趙 凱，顏國正，王志武，姜萍萍，劉 華

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

1 引言

隨載人航天任務(wù)的發(fā)展，航天員的在軌時(shí)間越來越長，為航天員提供高質(zhì)量的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保，也將面對(duì)更多的航天醫(yī)學(xué)問題。航天員胃腸道正常的消化、吸收及調(diào)節(jié)功能是維持生命、抗御疾病、提供最佳工作效率的前提。當(dāng)前所掌握的人體胃腸道消化、吸收及調(diào)節(jié)功能，是在特定的地球表面引力場、地理、地質(zhì)、氣象、水文、生態(tài)以及諸多地表因素綜合影響下獲得和發(fā)展起來的?？臻g環(huán)境下胃腸功能的研究目前較為初步。

研究表明：失重條件下，進(jìn)食后的胃排空不同于地面情況，胃排空時(shí)間、腸內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間等生理因素將發(fā)生改變。應(yīng)激條件下，航天員胃運(yùn)動(dòng)幅度顯著提高，頻率加快。胃電是航天運(yùn)動(dòng)病惡心癥狀將要發(fā)生的早發(fā)性敏感指標(biāo)，而胃電活動(dòng)所致的胃平滑肌機(jī)械運(yùn)動(dòng)必然反映在胃內(nèi)壓力、胃蠕動(dòng)波節(jié)律變化等方面。

研究太空環(huán)境下胃腸功能及空間環(huán)境人體胃腸功能的影響，首先必須解決該環(huán)境下胃腸道運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)的無創(chuàng)、長時(shí)間檢測問題。對(duì)此，美國率先開展了相關(guān)研究，典型的工作有：美國國家航空航天局Goddard太空飛行中心、美國約翰霍普金斯大學(xué)、美國國家航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、美國國家航空航天局（NASA）AMES研究中心研制的“吞服式胃腸道內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)（ITMS）”、“吞服式胃腸道內(nèi)溫度、pH值檢測系統(tǒng)”和“可吞服響應(yīng)式藥物釋放系統(tǒng)”，相關(guān)研究結(jié)果促進(jìn)和推動(dòng)了美國載人航天事業(yè)的發(fā)展。

在國內(nèi)，一些從事航天醫(yī)學(xué)研究的單位在航天器內(nèi)環(huán)境和設(shè)備的評(píng)價(jià)方面開展了大量工作，并制訂了飛船乘員艙氣體環(huán)境醫(yī)學(xué)要求、艙室溫度環(huán)境和個(gè)人防護(hù)裝備的醫(yī)學(xué)要求等多項(xiàng)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。但在空間環(huán)境下，對(duì)人體生理狀態(tài)及生理功能的系統(tǒng)性研究尚待加強(qiáng)。因此，研究上述問題，對(duì)于實(shí)施高質(zhì)量的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、全面掌握航天員的整體健康狀況具有十分重要的意義。

2 人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)組成與工作原理

人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)由微型電子膠囊、便攜式數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

檢測過程中，微型電子膠囊從口腔服入、經(jīng)肛門排出，整個(gè)檢測過程無痛苦、無創(chuàng)傷、無需清腸及禁食。微型電子膠囊能在人體胃腸道正常生理狀態(tài)的情況下，24h監(jiān)測胃腸道內(nèi)壓力、溫度、pH值等生理參數(shù)。便攜式數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)微型電子膠囊發(fā)射的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可靠接收和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可對(duì)便攜式數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，以便獲得人體胃腸道內(nèi)的溫度、壓力和pH值等生理參數(shù)，為進(jìn)一步的診斷提供依據(jù)。

2.1 微型電子膠囊

微型電子膠囊由微傳感模塊（包括微型壓力傳感器模塊、微型溫度傳感器模塊和微型pH值傳感器模塊）、射頻發(fā)射器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源管理模塊、電池組模塊等部分組成，所有電路密封在外殼內(nèi)，如圖2所示。

圖2 微型電子膠囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

微傳感模塊由傳感器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路組成，將信號(hào)調(diào)理電流與傳感器設(shè)計(jì)在一個(gè)模塊內(nèi)的原因是為了增加各模塊的獨(dú)立性，提高設(shè)計(jì)的靈活性。微型數(shù)據(jù)無線發(fā)射模塊研制過程中，首先必須確定載波頻率，頻率點(diǎn)的選擇應(yīng)使射頻通訊模塊的輻射效率較高、電流消耗較小，考慮到無線通訊頻率的使用許可，該模塊采用ISM（Industrial Scientific Medical）波段內(nèi)的433.92MHz作為射頻通訊的載波頻率。電源模塊由紐扣電池組和電源管理模塊組成，由于小體積電池能量非常有限，為此，利用系統(tǒng)工作的時(shí)空不均衡性，即在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)有效功耗和無效功耗進(jìn)行時(shí)間域和空間域的劃分的方法來設(shè)計(jì)和運(yùn)用電源管理模塊。研制的微型電子膠囊的外形尺寸為φ11×26mm，質(zhì)量4.5g。其外形如圖3所示，主要性能指標(biāo)如下：溫度測量范圍為34℃～42℃，測量誤差為±0.25℃，分辨率為0.01℃；壓力測量范圍為70kPa～150kPa，測量誤差為±1.5kPa，分辨率為0.1kPa；pH 值測量范圍為 1～11，測量誤差為±0.5，分辨率為0.1。

圖3 微型電子膠囊外觀

2.2 便攜式數(shù)據(jù)記錄儀

便攜式數(shù)據(jù)記錄儀用于接收微型電子膠囊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。其硬件包括射頻接收器模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源管理模塊、人機(jī)接口模塊和電池組，如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理軟件的功能包括：數(shù)據(jù)輸入接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示與輸出、圖形用戶界面。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)檢測數(shù)據(jù)的分析，便可以獲得人體胃腸道各段的收縮壓、靜息壓、靜息期總時(shí)間、每分鐘收縮頻率，胃腸道各段的溫度值，pH值等表征胃腸功能的生理參數(shù)。

圖4 便攜式數(shù)據(jù)記錄儀原理框圖

3 人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)

為保證人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)在太空環(huán)境中性能可靠，按照《交會(huì)對(duì)接任務(wù)醫(yī)監(jiān)及醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備分系統(tǒng)初樣環(huán)境試驗(yàn)大綱》中的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列環(huán)境試驗(yàn)。主要試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

表1 人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)由中國航天電子技術(shù)研究院五三九廠、中國航空工業(yè)華東電磁兼容監(jiān)督檢測中心、中國電子科技集團(tuán)第三十二所質(zhì)量部檢測中心等單位完成。

4 人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)的臨床實(shí)驗(yàn)

“人體胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)”在上海市新華醫(yī)院、仁濟(jì)醫(yī)院和浦東新區(qū)人民醫(yī)院進(jìn)行了一系列臨床驗(yàn)證試驗(yàn)。圖5為一受試者全消化道生理參數(shù)檢測數(shù)據(jù)曲線。

圖5 受試者全消化道生理參數(shù)檢測結(jié)果

4.1 生理參數(shù)檢測數(shù)據(jù)野值的剔除

在消化道生理參數(shù)采集過程中，由于干擾的存在，將產(chǎn)生不代表信號(hào)信息的數(shù)據(jù)，即野值，主要表現(xiàn)為：（1）接受到的數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤。（2）數(shù)據(jù)不連續(xù)或負(fù)荷毛刺，這類野值可能是由于消化道局部緊張性排異性收縮引起，它們的存在會(huì)使功率譜產(chǎn)生偏離，或產(chǎn)生虛假的頻率成分，因此，處理過程應(yīng)對(duì)其予以剔除。

本文野值的剔除方法采用探測插值法（probing interpolation method），其基本原理如圖6所示，圖中（）2是先將數(shù)據(jù)平滑再平方，（）是先將數(shù)據(jù)平方再平滑，其目的是產(chǎn)生一個(gè)不斷更新的樣本方差，然后探測下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)xi+1，如果下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足，（K 為比例系數(shù)）關(guān)系式，則該數(shù)據(jù)認(rèn)為不是野點(diǎn)；如果不滿足則采用線性外插法剔除該偽點(diǎn)；偽點(diǎn)代替公式為=xi+（xi-xi-1）。

圖6 野值剔除原理圖

4.2 數(shù)據(jù)的平滑

實(shí)際采集到的人體消化道生理信號(hào)，必然會(huì)摻雜著噪聲信號(hào)－誤差，如系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差?？紤]到消化道收縮，如時(shí)相性節(jié)律性收縮、巨大移行性收縮等，收縮幅度較大，噪聲對(duì)采集到的生理信號(hào)影響較小，可以不對(duì)其進(jìn)行平滑處理。而當(dāng)胃腸道處于相對(duì)靜止期，如移動(dòng)運(yùn)動(dòng)復(fù)合波（migrating motor complex，MMC）的I相，噪聲影響較大，必須予以處理，即需要在局部范圍內(nèi)消除誤差。這里采用五點(diǎn)加權(quán)平均平滑法（即53H法）。

53H法是由Tukey提出，其基本思想是產(chǎn)生一個(gè)曲線的平滑估計(jì)，然后把它從數(shù)據(jù)中減掉。該方案利用“中位數(shù)”是均值的魯棒（robust）估計(jì)這個(gè)事實(shí)，假定測得數(shù)據(jù)為｛x（i）｝，i=1，2，…，n，53H 法信號(hào)處理步驟為：

① 從｛x（i）｝構(gòu)造一個(gè)新序列｛y（i）｝，其方法是取x（1），x（2），…，x（5）的中位數(shù)作為y（3），然后舍去x（1）加入x（6）取中位數(shù)得y（4），依次類推，直到加入最后一個(gè)數(shù)據(jù)。換言之，總是在相鄰5個(gè)數(shù)據(jù)中擇取中位數(shù)，顯然，｛y（i）｝的項(xiàng)數(shù)比原｛x（i）｝項(xiàng)數(shù)少 4項(xiàng)。處理方法可為：

②用類似的方法在｛y（i）｝的相鄰的3個(gè)數(shù)據(jù)中擇取中位數(shù)構(gòu)成序列｛z（i）｝。

③最后由序列｛z（i）｝按如下方式構(gòu)成序列u（i）：

為驗(yàn)證信號(hào)平滑處理后的效果，截取部分原始數(shù)據(jù)經(jīng)行數(shù)據(jù)平滑處理，如圖7所示。和原數(shù)據(jù)信號(hào)相比，平滑后的數(shù)據(jù)信號(hào)去除了原數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，使得數(shù)據(jù)信號(hào)更清晰。

圖7 原數(shù)據(jù)信號(hào)與平滑后數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)比

對(duì)檢測數(shù)據(jù)通過野值的剔除和平滑后，采用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到了如下初步結(jié)果：提出了基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法搜索最優(yōu)特征子集的方法，獲得了表征結(jié)腸活動(dòng)的最優(yōu)特征組合；提出了基于小波和小波包變換的對(duì)角切片譜平方相位耦合方法，得到了胃活動(dòng)平方相位耦合關(guān)系；基于自相關(guān)分析、重標(biāo)極差分析、功率譜分析和消除趨勢波動(dòng)分析方法，獲得了正常結(jié)腸壓力活動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜的冪律長程相關(guān)特性的結(jié)論。

④基于非線性混沌理論和分形分析方法研究了結(jié)腸活動(dòng)，揭示正常結(jié)腸活動(dòng)的混沌特征和分形維數(shù)。上述研究結(jié)果將為胃腸道生理過程研究提供參考。

5 結(jié)論

“胃腸道生理參數(shù)無創(chuàng)檢測系統(tǒng)”體現(xiàn)了正常生理狀態(tài)下對(duì)人體胃腸道生理參數(shù)的無創(chuàng)、實(shí)時(shí)和連續(xù)檢測的設(shè)計(jì)思想和要求，通過對(duì)不同環(huán)境下人體胃腸道生理參數(shù)的檢測可開展人體胃腸道功能建模研究、胃腸道功能評(píng)價(jià)及胃腸道疾病的預(yù)警。進(jìn)一步對(duì)空間環(huán)境下人體胃腸道生理參數(shù)的檢測，可進(jìn)行空間環(huán)境對(duì)人體胃腸功能的影響研究，為空間環(huán)境下航天員健康評(píng)價(jià)和高質(zhì)量的醫(yī)監(jiān)和監(jiān)保提供全新的方法和手段。◇

［1］嚴(yán)榮國.人體消化道生理信號(hào)無創(chuàng)檢測技術(shù)及其非線性動(dòng)力學(xué)分析.上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2006（4）.

［2］Mc Caffrey C.，Chevalerias O.，O’Mathuna C.，et al.，Swallowablecapsule technology.Ieee Pervasive Computing，2008.7（1）：23-29.

［3］ Li，H.Yan，G.，A portable method for assessing gastrointestinal motility by simultaneously measuring transit time and contraction frequency，JOURNAL OF MEDICAL ENGINEERING AND TECHNOLOGY，2008，VOL 32；NUMBER 6，pages 448-455.

［4］LI Hong-wei YAN Guo-zheng JIANG Ping-ping，Accuracy and Electromagnetic Safety Evaluation of a Portable Electromagnetic Localization System for Micro Invasive Medical Devices in Vivo，JOURNAL OF DONGHUA UNIVERSITY，2009，26（2）.

［5］Van Gossum，A.and Ibrahim，M.，Video capsule endoscopy：what is the future Gastroenterol.Clin.North Am.2010，39 807-26.

［6］Carpi，F(xiàn).，Magnetic capsule endoscopy：The future is around the corner.Expert Rev.Med.Devices，2010，vol.7，pp.161-164.

［7］劉洪英，李曉華，皮喜田等.消化道生理參數(shù)檢測膠囊系統(tǒng)的研究進(jìn)展［J］.2011，30（12），1-7.

［8］ Jia Zhiwei，Yan GZ.Efficiency optimization of wireless power transmission systems for active capsule endoscopes.Physiological Measurement，32，2011，1561-1573.

［9］ The SmartPill Wireless Motility Capsule.［EB/OL］.2011.http：//www.smartpillcorp.com.

［10］Liu Horrgying，Wang Gang，Wei Kang，et a1.An intelligent electronic capsule system for automated detection of gastrointestinal bleeding ［J］.Journal of Zhejiang University：Science B，2010，11（12）：937-943.

［11］YAN RG，YAN GZ，ZHANG WQ，et al.Detecting phase coupling of gastric interdigestive pressure activity via diagonal slice spectra［C］//IEEE-EMBS.Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference.Shanghai，2005.