嵌入式智能排泄系統的設計

李魯彬，黃琮軒

(暨南大學 信息科學技術學院，廣東 廣州510632)

直腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，目前我國直腸癌的發病率和死亡率呈上升趨勢，手術切除仍是直腸癌的主要手段[1]。現在大多采用Miles手術（即腹會陰聯合切除術）[2]。術后將腸道的出口外置于腹部，即腹部造瘺術。腹部造瘺術給患者的生活帶來諸多不便，于是我們提出原位人工肛門[3]的再造肛門方案。人工肛門是替代切除了的或已喪失擴約功能的自然肛門，模擬肛門生理功能的一種人工器官，是一切嚴重肛門失禁的最終解決方案，與藥物治療、手術修補相比有不可替代的作用。

1 智能型人工肛門總體設計方案

人工肛門是一個人造器官，它的腸壁是一種納米材料。超聲波發射器和超聲波接收器緊貼在腸壁兩側。人工肛門底端是一個腸道開合開關，一般處于閉合狀態。腸道開合開關內部表面有一個壓力傳感器，用于檢測腸腔內部的壓力變化。當有排泄物時，需要打開腸道開合開關。

智能人工肛門的物理模型如圖 1所示。

本文設計的智能人工肛門由四個模塊構成：壓力傳感器探測模塊、超聲傳感器探測模塊、報警模塊以及單片機控制模塊，如圖2所示。壓力傳感器分析腸腔壓力變化，超聲傳感器探測模塊分析腸腔內容物是氣體、液體、固體。如果是氣體，微處理器會自動驅動水泵工作打開肛門排出氣體，如果是液體或固體，將會啟動報警系統，提醒患者，等待患者的下一步指令。

壓力傳感器探測模塊：利用壓力傳感器測量到腸腔的壓力變化時，馬上給單片機發出信號并分析壓力的大小，通過單片機模塊來判斷排廢物的緊急程度。

超聲波傳感器探測模塊：單片機發出啟動超聲波傳感器時，555芯片便產生40 kHz的高頻振蕩脈沖，進入超聲波發射器，超聲波發射器發生40 kHz的超聲波，超聲波穿過腸腔，發射后的回波或衰減后的超聲波被超聲波接收器接收后的微弱信號經放大電路放大，包絡檢波電路優化信號波形，剔除干擾低頻成分信號，得到所需要的高頻信號，最后經A/D轉換到達單片機。

單片機控制模塊：單片機實時控制壓力傳感器探測模塊和超聲傳感器探測模塊，處理來自A/D轉換器的壓力數字信號和超聲波接收模塊的數字信號。根據這些數字信號判斷物質的狀態和排泄的緊急程度，從而通知病人做出不同的反應。

報警模塊包括一個蜂鳴器和一個發光二極管。發光二極管發光時，代表著腸腔內有排泄物。而蜂鳴器的響聲則代表著排泄的緊急程度，響聲越響則排泄越緊急。整個系統的流程圖如圖3所示。

2 壓力傳感器探測模塊

壓力傳感器探測模塊所要實現的功能是對腸壁壓力的實時檢測，即模塊必須實現根據已有的腸壁壓力數據，對比判斷腸道內部所受壓力的強度，從而得到緊急級別。當到達一定的級別后應啟動超聲檢測，以判斷腸道內容物的狀態，為使用者提供更豐富的信息。壓力檢測模塊如圖4所示。

包圍在腸腔四周的壓力傳感器不斷地將腸腔內部壓力轉換為電信號，然后經過放大器和A/D轉換傳送到單片機進行處理。

3 超聲傳感器探測模塊

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,具有頻率高、波長短、繞射現象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點[4]。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成回波,碰到活動物體會產生多普勒效應[5]。以超聲波作為檢測手段,就要產生超聲波和接收超聲波,完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。利用超聲波傳感器檢測,迅速、方便、計算簡單,易于實現實時控制且測量精度能滿足要求。隨著計算機軟、硬件技術及信號處理技術的飛速發展,超聲波在成像無損檢測、測距、超聲清洗、無損探傷、醫療等領域獲得了非常廣泛的應用。超聲波穿過不同介質時，其速度v是不同的[6]。

由于腸腔寬度H是固定的，可以通過測量求得。如果能求得超聲波通過腸腔的平均速度v，就能推斷出腸腔內容物是空氣、液體還是固體。所以提出了圖5所示的物理模型。

單片機啟動超聲波發射模塊，并同時啟動計時功能。這時超聲波從腸壁1進入，在腸壁1處有部分波被反射回來，即部分回波反射1，同時在穿過腸腔內部時會產生一部分衰減，到達腸壁2時部分波被反射，即部分回波反射3。超聲波接收模塊在腸壁2處接收到穿過腸腔的超聲波，即部分波4，立即向單片機傳遞信號，單片機停止計時功能，這時可以得出超聲波穿過腸腔的時間t。

由于H是已知的，t可以求得，這樣就可以利用式（1）計算出超聲波穿過腸腔的平均速度v。這時可以大致推斷出腸腔的內容物是固體還是液體。其物理模型如圖6所示。

整個超聲波探測模塊的電路模型設計如圖7所示。

4 軟件模塊設計

單片機系統啟動后，打開外部中斷0，監視來自壓力檢測模塊的中斷信號。壓力檢測模塊不斷檢測人工肛門腸腔內的壓力變化，當腸腔內的壓力超過一定的數值時，將會觸發中斷。這時，為了判斷腸腔內容物的性質，單片機會啟動超聲波發射模塊發射超聲波，并同時啟動定時器和開啟外部中斷1。超聲波穿越腸腔內容物，將由另外一側的超聲接收模塊接收。超聲接收模塊接收超聲波后將會觸發中斷1。單片機收到中斷信號，關閉中斷1并關閉定時器。單片機讀取定時器數值，得到超聲波穿越腸腔內容物的平均時間t，然后根據公式H=vt處理數據得到超聲波穿越腸腔內容物的平均速度v。根據v，可以判斷腸腔內容物的性質。單片機將信息反饋給患者。患者根據腸腔內容物的性質來做出動作。如果患者按下了控制按鈕，單片機將會打開腸道開合開關，排出腸腔內的排泄物。

智能人工肛門的軟件系統工作流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

在設計本系統時，沒有考慮電路的供電功耗、電路的體積大小、電子元件是否適宜植入人體等問題，完全從科研的角度來論證思路的可行性。再者，本設計不考慮腸腔內容物的流動性以及腸腔的寬度，在一定程度上理想化了系統的模型。本文針對目前直腸癌的治療方式對病人所造成的傷害，將嵌入式技術應用其中，為彌補手術的不足提供了一種解決方案。

[1]莫小軍.直腸癌的外科治療方法及進展[J].當代醫學，2009，15(22)：99-100.

[2]梁小波,劉海義.中國低位直腸癌根治術后會陰部原位人工肛門重建的回顧[J].結直腸肛門外科，2009，15(4)：213-216.

[3]凌保明，陳洪繆，陳達恭，等.原位人工肝門初步研究[J].中國康復，1994，9(4)：187-189.

[4]曹瑞，包空軍.基于超聲波傳感器新技術的應用[J].機械與電子，2009(3)：491.

[5]黃鴻，吳石曾.傳感器及其應用技術[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[6]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.