新式智能监测内窥镜咬嘴的研制与应用*

向李智 程亚平

近年来，随着消化内窥镜技术的飞速发展，因其具有微创性、简便性、并发症少等优点，胃镜的临床应用范围日益广泛，并且保留了消化系统的完整性和生理功能，现已发展成为消化疾病不可或缺的诊疗方法之一[1-2]。随着就诊患者人数不断增多，内窥镜的损耗不断增加，其中胃镜损耗尤为突出[3]。统计分析2013-2018年医院胃镜损耗，发现胃镜咬伤占比20%左右，多数原因是因为使用的咬嘴设计老旧，缺乏对人体工程学的支持，无智能度。在胃镜检查中，由于患者舌头有意识或无意识地活动，堵塞咬口，影响胃镜的推进，而现有咬嘴的设计其包裹性不强，从而影响治疗。鉴此，本研究设计研发一种新式智能监测内窥镜咬嘴，经临床验证，效果良好。

1 新式智能监测内窥镜咬嘴设计

1.1 材料选择

新型咬嘴主体材料选用聚丙烯(polypropylene，PP)，PP是一种廉价、安全、无毒而具有优良机械性能的热塑性材料，是世界上最常用的商品塑料[4]。PP在三维(three-dimensional，3D)打印材料行业中为后来者，由于其理想的机械性能，PP在熔融沉积制造工艺(fused deposition modeling，FDM)3D打印中越来越普遍。咬嘴使用PP材料制作，其质优价廉，耐压能力好，更加适合于采用3D打印技术，为以后便于在科室内完成3D数字化打印，直接生产咬嘴主体打下良好基础，有利于降低科室运营成本。固定带采用伸缩性良好、富有弹性的天然橡胶材料制作，且具有调节线圈大小的固定扣结构，方便不同患者自由调整橡皮筋大小。不仅咬嘴方便佩戴，个性化调节橡皮筋松紧让患者感觉更舒适，在一定程度上能够减少患者焦虑，充分体现人文关怀的理念。

1.2 结构设计

设计的内窥镜咬嘴包括U型结构的咬嘴本体、与咬嘴本体连接的用于限制舌头活动的压舌部及固定带。压舌部位的两边圆弧形，底面为平面的特殊结构，且具有与外界连通的通道。将压舌部的底面设置为平面，从而在压舌部压住舌头限制舌头活动的过程中，提高了舌头的舒适度，压舌部的顶面为曲面，压舌部的底面与压舌部的顶面光滑连接形成连接通道的腔壁，曲面结构的设计，提高了患者的舒适程度，具有较优的实用价值。本发明提供的咬嘴主体为U型结构，即咬嘴设置为针对亚洲人群口腔模型设计，更符合人体工程学结构设计[5]。使用时咬嘴覆盖整个牙齿，上排与下排之间的牙齿不再接触，舒适度更高、胃镜不易受损，可以顺利的进行治疗。其中咬嘴U型结构为中空构造，内置有基于Flexiforce传感器的压力检测装置，压力检测装置与传感器连接，并通过蓝牙连接至报警装置[6]。该电子装置为模块化装置，咬嘴使用后回收并将U型结构打开后取出并安装至下一个咬嘴中。见图1。

图1 内窥镜咬嘴整体外观及压舌部截面图

1.3 恒压源驱动电路

咬嘴内部采用恒压源驱动电路，利用嵌入式系统的独立特性，结合线性以及非线性拟合方法，具有高效、稳定及高精度的压力测量优势。于本发明的具体实施例中，将压力传感器等效为受压力变化的可变电阻，且可变电阻的范围为1～1000 kΩ。通过恒压源驱动模块将输出的恒定电压通入压力传感器，通过可变电阻，产生受压力变化的电压信号，此时检测到的压力值与该模块输出的电压值具有一定的函数关系。将恒压源驱动模块作为整个系统的基石，其性能优劣直接决定传感器采样压力值误差大小，见图2。

恒压源驱动模块的采样电压为V1，将芯片作为采样电压V1，于本发明的具体实施例中，芯片为精度0.02%且输出电压为3.3V的4533基准电压芯片，并利用ICL7660AI电压转换芯片进行1∶1的负电压转换，即V2＝-V1。进一步，V1＝3.3V，V2＝-V1＝-3.3V，根据二端网络的端口等效原理，将本发明具体实施例中的自适应放大增益模块等效为电压源V3与电阻R相互串联的二端网络。设I为通过传感器的电流，V为传感器两段电压，由欧姆定律可得公式1和公式2：

图2 Flexiforce传感器电路图

将式(1)带入式(2)可计算出传感器的电压值，当等效二端网络不发生变化时，采样电压值和传感器电阻成线性关系，即U＝kR，式中K为比例系数。

2 新式智能监测内窥镜咬嘴功能与效果

2.1 咬嘴主要功能

新型咬嘴本体内置有基于Flexiforce传感器的压力检测装置，压力检测装置与传感器连接，并通过蓝牙连接至报警装置[6]。在使用时，咬嘴U型结构位于上排牙齿和下排牙齿之间，当压力检测装置感应到压力变化时，能够给报警装置传输信号从而实现报警，以便于医生、护士更好的了解患者口腔咬合的状态，降低内镜被咬伤风险，进一步减轻医护人员工作量。当患者咬动时，压力传感器能够检测到压力值，当压力值小于一定的预设值时，表明患者有吐出咬嘴风险，报警装置发生报警。此时，医护人员提醒患者咬紧咬口；或者当压力值大于一定的预设值时，表明患者有咬破咬嘴风险或患者精神极度紧张，报警装置发生报警。与此同时，医生也可以及时了解患者的实时状态。

为了满足各种接触面之间的压力，本发明的具体实例可以基于Flexiforce传感器的压力测量，保证了压力测量的稳定性、可靠性。Flexiforce传感器的压力测量装置包括信号预处理部分和信号采集与处理部分。传感器接受的压力电信号先经过信号预处理转化成电压值，再将电压值传输至信号采集与处理部分，并根据标注的R-P特性值以及拟合的G-P线性值来计算压力值。该方法使传感器信号采集误差大幅降低，极大地提高了传感器信号的可靠性、稳定性以及采集信号的精确性，满足临床设计要求。

2.2 咬嘴应用效果

经过实验验证表明，内窥镜咬嘴压力测量为0～600 Pa，测量误差＜1.2%，并且通过恒压驱动传感器，使得传感器模块的最低功耗为14.7 μW，降低了传感器模块的温度漂移，设计的稳定性和可靠性通过了标定拟合技术，增加传感器的线性度，提高测量精度，需要说明的是，本发明的具体实施例通过整体电路设计提升以及MATLAB的优化设计，使得咬嘴的精确性、稳定性及可靠性得到良好的验证，对实际压力传感器模块的测量具有一定的参考价值。基于舒广等[7]对T-ScanⅢ系统测量咬合力研究，得出结论制定符合人体工程学的咬嘴模型，使用SPSS2.0软件对多次重复测量的数据进行统计和分析处理，从而得出结论：人口腔咬合力为0～190 kPa，咬嘴最大承受压力为250 kPa。将芯片置入咬嘴本体中，即可进行分析和判断。当分析结束后将芯片取出，实现多次重复使用[8]。

3 结论

采用Flexiforce传感器，其开放友好的编程环境让程序设置更为简单方便，随时可以调整数据；采用数字化作图及3D打印技术可进一步减低科室运营成本，且芯片组为内部整体结构不与患者实际接触，拆除后即可重复使用，符合目前国家提倡的绿色环保的理念[9]。

本设计已授权发明专利，受启发于临床工作，服务于临床工作。其可行有效的设计方案让临床医护工作更为简单方便，无需考虑因咬口问题所致的内窥镜损伤而带来高昂的维修费用。亦可通过观察报警器显示屏中的数值变化，进而将患者的咬合情况数字化，利于医护人员观察。由于采用数字化的显示，为进一步研究患者胃镜时的咬合、心理等等提供一定的参考数据，有利于临床护理科研工作的开展。