21世纪,微型机电系统(MEMS)技术已经应用于包括生物医学工程在内的许多领域,以实现对人体"低侵袭、微创或无创"诊疗,并取得了极大的成功,已成为当前生命科学、生物医学工程、机电工程领域的主攻方向之一. 人体消化道是一条自口腔延至肛门的肌性管道,消化器官运动功能的强弱直接关系到人体对所需营养物质的吸收和利用,关系到人类的健康.随着人们的生活节奏的不断加快与饮食结构不断改变,消化道功能性疾病的发病率日趋升高. 胃肠动力功能是消化系统的重要生理功能,胃肠动力功能的研究依赖于人体消化道正常生理状态下运动生理参数的监测和分析.但是,到目前为止还没有一种方法能在正常生理状态下对整个胃肠道动力及运动参数进行长时间的动态实时监测,这样就导致对胃肠运动参数以及变化规律尚没有完全了解和掌握.因此,目前胃肠动力功能揭示、消化道动力型疾病的病理生理特征的表达和正确诊断仍缺乏科学、客观、准确和全面的依据. 本文以国家自然科学基金资助项目和国家高技术研究发展计划资助项目(863项目)为依托,研究了人体消化道生理信号检测系统,力图在正常生理状态下,获取实时监测数据,并进行了动力特征提取,以期在整体上对压力活动有个定性分析和定量了解.本研究预期对人类保健普查、消化系统动力性疾病的诊查,构建数字化医疗信息档案等发挥进一步的推动作用. 本文研究的主要内容可以概括为以下几个方面: 1.研制了胃肠动力无创诊查系统.系统主要由以下四部分组成:遥测胶囊、体外便携式数据接收器、胶囊体外跟踪定位系统、信号处理系统.首先进行了微传感器的设计.然后分析了微功耗设计方案.最后就无线遥测胶囊内各功能模块(电源管理模块、信号处理模块、无线通讯模块)、体外数据接收器的原理及具体实现方法加以分析. 2.进行了诊查系统的实验室测试分析,并对遥测胶囊和胃肠道的相互影响问题进行了理论和实验的研究. 首先研究了"胃肠内容物"传输时间的测量方法,然后研究了"遥测胶囊"的超声波体外检测的原理和实际电路设计.最后通过同步测量"遥测胶囊"和"胃肠内容物"通过消化道各段的时间,用定量分析数据,证明了遥测胶囊在胃肠道内运动的生理相容性. 3.研究了消化道压力检测信号的自动分析处理方法.在分析了压力检测信号的特点后,深入研究基于多尺度小波变换的压力信号的滤波去噪、单个压力波形的确定、异常数据的剔除等自动分析处理中的关键问题. 4.研究了基于非参数检验的结肠压力活动的统计特征提取. 首先分析介绍了常用的两类统计检验方法:参数检验和非参数检验,针对小样本的统计检验问题,本研究对非参数检验作了重点分析.然后对压力活动的特征作了统计分析,包括压力活动特征定义、实测典型压力曲线的分析和生理响应时间段的压力活动统计.最后研究了基于非参数检验的胃肠压力显著性特征提取,并通过对107例实验样本的结肠压力活动统计分析,提取出8个显著性压力特征. 5.本研究介绍了一种新的人工智能学习方法--支持向量机理论. 支持向量机(support Vector Machine,SVM)是基于结构最小化原理,同其他基于风险最小化的学习方法相比,SVM具有更好的泛化推广能力.尤其适合小样本、非线性、和高维数的分类学习问题.本文构建了基于SVM的胃肠动力分类诊断模型,并将其应用于临床慢传输型便秘(Slow TransitConstipation,STC)的诊断.实验结果表明,该方法在学习样本数较少时也具有较好的诊断能力.与常用的人工神经网络比较,该诊断方法具有更高的诊断正确率和推广性.