氣驅動仿食道蠕動軟驅動器的結構設計與實驗研究

， ， Peter Xu(.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京　0094； .奧克蘭大學 工程學院， 奧克蘭 新西蘭　00)

引言

日常進食是保證人體新陳代謝，維持各項功能的一項必要過程[1]。一般的，吞咽過程被分解成口腔準備期、口腔期、咽期、以及食道期四個階段。經咀嚼后的食物從口腔開始，通過咽喉和食道，最終被運送至胃部。整個咽食過程需依靠舌、咽和食道的骨骼肌/平滑肌在神經系統控制下協調完成[1, 2]。

吞咽困難是消化道疾病、神經肌肉疾病的常見并發癥，特別在老年人群體和消化道手術后人群中占很大比例[3]。吞咽困難使得患者不能安全有效地進行咽食，易造成窒息、咳嗽、營養不良、脫水等癥狀。

食物的材質特性，包括大小、黏度、硬度等，影響參與吞咽的各組織結構的生理行為[4, 5]。針對不同患者吞咽困難的嚴重程度，通過改善食品的材質特性，施以相對安全的食品，是一種治療吞咽困難的手段。然而，由于人體吞咽系統結構的復雜性，不易獲得吞咽時食物流動和吞咽系統的體內測量數據，阻礙了食品材質特性對吞咽過程影響的研究以及安全食品的開發。

為提高吞咽困難醫療診斷水平，提出了仿生吞咽機器人，提供體外試驗環境，用于研究食物被吞咽后的流動特性。本研究設計和制造了仿食道蠕動軟體驅動器，模仿人類吞咽過程中食道的蠕動運動。

1　仿食道蠕動驅動器的設計

1.1　人體食道蠕動運動參數

人體的食道是一根肌肉管道，主要由外層環形肌，中層縱向肌和內層粘膜構成[6]。成人食道長20～25 cm，內徑大約2 cm[6]。食道的環形肌和縱形肌有序收縮和放松，產生了類似波浪的蠕動運動。食道收縮時，擠壓食團，推動食團進入胃部。

臨床上通過造影、測壓法等手段，測量了大量吞咽中食道期的物理參數，包括食道蠕動傳播速度，食道內壁擠壓力，以及食物內部壓力等。受食物硬度、黏度等影響，一次完整的蠕動過程大約持續5～10 s[7]。有研究數據表明，當人站立時，流質食物更多受到重力影響進入胃，而不是通過食道蠕動前行。

測壓法常被用來測定食道蠕動時產生的壓力。通過分析壓力波的產生時間、最大壓力等特征值，可以直接反映食道的蠕動能力，也可以間接得到蠕動波的速度特點。一般的，在一次吞咽過程中，蠕動在食道不同位置的速度是不一樣的。其中一個重要原因是食道上下兩段的組成肌肉不同，上段是橫紋肌，下段是平滑肌。因肌肉收縮能力不同，導致蠕動速度和最大擠壓力沿食道變化。食道吞咽的平均速度是2～4 cm/s[8]。上端最大壓力值(53.4±9.0) mmHg，下端最大壓力值(69.5±12.1) mmHg[8]。

1.2　多腔室蠕動驅動器結構設計

如圖1所示是仿食道蠕動驅動器的結構構成。驅動器由柔軟的硅橡膠制備，模擬人體肌肉性食道。驅動器中部沿軸向方向，是貫穿驅動器兩段的圓柱形通道，直徑20 mm(圖2)，模擬人體食道。驅動器總長為215 mm，類似于成人食道。十二層腔室圍繞著食物通道，嵌在硅橡膠材料內。每層四個腔室均布在通道四周，如圖2所示。

圖1　仿食道蠕動驅動器結構

2　仿食道蠕動驅動器的制備

仿食道軟體蠕動驅動器由雙組份室溫硫化硅橡膠(Ecoflex 0030， Smoot-on， US)制成。制備驅動器的大致步驟是：

(1) 設計用于裝載硅橡膠凝固成型的模具，并使用3D打印技術制備模具；

圖2　仿食道蠕動驅動器橫截面結構

(2) 將硅橡膠的兩種成分以1∶1比例均勻混合，除去攪拌時混入的氣泡后，澆筑在定制的模具中；

(3) 在室溫下，經大約4 h自然凝固；

(4) 拆卸模具，取出軟體驅動器中心部分——十二層腔室未封閉；

(5) 采用同種橡膠材料，封閉驅動器四周的腔室；

(6) 將驅動器放置在烤箱中，恒溫60 ℃加熱約3 h，用于加固腔室處硅橡膠的粘接；

(7) 重復利用模具，安裝在橡膠體外部，限制驅動器充氣時向外的變形。圖3所示是蠕動驅動器的原型，內嵌48個可充氣腔室，總長215 mm，總重約690 g。

圖3　仿食道蠕動驅動器原型

3　蠕動驅動器變形測量實驗

本實驗的目的是研究驅動器管道內壁變形與充氣腔內氣壓力間的力學關系。

3.1　驅動器變形測量實驗裝置

圖4是實驗裝置和主要組成部分簡圖，包括用于生成氣動控制指令的GUI，微控制器，D/A轉換電路，氣動控制回路，蠕動驅動器和用于記錄驅動器管道內壁變形的動態言語動作觀測儀。

GUI生成的控制信號經串口輸入并保存在微控制器(PIC24FJ128GA010)內，繼而由D/A轉換電路轉換成模擬電壓信號，控制比例電磁閥的輸出氣壓。D/A轉換電路的輸出頻率被設置為10 Hz。氣動控制回路中每一個比例電磁閥控制一層4個腔室，響應時間為0.1 s，接受0～10 V電壓信號，其供氣壓力維持在0.4 MPa。

1.計算機及GUI　2.微控制器　3.D/A轉換電路　4a.氣源 4b.減壓閥　4c.比例電磁閥　5.蠕動驅動器　6.動態言語動作觀測儀

實驗中采用動態言語動作觀測儀來記錄驅動器內壁的變形。觀測儀能夠在立方體空間創建磁場，并記錄球形電磁式傳感器在磁場內的動態位置。本實驗選用了7個電磁式傳感器，將其均勻粘貼在內壁壁面。隨著驅動器內壁變形，觀測儀可以記錄傳感器所在點位置的變化。傳感器直徑大約為2 mm，互相間隔7.5 mm。其中3個傳感器被安置在對應腔室中間的位置，其余4個被安置在對應腔室隔離材料的位置(如圖5所示)。

圖5　動態言語動作觀測儀傳感器安裝示意圖

3.2　驅動器變形測量實驗氣驅動模式

由于每層腔室都配備了1個比例電磁閥，每層的充、放氣過程互相獨立，理論上可以形成多種不同的驅動模式。例如，可以調節每層的氣壓變化，也可以調節相鄰層間相位差，來實現多種驅動模式。

本實驗研究蠕動驅動器的徑向收縮性能，選擇3個比例電磁閥同時控制相鄰的三層腔室，控制氣壓分別為pa、pb和pc(圖 5)，其余層腔室與大氣聯通。氣壓力pa、pb和pc遵循同一個規律，從0 kPa開始階梯式增長，直至壓力足夠大使得驅動器管道閉合。同時，三個壓力還遵循pa≤pb≤pc規則。以pc為例，氣壓力模型可以表述為：

pc=3.57n,n=0,1,2,…

(1)

圖6是氣壓力的增長模型。實驗中，每一組壓力組合維持1 s時間，以保證驅動器變形進入穩定狀態。

圖6　驅動氣壓pa、pb、pc增長模型

3.3　驅動器變形測量實驗結果

圖7和圖8是提取出的驅動器變形測量部分結果。在圖7中，氣驅動方案是：pa=pb=0 kPa，pc分別是35.71 kPa、46.43 kPa、57.14 kPa和67.86 kPa?？傮w上，與壓力pc對應的腔室膨脹程度大于其余2個腔室。驅動器內壁形狀從pa腔室到pc腔室呈遞增趨勢。當pc為67.86 kPa時，驅動器內壁最大位移大約為8.5 mm?？紤]到電磁傳感器內徑為1 mm，此時驅動器管道已經基本閉合。

圖7　驅動方案一

在圖8中，氣驅動方案是：pa=0 kPa；pb=pc，按公式(1)變化。提取pb和pc值和圖 7中相同時，驅動器變形測量數據。經比較，當氣壓力較低，如35.71 kPa，驅動器內壁最大位移約為1.2 mm，與方案一中最大位移相近。而當氣壓增大時，如當氣壓力為57.14 kPa，方案二中最大位移達到約5.4 mm，明顯大于方案一中最大位移，3.5 mm。并且，驅動器內壁整體偏向管道中軸。當氣壓增大至67.86 kPa時，驅動器管道接近閉合。

圖8　驅動方案二

4　結論

為提高吞咽困難診斷水平和研究食品與吞咽系統交互關系提供體外環境，提出了吞咽機器人，設計并制造了仿人體食道軟體蠕動驅動器原型。該驅動器使用室溫硫化硅橡膠制成，內嵌十二層可充氣腔室。驅動器成型模具通過3D打印技術生成。驅動器變形測量實驗中，采用了動態言語動作觀測儀，記錄充氣膨脹時驅動器內壁的變形。

為實時控制驅動器生成蠕動運動，需研究該軟體驅動器的力學模型。軟體結構的力學模型研究是仿食道軟體蠕動驅動器的下一步研究方向，也是軟體機器人領域尚未解決的研究難題。

參考文獻：

[1]F J Chen,S Dirven,W L Xu,J Bronlund,X N Li, A Pullan.Review of the Swallowing System and Process for A Biologically Mimicking Swallowing Robot [J].Mechatronics,2012,22(5):556-567.

[2]J Chen,Food Oral Processing-A Review [J].Food Hydrocolloids,2009,23(1):1-25.

[3]J Robbins,S Langmore,J A Hind,M Erlichman,Dysphagia Research in the 21stCentury and Beyond[J].Journal of Rehabilitation Research & Development,2002,39(4):543-548.

[4]V V Raut,G J McKee,B T Johnston,Effect of Bolus Consistency on Swallowing-does Altering Consistency Help[J].European Archives of Oto-rhino-laryngology,2001,258(1):49-53.

[5]F Gumbley,M Huckabee,S Doeltgen,U Witte,C Moran,Effects of Bolus Volume on Pharyngeal Contact Pressure during Normal Swallowing[J].Dysphagia,2008,23(3):280-285.

[6]B Kuo,D Urma,Esophagus-anatomy and Development.Gastrointestinal Motility[Z],2006.

[7]W Yang,T C Fung,K S Chian,C K Chong,Finite Element Simulation of Food Transport through the Esophageal Body[J].World J.Gastroentero,2007,(13):1352-1359.

[8]T J Humphries, D O Castell.Pressure Profile of Esophageal Peristalsis in Normal Humans as Measured by Direct Intraesophageal Transducers[J].Am.J.Dig.Dis.,1997,(22):641-645.