新式智能監(jiān)測內窺鏡咬嘴的研制與應用*

向李智 程亞平

近年來，隨著消化內窺鏡技術的飛速發(fā)展，因其具有微創(chuàng)性、簡便性、并發(fā)癥少等優(yōu)點，胃鏡的臨床應用范圍日益廣泛，并且保留了消化系統(tǒng)的完整性和生理功能，現(xiàn)已發(fā)展成為消化疾病不可或缺的診療方法之一[1-2]。隨著就診患者人數(shù)不斷增多，內窺鏡的損耗不斷增加，其中胃鏡損耗尤為突出[3]。統(tǒng)計分析2013-2018年醫(yī)院胃鏡損耗，發(fā)現(xiàn)胃鏡咬傷占比20%左右，多數(shù)原因是因為使用的咬嘴設計老舊，缺乏對人體工程學的支持，無智能度。在胃鏡檢查中，由于患者舌頭有意識或無意識地活動，堵塞咬口，影響胃鏡的推進，而現(xiàn)有咬嘴的設計其包裹性不強，從而影響治療。鑒此，本研究設計研發(fā)一種新式智能監(jiān)測內窺鏡咬嘴，經(jīng)臨床驗證，效果良好。

1 新式智能監(jiān)測內窺鏡咬嘴設計

1.1 材料選擇

新型咬嘴主體材料選用聚丙烯(polypropylene，PP)，PP是一種廉價、安全、無毒而具有優(yōu)良機械性能的熱塑性材料，是世界上最常用的商品塑料[4]。PP在三維(three-dimensional，3D)打印材料行業(yè)中為后來者，由于其理想的機械性能，PP在熔融沉積制造工藝(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)3D打印中越來越普遍。咬嘴使用PP材料制作，其質優(yōu)價廉，耐壓能力好，更加適合于采用3D打印技術，為以后便于在科室內完成3D數(shù)字化打印，直接生產(chǎn)咬嘴主體打下良好基礎，有利于降低科室運營成本。固定帶采用伸縮性良好、富有彈性的天然橡膠材料制作，且具有調節(jié)線圈大小的固定扣結構，方便不同患者自由調整橡皮筋大小。不僅咬嘴方便佩戴，個性化調節(jié)橡皮筋松緊讓患者感覺更舒適，在一定程度上能夠減少患者焦慮，充分體現(xiàn)人文關懷的理念。

1.2 結構設計

設計的內窺鏡咬嘴包括U型結構的咬嘴本體、與咬嘴本體連接的用于限制舌頭活動的壓舌部及固定帶。壓舌部位的兩邊圓弧形，底面為平面的特殊結構，且具有與外界連通的通道。將壓舌部的底面設置為平面，從而在壓舌部壓住舌頭限制舌頭活動的過程中，提高了舌頭的舒適度，壓舌部的頂面為曲面，壓舌部的底面與壓舌部的頂面光滑連接形成連接通道的腔壁，曲面結構的設計，提高了患者的舒適程度，具有較優(yōu)的實用價值。本發(fā)明提供的咬嘴主體為U型結構，即咬嘴設置為針對亞洲人群口腔模型設計，更符合人體工程學結構設計[5]。使用時咬嘴覆蓋整個牙齒，上排與下排之間的牙齒不再接觸，舒適度更高、胃鏡不易受損，可以順利的進行治療。其中咬嘴U型結構為中空構造，內置有基于Flexiforce傳感器的壓力檢測裝置，壓力檢測裝置與傳感器連接，并通過藍牙連接至報警裝置[6]。該電子裝置為模塊化裝置，咬嘴使用后回收并將U型結構打開后取出并安裝至下一個咬嘴中。見圖1。

圖1 內窺鏡咬嘴整體外觀及壓舌部截面圖

1.3 恒壓源驅動電路

咬嘴內部采用恒壓源驅動電路，利用嵌入式系統(tǒng)的獨立特性，結合線性以及非線性擬合方法，具有高效、穩(wěn)定及高精度的壓力測量優(yōu)勢。于本發(fā)明的具體實施例中，將壓力傳感器等效為受壓力變化的可變電阻，且可變電阻的范圍為1～1000 kΩ。通過恒壓源驅動模塊將輸出的恒定電壓通入壓力傳感器，通過可變電阻，產(chǎn)生受壓力變化的電壓信號，此時檢測到的壓力值與該模塊輸出的電壓值具有一定的函數(shù)關系。將恒壓源驅動模塊作為整個系統(tǒng)的基石，其性能優(yōu)劣直接決定傳感器采樣壓力值誤差大小，見圖2。

恒壓源驅動模塊的采樣電壓為V1，將芯片作為采樣電壓V1，于本發(fā)明的具體實施例中，芯片為精度0.02%且輸出電壓為3.3V的4533基準電壓芯片，并利用ICL7660AI電壓轉換芯片進行1∶1的負電壓轉換，即V2＝-V1。進一步，V1＝3.3V，V2＝-V1＝-3.3V，根據(jù)二端網(wǎng)絡的端口等效原理，將本發(fā)明具體實施例中的自適應放大增益模塊等效為電壓源V3與電阻R相互串聯(lián)的二端網(wǎng)絡。設I為通過傳感器的電流，V為傳感器兩段電壓，由歐姆定律可得公式1和公式2：

圖2 Flexiforce傳感器電路圖

將式(1)帶入式(2)可計算出傳感器的電壓值，當?shù)刃Ф司W(wǎng)絡不發(fā)生變化時，采樣電壓值和傳感器電阻成線性關系，即U＝kR，式中K為比例系數(shù)。

2 新式智能監(jiān)測內窺鏡咬嘴功能與效果

2.1 咬嘴主要功能

新型咬嘴本體內置有基于Flexiforce傳感器的壓力檢測裝置，壓力檢測裝置與傳感器連接，并通過藍牙連接至報警裝置[6]。在使用時，咬嘴U型結構位于上排牙齒和下排牙齒之間，當壓力檢測裝置感應到壓力變化時，能夠給報警裝置傳輸信號從而實現(xiàn)報警，以便于醫(yī)生、護士更好的了解患者口腔咬合的狀態(tài)，降低內鏡被咬傷風險，進一步減輕醫(yī)護人員工作量。當患者咬動時，壓力傳感器能夠檢測到壓力值，當壓力值小于一定的預設值時，表明患者有吐出咬嘴風險，報警裝置發(fā)生報警。此時，醫(yī)護人員提醒患者咬緊咬口；或者當壓力值大于一定的預設值時，表明患者有咬破咬嘴風險或患者精神極度緊張，報警裝置發(fā)生報警。與此同時，醫(yī)生也可以及時了解患者的實時狀態(tài)。

為了滿足各種接觸面之間的壓力，本發(fā)明的具體實例可以基于Flexiforce傳感器的壓力測量，保證了壓力測量的穩(wěn)定性、可靠性。Flexiforce傳感器的壓力測量裝置包括信號預處理部分和信號采集與處理部分。傳感器接受的壓力電信號先經(jīng)過信號預處理轉化成電壓值，再將電壓值傳輸至信號采集與處理部分，并根據(jù)標注的R-P特性值以及擬合的G-P線性值來計算壓力值。該方法使傳感器信號采集誤差大幅降低，極大地提高了傳感器信號的可靠性、穩(wěn)定性以及采集信號的精確性，滿足臨床設計要求。

2.2 咬嘴應用效果

經(jīng)過實驗驗證表明，內窺鏡咬嘴壓力測量為0～600 Pa，測量誤差＜1.2%，并且通過恒壓驅動傳感器，使得傳感器模塊的最低功耗為14.7 μW，降低了傳感器模塊的溫度漂移，設計的穩(wěn)定性和可靠性通過了標定擬合技術，增加傳感器的線性度，提高測量精度，需要說明的是，本發(fā)明的具體實施例通過整體電路設計提升以及MATLAB的優(yōu)化設計，使得咬嘴的精確性、穩(wěn)定性及可靠性得到良好的驗證，對實際壓力傳感器模塊的測量具有一定的參考價值?；谑鎻V等[7]對T-ScanⅢ系統(tǒng)測量咬合力研究，得出結論制定符合人體工程學的咬嘴模型，使用SPSS2.0軟件對多次重復測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析處理，從而得出結論：人口腔咬合力為0～190 kPa，咬嘴最大承受壓力為250 kPa。將芯片置入咬嘴本體中，即可進行分析和判斷。當分析結束后將芯片取出，實現(xiàn)多次重復使用[8]。

3 結論

采用Flexiforce傳感器，其開放友好的編程環(huán)境讓程序設置更為簡單方便，隨時可以調整數(shù)據(jù)；采用數(shù)字化作圖及3D打印技術可進一步減低科室運營成本，且芯片組為內部整體結構不與患者實際接觸，拆除后即可重復使用，符合目前國家提倡的綠色環(huán)保的理念[9]。

本設計已授權發(fā)明專利，受啟發(fā)于臨床工作，服務于臨床工作。其可行有效的設計方案讓臨床醫(yī)護工作更為簡單方便，無需考慮因咬口問題所致的內窺鏡損傷而帶來高昂的維修費用。亦可通過觀察報警器顯示屏中的數(shù)值變化，進而將患者的咬合情況數(shù)字化，利于醫(yī)護人員觀察。由于采用數(shù)字化的顯示，為進一步研究患者胃鏡時的咬合、心理等等提供一定的參考數(shù)據(jù)，有利于臨床護理科研工作的開展。