波发射器发生40 kHz的超声波,超声波穿过肠腔,发射后的回波或衰减后的超声波被超声波接收器接收后的微弱信号经放大电路放大,包络检波电路优化信号波形,剔除干扰低频成分信号,得到所需要的高频信号,最后经A/D转换到达单片机。
单片机控制模块:单片机实时控制压力传感器探测模块和超声传感器探测模块,处理来自A/D转换器的压力数字信号和超声波接收模块的数字信号。根据这些数字信号判断物质的状态和排泄的紧急程度,从而通知病人做出不同的反应。
报警模块包括一个蜂鸣器和一个发光二极管。发光二极管发光时,代表着肠腔内有排泄物。而蜂鸣器的响声则代表着排泄的紧急程度,响声越响则排泄越紧急。整个系统的流程图如图3所示。
2 压力传感器探测模块
压力传感器探测模块所要实现的功能是对肠壁压力的实时检测,即模块必须实现根据已有的肠壁压力数据,对比判断肠道内部所受压力的强度,从而得到紧急级别。当到达一定的级别后应启动超声检测,以判断肠道内容物的状态,为使用者提供更丰富的信息。压力检测模块如图4所示。
![](http://www.21ic.com/d/file/201106/4eb7968a5518bd06f793a12d25be475b.gif)
3 超声传感器探测模块
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点[4]。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波,碰到活动物体会产生多普勒效应[5]。以超声波作为检测手段,就要产生超声波和接收超声波,完成这种功能的装置就是超声波传感器。利用超声波传感器检测,迅速、方便、计算简单,易于实现实时控制且测量精度能满足要求。随着计算机软、硬件技术及信号处理技术的飞速发展,超声波在成像无损检测、测距、超声清洗、无损探伤、医疗等领域获得了非常广泛的应用。超声波穿过不同介质时,其速度v是不同的[6]。
由于肠腔宽度H是固定的,可以通过测量求得。如果能求得超声波通过肠腔的平均速度v,就能推断出肠腔内容物是空气、液体还是固体。所以提出了图5所示的物理模型。
![](http://www.21ic.com/d/file/201106/ca143cbfb9597d9052c71828c829530d.gif)
H=vt (1)
由于H是已知的,t可以求得,这样就可以利用式(1)计算出超声波穿过肠腔的平均速度v。这时可以大致推断出肠腔的内容物是固体还是液体。其物理模型如图6所示。
![](http://www.21ic.com/d/file/201106/89d6c0917fdf92d383e426af54445bfb.gif)
单片机系统启动后,打开外部中断0,监视来自压力检测模块的中断信号。压力检测模块不断检测人工肛门肠腔内的压力变化,当肠腔内的压力超过一定的数值时,将会触发中断。这时,为了判断肠腔内容物的性质,单片机会启动超声波发射模块发射超声波,并同时启动定时器和开启外部中断1。超声波穿越肠腔内容物,将由另外一侧的超声接收模块接收。超声接收模块接收超声波后将会触发中断1。单片机收到中断信号,关闭中断1并关闭定时器。单片机读取定时器数值,得到超声波穿越肠腔内容物的平均时间t,然后根据公式H=vt处理数据得到超声波穿越肠腔内容物的平均速度v。根据v,可以判断肠腔内容物的性质。单片机将信息反馈给患者。患者根据肠腔内容物的性质来做出动作。如果患者按下了控制按钮,单片机将会打开肠道开合开关,排出肠腔内的排泄物。
智能人工肛门的软件系统工作流程图如图8所示。
![](http://www.21ic.com/d/file/201106/3b0ad42558e6426e496186069cb03d84.gif)
参考文献
[1] 莫小军.直肠癌的外科治疗方法及进展[J].当代医学,2009,15(22):99-100.
[2] 梁小波,刘海义.中国低位直肠癌根治术后会阴部原位人工肛门重建的回顾[J].结直肠肛门外科,2009,15(4):213-216.
[3] 凌保明,陈洪缪,陈达恭,等.原位人工肝门初步研究[J].中国康复,1994,9(4):187-189.
[4] 曹瑞,包空军.基于超声波传感器新技术的应用[J].机械与电子,2009(3):491.
[5] 黄鸿,吴石曾.传感器及其应用技术[M].北京:北京理工大学出版社,2008.
[6] 来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.