研究背景和目的大便失禁(fecal incontinence,FI)是一种严重危害人民健康的疾病,是对固体或者液体大便的排出不能自主的控制,并持续至少一个月以上。大便失禁在老人、女性、体弱多病的人中发病率更高。产生大便失禁的根本原因是肛门括约肌功能的丧失,与排便相关神经及肌肉损伤的结果。其原因有很多种,例如手术切除、产科损伤、外伤、直肠疾病如直肠脱垂、炎症性疾病、先天性肛门畸形、神经性疾病等。肛门失禁长期无法治愈可导致患者丧失劳动能力,严重影响身心健康。为了恢复肛门正常功能,有效控制失禁,多年来国内外学者作了多方面的探索,例如生物反馈训练、盆底肌肉加强治疗、骶神经电刺激和自体组织重建肛门括约肌,但总体来说肛门功能的恢复并不理想。对于那些因各原因所导致肛门括约肌本身及其周围相关神经完全损毁造成的完全性大便失禁,人工假体植入治疗大便失禁是可供选择的方法。1989年Christiansen应用人工肛门括约肌(Artificial Anal Sphincter, AAS)控制大便失禁,为该病的治疗开辟了一条新的途径。国外对于括约肌能够控制排便的实验研究已经很多,如美国的Acticon(？) Neosphincter Artificial Anal Sphincter、英国的prosthetic anal sphincter、日本的Shape Memory Alloy Artificial Anal Sphincter、德国的Remote Controlled Artificial Bowel Sphincter等。人工肛门括约肌的出现使得控制完全大便失禁成为可能,解决了患者不能控制排便的痛苦。但是目前的各型人工肛门括约肌仅仅能够使大便积存于肠腔内,仅仅相当于一个简单的人工手动效应器。正常人体在排便活动之前,感受器要感知大便的到来并且分辨出不同状态肠内容物然后将神经冲动传递到初级和高级感知和排便中枢。因此,当前的人工肛门括约肌缺乏感受器发放电冲动的功能而不能感知肠管内是否有肠内容物及肠内容物的状态。因此应用人工肛门括约肌的患者无法判明肠道的实际情况,从而无法主动做出是否排便的决定。超声波(ultrosound, US)是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式：横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波),实际应用中多利用纵波。纵波具有束射特性,方向性强,可以定向传播,其能量远大于振幅相同的一般声波,有很强的穿透能力。各种物质对超声波都有一个声阻抗特性,它反映了该物质传播超声波的特性,声特性阻抗越高越有利于传播超声波,一般固体的声阻抗特性最高,液体次之,气体最低。肠管内有气体、固体和液体之分,当超声波经过不同的肠内容物时必然会发生不同的衰减,超声波传感器在接收到不同强度的超声波信号后将超声波的能量转换成不同的电压信号。基于上述原因,本研究利用现代超声波探测、微电子处理和通讯技术对“智能肠内容物感知神经”系统进行研制,以期为智能人工肛门的研究奠定基础。方法1.超声波探测系统的制备研究1.1从MLU02-212型超声波气泡探测仪放大电路末端引出导线接于数字万用表。将数字万用表旋钮指向量程2伏。1.2制作一个近似环形固定架固定经过改进的两只换能器,使超声波换能器发射和接收平面相互平行正对,发射和接收中心能够在同一直线上。1.3将换能器放置10份生理盐水内,根据浸入水内的程度分为完全浸入组、半浸入组、空气中组三组。1.4分别读取三种状下态数字万用表数据。每种状态均重复测量五次取其平均值。1.5用重复测量的方差分析方法分析三种状态电压值是否有差异。2.超声波探测系统对不同状态肠内容物信号的提取研究2.1在上述超声波探测系统的放大电路后面制做第一阶滤波电路、精密整流电路和第二阶滤波电路,于第二阶滤波电路末端引出一导线连于数字万用表。2.2利用超声波探测系统分别测量20只新西兰兔近结肠远端10cm肠管内固体、流体、气体和空虚状态时的电压信号。2.3每种状态的每段肠管随机取5处作为测量点,取平均值。2.4重复测量的方差分析方法分析不同状态肠内容物所表现的电压信号变化是否有显著性差异。3智能肠内容物感知神经的制作研究3.1超声波换能器、超声波发射和接收电路、放大电路、第一阶滤波电路、整流电路、第二阶滤波电路、单片机、报警电路、红和绿两个LED灯共同组成“智能肠内容物感知神经”。3.2将“智能肠内容物感知神经”软件系统输入ATMega8型号单片机。软件中对肠内固体、流体、气体、空虚四种阈值做定义如下：#defineVGAS ((295*400+500)/1000)#define VSOLID ((461*400+500)/1000)#define VFLUID ((611*400+500)/1000)3.3输入单片机的电压(U)、LED灯变化状态、肠管内容物不同状态之间的关系：U≤295mV时红、绿灯同时亮,肠道内容物为气体；295mV< U<461 mV时仅红灯亮,肠道内容物为固体；当461mV<U_<610 mV仅绿灯亮,肠道内容物为流体；U>611mV时红、绿灯均不亮,肠管内处于空虚状态。3.4选用20只健康新西兰兔,于近结肠远端约10cm肠管制作肠管内容物固体、流体、气体、空虚状态四种模型。各个状态的每段肠管随意选取5个测量点,利用超声波“智能人工肠内容物感知神经”系统对新西兰兔近结肠内四种状态肠内容物进行判断。结果1.超声波探测系统的制备研究1.1种状态的电压信号差异性显著(F=27900,P=0.000),三种状态的电压信号多重比较差异性均显著(每两两比较P值均等于0.000)。1.2全浸入信号(1215.60±2.30)>半浸入状态信号(795.34±14.34)>空气中信号(375.22±2.21)。2.超声波探测系统对不同状态肠内容物信号的提取研究2.1近结肠内固体、流体、气体、空虚状态所造成的电压信号变化差异性显著(F=5476,P=0.000)。2.2多重比较各个不同状态之间电压信号差异性显著(P=0.000),空虚状态信号(660.34±7.05)>流体状态信号(510.33±10.38)>固体信号(402.10±18.06)>气体信号(258.29±4.78)。3.智能肠内容物感知神经的制作研究。“智能肠内容物感知神经”对固体、流体、气体、空虚状态的正确判断率分别为96%、99%、100%、100%。结论1.本研究利用现代超声波探测技术和微电子处理及通讯技术首次研制出“智能肠内容物感知神经”。用超声波探测不同状态肠内容物的方法可能为模拟肠内容物感知神经的一种有效方法。2.该“智能肠内容物感知神经”可有效感知新西兰兔近结肠内是否具有内容物并且能够分辨肠管内固体、流体、气体、空虚四种不同状态。3.该“智能肠内容物感知神经”可能在一定程度上能够弥补当前各类人工肛门括约肌普遍存在缺乏感知肠内容物和区分肠内容物的缺陷,为智能人工肛门括约肌的进一步研制奠定了理论和实践基础。