摘  要： 介紹了一種基于AT89C52單片機(jī)嵌入式智能人工肛門的設(shè)計(jì)方案,。這種智能人工肛門主要包括單片機(jī)控制模塊、壓力檢測(cè)模塊,、超聲檢測(cè)模塊和報(bào)警模塊四部分,。壓力檢測(cè)模塊不斷檢測(cè)人工肛門腸腔內(nèi)部的壓力變化，并將信號(hào)傳遞給單片機(jī),。單片機(jī)處理來自壓力檢測(cè)模塊的壓力信號(hào),，當(dāng)壓力超出一定數(shù)值時(shí),，單片機(jī)啟動(dòng)超聲檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生一定的衰減,，速度會(huì)發(fā)生變化,。通過測(cè)量超聲波經(jīng)過腸腔內(nèi)容物的時(shí)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(jí)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(guó)常見的惡性腫瘤之一,，目前我國(guó)直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢(shì)，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(huì)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(kuò)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(bǔ)相比有不可替代的作用,。
1 智能型人工肛門總體設(shè)計(jì)方案
    人工肛門是一個(gè)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(gè)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(gè)壓力傳感器,，用于檢測(cè)腸腔內(nèi)部的壓力變化。當(dāng)有排泄物時(shí),，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(jì)的智能人工肛門由四個(gè)模塊構(gòu)成：壓力傳感器探測(cè)模塊,、超聲傳感器探測(cè)模塊,、報(bào)警模塊以及單片機(jī)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(cè)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(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)水泵工作打開肛門排出氣體,，如果是液體或固體,，將會(huì)啟動(dòng)報(bào)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(cè)模塊：利用壓力傳感器測(cè)量到腸腔的壓力變化時(shí)，馬上給單片機(jī)發(fā)出信號(hào)并分析壓力的大小,，通過單片機(jī)模塊來判斷排廢物的緊急程度,。
    超聲波傳感器探測(cè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出啟動(dòng)超聲波傳感器時(shí)，555芯片便產(chǎn)生40 kHz的高頻振蕩脈沖,，進(jìn)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(hào)經(jīng)放大電路放大,，包絡(luò)檢波電路優(yōu)化信號(hào)波形，剔除干擾低頻成分信號(hào),，得到所需要的高頻信號(hào),，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到達(dá)單片機(jī)。
    單片機(jī)控制模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)時(shí)控制壓力傳感器探測(cè)模塊和超聲傳感器探測(cè)模塊,，處理來自A/D轉(zhuǎn)換器的壓力數(shù)字信號(hào)和超聲波接收模塊的數(shù)字信號(hào),。根據(jù)這些數(shù)字信號(hào)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(bào)警模塊包括一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)發(fā)光二極管,。發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖3所示,。
2 壓力傳感器探測(cè)模塊
    壓力傳感器探測(cè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)腸壁壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè),，即模塊必須實(shí)現(xiàn)根據(jù)已有的腸壁壓力數(shù)據(jù)，對(duì)比判斷腸道內(nèi)部所受壓力的強(qiáng)度,，從而得到緊急級(jí)別,。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的級(jí)別后應(yīng)啟動(dòng)超聲檢測(cè),，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(cè)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(hào)，然后經(jīng)過放大器和A/D轉(zhuǎn)換傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理,。
3 超聲傳感器探測(cè)模塊
    超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波,具有頻率高,、波長(zhǎng)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(diǎn)[4]。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波,碰到活動(dòng)物體會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[5],。以超聲波作為檢測(cè)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(cè),迅速、方便,、計(jì)算簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制且測(cè)量精度能滿足要求,。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲波在成像無損檢測(cè),、測(cè)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(shí)，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(cè)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(jī)啟動(dòng)超聲波發(fā)射模塊,，并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)功能。這時(shí)超聲波從腸壁1進(jìn)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(shí)在穿過腸腔內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分衰減,，到達(dá)腸壁2時(shí)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(jī)傳遞信號(hào),，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)功能，這時(shí)可以得出超聲波穿過腸腔的時(shí)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(jì)算出超聲波穿過腸腔的平均速度v,。這時(shí)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(jì)
    單片機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)后,，打開外部中斷0,，監(jiān)視來自壓力檢測(cè)模塊的中斷信號(hào)。壓力檢測(cè)模塊不斷檢測(cè)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(shí)，將會(huì)觸發(fā)中斷,。這時(shí),，為了判斷腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)，單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波,，并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)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(huì)觸發(fā)中斷1,。單片機(jī)收到中斷信號(hào)，關(guān)閉中斷1并關(guān)閉定時(shí)器,。單片機(jī)讀取定時(shí)器數(shù)值,，得到超聲波穿越腸腔內(nèi)容物的平均時(shí)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(jī)將信息反饋給患者,?；颊吒鶕?jù)腸腔內(nèi)容物的性質(zhì)來做出動(dòng)作。如果患者按下了控制按鈕,，單片機(jī)將會(huì)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(jì)本系統(tǒng)時(shí),，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(jì)不考慮腸腔內(nèi)容物的流動(dòng)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(duì)目前直腸癌的治療方式對(duì)病人所造成的傷害，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用其中,，為彌補(bǔ)手術(shù)的不足提供了一種解決方案,。
參考文獻(xiàn)
[1] 莫小軍.直腸癌的外科治療方法及進(jìn)展[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué)，2009,，15(22)：99-100.
[2] 梁小波,劉海義.中國(guó)低位直腸癌根治術(shù)后會(huì)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(dá)恭，等.原位人工肝門初步研究[J].中國(guó)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(jī)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(jī)接口及實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2008.