直腸癌是我國常見的惡性腫瘤之一，目前我國直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢，手術(shù)切除仍是直腸癌的主要手段[1]?，F(xiàn)在大多采用Miles手術(shù)（即腹會陰聯(lián)合切除術(shù)）[2]。術(shù)后將腸道的出口外置于腹部，即腹部造瘺術(shù)。腹部造瘺術(shù)給患者的生活帶來諸多不便，于是我們提出原位人工肛門[3]的再造肛門方案。人工肛門是替代切除了的或已喪失擴約功能的自然肛門，模擬肛門生理功能的一種人工器官，是一切嚴重肛門失禁的最終解決方案，與藥物治療、手術(shù)修補相比有不可替代的作用。

1智能型人工肛門總體設(shè)計方案

人工肛門是一個人造器官，它的腸壁是一種納米材料。超聲波發(fā)射器和超聲波接收器緊貼在腸壁兩側(cè)。人工肛門底端是一個腸道開合開關(guān)，一般處于閉合狀態(tài)。腸道開合開關(guān)內(nèi)部表面有一個壓力傳感器，用于檢測腸腔內(nèi)部的壓力變化。當(dāng)有排泄物時，需要打開腸道開合開關(guān)。

智能人工肛門的物理模型如圖 1所示。

本文設(shè)計的智能人工肛門由四個模塊構(gòu)成：壓力傳感器探測模塊、超聲傳感器探測模塊、報警模塊以及單片機控制模塊，如圖2所示。壓力傳感器分析腸腔壓力變化，超聲傳感器探測模塊分析腸腔內(nèi)容物是氣體、液體、固體。如果是氣體，微處理器會自動驅(qū)動水泵工作打開肛門排出氣體，如果是液體或固體，將會啟動報警系統(tǒng)，提醒患者，等待患者的下一步指令。

壓力傳感器探測模塊：利用壓力傳感器測量到腸腔的壓力變化時，馬上給單片機發(fā)出信號并分析壓力的大小，通過單片機模塊來判斷排廢物的緊急程度。

超聲波傳感器探測模塊：單片機發(fā)出啟動超聲波傳感器時，555芯片便產(chǎn)生40 kHz的高頻振蕩脈沖，進入超聲波發(fā)射器，超聲波發(fā)射器發(fā)生40 kHz的超聲波，超聲波穿過腸腔，發(fā)射后的回波或衰減后的超聲波被超聲波接收器接收后的微弱信號經(jīng)放大電路放大，包絡(luò)檢波電路優(yōu)化信號波形，剔除干擾低頻成分信號，得到所需要的高頻信號，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到達單片機。

單片機控制模塊：單片機實時控制壓力傳感器探測模塊和超聲傳感器探測模塊，處理來自A/D轉(zhuǎn)換器的壓力數(shù)字信號和超聲波接收模塊的數(shù)字信號。根據(jù)這些數(shù)字信號判斷物質(zhì)的狀態(tài)和排泄的緊急程度，從而通知病人做出不同的反應(yīng)。

報警模塊包括一個蜂鳴器和一個發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光時，代表著腸腔內(nèi)有排泄物。而蜂鳴器的響聲則代表著排泄的緊急程度，響聲越響則排泄越緊急。整個系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。