瘤胃蠕动机制及柔性瘤胃模拟技术研究

Rumen simulation is an important technique for studying the function of rumen. The present digestive procession of commonly used rigid fermenter, which mimick peristalsis of rumen by stirring, is quite different from that of the real rumen. Moreover, the random variation and repeatability are also the defects of fermenter. To develop a highly simulant flexible rumen, a three-dimension model of rumen will be constructed based on the physiological structure and peristalsis pattern of rumen by CT scanning and quadratic b-spline curves of the dynamics of rumen contents during rumen peristalsis will be described by finite element analysis, real-time image recording using X-ray, and extracting the properties of rumen peristalsis and content motility. The feeding, peristalsis, and discharging are mimicked by hydraulic system. All parameters of simulant flexible rumen during digestion will be monitored by computer system. The performance of the simulant rumen will be evaluated by comparing the digestion procession with rumen in vivo, measurement performance of analytic and testing system, as well as the stability of testing accuracy. Combining the principles of rumen physiology and the techniques of mechanical design and automatic control, this simulant rumen will make a great improvement of simulant rumen technique.

瘤胃模拟是研究反刍动物瘤胃的重要技术，现有装置普遍采用刚性发酵罐来模拟瘤胃，通过搅拌的方式模拟瘤胃的蠕动，与真实瘤胃消化生理不相符，而且测试结果随意性大、重复性差。本项目以反刍动物瘤胃为对象，利用CT断层扫描，二次B样条曲线模拟，构建瘤胃的三维模型，进行有限元分析，采用X光安检仪实时影像记录，提取瘤胃蠕动及瘤胃内容物的运动特征，阐明瘤胃蠕动过程中瘤胃内容物动力学与运动学规律；进而构建高仿真柔性瘤胃，采用液压驱动方式，模拟真实瘤胃的蠕动，实现瘤胃消化过程的体外模拟，同时监测柔性瘤胃装置消化过程中主要发酵参数；通过与活体动物瘤胃消化的比较，分析、测试装置的计量性能和试验结果的稳定性，优化结构和运行参数，提高柔性瘤胃模拟装置的仿真度。本研究将结合反刍动物瘤胃生理与机械设计、自动控制技术，全面创新反刍动物瘤胃模拟技术，其结果对促进瘤胃模拟技术的发展具有重大的战略意义。

针对国内外体外瘤胃模拟系统存在的不足，本项目从原理、结构、方法上开展了一种新型柔性瘤胃模拟系统的研究，以期使体外瘤胃模拟系统更加接近动物实体的真实状况。研究结果如下。①通过对Computed Tomography(CT)设备获取的湘东黑山羊腹部CT图像，进行三维重建及有限元模型仿真分析，建立了山羊瘤胃的几何模型和有限元模型。②利用医用X光仪、动态Digital Radiography(DR)仪结合医学钡餐显影技术获取瘤胃蠕动和食糜运转的图像，并利用计算机识别技术分析图像得到瘤胃蠕动和食糜运动规律。瘤胃的运动主要分为四个阶段：阶段一是从网胃的两相收缩开始，将网胃内食糜推向瘤胃背囊和瘤胃背盲囊；阶段二和阶段三是瘤胃背囊和瘤胃背盲囊的共同收缩和舒张，使得一部分瘤胃内食糜返回网胃，同时将另外一部分食糜推至瘤胃腹囊；最后四阶段是腹盲囊收缩和舒张，使瘤胃腹囊和腹盲囊内食糜做往返运动，并将一部分食糜推回到瘤胃的背囊或背盲囊中，等待下一次的循环。公羊瘤胃四个阶段平均运动时间分别为3.88 s、4.86 s、5.54 s、8.5 s，平均间隔时间为53.79 s。母羊瘤胃四个阶段平均运动时间分别为3.38 s、4.2 s、5.04 s、13.75 s，平均间隔时间为50.95 s。③利用硅橡胶成型技术，构建了硅胶实物瘤胃模型。④开发了基于51单片机的控制系统以及上位机智能瘤胃模拟装置自动控制系统，实现了瘤胃内多个发酵参数的自动测量，如：CH4、CO2、压力、温度等，实现了瘤胃模拟的全自动控制。⑤设计并装配了瘤胃模拟装置样机，并对样机开展了部分运行参数、体内外吻合程度和部分应用研究，证实本项目研制的样机可较好的模拟瘤胃的蠕动和瘤胃内发酵状况。