新型直肠肛管测压装置的研制

新型直肠肛管测压装置的研制中国生物医学工程学报2000年第3期第19卷生物医学仪器作者：王政刘贵麟杨丽刘元盛李哲英单位：王政（中国人民解放军总医院小儿外科，北京100853）；刘贵麟（中国人民解放军总医院小儿外科，北京100853）；杨丽（北方交通大学电子电路实验中心，北京100044）；刘元盛（北方交通大学电子电路实验中心，北京100044）；李哲英（北方交通大学电子电路实验中心，北京100044）关键词:直肠肛管测压；装置；直肠肛门指数近年来，直肠肛管测压已进入新的时代，但由于现代化测压装置价格昂贵，近期内在国内推广应用时机尚未成熟，而传统测压装置又无法适应肛肠外科的发展。因此，有必要研制成本低廉又便于推广应用的新型直肠肛管测压装置。我们应用现代技术从探头、压力传感器及电子计算机硬、软件系统等三个方面对直肠肛管测压装置进行改进，集压力传感与转换、数据采集与分析、图象储存与记录于一体，系现代压力传感技术与电子计算机技术的有机结合，提高了检测准确性和工作效率。并用该装置对实验性肛门括约肌损伤家兔和非直肠肛门疾病儿童进行直肠测压研究，验证了该装置的科学性和实用性。同时提出直肠肛门指数(RectoanalIndexRAI)的概念，并就其临床意义进行初步探讨。分类号：R318.19RECTOANALMANOMETERSTUDYWangZheng,LiuGuilin(Departmentofpediatricsurgery,generalhospitalofChinesePLA,Beijing100853)YangLi,LiuYuansheng,LiZheying(CentreofTestforElectronandCircuit,NorthernJaotongUniversity,Beijing100044)ABSTRACTWeimprovedthemanometerinitsthreeparts:sensoryprobe,pressuretransducerandelectroniccomputerthatachievedworkstogetherofthesensational,transformingsystem,data-collecting,analyzingsystemandpicture-storage,recordsystem.Weperformedanexperimentalmanometrystudyinrabbitsandpatientswithournewmanometer,andconfirmedthatthenewsystemwasgreatlyimprovedinaccuracyandeffciency.Basedonanalysis,weadvancedanewconceptofRectoanalIndex(RAI).Conclusion:thenewtypeofrectoanalmanometerwasreliableinexperimentalstudyandclinic.Duetotheeasinessofuse,highsensitivityandaccuracy,themanometerwasworthpopularizing.Keywords:Rectoanalmanometry;Device;Rectoanalindex0引言现代直肠肛管测压装置，可实现记录肛管内多点压力、显示肛门括约肌形态、产生肛管三维压力图象、模拟排便活动中肛门括约肌运动以及动态直肠肛管测压技术等［1～3］，将直肠测压研究推向一个新阶段。然而其价格昂贵，近期尚难于推广应用。传统的直肠肛管测压装置尽管在某些疾病的诊断和鉴别中起重要作用，但已不能适应肛肠外科的发展。因此，利用现代技术研制新型成本低廉又便于推广的直肠肛管测压装置很有必要。新型直肠肛管测压装置由探头及压力传感装置、电子计算机部分、图象记录及打印系统三大部分组成，系将现代压力传感技术与电子计算机技术有机地结合在一起，形成一个包括压力感受与转换、数据采集与运算、图象记录与打印等功能的完整体系。1测压装置的研制1.1探头由特制三腔三囊导管组成，导管自远端向近端分别为直肠刺激或直肠压力感受球囊和两个肛门括约肌压力感受球囊。与球囊相连的三根导管互不相通，分别通过三通开关与压力传感器连接。1.2压力传感装置来自测压探头的压力信号分别输入各自的差分输出气压传感器(MOTOROLA公司MPX51DP)(图1，图2)，灵敏度0.9mv/kPa,工作电压为3～6V，差分压力范围0～50kPa,输出电压范围20～80mv,满量程线性度±0.05%。图1压力传感装置工作原理图2MPX51DP差分输出压力传感器内部结构图图3LM324放大电路图通过气压传感器，压力变化数值转换成电信号(电位差)，再由LM324电路(图3)为主结构的差分放大电路进行放大及滤波电路(本装置所有滤波电路均为比雪夫二阶有源低通滤波器)去掉干扰电波，从传感器输出到最后输入A/D卡的电信号总体放大倍数为50倍，此过程包括四部分：(1)差分放大电路(主放大电路)；(2)第一级滤波器；(3)同相放大器；(4)第二级滤波器。差分放大后的电信号还要经过减法器电路(图4)，目的是去掉信号放大过程中的直流分量，为以后电路零点校正作准备。在此处加上一个LM393比较电路作为零电平检测电路，来确认减法器是否将直流分量去掉和波形曲线是否已调到零点。图4减法器电路图1.3计算机部分分硬件和软件两部分，均与计算机(486DLC-40MHz)相配套应用，构成一个完整的数据采集系统，同时完成对直肠肛管测压定性指标(肛门内括约肌松驰反射和肛门外括约肌收缩波)中量化因素的捕获、计算及数学表达过程和直肠肛管测压中需要检测的其它指标的捕获、计算和数学表达。1.3.1硬件部分(图5)来自减法器的信号再经缓冲放大(LM324放大电路)和滤波后进入计算机扩展槽中的A/D卡，A/D卡的核心是A/D转换器(Analog-to-DigilogConversionADC)。本装置A/D卡由逐次比较式A/D转换器(ADC-0809)构成，其原理是采用对分搜索的办法来找出最逼近于输入模拟量的数字量，基本思想是先取搜索范围0～N的中间值1/2N，与要搜索的关键字Vx相比较，若1/2N＞Vx,则下一次取0～1/2N的中间值1/4N与Vx相比较；若1/2N＜Vx,则下一次取1/2N～N的中间值3/4N与Vx相比较。这样每搜索一次取值范围就比前一次缩小1/2，对于8位DAC，只需搜索8次就可以找到最接近Vx的数字量。图5计算机硬件部分框图1.3.2软件部分(1)软件流程图：见图6。(2)开发语言：BorlandC++3.1;系统平台：Ms-Dos。(3)主要功能：通过控制与A/D卡连接的接口电路来控制信号的A/D转换，实时读取采样数据，在屏幕上实时显示压力曲线，并完成存盘保存压力曲线、参数设置、分析处理数据及打印等功能。图6软件流程图(4)检测指标的数学运算及表达肛管静止压：安静状态下，计算机程序软件系统采集来自A/D卡的数字量(数字信号)，然后，根据压力传感器所感受的初始值于计算机屏幕上再现压力波形及曲线上任意一点的实际压力值，即再现模拟量。取肛门内括约肌压力值与肛门外括约肌压力值之和的1/2作为肛管静止压。肛管直肠静止压差：计算机程序软件工作原理同上，取安静状态下肛管压力值与直肠压力值之差。肛管高压带：由直肠向肛门外匀速牵拉探头过程中，计算机程序软件可以实施连续记录探头经过肛管时压力变化的波形曲线，外拉探头的速度与计算机屏幕移动速度相等，故可以用压力升高波起止点之间的距离表示肛管高压带长度。肛门内括约肌松驰反射：直肠受到扩张性刺激时，肛门内括约肌压力下降，由压力传感器输出的电信号减小，经A/D转换后的数字量也减小，再现于计算机屏幕上的压力曲线就会出现下降波形。肛门外括约肌收缩波：原理同上，当直肠受到扩张性刺激时，肛门外括约肌压力变化体现在计算机屏幕上为上升的压力波形曲线。直肠肛门指数：当直肠受到扩张性刺激时，肛门内括约肌出现松驰反射，肛门外括约肌同时出现收缩波，两种反应分别表现为各自压力曲线变化，取二者波形上的特征点(图7)的压力值进行一系列数学运算。图7肛门括约肌反应示意图令：yi=f2(a)-f1(a′)(1)f1:肛门内括约肌松驰反射相关函数；f2：肛门外括约肌收缩波相关函数；a′：肛门内括约肌松驰反射最低点压力值；a:肛门外括约肌收缩波最高点压力值；y:各反应周期的特征值；i:肛门括约肌反应周期数。则：i次反应相应特征值为y1,y2,y……yI。令：f(yi)=f(yi-1)+yi(2)则：i次反应相应特征函数值f(y)为(x1,y1),(x2,y2),……(xi,yi)。令：y=a1x+a0(3)用(3)对特征函数值(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),……(xi,yi)以最小二乘法进行一次曲线拟合(CurveFitting):取n=3求极小值?=δ2=(a0+a1x0-y0)2+(a0+a1x1-y1)2+(a0+a1x2-y2)2d?/da0=2(a0+a1x0-y0)+2(a0+a1x1-y1)+2(a0+a1x2-y2)=0即：3a0+a1(x0+x1+x2)=y0+y1+y2(4)d?/da1=2x0(a0+a1x0-y0)2+2x1(a0+a1x1-y1)2+2x2(a0+a1x2-y2)2=0即：a0(x0+x1+x2)+a1(x20+x21+x22)=x0y0+x1y1+x2y2(5)联立(4)和(5)式，则：a1=［(x0y0+x1y1+x2y2)-1/3(y0+y1+y2)(x0+x1+x2)］/［(x20+x21+x22)-1/3(x0+x1+x2)2］取n=i,则：a1在理论上受y和x值影响，称之为直肠肛门指数(RectoanalIndexRAI)。以上捕获压力波形上的特征点值和进行数学运算及数学表达过程均由电子计算机程序软件快速完成。2实验部分2.1材料和方法(1)对象：选择14只健康新西兰白兔，月龄2～3月，体重1.8～2.2kg(平均2.0kg)，雌雄不限。均行直肠肛管测压检查，然后随机平分为两组进行手术，一组行肛门内括约肌完全切断，造成肛门内括约肌损伤；另一组行肛门外括约肌完全切断，造成肛门外括约肌损伤，手术后7天行直肠肛管测压检查。术后2周进行第二次手术，造成全部动物肛门内、外括约肌全部损伤，于二次手术后7天再行直肠肛管测压检查。(2)检测指标：肛管静止压(kPa)；肛管直肠静止压差(kPa)；肛管高压带(cm)；肛门内括约肌松弛反射；肛门外括约肌收缩波；直肠肛门指数。(3)统计方法：Student′sT检验法。2.2结果(1)肛管静止压：表1兔肛管静止压统计表组别例数(n)±S(kPa)与正常比(t)与内外括约肌损伤比(t)与外括约肌损伤比(t)正常146.41±0.22-23.138??6.640??内括约肌损伤72.89±0.277.296??10.963??5．870??外括约肌损伤74.28±0.236.640??14.286??-内外括约肌损伤141.16±0.1023.138??-14.286??**P＜0.01(2)肛管直肠静止压差：表2肛管直肠静止压差统计表组别例数(n)±S(kPa)与正常比(t)与内外括约肌损伤比(t)与外括约肌损伤比(t)正常142.77±0.17-13.839??7.823??内括约肌损伤70.59±0.1610.082??8.373??2．319外括约肌损伤70.98±0.167.823??9.625??-内外括约肌损伤140.25±0.1413.839??-9.625??*P＜0.05**P＜0.01(3)肛管高压带：表3兔肛管高压带统计表组别例数(n)±S(kPa)与正常比(t)与内外括约肌损伤比(t)与外括约肌损伤比(t)正常142.03±0.07-25.955??3.786??内括约肌损伤70.61±0.0714.620??5.032??5．96