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女性尿失禁生物反馈治疗系统
女性尿失禁生物反馈治疗系统
摘要
目前,以生物反馈技术治疗女性尿失禁在国外已经开始应用,但都是用电极
采集肌电信号或者用压力传感器采集尿道括约肌和逼尿肌的收缩强度,通过数字
信号处理后,用语音或者图像提示患者。
患者根据提示进行有意识的肌肉训练。
在电刺激治疗方面,为了达到良好的治疗效果而对一些不同的电刺激方案也有了
一定的研究。
本文对女性尿失禁的病因、生物反馈治疗技术、电治疗技术和肌电信号等进
行了全面的介绍。
结合国外治疗尿失禁的很多方法,充分利用生物反馈治疗和电
治疗的优点,本文提出了一种采用肌肉信号检测和电刺激治疗相结合的生物反馈
治疗方法。
本系统利用生物反馈技术,采集女性尿道括约肌和逼尿肌的肌电信号,
对其进行分析、处理。
根据处理结果,输出相应剂量和频率的电脉冲信号刺激尿
道括约肌和逼尿肌,以达到治疗女性压力性、急迫性和混合性尿失禁的目的。
系统的硬件部分包括肌电放大器、刺激器、数-模转换部分、模-数转换部分、
USB控制部分和PC机。
此肌电放大器的前置部分采用共模驱动,以达到提高其
共模抑制比和输入信号的动态范围,以及抑制工频干扰等作用,并采用线性光耦
隔离。
其放大器和刺激器共用电极。
通过控制其放大器的输入使能电路和刺激器
的输出使能电路,使之协调工作。
系统的软件部分包括单片机固件、USB驱动程序和PC机应用软件。
单片机
固件控制着肌电信号的采集,刺激信号的输出,以及与PC机通信等。
PC机软
件控制系统运行、对肌电信号的分析、处理、根据其刺激方案产生刺激信号,以
及和单片机通信等。
本系统采用积分肌电值(IEMG)算法提取其肌电信号强度。
该强度与尿道
括约肌和逼尿肌的收缩强度成线性关系。
因为本系统是一个有纯滞后的线性系
统,动态矩阵控制(DMC)算法作为一种预测控制算法可以直接应用于本系统,
而无需添加附加的控制结构。
DMC算法在处理时滞对象时与PID算法相比具有
明显的优点。
【关键词】生物反馈治疗、尿失禁(UI)、肌电(EMG)、放大器、电刺激、
刺激器Abstract
Atpresent,althoughthebiofeedbacktechnologieshavebeen,tosomeextent,appliedtotreat
thefemaleurinaryincontinenceatabroad,theysampleEMGusingelectrodesorsamplethe
constrictionintensityofurethraldetrusor-sphincterusingpressuresensors,andthenthroughthe
digitalsignalprocess,thepatientscanbepromptedconsciouslytopracticethemuscularexercises
intheformofaudioorvideo.Intheaspectofelectro-stimulatingtherapy,avarietyofsolutions
havebeenstudiedtoobtainthefavorabletherapeuticeffects
Thispapercomprehensivelyintroducesthepathogeniesofthefemaleurinaryincontinence,
thebiofeedbacktherapytechnologies,theelectro-therapyandtheEMG.Combiningwiththe
variousforeignmethodsoftreatingtheurinaryincontinenceandmakingfulluseoftheadvantages
ofbiofeedbacktherapyandelectro-therapy,thepresentpaperputsforwardabiofeedbacktherapy
methodcombiningthedetectionofEMGwiththeelectro-stimulationtherapy.Thepresentsystem
utilizesthebiofeedbacktechnologiestoanalyzeandprocesstheEMGsampledfromfemale
urethraldetrusor-sphincter.Accordingtotheresultsofprocess,thecorrespondingdoseand
frequencyofelectro-pulsesignalswillbeoutputtostimulatetheurethraldetrusor-sphincterto
treatthefemalestress,urgentandmixedurinaryincontinenceThehardwareofthesysteminvolvestheEMGamplifier,thestimulator,thedigital-analog
converter,theanalog-digitalconverter,theUSBcontrollerandthePC.Apartfromemployingthe
linearoptocouplerisolation,thisEMGpre-amplifierusestheboosttoenhancetheCMRandthe
inputswingandrejecttheindustryinterference.Theamplifierandstimulatorsharethesame
electrodes.Throughcontrollingthecircuitoftheamplifierenablinginputandthecircuitofthe
stimulatorenablingoutput,theyworkharmoniously
ThesoftwareofthesystemincludesthefirmwareofMCU,theUSBdriverandthe
applicationsoftwareofPC.ThefirmwareofMCUisresponsibleforsamplingtheEMG,
outputtingthestimulatingsignalsandcommunicatingwiththePC.ThesoftwareofPCis
responsibleforrunningthesystem,analyzingandprocessingtheEMGtogetherwithgenerating
thestimulatingsignalsaccordingtothestimulationsolutions,aswellascommunicatingwiththe
MCUThissystemappliestheIEMGalgorithmtoextracttheintensityofEMG.Thisintensity
exhibitsthelinearrelationwiththeconstrictionintensity.Becausethissystemisapure-laglinear
one,DMCalgorithmcanbedirectlyappliedintothissystemasapredictivecontroloneandneed
nottoaddtheextracontrolstructures.ComparedwiththePIDalgorithm,theDMCalgorithmhas
theobviousadvantagesinprocessingthetime-delayobjects
Keywords:
biofeedbacktherapy,urinaryincontinenceUI,electromyogramEMG,amplifier,
electro-stimulation,stimulator目录
第一章绪论
1.1女性尿失禁治疗研究的目的与意义
1.2女性尿失禁生物反馈治疗研究现状
1.3研究内容
1.4独创性及新颖之处
第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
2.1女性尿失禁病因及类型
2.1.1压力性尿失禁
2.1.2急迫性尿失禁
2.1.3混合性尿失禁
2.1.4充溢性尿失禁
2.1.5功能性尿失禁
2.1.6结构异常性尿失禁
2.2生物反馈技术
2.3电治疗技术
2.3.1直流电疗法
2.3.2直流电药物离子导入疗法
2.3.3低频脉冲电疗法
2.3.4中频电疗法
2.3.5高频电疗法
2.4肌电信号分析
第三章系统硬件设计
3.1电源
3.1.1电源设计要求
3.1.2IC简介
3.1.3电源电路实现
3.2电极
3.3放大通道
3.3.1放大器设计要求
3.3.2IC简介
3.3.3放大器电路实现
3.4A/D转换部分
3.4.2IC简介
3.4.3A/D转换部分电路实现
3.5刺激器
3.5.1刺激器设计要求
3.5.2IC简介
3.5.3刺激器电路实现
3.6D/A转换部分
3.6.1D/A转换部分设计要求
3.6.2IC简介
3.6.3D/A转换部分电路实现
3.7控制部分
3.7.1控制部分设计要求
3.7.2IC简介
3.7.3控制部分电路实现
第四章系统软件设计
4.1USB简介
4.2固件设计
4.2.1AN2131特征简介
4.2.2AN2131寄存器配置和地址分配
4.2.3AN2131固件实现
4.3USB驱动程序设计
4.4PC机软件设计
第五章EMG信号处理及控制算法
5.1系统控制数学模型
5.2肌电信号处理算法
5.3输出控制算法
5.3.1动态矩阵控制算法简介
5.3.2DMC算法在本系统中的应用
第六章总结与展望
参考文献
在校期间发表学术论文
致谢
第一章绪论
1.1女性尿失禁治疗研究的目的与意义
尿失禁(UrinaryIncontinence,UI)是女性常见疾病,国际控尿学会
(InternationalContinenceSociety,ICS)定义其为“构成社会和卫生问题,且客
[1]
观上能被证实的不自主地尿液流出”。
尿失禁的发生率各国报道不很一致。
在美国,患病率约占总人口的10%,在
15~64岁女性中患病率为2%~46%,职业女性中约29%至少每月发生一次;挪威
的流行病学调查表明,患病率为8%~48%不等,老年人发病率高,压力性、急迫
性和混合性尿失禁分别为50%、10%和40%;澳大利亚报道急迫性尿失禁患病率
为36.6%~41.6%,压力性尿失禁为19.8%~24.5%;在日本,发病率在10%~54%
不等,多数为压力性尿失禁。
国内的临床统计表明,在香港,15岁以上的女性
中有60万患有尿失禁;广州海珠区调查,女性尿失禁发生率为57%,而整个广
州市的女性尿失禁的患病率相当高,比欧美和北京女性患病率高很多,居全国首
位;上海地区调查显示发生40岁以上女性率为40%;北京医科大学和西南医院
的调查显示,成人尿失禁发生率为29%,但目前只有9.4%的病人就医,真正去
[1]
找泌尿科的只有0.7%。
由以上的数据可以看出,女性尿失禁的患病率相当高,而且患者随着年龄增
长而增加,其中压力性尿失禁患者占有相当高的比例。
尿失禁常常给患者带来生
活和工作上的诸多不便。
可见,对女性尿失禁,尤其是压力性尿失禁治疗的研究
相当重要。
本论文旨在研究出一个有效治疗女性压力性、急迫性和混合性尿失禁的系
统。
系统中采用生物反馈技术,采集女性尿道括约肌和逼尿肌的肌电信号,对其
进行分析、处理。
根据处理结果,输出相应剂量和频率的电脉冲信号刺激括约肌
和逼尿肌,以达到治疗的目的。
这涉及到治疗学、尿失禁学和电子等相关领域。
本论文是在全面了解相关知识的基础上而提出这一研究方法的。
1.2女性尿失禁生物反馈治疗研究现状
1969年美国成立了生物反馈研究协会(BiofeedbackResearchSociety),后更
名为美国生物反馈协会(BiofeedbackSocietyofAmerica)。
其后生物反馈发展更
[2]
加迅速。
生物反馈在女性尿失禁方面也有了一定的应用。
目前有关这方面的产
第1页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第一章绪论
品有妇美康(FemiScan)家庭诊疗系统、P.F.XII盆底肌治疗仪、Biomix治疗仪
等。
对于压力性、急迫性和混合性尿失禁,药物治疗和行为治疗都优于服用安眠
[3]
药。
但是,行为治疗比药物治疗更加有效,并且给予了患者更高的满意度。
大
多数患者都能够在一个生物反馈疗程中学会正常训练盆底肌。
例如对197名女性
(年龄在55岁到92岁)随机分成三组,分别进行生物反馈治疗、药物治疗和服
[4]
用安眠药。
在进行了两周的观察。
其治疗效果如下图所示:
图1-1、几种治疗方法比较
女性尿失禁的生物反馈治疗与口头提示VerbalFeedback治疗比较,生物反
馈治疗的效果更加明显。
例如对42名女性患者把他们分成两组。
A组28名(平
均年龄63.1岁),B组14名(平均年龄65.8岁)。
A组接受生物反馈治疗,B组
[5,6]
接受口头反馈治疗。
其治疗效果如下图所示:
图1-2、生物反馈治疗和口头反馈治疗的比较曲线
第2页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第一章绪论
1.3研究内容
本论文设计了一个针对女性尿失禁的生物反馈治疗系统。
主要研究内容如
下:
1、机理研究。
女性尿失禁的病因、生物反馈治疗技术、电治疗技术和肌电信号
等进行了全面的了解。
2、放大器。
设计尿道括约肌和逼尿肌的EMG信号采集通道;
3、模数转换部分。
对采集的EMG信号进行A/D转换后,输入到AN2131的EMG信
号缓冲区中;
4、下位机控制部分。
采用USB控制器AN2131与PC机通讯,并且控制下位机工
作;
5、数模转换部分。
取出AN2131中刺激信号缓冲区中的数据,并转换成模拟信号。
6、刺激器。
在AN2131的控制下产生不同波形的刺激信号,刺激尿道括约肌和逼
尿肌,以达到训练尿道括约肌和逼尿肌的作用。
7、PC机软件。
PC机软件控制PC机与下位机的通讯。
8、EMG信号处理和刺激信号的输出控制算法。
1.4独创性及新颖之处本论文的主要创新点如下:
1、采用肌电信号检测和电刺激治疗相结合的生物反馈治疗方法,设计了一体化
的生物反馈治疗系统。
在以前的有关女性尿失禁的治疗方法中,都是把这两
者分开来研究的。
2、采集的肌电信号和输出处方关系的研究。
由于以前的研究中都是把两者分开
来的研究的,自然很少有这方面的研究。
3、由于用电脉冲输出训练代替了传统的患者有意识的训练方法,使得这一治疗
系统能够更好地适合那些传导神经障碍的患者。
这在生物反馈治疗女性尿失
禁方面是一个很好的补充。
4、放大器的前置部分采用共模驱动,以达到提高其共模抑制比和输入信号的动
态范围,以及抑制工频干扰等作用。
刺激器输出采用电源调制可以降低功耗。
5、由于本系统是一个有纯滞后的线性系统,动态矩阵控制(DMC)算法作为一
种预测控制算法可以直接应用于本系统,而无需添加附加的控制结构。
6、系统安全性设计:
比如线性光电隔离,输出处方剂量控制等。
充分考虑了医
学系统,特别是治疗系统对安全性的高要求。
第3页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
2.1女性尿失禁病因及类型
尿失禁的治疗包括行为、物理、盆底肌锻炼、盆腔生物反馈、药物和手术等
多方面。
对于膀胱过动症(OAB)通常选用非手术治疗作为一线治疗;压力性尿
失禁在采用盆底肌锻炼失败后,可采用手术治疗。
手术治疗的主要方法有:
阴道
前壁折叠修补术、趾骨后尿道悬吊术(MMK和Burch)、经阴道悬带术、TVT手术
(无张力带尿道悬吊术)、人工括约肌术、骶棘韧带悬吊术、尿道内口和周围注
射术。
图2-1、逼尿肌的外纵行肌在尿道周围的弓形返回
如图2-1所示,膀胱逼尿肌由快反应C型纤维走行方向分为三层,即内纵、
中环、外纵。
外层纵行肌纤维并不绕尿道排列,而是在尿道周围呈弓形返回排列,
因此逼尿肌的收缩非但不扩约尿道,反而使得尿道开大并缩短。
中层环形肌纤维
很薄,围绕膀胱体部多呈斜行不规则方向相互混合排列,在膀胱颈部周围则排列
呈环形,构成膀胱括约肌(SphincterVesicae),也称为尿道内括约肌(Internal
SphincterofUrethra)。
内层纵肌较外层薄,肌束排列呈网状,止于膀胱三角的外
[1]
侧缘附近,至膀胱颈时呈放射状排列,然后进入尿道形成其内纵行肌。
尿道括约肌由来自膀胱的内、外括约肌包绕而成,上半为平滑肌,下半为横
纹肌。
尿道平滑肌分为内、外两层,膀胱颈部的内层纵行肌下行于尿道,形成尿
道纵行平滑肌管,并延伸至整个尿道,称为尿道内层纵肌尿道外层平滑肌为环形
肌,在膀胱颈部增厚形成尿道内括约肌,阻止尿液排出。
尿道外括约肌(也称横
纹肌括约肌)由横纹肌组成,位于泌尿生殖膈上下筋膜之间,由尿道纵行纤维与
会阴深横肌融合形成。
此肌由具有慢反应特征的Ι型纤维组成,由阴部神经支配,
第4页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
[1]
被称为随意肌。
女性尿道外括约肌的扩约功能相对薄弱。
目前,尿失禁种类的定义尚未完全统一,较为公认的是六种主要类型,即压
力性、急迫性、混合性、充溢性、功能性和结构异常等。
而通常意义上的尿失禁
主要指压力性、急迫性、混合性和充溢性四种类型。
2.1.1压力性尿失禁
压力性尿失禁(StressUrinaryIncontinence,SUI)是指由于腹压增高引起的
尿液不自主流出。
真性压力性尿失禁(GenuineStressIncontinence,GSI)指在膀
胱肌肉无收缩状态下,由于膀胱内压大于尿道压力而发生的不自主性尿流出,是
由于压力差导致的尿流出。
图2-2、压力性尿失禁发生机制
压力性尿失禁的病因包括多种因素,如年龄、分娩及妇科手术史等。
GSI是
由于腹内压升高并下传到膀胱的结果,膀胱内压的升高超过膀胱颈和尿道括约肌
产生的阻力而导致漏尿。
尿道闭合不全的原因主要有以下三个方面:
1、主动控尿机制缺陷。
女性主动控尿功能由尿道括约肌和膀胱颈肌肉的主动收
缩产生,这些肌肉的主动收缩提供了膀胱出口闭合的力量。
分娩时的损伤或
其他致病因素会损伤肌肉的神经导致盆底肌肉和括约肌质量的变化,而诱发
SUI。
2、主动控尿机制解剖损伤。
压力性尿失禁患者由于韧带筋膜松弛,膀胱颈尿道
下移,解剖位置超出了腹压影响范围,尿道上段不再作为功能性腹内器官。
腹内压升高时,只作用到膀胱而不能作用到膀胱颈和近端尿道,周围的支持
组织也失去了对腹压的抗力,从而产生了明显的尿液不自主流出。
3、尿道黏膜封闭不全。
如果尿道失去了柔软性或者由于手术、放疗、雌激素缺
第5页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
乏使黏膜下血流供应不良,也会影响尿道严密闭合。
2.1.2急迫性尿失禁
急迫性尿失禁(UrgeUrinaryIncontinence,UUI)指突然有强烈的排尿感后发
[5]
生漏尿。
急迫性尿失禁病理机制尚未完全明确。
神经源性机制可能有以下几个
方面:
中枢或外周抑制丧失,下尿路传入冲动增加。
出现阻断中枢抑制作用的膀
胱反射中兴奋传导通路激活等。
发病的肌源学基础是逼尿肌特性改变,导致了过
度兴奋性及兴奋在细胞间传递增高,产生协同的肌源性收缩。
图2-3、急迫性尿失禁的发生机制非神经源性急迫性尿失禁可分为感觉型和运动型两种。
感觉型急迫性尿失禁
是由于尿道或膀胱过度敏感,在尿量不多时即产生强烈的尿意,有时还会有持续
的排尿感。
运动型急迫性尿失禁是由于逼尿肌的不自主收缩而引起的。
没有神
经系统病变的不自主逼尿肌收缩称为逼尿肌不稳定。
与膀胱疾病无关的逼尿肌不
稳定引起的尿失禁称为特发性逼尿肌不稳定。
2.1.3混合性尿失禁
混合性尿失禁(MixedIncontinence)指同时具有压力性尿失禁和急迫性尿失
禁的症状,症状间具有相互影响相互加重的倾向,是膀胱和尿道功能失调的综合
结果。
病情复杂的混合性患者具有严重急迫性尿失禁,其压力性尿失禁多由于内
括约肌功能不全(IntrinsicSphincterDeficiency,ISD)引起的。
通常首先应采用行
为治疗、药物治疗、电刺激治疗或者联合治疗。
尿道括约肌异常广义地可分为两类,一类是尿道支持异常导致的尿道高活动
性(Hyper-mobility)及尿道闭合异常。
另一类是逼尿肌压力和近端尿道压力相
第6页共83页女性尿失禁生物反馈治疗系统第二章女性尿失禁生物反馈治疗机理研究
等或相近时发生的ISD。
通常膀胱颈和尿道近端闭合功能丧失时,在低甚至很低
腹压下就可发生漏尿。
2.1.4充溢性尿失禁
充溢性尿失禁(OverflowUrinaryIncontinence)是指当膀胱胀满,膀胱内压
升高,超过了昀大尿道压,并出现不自主的漏尿。
它是由膀胱逼尿肌弹性下降,
收缩无力,对充溢缺乏敏感及排尿障碍所致。
充溢性尿失禁分急性和慢性两种类型。
急性充溢性尿失禁多发生于中枢神经
系统损伤或损害之后。
由于排尿反射麻痹或尿道外括约肌痉挛,发生急性尿潴留。
慢性充溢性尿失禁常见的原因有膀胱出口梗塞、尿道梗塞、神经源性膀胱尿道功
能障碍和膀胱痉挛等。
2.1.5功能性尿失禁
功能性尿失禁(FunctionalIncontinence)是指由于活动能力下降,或认知能
力下降,不能
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