新型植入式胃肠电刺激系统的研究

发布时间：2020-10-11 19:18

　　 胃肠功能性疾病是消化系统最为常见的疾病。这类疾病发病率高，临床表现的症状种类繁多，主要包括上腹疼痛、饱胀、嗳气、恶心、呕吐等。由于发病机理尚不明确，目前临床上缺乏有效安全的治疗方法。这些疾病给患者带了极大的痛苦并影响了他们的正常生活。越来越多的临床研究和实验发现胃肠功能性疾病的患者常伴有胃动力低下，胃排空延迟，小肠和结肠传递时间延长等症状。因此改善和恢复胃动力功能成为治疗功能性胃肠疾病的一种可能的方法。通过胃肠电刺激的方法来改善胃肠动力越来越受到研究人员的关注，并进行了大量的研究。研究结果表明，胃肠电刺激方法可以改善胃肠动力，从而减轻胃肠功能性疾病的症状。由于现有仪器的限制，这种疗法在临床应用上还存在以下两个方面的不足：首先由于电池寿命的限制，使刺激脉冲的参数范围不能完全满足临床治疗的需要；其次，由于缺乏有效的方法检测胃肠道的收缩活动，对胃肠电刺激的疗效缺乏定量的分析，使电刺激治疗缺乏针对性。 本文依托于上海交通大学医工交叉资金资助项目(NO.YG2010MS75)。在上海交通大学医学精密工程与智能系统实验室研制的第一代植入式胃肠电刺激系统的基础上，对胃肠电刺激系统中的体内刺激器和体外控制器进行了研制，配合第一代胃肠电刺激系统的经皮无线能量传输模块和上位机软件模块组成了新型植入式胃肠电刺激系统的样机。 本文主要目标在于通过系统设计优化对胃肠道电刺激这种诊疗手段在临床上的应用起到更进一步的推动作用，具有明显的研究价值和社会效益。本文的主要内容有以下几个方面： 1．阐述胃肠道电刺激疗法的作用原理，并分析该疗法的临床应用价值和研究现状，明确新型胃肠电刺激系统课题的研究意义。通过对第一代植入式胃肠电刺激系统的分析，确定新型植入式胃肠电刺激系统的研究方向。 2．综合分析和比较可行方案后，提出新型植入式胃肠电刺激系统的体内刺激器和体外控制器两个系统的总体设计方案。并对每个系统的硬件、软件的设计思路和实现方法进行详细的阐述。 3．完成新型植入式胃肠电刺激系统的系统样机研制，包括植入式的体内刺激器和体外控制器。实现各个功能模块的测试和整个系统的联调。其中，无线能量传输模块、脉冲输出模块、压力信号采集模块、无线通信模块、LCD触摸屏显示模块、数据存储模块和USB通信模块均可以稳定工作，系统性能可以满足动物实验的要求。 本文的研究工作基本实现了预定目标，但是胃肠电刺激系统距离真正的临床应用还存在很多问题。在本文的最后，对这些问题进行了总结，并对以后的系统改进提出了可供参考的思路和方向。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：R57;TH772
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
        1.1.1 功能性胃肠疾病的介绍
        1.1.2 功能性胃肠疾病的发病机制
        1.1.3 功能性胃肠疾病的治疗方法概述
        1.1.4 胃肠电刺激疗法的作用原理
        1.1.5 胃肠电刺激疗法的研究意义
    1.2 胃肠电刺激系统的研究现状
        1.2.1 体表电刺激器的研究现状
        1.2.2 植入式电刺激器的研究现状
        1.2.3 胃肠电刺激系统的研究现状分析
    1.3 论文主要内容及章节安排
第二章 新型胃肠电刺激系统总体方案设计
    2.1 新型胃肠电刺激系统总体设计方案
        2.1.1 新型胃肠道刺激系统体外装置总体设计
        2.1.2 体内刺激器总体设计
    2.2 供电方案选择
    2.3 刺激脉冲方案选择
        2.3.1 电刺激方案选择
        2.3.2 刺激脉冲波形选择
        2.3.3 刺激模式和刺激参数方案设计
    2.4 材料的生物相容性问题
    2.5 本章小结
第三章 胃肠电刺激系统体内刺激器的硬件设计
    3.1 体内刺激器硬件总体设计和组成概述
        3.1.1 微控制器的选择和最小系统模块设计
        3.1.2 双极性脉冲发生模块设计
        3.1.3 可调电压模块
        3.1.4 四路模拟开关模块设计
        3.1.5 压力检测模块设计
        3.1.6 电源管理模块设计
        3.1.7 无线通讯模块设计
        3.1.8 EEPROM 数据存储模块
    3.2 程序写入和调试接口电路模块设计
    3.3 体内刺激器经皮无线充电模块
    3.4 体内刺激器硬件系统设计小结
第四章 胃肠电刺激系统体内刺激器的软件设计
    4.1 胃肠电刺激系统体内刺激器软件总体设计概述
    4.2 μC/OS-II 实时操作系统任务调度原理
    4.3 体内刺激器任务划分及基于μC/OS-II 内核的软件整体架构
    4.4 体内刺激器主要任务模块的软件实现
        4.4.1 硬件系统初始化模块
        4.4.2 无线通讯模块
        4.4.3 刺激参数计算，存储和电压配置模块
            4.4.3.1 刺激参数的计算
            4.4.3.2 刺激参数的存储
            4.4.3.3 刺激电压的配置
        4.4.4 刺激脉冲产生模块
            4.4.4.1 双极性脉冲发生模块四路方波控制信号输出方式选择
            4.4.4.2 双极性脉冲串输出模式设计
            4.4.4.3 多导联刺激模式的实现
            4.4.4.4 产生双极性脉冲各个任务的软件实现
        4.4.5 模拟信号数据采集模块
            4.4.5.1 电池电压信号采集的实现
            4.4.5.2 压力信号采集的实现
        4.4.6 系统休眠模块
    4.5 体内刺激器软件系统设计小结
第五章 胃肠电刺激系统体外控制器的硬件设计
    5.1 体外控制器硬件总体设计方案和组成概述
    5.2 体外控制器硬件模块设计
        5.2.1 微控制器的选择和最小模块设计
            5.2.1.1 微控制器的选择
            5.2.1.2 微控制器的最小系统构成
        5.2.2 系统电源和微处理器复位模块的设计
            5.2.2.1 系统电源接口模块设计
            5.2.2.2 微处理器复位模块设计
        5.2.3 系统存储模块的设计
            5.2.3.1 NAND Flash 存储模块的设计
            5.2.3.2 SDRAM 模块的设计
        5.2.4 JTAG 模块的设计
        5.2.5 LCD 显示和触摸屏模块的设计
        5.2.6 SD 卡存储模块的设计
        5.2.7 无线通信模块的设计
        5.2.8 USB 通信模块的设计
        5.2.9 串口通信模块
        5.2.10 实时时钟模块
    5.3 体外控制器硬件设计总结
第六章 胃肠电刺激系统体外控制器的软件设计
    6.1 体外控制器软件系统总体设计概述
        6.1.1 体外控制器工作流程界面化概述
        6.1.2 体外控制器软件系统主要功能概述
        6.1.3 体外控制器软件整体架构
    6.2 体外控制器功能模块的软件实现
        6.2.1 Nand FLASH 驱动的软件实现
        6.2.2 串口通讯模块的软件实现
        6.2.3 LCD 显示模块软件的实现
            6.2.3.1 LCD 驱动软件模块的实现
            6.2.3.2 系统界面的 LCD 显示的实现
        6.2.4 触摸屏模块驱动软件的实现
        6.2.5 实时时钟模块的软件实现
        6.2.6 无线通讯模块驱动软件的实现
        6.2.7 SD 卡读写模块的驱动软件的实现
            6.2.7.1 SD 卡基本工作原理介绍
            6.2.7.2 SD 卡驱动程序的实现
        6.2.8 FAT32 文件系统在体外控制器上的实现
            6.2.8.1 FAT32 文件系统与 SD 卡
            6.2.8.2 FAT32 文件系统移植的实现
        6.2.9 USB 通讯模块的软件实现
            6.2.9.1 USB 模块驱动软件实现
    6.3 体外控制器软件系统设计总结
第七章 系统样机及经皮无线充电模块测试
    7.1 系统样机测试实验
        7.1.1 系统样机
        7.1.2 通信质量测试
        7.1.3 刺激脉冲测试
        7.1.4 LCD 成像测试
        7.1.5 USB 数据读取和 SD 卡读写测试
    7.2 经皮无线充电模块测试
    7.3 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 主要工作及创新点
    8.2 后续研究工作
参考文献
致谢
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附件

【参考文献】

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本文编号：2837011