用于动物实验的食管下括约肌测压系统设计和实验研究

摘要

食管下括约肌（Lower Esophageal Sphincter,LES）是胃食管交界处特殊增厚平滑肌层，无吞咽情况下，保持持续收缩状态，在胃食管交界处形成高压带，是构成人体内生理性抗反流最重要的保护屏障。LES功能失调时，会导致胃内容物反流入食管，引起不适症状和（或）并发症，这就是胃食管反流病（Gastroesophageal Reflux Disease,GERD）发生的主因。近年来，随着人们饮食结构的变化，亚洲地区GE RD的发病率逐年提高，症状性的GERD患病率已达到6-10%，造成沉重的社会负担。 GERD的主要治疗方法是药物治疗和手术治疗。但药物治疗存在治标不治本的问题，需要长期服药；手术治疗创伤大，存在吞咽困难、迷走神经损伤等并发症。因此，本课题组基于电刺激LES的工程学新方法，研发了一种用于治疗GERD的植入式LES电刺激系统。该植入式LES电刺激系统在应用到临床前，需进行大量的动物实验，其中LES压力变化就是前期动物实验一个重要的检测指标。现今，临床上有水灌注测压和固态测压两种方法来检测LES压力，但是其设备昂贵庞大、不适用于动物实验。 因此，为了检测动物实验阶段植入式LES电刺激系统的LES压力变化，评价植入式LES电刺激系统治疗效果。本论文设计了一种基于微气囊的LES测压系统，为前期动物实验提供一种成本低、体积小、便于移动携带的新方法。该系统由微气囊传感模块、压力检测记录模块和自动牵拉模块组成。微气囊传感方式可测量LES最大环周压力，可以减少点状压力传感器测量运动时的LES造成的伪松弛现象。 首先，本论文围绕着GERD分析了其流行病学、发病机制、治疗方法和目前的诊断方式。为了检测动物实验中LES压力变化，针对LES的解剖结构和运动特点，提出了基于微气囊的LES测压方法整体方案设计，并确定了微气囊导管的选择。 其次，基于整体方案设计进行了硬件和软件设计。系统的硬件部分是以STM32F103ZET6为控制核心，包括压力检测记录模块和自动牵拉模块。压力检测记录模块设计了包括STM32最小系统、电源模块、USB转串口模块以及压力传感器转接板。自动牵拉模块通过按键电路和STM32的输出脉冲控制步进电机的运行。系统的软件部分主要包括基于C语言开发的压力传感器驱动、步进电机控制驱动和串口驱动，以及基于LabVIEW的数据实时显示和存储程序。 然后，对本论文设计的LES测压系统进行体外测试实验，测量包括线性度、灵敏度、重复性、分辨率、零点漂移和动态响应时间常数参数。 最后，该LES测压系统应用于动物实验中。将本论文设计的LES测压系统与水灌注测压系统在5只家兔身上进行了测压对比实验。实验表明，两个系统存在很好的线性对应关系（r=0.975，p＜0.01）。另外，我们还将LES测压系统应用于肛门括约肌电刺激动物实验、LES电刺激参数选择实验和长时间电刺激LES实验。实验表明，LES电刺激系统发射模块供电电压在24~36V时，进行LES电刺激动物实验较为合适。长时间电刺激LES期间，可使得LES基线压力增加。

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