无创遥感体内记录胃肠运动对胃肠动力障碍性疾病诊断关键技术的实验研究

The incidence of gastrointestinal dynamic disorders is increasing in the past few years, which seriously affected life quality. However, no device is available that can obtain the gastrointestinal (GI) motion physiological parameters so far which are needed for further research. Aiming at the limitations of existing detection methods and combing with robot technology, bionics technology, wireless remote sensing technology, etc, this animal experimental research is mainly about the key techniques of wireless soft-bodied micro capsule for recording the GI motion in vivo, which we have obtained the national patent and is controllable outside body and mimicking leech based on the technology of artificial muscle. One of the research goals is to ensure the detecting capsule will be applied in the human body safely and reliably in the future. Dog models of GI dynamic disorders are then constructed by recording and constructing GI motion parameters and graphics both in normal physiological functions and disturbance as well as testing serum motilin level in different motion phage, at the same time the GI hormone receptor subtypes in the GI smooth muscle will be measured through immunohistochemistry and other molecular biology methods, so that the pathophysiological mechanism of GI dynamic disorders is carried out.

胃肠动力障碍性疾病近年发病率逐步上升，严重影响人们生活质量，但目前尚无相关设备能获取深入研究所需的人体消化道各个部位正常生理状态下的运动参数。本课题克服并针对现有胃肠运动检测方式的局限，进一步在我们已获得的国家专利的"用于人体胃肠动力检测的无线记录装置"基础上，综合现代机器人技术、仿生学技术及无线遥感技术等研究领域的前沿成果，进一步对该以"人工肌肉"为基础的、体外可控的、仿水蛭软体无线微型胶囊的关键技术进行实验动物研究，确保未来应用于人体安全可靠；并建立多种胃肠动力紊乱的疾病模型，记录并建立正常生理及疾病状态下不同部位相应胃肠运动参数及图谱，并检测不同运动时相的血清胃动素等胃肠激素水平，同时研究胃肠平滑肌表面胃肠激素受体及其亚型的分布，进行胃肠动力紊乱疾病的病理生理机制相关研究。

本项目首先选择了水蛭尾端吸盘作为微型吸附结构的仿生对象。研究了水蛭的吸附机理，包括：体式显微镜和环境扫描电镜观察吸盘表面形貌；高速摄像分解吸盘吸附动作； H-E 染色和 Masson 染色研究吸盘肌肉分布、拉力计测试吸附力等。结果表明，蛭吸附在玻璃面上时，可以吊起自身体重 60 倍的重量，具有很强的吸附能力。吸附时，尾部外侧肌肉收缩使吸盘向背侧弯曲，待吸盘内表面接触被吸附面后放松。吸盘与被吸附面紧密贴合后，边缘至中心处肌肉依次收缩，吸盘面积增大，中心形成负压，完成吸附。.其次进行微型吸附结构的总体设计。为实现主动式吸附，采用离子交换聚合金属材料（ ionic polymer metal composite, IPMC）作为微型驱动器。通过研究不同工艺对材料驱动力和电致动变形的影响，自行制备了钯电极型IPMC。并通过重铸厚膜、表面电镀等方式提升驱动力，制作了满足需要的花瓣形 IPMC。采用无毒医用硅橡胶作为吸盘材料，并通过 Ansys 仿真验证了 IPMC 驱动硅胶吸盘变形的可行性。通过浇铸成型和置换封装材料的方法将花瓣状的 IPMC 植入硅胶中，通过漆包线为IPMC提供激励电压。最终制作出直径 10 mm、厚度1 mm、质量0.1g的仿生吸盘。为实现仿生吸盘定位后的固定能力，从粘液吸附方式入手，研究了软式和硬式粘附材料之间的区别。.再次，为驱动微型吸盘设计了控制系统。选择功耗低、尺寸小的元件，利用纽扣电池供电，驱动吸盘完成吸附动作。对制作的吸盘进行吸附能力测试，在峰值4V 的电压信号驱动下，吸盘边缘单向变形量约 1 mm，可以完成预设的吸附动作，在光滑表面具有良好的吸附能力。 .再次，在体内传感器与体外接收器的无线通信和控制方法方面，初步完成了基于单片机、无线通信芯片MSP430和NRF24LE1及其外围驱动电路构成的通信方案设计和人机交互界面的演示性设计。.最后，收集来我院行高分辨率食管测压、动态24 小时pH监测等检查的患者数据，并进行回顾性分析，建立在现有胃肠动力监测方法下部分胃肠动力紊乱疾病的相关数据，为课题后续研究奠定基础。