CN100507975C - 一种消化道系统模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消化道系统模拟装置，包括模拟口腔、模拟食管、模拟胃、模拟小肠、模拟大肠和模拟肛门及其开关；并分别设有与中央控制单元连接的电控驱动器；装置内设有酸液储存室、缓冲液储存室、消化酶储存室、碱液储存室及其流量控制器，以及pH值、压力和酶的传感器；中央控制单元用于设置模拟消化道的整体各项参数，接收传感器反馈的检测结果，调控流量控制器、模拟开关、电控驱动器动作幅度及动作持续时间等，并将各项参数保存在数据存储单元，通过数据输出接口输出。本发明可模拟消化道蠕动动作，并可通过对动作幅度、动作时间的控制，达到控制模拟消化道运行时间的目的。具有系统结构简单、工作时间长、模拟参数多，功能较全面等优点。

Description

一种消化道系统模拟装置

技术领域

本发明涉及一种消化道系统模拟装置，尤其涉及一种对消化道生理功能状态进行模拟的装置，可进行消化道内部PH值、压力、酶类等的连续调节，并可进行消化道蠕动模拟。

背景技术

当今社会人们的生活压力不断增大，消化道疾病也不断增多，相应的用于消化道疾病诊断、治疗、监测的仪器手段日益增多，但因为这类仪器一般属于二、三类医疗仪器，所以需进行相应的人体临床实验。为了减小临床实验危险性及早发现产品不足及隐患，所属领域技术人员期望通过一种模拟装置，一方面加强对消化道的了解，提高消化道内窥镜等仪器的操作熟练程度，使消化道医生缩短培训周期尽快走上合格的工作岗位；另一方面通过模拟装置进行试验检验产品的可靠性、生物兼容性等；同时，希望这种模拟装置对药物剂型的开发能够提供帮助(检验药物在消化道不同位置的吸收特性)手段，缩短产品的开发周期，并可用于研究消化道的代谢状况及相关生化特性等。但目前有关消化道模拟装置的技术尚未见报道。

美国专利US 5807115提出了一种利用分解仪器模拟消化道生理状况的装置，该装置包括一个pH记录仪，一个分解检测仪，一个分光度计，一个具有处理器的分解数据记录仪，一台个人计算机，一台打印机。该发明能够调节pH值，基于人体消化道已获得知识的分解介质含量和传输时间调节。可获得与药物释放率参数有关的pH值及含量。但该装置存在以下问题：首先，该装置主要针对药物释放率情况而设计，只进行了pH值及药物传输时间的模拟；其次，只是通过几个分离的分解池单独模拟消化道某一部分情况；另外，对于压力，消化酶参数没有涉及，不能进行消化道蠕动功能的模拟。

发明内容

本发明的目的是为减小临床实验危险性和及早发现产品不足及隐患，而提供一种与消化道外形相近，模拟程度高，功能较全，并可随时进行参数调解，模拟更多种类情况，结构简单的消化道模拟装置。

本发明的目的是这样实现的：一种消化道系统模拟装置，其特征在于包括设于外壳中，依次连通的模拟口腔、模拟食管、模拟胃、模拟小肠、模拟大肠和模拟肛门；模拟口腔内设有模拟咽喉开关，模拟食管与模拟胃的连接处设有模拟贲门开关，模拟胃与模拟小肠连接处设有模拟幽门开关，模拟大肠的端部设有模拟肛门开关；所述4个开关为单向阀结构，在中央控制单元的控制下进行打开关闭操作，以避免消化道不同部位内容物发生逆流。

模拟食管、模拟胃、模拟小肠和模拟大肠内分别设有电控驱动器；电控驱动器由通过套管或固定胶环设于模拟消化道外壁的永久磁铁和与永久磁铁配套的电磁铁组合而成，电磁铁与中央控制单元控制连接；所述电控驱动器与中央控制单元连接控制模拟消化道蠕动动作。

装置内设有酸液储存室、缓冲液储存室和消化酶储存室分别通过相应的流量控制器与模拟胃连通，碱液储存室、缓冲液储存室和肠道消化酶储存室分别通过相应的流量控制器与模拟小肠连通，缓冲液储存室通过流量控制器与模拟口腔连通；模拟大肠通过半透膜与废液回收池连通；模拟大肠内设有压力传感器，模拟胃和模拟小肠内分别设有检测pH值、压力和酶的传感器；压力传感器以及可检测pH值、压力和酶的传感器分别与中央控制单元电连接，将检测结果反馈给中央控制单元，并通过数据存储单元和数据输出接口输出数据；所述中央控制单元、模拟开关、电控驱动器、数据存储单元、数据输出接口和传感器等用电部件均与电源连接。

上述酸液、碱液、缓冲液、消化酶储存室及相应的流量控制器在中央控制单元的调控下工作，用于控制流入模拟消化道的酸碱液、缓冲液以及消化酶液量的多少。pH传感器、压力传感器和酶传感器用于检测模拟消化道不同部位的pH值、压力大小及消化酶含量，并将检测结果反馈给中央控制单元。在模拟大肠处的废液回收池用于回收透过半透膜的模拟消化道内的无用液体。中央控制单元用于设置模拟消化道的整体各项参数，接收传感器反馈的检测结果，调控流量控制器、模拟开关、电控驱动器动作幅度及动作持续时间等，并将各项参数保存在数据存储单元，通过数据输出接口输出。电源为整个系统提供能源供给。整个模拟消化道各部件分区固定在外壳内部。

所述中央控制单元可采用多种方式工作，其中一种是实时检测pH值、压力、酶含量参数，实时进行动作调控。

所述的模拟消化道结构可采用多种结构形式，除上述的结构外，还可在适当位置增加或减少传感器、流量控制器、电控驱动器、模拟开关个数，更改个元件间间距或相互顺序。

本发明的工作过程如下：模拟消化道装置通电开机后，由中央控制单元对系统进行初始化，并根据检测的各项参数对整个系统进行实时控制；当系统各项参数初始化完成后，中央控制器通过指示灯提示用户可以开始工作；在用户将待测物品或仪器放入模拟口腔后，模拟口腔内缓冲液(起到唾液润滑作用)流速控制器打开，缓冲液流入口腔，其后模拟咽喉开关打开；在重力作用下，待测物品进入模拟食管，这时处于模拟食管位置的电控驱动器开始工作，实现食管蠕动动作，将待测物品向贲门方向传送；其后模拟贲门开关打开，待测物品进入模拟胃部，酸液、胃部消化酶、胃部缓冲液流量控制器打开，酸液、胃部消化酶及缓冲液流入模拟胃，这时模拟胃部的电控驱动器开始工作(5分钟后食管处电控驱动器停止工作)，实现胃部蠕动动作，将待测物品向幽门方向传送，胃部的pH值、压力及酶传感器开始工作，每隔一定时间(5秒)检测一次参数并将结果送中央控制器，由中央控制器根据情况，调控流量控制器打开大小、电控驱动器动作幅度以及后续幽门开关打开时间；一定时间后(10分钟)模拟幽门开关打开，待测物品随酸性溶液进入模拟小肠，碱液、肠道消化酶及缓冲液流量控制器打开，碱液、肠道消化酶及缓冲液流入模拟小肠，模拟小肠和大肠部位的电控驱动器相继开始工作(30分钟后胃部电控驱动器停止工作)，实现小肠和大肠的蠕动动作，将待测物品通过大肠向肛门方向传送，肠道部位的pH值、压力及酶传感器开始工作，每隔一定时间(5秒)检测一次参数并将结果送中央控制器，由中央控制器根据情况，调控流量控制器打开大小、电控驱动器动作幅度；在模拟大肠部位，废液通过半透膜渗入废液回收池(起到肾脏作用，达到一定容量后集中排放)；当模拟肛门部位压力传感器检测参数达到一定域值后，由中央控制单元通过指示灯发出信号，提示用户进行废物排放及物品回收，最后由用户手动控制模拟肛门开关打开。其中的工作时间根据需要均通过中央控制单元可人为设置。

本发明具有以下的技术效果：

1、可模拟消化道蠕动动作，并可通过对动作幅度、动作时间的控制，达到控制模拟消化道运行时间的目的。

2、可对模拟消化道内的pH值、压力、消化酶含量进行调解，实现模拟消化道功能，用于研究消化道的代谢状况及相关生化特性等。

3、控制系统可采用多级控制方式工作，易于实现消化道不同部位功能。

4、通过本装置可以加强对消化道的了解，提高消化道内窥镜等仪器的操作熟练程度，使消化道医生缩短培训周期尽快走上合格的工作岗位。

5、通过本装置进行模拟试验，不但可以检验药物产品的可靠性、生物兼容性等；还可用于药物剂型开发的检验(检验药物在消化道不同位置的吸收特性)，缩短产品的开发周期。

6、可根据情况进行系统参数设定，满足不同实验对象(器械、药物等)的不同检验要求。

本装置具有系统结构简单、工作时间长、模拟参数多，功能较全面等优点。

附图说明

图1是模拟消化道整体结构示意图；

图2是食管电控驱动器一种结构示意图；

图3是胃部电控驱动器和模拟幽门开关一种结构示意图。

其中：1.模拟口腔，2.模拟咽喉开关，3.模拟食管，4.食管电控驱动器，5.模拟贲门开关，6.酸液储存室，7.酸液流量控制器，8.胃部电控驱动器，9.pH值压力酶传感器，10模拟胃，11.碱液储存室，12碱液流量控制器，13.模拟小肠，14.pH值压力酶传感器，15.小肠电控驱动器，16.模拟大肠，17.模拟肛门，18.压力传感器，19.半透膜，20.废液回收池，21.大肠电控驱动器，22.口腔缓冲液流量控制器，23.胃部缓冲液流量控制器，24.小肠缓冲液流量控制器，25.缓冲液储存室，26.胃部消化酶储存室，27.胃部消化酶流量控制器，28.模拟幽门开关，29.肠道消化酶流量控制器，30.肠道消化酶储存室，31.中央控制器，32.数据存储单元，33.输出接口，34.电源，35.外壳，36.固定套管，37.弹性片，38.永久磁铁，39.电磁铁，40.弹性滑片，41.固定胶环，42.永久磁铁，43.电磁铁。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明消化道模拟装置，包括设于外壳35中依次连通的模拟口腔1、模拟食管3、模拟胃10、模拟小肠13、模拟大肠16和模拟肛开关门17。外壳35整体外型长宽高尺寸约为45×25×65厘米，模拟食管约为φ2.0×20厘米，模拟胃容量约为1500毫升，模拟小肠约为φ2.0×500厘米，模拟大肠约为φ3.0×100厘米，几种液体储存室容积约为1000毫升，废液回收池容积约为3000毫升。

模拟口腔1内设有模拟咽喉开关2，模拟食管3与模拟胃10的连接处设有模拟贲门开关5，模拟胃10与模拟小肠13连接处设有模拟幽门开关28，模拟大肠16的端部设有模拟肛门开关17；上述的4个模拟开关为单向阀结构，在中央控制单元的控制下进行打开关闭操作，以避免消化道不同部位内容物发生逆流。模拟食管3、模拟胃10、模拟小肠13和模拟大肠16内分别设有相应的电控驱动器4、8、15和21，所述电控驱动器4、8、15和21的结构和功能相同，安装位置和方式不同，均与中央控制单元31连接用于控制模拟消化道蠕动动作。

装置内还设有酸液储存室6、缓冲液储存室25和消化酶储存室26分别通过相应的流量控制器7、23和27与模拟胃10连接，碱液储存室11、缓冲液储存室25和肠道消化酶储存室30分别通过流量控制器12、24和29与模拟小肠13连接，缓冲液储存室25通过流量控制器22与模拟口腔1连通；模拟大肠16的一侧通过半透膜19与废液回收池20连通。

模拟大肠16内设有压力传感器18，模拟胃10设有可检测pH值、压力和酶的传感器9，模拟小肠13内设有pH值、压力和酶传感器14；压力传感器18以及可检测pH值、压力和酶的传感器9、14分别与中央控制单元31电连接将检测结果反馈给中央控制单元31，并通过数据存储单元32和数据输出接口33输出数据。

所述开关2、5、28和17，电控驱动器4、8、15和21，传感器9、18和14，数据存储单元32和数据输出接口33，以及中央控制单元31，均与电源34连接，电源34为整个系统提供能源供给。

中央控制单元用于设置模拟消化道的整体各项参数，接收传感器反馈的检测结果，调控流量控制器、模拟开关、电控驱动器动作幅度及动作持续时间等，并将各项参数保存在数据存储单元，通过数据输出接口输出。

本装置由电源34供电开机工作，由中央控制单元31对系统进行初始化，当系统各项参数初始化完成后，各模拟开关2、5、17、28处于关闭状态，模拟消化道系统开始工作；用户将物品放入模拟口腔1后，模拟口腔内缓冲液流速控制器22打开，缓冲液储存室25内的缓冲液流入口腔，其后模拟咽喉开关2打开；在重力作用下，物品进入模拟食管3，这时处于模拟食管位置的电控驱动器4开始工作，先后挤压模拟食管管壁，实现食管蠕动动作，将物品向模拟贲门开关5方向传送；其后模拟贲门开关5打开，物品进入模拟胃10，酸液储存室6内的酸性液体通过酸液流量控制器7、胃部消化酶储存室26通过胃部消化酶流量控制器27、缓冲液通过胃部缓冲液流量控制器23流入模拟胃10，这时模拟胃部电控驱动器8开始工作(一定时间后食管处电控驱动器4停止工作)，先后挤压模拟胃壁，实现胃部蠕动动作，将物品向模拟幽门开关28方向传送，胃部的检测pH值、压力及酶的传感器9开始工作，每隔一定时间检测一次参数将结果送中央控制单元31，由中央控制单元31根据情况，调控流量控制器23、27打开大小、电控驱动器8动作幅度以及后续模拟幽门开关28打开时间；一定时间后模拟幽门开关28打开，物品随酸性溶液进入模拟小肠13，碱液储存室11内的碱性液体通过碱液流量控制器12、肠道消化酶储存室30通过肠道消化酶流量控制器29、缓冲液通过小肠缓冲液流量控制器24流入模拟小肠13，模拟小肠13和模拟大肠16部位的小肠电控驱动器15和大肠电动控制器21相继开始工作(一定时间后胃部电控驱动器8停止工作)，先后挤压模拟肠壁，实现小肠和大肠的蠕动动作，将物品通过模拟小肠13和模拟大肠16向模拟肛门开关17方向传送，肠道部位的检测pH值、压力及酶的传感器14开始工作，每个一定时间检测一次参数将结果送中央控制单元31，由中央控制单元31根据情况，调控流量控制器24、29、12打开大小、电控驱动器15、21动作幅度及动作时间；在模拟大肠16部位，废液通过半透膜19渗入废液回收池20；当模拟肛门开关17部位压力传感器18检测参数达到一定域值后，由中央控制单元31出信号，提示用户进行废物排放及物品回收；中央控制单元31将过一段时间的参数存储在数据存储单元32内，并可通过数据输出接口33将数据输出；模拟消化道的各部件安装在外壳35内部。

如图2所示，食管电控驱动器4的具体工作过程如下：电磁铁39在中央控制单元31的控制下工作，由流过电磁铁39电磁线圈的电流的通断、大小及流向控制产生电磁场的方向和大小，固定套管36与模拟食管外壁紧密粘结，套管36内包含一个可自由收缩的弹性片37，弹性片37的收缩迫使模拟食管3腔壁进行收缩，弹性片37与永久磁铁38紧密连接，在电磁铁39电磁场的作用下，对永久磁铁38产生吸引和排斥，进而带动弹性片37收紧或松开，实现食管的蠕动动作。

如图3所示，胃部电控驱动器8的工作过程如下：电磁铁43在中央控制单元31的控制下工作，由流过电磁铁43电磁线圈的电流的通断、大小及流向控制产生电磁场的方向和大小，电磁铁43与固定在模拟胃10外壁上的固定胶环41紧密接触，固定胶环41中心处有一个与模拟胃10壁紧密粘结的永久磁铁42，永久磁铁42的运动带动模拟胃10的腔壁运动，在电磁铁43电磁场的作用下，对永久磁铁42产生吸引和排斥，进而带动胃壁运动，实现胃部的蠕动动作。模拟幽门开关28内包含电磁铁和一个与永久磁铁紧密连接的弹性滑片40，在电磁场的作用下，永久磁铁带动弹性滑片40上下运动，进而实现幽门开关的打开或关闭动作。

本发明的主体材料(模拟肠道和模拟胃等)可选用具有一定弹性的橡胶管或橡胶囊制成；所述中央控制单元、各种传感器、流量控制器以及电控驱动器采用现有成熟产品即可，如：采用现有成熟单片机AT89C51可实现中央控制单元的功能，采用DPA/DPAS/InPro3200pH传感器、YX-PS1500压力传感器和美国BIO—RAD酶标仪测量pH值、压力和酶含量，使用德国EGE流量控制器进行流量控制，采用普通电磁绕组与永久磁铁相作用实现电控驱动器功能。当然也可采用一些自制的相关传感器和元器件实现上述相同的工作目的。

当然由于目前技术及材料的限制，本发明并不能完全模拟消化道的所有生理状况，只能对消化道生理状况、食物分解以及营养物质吸收有重要影响的几个主要参数(pH值、压力、消化酶含量等)进行模拟。

Claims (3)

1、一种消化道系统模拟装置，其特征在于，包括设于外壳(35)中依次连通的模拟口腔(1)、模拟食管(3)、模拟胃(10)、模拟小肠(13)、模拟大肠(16)和模拟肛门开关(17)；

模拟口腔(1)内设有模拟咽喉开关(2)，模拟食管(3)与模拟胃(10)的连接处设有模拟贲门开关(5)，模拟胃(10)与模拟小肠(13)连接处设有模拟幽门开关(28)，模拟大肠(16)的端部设有模拟肛门开关(17)；模拟食管(3)、模拟胃(10)、模拟小肠(13)和模拟大肠(16)内分别设有电控驱动器(4、8、15和21)；所述电控驱动器(4、8、15和21)与中央控制单元(31)连接，用于控制模拟消化道蠕动动作；

装置内设有酸液储存室(6)、缓冲液储存室(25)和消化酶储存室(26)，分别通过流量控制器(7、23和27)与模拟胃(10)连接，碱液储存室(11)、缓冲储存室(25)和肠道消化酶储存室(30)分别通过流量控制器(12、24和29)与模拟小肠(13)连接，缓冲液储存室(25)通过流量控制器(22)与模拟口腔(1)连通；模拟大肠(16)通过半透膜(19)与废液回收池(20)连通；

模拟胃(10)内设有一个pH值、压力和酶传感器(9)，模拟大肠(16)内设有压力传感器(18)，在模拟小肠(13)内三个部位分别设有一个PH值、压力和酶传感器(14)；压力传感器(18)以及pH值、压力和酶传感器(9、14)分别与中央控制单元(31)连接，将检测结果反馈给中央控制单元(31)，并通过数据存储单元(32)和数据输出接口(33)输出数据；

所述开关(2、5、28和17)，电控驱动器(4、8、15和21)，传感器(9、18和14)，中央控制单元(31)，数据存储单元(32)和数据输出接口(33)均与电源(34)连接。

2、根据权利要求1所述的消化道系统模拟装置，其特征在于，所述开关(2、5、28和17)为单向阀结构，与中央控制单元(31)连接。

3、根据权利要求1所述的消化道系统模拟装置，其特征在于，所述电控驱动器(4、8、15和21)由通过套管或固定胶环设于模拟消化道外壁的永久磁铁和与永久磁铁配套的电磁铁组合而成，电磁铁与中央控制单元(31)连接。

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