新人工肛門(mén)括約肌系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)與優(yōu)化

姚盛健， 顏國(guó)正， 王志武， 周澤潤(rùn)， 姜萍萍 丁紫凡， 華芳芳， 趙 凱， 韓 玎

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院； 醫(yī)療機(jī)器人研究院， 上海 200240)

肛門(mén)失禁(FI)是排便功能紊亂的一種癥狀，指患者無(wú)法蓄控腸道內(nèi)容物導(dǎo)致大便頻繁.肛門(mén)失禁病因多樣，雖然不直接威脅患者的生命，但卻嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量和身心健康.現(xiàn)有的肛門(mén)失禁療法均存在其局限性，且治療效果不佳，人工肛門(mén)括約肌作為治療肛門(mén)失禁的植入式醫(yī)療方案，其前景廣闊，具有徹底解決肛門(mén)失禁問(wèn)題的潛力，已成為FI治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

最早的人工肛門(mén)括約肌是ABS(Artificial Bowel Sphincter)，其脫胎于American Medical System公司的AMS800尿道括約肌，采用水泵式手動(dòng)控制，沒(méi)有集成任何傳感器和電路[1-3].法國(guó)學(xué)者研究出磁珠鏈?zhǔn)礁亻T(mén)括約肌(MAS)，其由數(shù)顆磁珠串聯(lián)組成，利用磁吸力實(shí)現(xiàn)控便，當(dāng)腸道內(nèi)容物達(dá)到一定體積和質(zhì)量后將其撐開(kāi)完成排便，沒(méi)有主動(dòng)控制過(guò)程，亦無(wú)任何傳感器和電路[4-5].德國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)的GAS(German Artificial Sphincter)采用雙向壓電微泵在一體化的儲(chǔ)液囊袋和袖套之間輸送液體，實(shí)現(xiàn)袖套的膨脹、收縮以控便、排便.GAS系統(tǒng)使用鋰電池供電，引入了無(wú)線充電和遙控，內(nèi)置的壓力傳感器可監(jiān)測(cè)袖套中的液體壓力.但其動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，整體功耗大，不考慮傳感器和通訊產(chǎn)生的功耗，在最佳工作條件下每天動(dòng)作3次，電池僅可支持4 d，且尚未建立便意感知功能[6-7].

仿恥骨式人工肛門(mén)括約肌(PAAS)使用柔性環(huán)面壓力傳感器檢測(cè)腸壁壓力，通過(guò)通訊模塊定時(shí)將壓力信息發(fā)送到體外控制端，當(dāng)檢測(cè)到壓力超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，體外控制端便發(fā)出排便報(bào)警提醒患者排便.但實(shí)驗(yàn)表明PAAS便意感知存在誤報(bào)的問(wèn)題，且PAAS整體功耗較大，理想情況下一次充電僅可待機(jī)數(shù)天[8-9].

基于新一代人工肛門(mén)括約肌，本文從系統(tǒng)功耗分析出發(fā)，創(chuàng)新地提出用腸道壓力波形下面積大小作為便意判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)分析采樣周期與功耗的關(guān)系獲得最優(yōu)采樣周期，在保證更高的便意感知準(zhǔn)確率的同時(shí)降低了功耗，并優(yōu)化了通訊模塊的功耗.經(jīng)過(guò)離體和活體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文的設(shè)計(jì)和優(yōu)化均取得了良好的效果.

1 低功耗便意感知系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

新人工肛門(mén)括約肌系統(tǒng)由體內(nèi)機(jī)構(gòu)、體外控制端、無(wú)線供能發(fā)射端組成，如圖1所示.體內(nèi)機(jī)構(gòu)包括體內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和無(wú)線供能接收模塊，無(wú)線功能發(fā)射端包括發(fā)射盒和發(fā)射線圈，鋰電池位于體內(nèi)機(jī)構(gòu)的無(wú)線供能接收模塊中.體內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型電機(jī)的輸出經(jīng)過(guò)減速器增大扭矩后，輸出到兩根傳動(dòng)軸上，分別驅(qū)動(dòng)上下操作臂和中間操作臂運(yùn)動(dòng)，以減小或者增大機(jī)構(gòu)開(kāi)合角度實(shí)現(xiàn)控便或者排便功能.集成在臂上的壓力傳感器模塊采集腸壁壓力信息并通過(guò)單片機(jī)控制的通訊芯片傳到體外手持控制端，用于便意感知重建并保證腸道血供安全性.體內(nèi)機(jī)構(gòu)整體覆有生物相容性?xún)?yōu)異的硅膠膜，機(jī)構(gòu)末端由醫(yī)用鈦合金螺釘連接，避免了植入時(shí)打斷腸道.系統(tǒng)由鋰電池供電，并使用經(jīng)皮無(wú)線供能為鋰電池充電.

圖1 新人工肛門(mén)括約肌系統(tǒng)組成圖

新人工肛門(mén)括約肌系統(tǒng)組成如圖2所示.體內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)共有5路壓力傳感模塊，分布在上、中、下操作臂上，根據(jù)其分布方向與機(jī)構(gòu)柱體中心軸的關(guān)系，又可分為上臂軸向、上臂徑向、中臂軸向、中臂徑向及下臂徑向.每個(gè)傳感器囊袋中均充滿硅凝膠作為壓力傳遞介質(zhì).控制電路嵌于機(jī)構(gòu)柱體上蓋內(nèi)側(cè)，5路傳感器與控制電路通過(guò)導(dǎo)線相連.控制電路內(nèi)單片機(jī)控制壓力傳感器采集壓力信息，并將信息編碼后經(jīng)通訊模塊發(fā)送至體外控制端，完成壓力信息的收集與傳遞.

圖2 體內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力傳感模塊

1.2 低功耗設(shè)計(jì)

體內(nèi)控制系統(tǒng)模塊如圖3所示.體內(nèi)控制系統(tǒng)可分為電源、傳感器、通訊、電機(jī)和單片機(jī)5個(gè)模塊，各模塊均由體內(nèi)鋰電池供電.電源模塊包括鋰電池和低壓差線性穩(wěn)壓器(LT1763，Linear Tech.，Japan)；傳感器模塊包括模擬開(kāi)關(guān)(ADG849，Analog Devices，American)、參考電壓芯片(REF3030，Texas Instruments，American)、壓力傳感器(C29，TDK，Japan)和高精度熱敏電阻(深圳科敏傳感器有限公司，深圳)，其中C29液態(tài)介質(zhì)壓力傳感器綁定在焊有運(yùn)算放大器(LTC2053，Linear Tech.，Japan)及周?chē)娐返奈⑿碗娐钒迳希煌ㄓ嵞K包括無(wú)線收發(fā)芯片(SI4431，Silicon Labs，American)和收發(fā)一體式天線；電機(jī)模塊包括線性穩(wěn)壓器(NCP708，ON Semiconductor，American)、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(DRV8837，Texas Instruments，American)和電流檢測(cè)放大器(MAX4173，Maxim Integrated，American)；單片機(jī)模塊采用低功耗、高性能、外設(shè)豐富的8位單片機(jī)(PIC16F886，Microchip，American).

圖3 體內(nèi)控制系統(tǒng)模塊示意圖

各個(gè)模塊的工作電流Iw和休眠電流Is如表1所示.其中:電壓均為3.3 V恒壓；電源模塊的電流是指LT1763消耗電流.

表1 各模塊工作、休眠時(shí)的電流

根據(jù)工作時(shí)和休眠后的各模塊電流差異顯著，為體內(nèi)控制板設(shè)計(jì)了兩種工作模式.① 工作模式.該模式下單片機(jī)正常工作，通訊模塊處于接收狀態(tài)，隨時(shí)對(duì)體外手持控制端發(fā)送的命令作出響應(yīng)，傳感器模塊周期性開(kāi)啟，電機(jī)模塊動(dòng)作時(shí)開(kāi)啟，機(jī)構(gòu)不運(yùn)動(dòng)時(shí)平均電流為20.6 mA，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)平均電流為190.04 mA.② 待機(jī)模式.該模式下單片機(jī)進(jìn)入低功耗，僅開(kāi)啟看門(mén)狗定時(shí)器，周期性喚醒，通訊模塊進(jìn)入睡眠，電機(jī)模塊關(guān)斷，傳感器模塊周期性開(kāi)啟，系統(tǒng)總電流可降至54 μA左右.

為建立便意感知功能同時(shí)降低系統(tǒng)總功耗，系統(tǒng)需周期性地在工作模式與待機(jī)模式中切換.由傳感器模塊采集腸道壓力信息，單片機(jī)模塊暫存壓力信號(hào)后控制通訊模塊發(fā)出通訊包，體外控制端接收到通訊包后進(jìn)行解析與便意評(píng)估，以決定體內(nèi)系統(tǒng)下一周期的工作狀態(tài).根據(jù)文獻(xiàn)研究，正常排便頻率在一周3次和一日3次之間[10]，人工肛門(mén)括約肌大部分時(shí)間將處于空閑狀態(tài)，故待機(jī)模式下傳感器采集模塊與通訊模塊周期性開(kāi)啟產(chǎn)生的功耗是系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn).

當(dāng)體內(nèi)控制系統(tǒng)收到體外控制端發(fā)出的進(jìn)入待機(jī)模式命令時(shí)，單片機(jī)控制ADG849模擬開(kāi)關(guān)關(guān)斷傳感器電源供給、控制NCP708關(guān)斷電機(jī)模塊電源供給、控制SI4431進(jìn)入休眠模式，并使自身開(kāi)啟看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)進(jìn)入休眠，而通訊模塊在休眠模式下無(wú)法接受體外控制端的命令，因此需要設(shè)計(jì)一種喚醒方法.上一代人工肛門(mén)括約肌采用被動(dòng)等待周期窗口的喚醒方法，即在休眠模式下，每次通訊模塊發(fā)送信息后留出一定時(shí)間作為接收窗口，體外控制端可在這段窗口時(shí)間內(nèi)發(fā)送喚醒命令[11].

受單片機(jī)中斷與查詢(xún)工作機(jī)制的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種相對(duì)節(jié)能的緩存命令喚醒方法，其工作流程如圖4所示.體外控制端發(fā)送待機(jī)命令使體內(nèi)控制系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，待收到體內(nèi)控制系統(tǒng)返回的確認(rèn)信號(hào)后使其能待機(jī)標(biāo)志位，在一個(gè)發(fā)送周期的時(shí)間段內(nèi)體外控制端請(qǐng)求發(fā)送的命令會(huì)被暫存到緩沖區(qū)，等待接收到體內(nèi)控制系統(tǒng)發(fā)送的待機(jī)模式下的數(shù)據(jù)包后，體外控制端再將緩沖區(qū)中的命令發(fā)送出去，體內(nèi)控制系統(tǒng)只需在每次發(fā)送完數(shù)據(jù)包后留出幾百毫秒的接收時(shí)間，就可以進(jìn)行命令的接收，從而極大地減少了時(shí)間窗口帶來(lái)的功耗.

圖4 緩存命令喚醒方法流程圖

通訊模塊在兩種喚醒方法下的功耗如圖5所示.其中：Ic為通訊模塊電流；t為時(shí)間.由圖5(a)可知，被動(dòng)等待周期窗口的喚醒方法在每個(gè)發(fā)送周期結(jié)束后，均存在一個(gè)4 s的接收窗口，此時(shí)通訊模塊處于接收狀態(tài)，單片機(jī)模塊處于工作狀態(tài)，因此電流消耗較大.由圖5(b)可知，在使用緩存命令喚醒方法后，體內(nèi)控制系統(tǒng)在4次周期采樣后留出了約400 ms的接收時(shí)間，用以處理可能存在的喚醒命令.從功耗上看，優(yōu)化前一個(gè)完整的發(fā)送接收周期功耗為 0.713 7 mW·h，優(yōu)化后功耗下降到 0.029 6 mW·h，僅為優(yōu)化前的4.15%.

圖5 通訊模塊在兩種喚醒方法下的功耗

1.3 采樣頻率分析與優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，產(chǎn)生持續(xù)便意的腸道內(nèi)壓為24.6 cm水柱的等效壓強(qiáng)[12],上一代仿恥骨直腸肌式人工肛門(mén)括約肌采用閾值法進(jìn)行便意感知重建，通過(guò)離體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓力傳感器讀數(shù)與腸道內(nèi)水壓呈線性關(guān)系(決定系數(shù)R2>0.99)，據(jù)此設(shè)置排便閾值，在離體實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了93.3%的準(zhǔn)確率[13].但鑒于腸道內(nèi)復(fù)雜的生物環(huán)境和外部因素的干擾，單一的閾值判斷法極易產(chǎn)生誤報(bào)，且排便閾值存在明顯的個(gè)體差異，甚至同一患者的閾值在不同時(shí)間也存在差異.因此，需要更普適、可靠的便意判斷方法.

結(jié)直腸測(cè)壓研究結(jié)果表明，人體直腸道存在周期性活動(dòng)(PRMA)，其頻率平均值為0.054 Hz，平均幅值為2.53 kPa，被認(rèn)為是直腸控便機(jī)制的表征[14].更進(jìn)一步的研究表明，排便前一小時(shí)PRMA的數(shù)目、幅值與其余時(shí)間相比存在顯著性差異，排便前一小時(shí)PRMA曲線下面積(AUC)較其余時(shí)間增加42%[15].因此，通過(guò)壓力信息采樣可建立有效的便意感知.根據(jù)“Nyquist”采樣定理，采樣頻率應(yīng)為PRMA頻率的兩倍，即0.108 Hz以上.提高采樣頻率可提高便意信息還原度，但由于通訊模塊單次發(fā)射字節(jié)數(shù)和單片機(jī)閃存容量限制，過(guò)高的采樣頻率會(huì)頻繁地啟用發(fā)射模塊，造成系統(tǒng)功耗激增，進(jìn)而顯著縮短待機(jī)時(shí)間.因此，需要對(duì)采樣頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化.

系統(tǒng)功耗可根據(jù)表1中的電流值與采樣周期T列式計(jì)算.通訊模塊待機(jī)模式下單次發(fā)送時(shí)間為1.29 s，與通訊模塊發(fā)送電流相比，休眠時(shí)各模塊電流可忽略不計(jì)，最終系統(tǒng)每秒平均電流Iavg可按下式計(jì)算，其中：I1、I2、I3分別為電源模塊工作電流、通訊模塊工作電流、單片機(jī)工作電流.

(1)

系統(tǒng)每秒平均電流與采樣周期關(guān)系如圖6所示.采樣周期從12 s逐漸縮短至2 s，系統(tǒng)每秒平均電流由0.87 mA緩慢上升至4.60 mA.當(dāng)采樣周期縮短到2 s內(nèi)后，系統(tǒng)每秒平均電流迅速上升.

圖6 系統(tǒng)每秒平均電流與采樣周期關(guān)系

考慮采樣頻率應(yīng)大于0.108 Hz，即采樣周期應(yīng)在0～9.26 s之間，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)每秒平均電流與采樣周期的關(guān)系曲線，采樣周期應(yīng)大于2 s以避免過(guò)大的電流消耗.因此，初步確定的采樣周期取值范圍為2～9.26 s.PIC16F886單片機(jī)的WDT使用振蕩頻率為31 kHz的低頻內(nèi)部振蕩器作為工作的時(shí)基，由一個(gè)16位預(yù)分頻器和一個(gè)8位預(yù)分頻器控制超時(shí)周期.通過(guò)計(jì)算，其超時(shí)周期落在2～9.26 s范圍內(nèi)的有2.114、4.228、8.456 s.綜合考慮便意信息還原度與系統(tǒng)功耗，確定系統(tǒng)采樣周期為4.228 s，下文將通過(guò)便意信息模擬采樣實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該采樣周期的有效性.

為評(píng)估系統(tǒng)整體功耗和待機(jī)時(shí)間，假定機(jī)構(gòu)每日(24 h)動(dòng)作2次，患者每次排便時(shí)間為15 min，其余時(shí)間處于待機(jī)模式，工作模式和待機(jī)模式都以相同頻率進(jìn)行壓力采樣，取10次測(cè)量平均值，并采用上述選定的采樣周期和優(yōu)化后的喚醒方式情況下，系統(tǒng)功耗等于各模塊在工作模式和待機(jī)模式下的功耗總和，而模塊的功耗等于其電壓、電流、時(shí)間的乘積.其中，電壓為電源模塊輸出電壓，電流見(jiàn)表1.兩種模式下，24 h各模塊工作、待機(jī)時(shí)間如表2所示.其中：to1、to2分別為工作模式下開(kāi)啟時(shí)間和休眠時(shí)間；ts1、ts2分別為待機(jī)模式下開(kāi)啟時(shí)間和休眠時(shí)間.

表2 兩種模式下每日各模塊工作、待機(jī)時(shí)間

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)每日整體功耗為198.008 mW·h，基于系統(tǒng)所用鋰電池標(biāo)稱(chēng)容量為950 mA·h，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V的事實(shí)，故系統(tǒng)理論待機(jī)時(shí)間可達(dá)到17.75 d.

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 便意信息模擬采樣實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括FLUKE DHI PPC4壓力控制校準(zhǔn)器、壓縮氮?dú)馄俊⒖諝獬闅鈾C(jī)、密封缸、恒溫水浴槽、FLUCK 1502溫度儀、人工肛門(mén)括約肌樣機(jī)和體外控制端.模擬采樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示.壓縮氮?dú)馄俊⒖諝獬闅鈾C(jī)通過(guò)膠管與壓力控制校準(zhǔn)器相連，實(shí)現(xiàn)密封缸內(nèi)加壓、減壓與恒壓.密封缸放置于可調(diào)節(jié)溫度的恒溫水浴槽中，F(xiàn)LUCK 1502溫度儀的探頭深入于密封缸內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)密封缸內(nèi)的溫度.人工肛門(mén)括約肌樣機(jī)置于密封缸內(nèi)，由體外控制端控制其讀取缸內(nèi)壓力信息并發(fā)送至體外控制端.上位機(jī)通過(guò)RS232串口與壓力控制校準(zhǔn)器連接，通過(guò)串口發(fā)送控制命令操控密封缸內(nèi)壓力的變化.

圖7 模擬采樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

便意信息模擬采樣實(shí)驗(yàn)分為兩步.第1步為傳感器標(biāo)定.保持密封缸內(nèi)溫度恒定為40 ℃，先控制密封缸內(nèi)壓力在90～130 kPa范圍內(nèi)，以5 kPa固定步長(zhǎng)線性增加，再控制密封缸內(nèi)壓力以相同步長(zhǎng)線性減小，每次加壓或減壓待缸內(nèi)壓力穩(wěn)定后，通過(guò)體外控制端讀取人工肛門(mén)括約肌5路壓力傳感器的數(shù)值p*.第2步為模擬采樣.用體外控制端控制人工肛門(mén)括約肌樣機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，壓力控制校準(zhǔn)器進(jìn)入直接壓力控制模式，利用串口定時(shí)發(fā)送命令“DF n”與“IF n”，使密封缸壓力p1以高速率小步長(zhǎng)微增或微減，接著使用“ATM”命令記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力p2，一段時(shí)間后取出體外控制的SD卡并讀取其中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù).每次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為300 s，分為兩個(gè)等長(zhǎng)區(qū)間，其中后半?yún)^(qū)間150～300 s的壓力峰值是前半?yún)^(qū)間0～150 s的135%～145%，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)50次.

第1步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，其中p為壓力.對(duì)壓力傳感器讀數(shù)與壓強(qiáng)用一次多項(xiàng)式擬合，由于傳感模塊在制造時(shí)壓力傳遞介質(zhì)硅凝膠的填充量沒(méi)有嚴(yán)格控制，所以壓力敏感面的初始值存在差異.因此，擬合出的直線斜率與截距并不相同，即傳感器的壓力傳遞系數(shù)和壓力初始值不同.5路傳感器在90～130 kPa壓力范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度，R2均大于0.99.根據(jù)傳感器擬合直線的斜率和截距，可將傳感器十六進(jìn)制讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力值.

圖8 傳感器標(biāo)定結(jié)果

第2步的某次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.由于壓力控制器自身的壓力調(diào)整過(guò)程是非線性提升的，所以密封缸壓力呈近似三角波的形狀，在50次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)2個(gè)區(qū)間的AUC進(jìn)行計(jì)算，共有48次實(shí)驗(yàn)的后半?yún)^(qū)間AUC為前半?yún)^(qū)間的135%～145%，2次實(shí)驗(yàn)的后半?yún)^(qū)間AUC小于前半?yún)^(qū)間的135%，準(zhǔn)確率為96%.分析2次判斷失敗的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由通訊丟包引起了數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致采樣波形失真，后續(xù)可通過(guò)優(yōu)化通訊電路解決.

圖9 模擬采樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)

功耗實(shí)驗(yàn)為活體實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，2018年4月與2019年4月分別進(jìn)行了兩次活體實(shí)驗(yàn)，共有4頭雌性巴馬小香豬接受了人工肛門(mén)括約肌植入，其年齡均在4個(gè)月左右，平均體重為26.2 kg.手術(shù)由上海市浦東新區(qū)人民醫(yī)院肛腸外科主任醫(yī)師實(shí)施，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)分別為上海市第六人民醫(yī)院和上海交通大學(xué)七寶校區(qū)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)動(dòng)物的處置遵循上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理與使用委員會(huì)的規(guī)定.活體實(shí)驗(yàn)中的4套人工肛門(mén)括約肌的鋰電池型號(hào)相同且均經(jīng)過(guò)鋰電池容量檢測(cè)儀測(cè)量，其容量差異小于5 mA·h，其中2019年4月植入的兩套人工肛門(mén)括約肌經(jīng)過(guò)了上述功耗優(yōu)化.

手術(shù)一周后開(kāi)始功耗實(shí)驗(yàn)，待機(jī)構(gòu)首次電量耗盡后通過(guò)經(jīng)皮無(wú)線供能充電，利用體外控制端實(shí)時(shí)觀察電池電壓U，待電池電壓維持30 min不再增加時(shí)，正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)周期.機(jī)構(gòu)每日動(dòng)作兩次，每次處于工作模式的時(shí)間為15 min，其余時(shí)間進(jìn)入待機(jī)模式采集壓力信息并發(fā)送給體外控制端，機(jī)構(gòu)電量再次耗盡時(shí)功耗實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

每次功耗實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出體外控制端的SD卡，讀取電壓信息，功耗優(yōu)化前電壓為U1，功耗優(yōu)化后電壓為U2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.未經(jīng)過(guò)功耗優(yōu)化的兩套機(jī)構(gòu)平均工作時(shí)長(zhǎng)為116.52 h，約4.86 d；功耗優(yōu)化后的平均工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)到384.52 h，約16.02 d，較未優(yōu)化時(shí)提升了230%.

圖10 功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)新一代人工肛門(mén)括約肌的功耗進(jìn)行分模塊分析，提出用壓力曲線下的面積增量代替單一壓力閾值作為便意重建依據(jù)的方法，根據(jù)采樣周期與功耗之間的關(guān)系，確定實(shí)際使用中的最佳采樣周期.由于通訊模塊工作模式和待機(jī)模式存在巨大的功耗差異，所以針對(duì)通訊模塊設(shè)計(jì)了緩存命令喚醒法，替代被動(dòng)等待喚醒周期窗口的方法，使功耗進(jìn)一步減小，由理論計(jì)算可知，待機(jī)時(shí)間可達(dá)17.75 d.隨后本文設(shè)計(jì)了便意模擬采樣實(shí)驗(yàn)，證明依照上述采樣周期進(jìn)行采樣可很好地還原腸道壓力波形，準(zhǔn)確率可達(dá)96%.此外，活體功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，本文對(duì)系統(tǒng)功耗的優(yōu)化卓有成效，待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)了230%.

綜上，本文所進(jìn)行的功耗分析與優(yōu)化、采樣周期確定研究具有很好的實(shí)踐意義，對(duì)于人工肛門(mén)括約肌的便意感知重建和功耗優(yōu)化具有重要的意義，使其更具臨床應(yīng)用價(jià)值.