人体食道蠕动仿生装置的研究

摘要

研究人体食道蠕动仿生装置的目的是通过工程技术手段，模拟人体食道的蠕动运动，量化食团物理性质和蠕动动力学性能的关系。该装置将为食品分级以及为吞咽困难患者进行饮食调整提供一种定量的技术途径。 为能够客观地反映蠕动性能和食团物理性质的相互影响关系，该蠕动装置产生的蠕动挤压力、蠕动速度以及形变特征需符合人体食道蠕动运动相关指标。目前的食道蠕动仿生装置在结构形式、材料组成和驱动方式等方面各不相同，不能同时满足关于蠕动挤压力、速度和形变的性能要求。为解决这一问题，提出一种四腔层叠式气驱动软体蠕动装置。针对该新型食道蠕动仿生装置，展开了结构设计、形变理论模型、形变性能试验及吞咽性能模拟试验等一系列的研究工作。 为了克服现有食道蠕动装置在蠕动压力、速度和连续蠕动方面的不足，提出并实现了一种四腔层叠式气动软体结构模拟人体食道蠕动装置。该装置采用弹性橡胶材料、每层由模拟食道的圆柱孔和四周均布的4个气动驱动容腔组成，沿着通道轴向层叠了十二层相同结构，在逐层通气时可以实现模拟食道的径向柔顺收缩和轴向的连续柔顺蠕动。为确定蠕动装置的关键结构参数，运用有限元仿真软件对四腔层叠式软体结构在气压力作用下的形变进行了仿真分析。根据仿真结果，制备了人体食道蠕动仿生装置样机。样机的食团通道长250mm，内径20mm，与成人食道尺寸接近。 为了实现气压驱动时模拟食道径向和轴向按照功能需求进行连续光滑的收缩、蠕动控制，研究并建立了用于四腔层叠式气驱动软体蠕动控制的数学模型。控制模型由蠕动装置大变形模型和食团内部压力模型两部分组成。为了提高算法的时效性，考虑弹性单元的几何形变、力平衡系统以及弹性微元力平衡，提出了七个长方体弹性单元构成的软体结构的几何简化模型，获得了食道蠕动仿生装置软体结构受力变形的数学表示。分析结果表明:当按不同规律改变气体输入压力时，模拟食团通道可以获得光滑连续形变，实现预定的功能。同时，建立了食团在流动过程中内部压力的数学模型，获得了食团内部压力与其在模拟食道中所处的位置和动态参数相关的结果。这些结果为在不同食团粘度条件下实现顺畅的食道蠕动功能奠定了基础。 为了测试四腔层叠式气驱动软体蠕动装置的基本特性和食道蠕动吞咽功能，设计了食道蠕动仿生装置的径向收缩特性试验系统和吞咽试验系统。装置气腔内压力通过气动压力比例阀控制，食团通道内壁的形变数据由电磁式发音动作扫描仪采集。对装置样机的径向收缩变形性能进行了试验研究，分析了气腔加压层数和腔内压力对装置样机内壁形变的影响。试验结果表明:蠕动装置食团通道内壁的形态可以通过气腔内压力调节，当三层腔室内压力按阶梯式大小排列时，蠕动装置样机通道内壁形变连续;当三层压力同时达到约64kPa时，通道内壁的径向位移达到约8mm，蠕动装置能够通过充气腔膨胀变形，闭合食团通道，实现径向收缩功能。在七个传感线圈对应位置上，装置形变试验结果和理论模型之间的平均相对误差都小于10％，最小平均相对误差为2.1％。进行的吞咽试验表明:在食团粘度0.8Pa·s至16.0Pa·s的区间里，装置样机的蠕动动力学特性与人体蠕动试验动力学特性相符——食团内部压力IBP值在0.15kPa至6.2kPa之间，且随着食团粘度增大而增大;最大挤压力MILP的最小值约为22kPa，满足大于4kPa设计指标，MILP和食团粘度没有明显关联;压力指标PFI随食团粘度增加而增加。试验结果表明所研究实现的四腔层叠式气驱动软体蠕动装置满足模拟食道的技术需求指标。

目录

声明

摘要

注释表

1绪论

1．1人体食道蠕动仿生装置的应用需求

1．2人体吞咽系统

1．2．1吞咽系统的生理结构和蠕动机理

1．2．2食道蠕动运动学和动力学指标的测度

1．3食道蠕动仿生装置的研究现状

1．3．1机械滑轮式结构食道蠕动仿生装置

1．3．2网状结构食道蠕动仿生装置

1．3．3模块串联式结构食道蠕动仿生装置

1．3．4刚性结构与柔性结构的特性对比分析

1．4食道蠕动仿生装置运动控制模型的研究现状分析

1．4．1食道蠕动仿生装置运动控制模型的建模方法

1．4．2软体蠕动装置运动控制建模的难点

1．4．3软体蠕动装置建模方法

1．5有待研究解决的问题

1．6论文主要研究内容

2四腔层叠式软体蠕动装置的结构研究

2．1四腔层叠式软体蠕动装置技术需求分析

2．2四腔层叠式软体蠕动装置技术难点分析

2．3结构方案探索

2．3．1单腔室软体方案

2．3．2四腔层叠式软体方案

2．4四腔层叠式软体蠕动装置关键技术研究

2．4．1四腔层叠式软体蠕动装置的驱动模式

2．4．2四腔层叠式软体材料特性及形变预测

2．5四腔层叠式软体蠕动装置样机的制作

2．6本章小结

3蠕动仿生装置食团压力控制模型的研究

3．1食道蠕动仿生装置的大变形模型

3．1．1食道蠕动仿生装置的二维模型及基本假设

3．1．2食道蠕动仿生装置二维模型的坐标系

3．1．3弹性单元的几何变形分析

3．1．4弹性微元的力平衡分析

3．1．5弹性单元的力平衡分析

3．1．6打靶法求解单个弹性单元的平衡状态

3．1．7大变形模型仿真结果与分析

3．2食团内部压力数学模型的研究

3．2．1食团流动二维模型及基本假设

3．2．2食团流动的边界条件

3．2．3食团内部压力数学模型

3．3蠕动压力控制模型

3．3．1压力输入

3．3．2食团内部压力

3．4本章小结

4食道蠕动仿生装置的试验研究

4．1食道蠕动仿生装置径向收缩特性的试验研究

4．1．1径向收缩试验系统总体方案设计

4．1．2驱动控制系统设计

4．1．3径向收缩变形测量系统的设计

4．1．4径向收缩特性试验系统

4．1．5径向收缩试验的控制方案

4．1．6径向收缩试验结果及分析

4．1．7径向收缩试验结果与理论模型结果比较

4．2仿食道蠕动软体装置蠕动特性试验研究

4．2．1蠕动特性试验系统

4．2．2蠕动特性试验控制方案

4．2．3蠕动特性试验方案

4．2．4蠕动特性试验结果

4．2．5食团内部压力IBP受控制参数的影响分析

4．2．6最大挤压力MILP受控制参数的影响分析

4．2．7压力指标PFI受控制参数的影响分析

4．2．8蠕动特性试验结果与测压法结果对比分析

4．3本章小结

5结论及展望

5．1结论

5．2展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利