胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)及胃腸動力功能分析.pdf

1、胃腸道醫(yī)學(xué)信息可反映胃腸道動力障礙性疾病生理病理改變情況，對消化系統(tǒng)疾病的早期診療及防止消化器官的惡性病變具有重要意義。目前，臨床獲取胃腸道醫(yī)學(xué)信息的診斷儀器，需要清腸、禁食等前期處理，患者痛苦大，檢測存在盲區(qū)，檢測數(shù)據(jù)不是正常生理狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，這些因素導(dǎo)致長期以來醫(yī)學(xué)界無法對胃腸動力功能疾病做出準(zhǔn)確診斷和精確治療，無法全面、客觀、科學(xué)地評價胃腸道動力功能。近年來，胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)的研究倍受國內(nèi)外胃腸動力功能研究者矚目，基

2、于此，本文以國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目、國家自然科學(xué)基金資助項目以及上海市科委項目為依托，研制胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)，進行大量的臨床試驗，獲取正常生理狀態(tài)下的胃腸道醫(yī)學(xué)信息，并進行胃腸道動力功能分析，對胃腸道動力特性做深入的探討。本研究將為科學(xué)、正確地認(rèn)識消化器官的物理、化學(xué)運動，探索、研究各生理量之間的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)字化醫(yī)療信息檔案等打下堅實的基礎(chǔ)。 胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)由“生理參數(shù)遙測膠囊”、“便攜式數(shù)據(jù)

3、記錄存儲器”、“膠囊定位裝置”和“數(shù)據(jù)分析處理中心”四部分組成。生理參數(shù)遙測膠囊是遙測系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)其工作原理、組成結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)，詳細地分析了如何研制高精度和高可靠性的生理參數(shù)遙測膠囊。隨后介紹了體外便攜式數(shù)據(jù)記錄存儲器的基本功能和工作原理，分析了其性能參數(shù)和技術(shù)特點。接著選擇三種互補的定位技術(shù)：基于內(nèi)置磁阻傳感器的定位技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和生理參數(shù)定位技術(shù)，提供生理參數(shù)遙測膠囊在胃腸道內(nèi)的位置信息。生理參數(shù)遙測膠囊的測量精度至關(guān)

4、重要，分析了遙測膠囊傳感器的誤差來源，設(shè)計了硬件標(biāo)定設(shè)備，設(shè)計了基于免疫原理的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測數(shù)據(jù)軟件補償模型?；赩C++和matalab，開發(fā)了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息分析軟件。最后，介紹了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)的臨床試驗情況，分析了所獲得醫(yī)學(xué)信息的基本統(tǒng)計特性。 研究了胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)遙測系統(tǒng)的工作環(huán)境，分析了其通信的獨特性及復(fù)雜性，提出了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計了胃腸道多元醫(yī)學(xué)

5、信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)的無線通信協(xié)議，保證通信的可靠性。基于人體的三維數(shù)字模型和FDTD算法，設(shè)計三種適用于生理參數(shù)遙測膠囊的天線：法向螺旋天線、長方體天線和回旋式線型天線，并給出了這三種天線的幾何參數(shù)和基本性能參數(shù)。以回旋式線型天線為例，研究了生理參數(shù)遙測膠囊天線在人體胃腸道四個典型位置的輻射特性。研究分析表明，生理參數(shù)遙測膠囊天線在人體胃腸道的諧振頻率差異較?。挥捎谌梭w生物組織的影響，生理參數(shù)遙測膠囊天線在體內(nèi)的諧振頻率高于在自由空間中的

6、諧振頻率；近場輻射特性表明，生理參數(shù)遙測膠囊經(jīng)過人體產(chǎn)生的衰減為-20～-55dB，人體腹部方向的信號強度高于其他方向的信號強度；遠場輻射特性表明，由于生理參數(shù)遙測膠囊周圍人體生物組織的差異性較大，體內(nèi)反射、折射較多，造成了天線的遠場輻射特性較為復(fù)雜。與生理參數(shù)遙測膠囊在人體生物組織內(nèi)的輻射特性不同，該天線在自由空間中的輻射特性有較強的規(guī)律性。最后，進行了SAR值分析，求出了生理參數(shù)遙測膠囊在胃腸道內(nèi)的最大允許發(fā)射功率，進一步研究表明，

7、生理參數(shù)遙測膠囊周圍的生物組織吸收電磁輻射的強度最大。 生理參數(shù)遙測膠囊記錄的胃內(nèi)壓力信息由胃內(nèi)壓力蠕動、腹部肌肉運動、呼吸運動、噪聲等因素共同作用的結(jié)果。要研究胃內(nèi)壓力信息特性必須從單維壓力時間序列分離出胃蠕動引起的壓力信息成分，才能進行下一步分析。本文提出采用自動嵌入式相空間重構(gòu)算法和FastICA算法來解決這一問題。不同運動形式的胃壓力收縮波形的相空間重構(gòu)圖具有明顯的區(qū)別。分離出的胃內(nèi)的壓力信息代表了胃內(nèi)蠕動引起的壓力變化

8、，隨后利用Hilbert Huang變換(HHT)進行時頻譜分析，結(jié)果表明，胃消化期只存在一個占主導(dǎo)的3次/分鐘(cpm)蠕動收縮頻率；胃消化間期Ⅱ相有較少的強烈收縮，除此之外，還存在持續(xù)的、小幅值的收縮變化；胃消化間期Ⅲ相除了有強烈的頻率為3cpm收縮外，還存在較小幅值的、頻率為12cpm的蠕動收縮。 結(jié)腸的運動模式較多，結(jié)腸內(nèi)的壓力信息呈現(xiàn)混沌特性，為時變非平穩(wěn)信號，經(jīng)典的平穩(wěn)信號分析方法難以取得滿意的效果。以健康志愿者、慢

9、傳輸型便秘患者和腸梗阻型便秘患者的結(jié)腸壓力信息為例，分析結(jié)腸的動力特性。采用不同域的信息熵作為結(jié)腸壓力活動的非平穩(wěn)特征，能定量評價結(jié)腸壓力信息的非平穩(wěn)特性。提取的信息熵特征域包括：奇異譜熵、功率譜熵、小波能譜熵和小波狀態(tài)空間特征熵。分類結(jié)果表明，時-頻域的信息熵特征包含的有效信息量多于時域和頻域的信息熵特征包含的有效信息量。最后，把提取的信息熵特征和決策融合算法有機結(jié)合，構(gòu)建了結(jié)腸動力功能診斷模型，實現(xiàn)了不同結(jié)腸動力功能類型的有效識別，

10、驗證了基于信息熵和信息融合識別模型對于結(jié)腸動力功能診斷的有效性。進一步分析表明，雖然時域和頻域信息熵中包含的有效信息小于時-頻域信息熵中的有效信息，但可為時-頻域信息熵特征提供信息補償，能進一步提高識別率。 本文對胃腸道多元醫(yī)學(xué)信息無創(chuàng)遙測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、精度等方面做了深入研究；利用系統(tǒng)所獲取的臨床試驗數(shù)據(jù)，深入分析了胃腸道動力功能的一些特性，為深入研究胃腸道動力機制提供了依據(jù)。胃腸道醫(yī)學(xué)信息的探測和分析仍然有較多的未知領(lǐng)域，