摘  要： 介紹了一種基于AT89C52單片機嵌入式智能人工肛門的設(shè)計方案。這種智能人工肛門主要包括單片機控制模塊,、壓力檢測模塊,、超聲檢測模塊和報警模塊四部分。壓力檢測模塊不斷檢測人工肛門腸腔內(nèi)部的壓力變化,，并將信號傳遞給單片機。單片機處理來自壓力檢測模塊的壓力信號,，當(dāng)壓力超出一定數(shù)值時,，單片機啟動超聲檢測模塊。超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波,，并被腸壁另一側(cè)的超聲接收模塊接收,。超聲波穿過腸腔內(nèi)容物，將會產(chǎn)生一定的衰減,，速度會發(fā)生變化,。通過測量超聲波經(jīng)過腸腔內(nèi)容物的時間，能夠得到超聲波通過腸腔內(nèi)容物的平均速度,，而超聲波通過不同物體的速度是不同的,，從而大致判斷腸腔內(nèi)容物的物理性質(zhì)，為患者提供不同級別的警告信息,。
關(guān)鍵詞： 嵌入式,；人工肛門；超聲波,；壓力

    直腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一,，目前我國直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢，手術(shù)切除仍是直腸癌的主要手段[1]?，F(xiàn)在大多采用Miles手術(shù)（即腹會陰聯(lián)合切除術(shù)）[2],。術(shù)后將腸道的出口外置于腹部，即腹部造瘺術(shù),。腹部造瘺術(shù)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(yán)重肛門失禁的最終解決方案,，與藥物治療、手術(shù)修補相比有不可替代的作用,。
1 智能型人工肛門總體設(shè)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(fā)射器和超聲波接收器緊貼在腸壁兩側(cè),。人工肛門底端是一個腸道開合開關(guān),，一般處于閉合狀態(tài)。腸道開合開關(guān)內(nèi)部表面有一個壓力傳感器,，用于檢測腸腔內(nèi)部的壓力變化,。當(dāng)有排泄物時，需要打開腸道開合開關(guān),。
    智能人工肛門的物理模型如圖 1所示,。

    本文設(shè)計的智能人工肛門由四個模塊構(gòu)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(nèi)容物是氣體,、液體、固體,。如果是氣體,，微處理器會自動驅(qū)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(tǒng),，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(fā)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(fā)出啟動超聲波傳感器時,，555芯片便產(chǎn)生40 kHz的高頻振蕩脈沖，進入超聲波發(fā)射器,，超聲波發(fā)射器發(fā)生40 kHz的超聲波,，超聲波穿過腸腔，發(fā)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(jīng)放大電路放大,，包絡(luò)檢波電路優(yōu)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的壓力數(shù)字信號和超聲波接收模塊的數(shù)字信號。根據(jù)這些數(shù)字信號判斷物質(zhì)的狀態(tài)和排泄的緊急程度,，從而通知病人做出不同的反應(yīng),。
    報警模塊包括一個蜂鳴器和一個發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光時,，代表著腸腔內(nèi)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(tǒng)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(xiàn)的功能是對腸壁壓力的實時檢測，即模塊必須實現(xiàn)根據(jù)已有的腸壁壓力數(shù)據(jù),，對比判斷腸道內(nèi)部所受壓力的強度,，從而得到緊急級別。當(dāng)?shù)竭_一定的級別后應(yīng)啟動超聲檢測,，以判斷腸道內(nèi)容物的狀態(tài),，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(nèi)部壓力轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過放大器和A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成回波,碰到活動物體會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[5],。以超聲波作為檢測手段,就要產(chǎn)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(xiàn)實時控制且測量精度能滿足要求,。隨著計算機軟、硬件技術(shù)及信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在成像無損檢測,、測距,、超聲清洗、無損探傷,、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用,。超聲波穿過不同介質(zhì)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(nèi)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(fā)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(nèi)部時會產(chǎn)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,。
    H=vt                    (1)
    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(nèi)容物是固體還是液體,。其物理模型如圖6所示。

4 軟件模塊設(shè)計
    單片機系統(tǒng)啟動后,，打開外部中斷0,，監(jiān)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(nèi)的壓力變化,，當(dāng)腸腔內(nèi)的壓力超過一定的數(shù)值時,，將會觸發(fā)中斷。這時,，為了判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì),，單片機會啟動超聲波發(fā)射模塊發(fā)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(nèi)容物,，將由另外一側(cè)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(fā)中斷1,。單片機收到中斷信號,，關(guān)閉中斷1并關(guān)閉定時器。單片機讀取定時器數(shù)值，得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均時間t,，然后根據(jù)公式H=vt處理數(shù)據(jù)得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均速度v,。根據(jù)v，可以判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì),。單片機將信息反饋給患者,。患者根據(jù)腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)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(guān)，排出腸腔內(nèi)的排泄物,。
    智能人工肛門的軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖8所示,。

    在設(shè)計本系統(tǒng)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(shè)計不考慮腸腔內(nèi)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(tǒng)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(shù)應(yīng)用其中，為彌補手術(shù)的不足提供了一種解決方案,。
參考文獻
[1] 莫小軍.直腸癌的外科治療方法及進展[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué),，2009，15(22)：99-100.
[2] 梁小波,劉海義.中國低位直腸癌根治術(shù)后會陰部原位人工肛門重建的回顧[J].結(jié)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(fù),，1994,，9(4)：187-189.
[4] 曹瑞，包空軍.基于超聲波傳感器新技術(shù)的應(yīng)用[J].機械與電子,，2009(3)：491.
[5] 黃鴻,，吳石曾.傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)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(xué)出版社,，2008.