目前的人工肛門括約肌不能感知不同的腸內容物狀態，本研究試圖利用反射式超聲波探測系統分辨不同腸內容物狀態，從而為研制具有感知功能的人工肛門括約肌打下研究基礎。我們測量了 30 只巴馬香豬直腸內固體、流體、氣體和空癟狀態時反射波的個數，實驗結果顯示，當巴馬香豬直腸內為 4 種不同腸內容物時，形成的反射波數目的差異具有統計學意義（F = 1 088，P < 0.05）。本研究結果提示，反射式超聲波探測系統具有分辨不同腸內容物的作用，可作為研究微型人工肛門括約肌感知腸內容物功能的一種新的有效方法。
引用本文： 李建國, 梁小香, 尚獻會, 鄭興斌. 基于微型反射式超聲測量的腸內容物分類研究. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(1): 60-63. doi: 10.7507/1001-5515.201610009 復制
引言
肛管粘膜內的感受器能夠初步分辨肛管內容物是固體、流體、還是氣體，其受到刺激后產生的神經沖動經復雜的過程投射到大腦皮層感覺中樞，使人產生便意并感知腸內容物性質[1]。如果肛門和直腸的肌肉和神經受損，相關排便反射弧的完整性受到破壞后，肛門不能分辨直腸內容物的性狀，同時大便不能隨意控制而排出，即會造成大便失禁[2-3]。此類患者大多伴隨心理障礙和勞動能力的減弱或者喪失，不僅護理不便而且會給家庭帶來沉重的經濟負擔[4]。
非手術處理方式對于較輕的大便失禁有一定的效果，但是對于嚴重大便失禁基本無效[5-9]。人工肛門括約肌假體對于治療嚴重大便失禁患者有良好的效果。但是目前市場上的各型人工肛門括約肌不能感知腸管內是否有大便并判斷其不同狀態[10]。因此，研制出具有感知功能的智能型人工肛門括約肌能夠滿足嚴重大便失禁患者的實際需要。
在腸內容物感知神經研究方面，國內有學者利用對射式超聲波探測系統判斷兔近結腸不同狀態腸內容物[11]。但是該研究存在以下缺陷：首先，該探測系統需要兩個超聲波傳感器，并且需要固定支架以固定，占據空間較大。其次，新西蘭兔結腸腸腔較細并且為草食性動物，與大型哺乳動物和人的腸管及大便成份差別很大。
為解決上述研究的缺陷，本實驗設計了一套反射式超聲波探測系統來判斷巴馬香豬腸管內不同內容物的反射波信號，以便研制出更簡單有效的微型腸內容物感知神經，為研制出體積更小的智能人工肛門括約肌奠定研究基礎。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗動物
普通級巴馬香豬 30 只（江蘇泰州泰合生物科技有限公司提供，合格證號：SCXK 2011-0005），平均體重（20 ± 0.57）kg，雌雄不分。
1.1.2 實驗器材
① 反射式超聲波信號探測系統（MLD-TU1407A，成都妙力科技有限公司），超聲波發射頻率及傳感器探頭頻率為 2 MHz，經過電路改裝，將反射波信號線單獨引出備用，實體圖如圖 1 所示。
圖1
反射式超聲波探測系統
Figure1.
Detecting system for reflection ultrasound
② 示波器（Tektronix TBS1052B，泰克科技有限公司）。
1.2 方法
1.2.1 麻醉與開腹
苯巴比妥鈉 100 mg/kg 經腹腔緩慢推注至麻醉狀態，將豬仰臥位固定于手術臺，消毒鋪巾，下腹正中切口切開、暴露直腸（如果為雌豬，要仔細區分子宮和直腸）。將直腸于血管弓外由遠及近游離 10 cm 左右，遠端于血管弓內結扎，備測量用。
1.2.2 不同狀態大便腸管模型的制備
① 固體大便模型：確定直腸內的大便為固體后，將最遠端的第一個固體大便團塊所處位置的腸管作為檢測對象。② 流體大便模型：將固體測量點近端的其余固體大便移至其他腸腔內，近端用細紗布條結扎腸管，向封閉的腸管內注入 100 mL 生理鹽水，使腸內容物充分混合成流動狀態。③ 氣體大便模型：將流體大便由腸管遠端完全排出后結扎腸管遠端，向該處腸腔內注入空氣 100 mL。④ 腸管空癟狀態模型：將空氣由腸管遠端排出，使腸管內的粘膜相互接觸，結扎腸管遠端。
1.2.3 測量操作
① 示波器在未測量腸內容物時顯示發射波的個數為 18，反射波為 0 個。② 選取不同的巴馬香豬腸管表面沿長軸中點處進行測量。③ 將超聲波探頭用固定架固定，避免人工干擾，并將其完全浸沒在 37.5～38.5℃ 生理鹽水中，使探頭中心對準腸管縱軸中線，距離約 0.5 cm。④ 將超聲波信號輸出線和示波器信號輸入線相連接。⑤ 開通電源開關，超聲波傳感器接收超聲反射波并將其轉化為電流信號，示波器將該電流信號顯示于屏幕。
1.2.4 統計學分析
所有測量的數據使用 SPSS 16.0 統計軟件包進行處理，反射波個數以均數 ± 標準差表示，單因素方差分析采用 Welch 法，用 Dunnett T3 進行多重比較，P < 0.05 表示差異具有統計學意義。
2 結果
不同狀態腸內容物反射波情況如圖 2 所示。
圖2
不同狀態腸內容物顯示反射波個數情況
Figure2.
Number of the reflected ultrasonic waves for different intestinal contents
不同動物反射波數據資料如圖 3 所示。
圖3
實驗動物 4 種不同狀態腸內容物反射波數據
Figure3.
Data of the reflected ultrasonic waves for the pigs with 4 different intestinal contents
30 只動物的 4 種信號數據，共 120 個關于固體、流體、氣體、空癟狀態的信號數據相關統計結果如表 1 所示。
表1
不同狀態腸內容物反射波統計數據
Table1.
Statistical data of the reflected waves of different intestinal contents
4 種不同腸內容物狀態信號之間差異具有統計學意義（F = 1 088，P < 0.05）。用 Dunnett T3 法進行組間多重比較，各個比較組之間的差異均具有統計學意義（ P < 0.05）。
氣體狀態反射波數目（37.13 ± 3.98）> 固體反射波數目（21.77 ± 4.99）> 流體反射波數目（11.70 ± 4.28）> 空癟反射波數目（0.07 ± 0.36）。
3 討論
排便動作發生之前，神經中樞通過整合肛管和直腸粘膜表面及其臨近的感覺神經末梢和感受器的信息，對腸內是否有糞便以及是氣體、液體還是固體狀態做出準確的判斷。人工肛門括約肌能夠控制大便的排出，但缺乏感知大便的功能。如何使現有的人工肛門括約肌具有感知功能是當前研究的一個難點。
超聲波具有較高的能量, 其中反射式超聲波在醫學影像方面有著廣泛的應用[12-13]。本研究利用反射式超聲波探測系統接收不同腸內容物狀態下的反射波信號，通過統計學分析發現使用反射式超聲波有可能對腸管內不同的大便狀態做出判斷。
通過本文研究結果顯示，固體、流體、氣體、空癟 4 種狀態下反射波個數的均數之間的差異具有統計學意義（F = 1 088，P < 0.05）。理論上而言，超聲在密度一致的物質中傳播基本不產生反射，當通過不同密度的介質并且這兩種不同密度物質的交界面大于超聲波的波長時，超聲便會發生反射。同理，當超聲在第二密度物質繼續往前傳播遇到第三個不同密度物質時，再產生反射 [14]。在本研究中，當超聲波遇到氣體、固體、液體等界面時，會發生不同的反射，這可能是反射波的信號產生差異的根本原因，其相關反射強度原理如圖 4 所示，圖中箭頭的粗和細分別代表超聲波的強和弱。
圖4
不同狀態腸內容物超聲反射強度示意圖（箭頭的粗和細分別代表超聲波的強和弱）
Figure4.
Sketch for the intensity of the reflected ultrasound for different intestinal contents (The arrow thickness is positively related to the intensity of the ultrasound.)
4 種不同腸內容物狀態下，各個比較組之間超聲反射波的個數差異具有統計學意義（P < 0.05）。這是因為，當超聲波遇到不同密度物質的界面時，二者的密度差別越大，反射則越強 [15]。在本研究中，對于腸管內的氣體來說，氣—腸內壁界面密度差異較大，超聲波遇到空氣時會反射形成較強的超聲波，這時超聲換能器接收到較強的超聲波信號因而在示波器上表現為較多的反射波。對于固體來說，固體—腸內壁界面密度差異較氣—腸內壁為小，因此反射的超聲波相對較少，在示波器上表現為比氣體較少的反射波；同理，流體—腸內壁界面密度差別較固體—腸內壁界面密度差異小，因而示波器上表現為比固體少的反射波；腸管空癟時腸內壁—腸內壁界面基本上沒有密度差，示波器上基本沒有反射波出現。另外，本研究發現，腸管空癟狀態時反射波的情況與未測量腸內容物狀態時沒有反射波出現的情況相互吻合。
總之，本研究中的反射式超聲波測儀有區分腸內的氣體、固體、流體等狀態的作用，并且占用空間較少，為研制微型的反射式智能腸內容物判斷系統提供了一種可能。但是，能否應用于現有的人工肛門括約肌，仍有諸如合適的超聲波頻率的選擇、腸內容物電子信號的提取、儲存、處理等工作有待完成。
引言
肛管粘膜內的感受器能夠初步分辨肛管內容物是固體、流體、還是氣體，其受到刺激后產生的神經沖動經復雜的過程投射到大腦皮層感覺中樞，使人產生便意并感知腸內容物性質[1]。如果肛門和直腸的肌肉和神經受損，相關排便反射弧的完整性受到破壞后，肛門不能分辨直腸內容物的性狀，同時大便不能隨意控制而排出，即會造成大便失禁[2-3]。此類患者大多伴隨心理障礙和勞動能力的減弱或者喪失，不僅護理不便而且會給家庭帶來沉重的經濟負擔[4]。
非手術處理方式對于較輕的大便失禁有一定的效果，但是對于嚴重大便失禁基本無效[5-9]。人工肛門括約肌假體對于治療嚴重大便失禁患者有良好的效果。但是目前市場上的各型人工肛門括約肌不能感知腸管內是否有大便并判斷其不同狀態[10]。因此，研制出具有感知功能的智能型人工肛門括約肌能夠滿足嚴重大便失禁患者的實際需要。
在腸內容物感知神經研究方面，國內有學者利用對射式超聲波探測系統判斷兔近結腸不同狀態腸內容物[11]。但是該研究存在以下缺陷：首先，該探測系統需要兩個超聲波傳感器，并且需要固定支架以固定，占據空間較大。其次，新西蘭兔結腸腸腔較細并且為草食性動物，與大型哺乳動物和人的腸管及大便成份差別很大。
為解決上述研究的缺陷，本實驗設計了一套反射式超聲波探測系統來判斷巴馬香豬腸管內不同內容物的反射波信號，以便研制出更簡單有效的微型腸內容物感知神經，為研制出體積更小的智能人工肛門括約肌奠定研究基礎。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗動物
普通級巴馬香豬 30 只（江蘇泰州泰合生物科技有限公司提供，合格證號：SCXK 2011-0005），平均體重（20 ± 0.57）kg，雌雄不分。
1.1.2 實驗器材
① 反射式超聲波信號探測系統（MLD-TU1407A，成都妙力科技有限公司），超聲波發射頻率及傳感器探頭頻率為 2 MHz，經過電路改裝，將反射波信號線單獨引出備用，實體圖如圖 1 所示。
圖1
反射式超聲波探測系統
Figure1.
Detecting system for reflection ultrasound
② 示波器（Tektronix TBS1052B，泰克科技有限公司）。
1.2 方法
1.2.1 麻醉與開腹
苯巴比妥鈉 100 mg/kg 經腹腔緩慢推注至麻醉狀態，將豬仰臥位固定于手術臺，消毒鋪巾，下腹正中切口切開、暴露直腸（如果為雌豬，要仔細區分子宮和直腸）。將直腸于血管弓外由遠及近游離 10 cm 左右，遠端于血管弓內結扎，備測量用。
1.2.2 不同狀態大便腸管模型的制備
① 固體大便模型：確定直腸內的大便為固體后，將最遠端的第一個固體大便團塊所處位置的腸管作為檢測對象。② 流體大便模型：將固體測量點近端的其余固體大便移至其他腸腔內，近端用細紗布條結扎腸管，向封閉的腸管內注入 100 mL 生理鹽水，使腸內容物充分混合成流動狀態。③ 氣體大便模型：將流體大便由腸管遠端完全排出后結扎腸管遠端，向該處腸腔內注入空氣 100 mL。④ 腸管空癟狀態模型：將空氣由腸管遠端排出，使腸管內的粘膜相互接觸，結扎腸管遠端。
1.2.3 測量操作
① 示波器在未測量腸內容物時顯示發射波的個數為 18，反射波為 0 個。② 選取不同的巴馬香豬腸管表面沿長軸中點處進行測量。③ 將超聲波探頭用固定架固定，避免人工干擾，并將其完全浸沒在 37.5～38.5℃ 生理鹽水中，使探頭中心對準腸管縱軸中線，距離約 0.5 cm。④ 將超聲波信號輸出線和示波器信號輸入線相連接。⑤ 開通電源開關，超聲波傳感器接收超聲反射波并將其轉化為電流信號，示波器將該電流信號顯示于屏幕。
1.2.4 統計學分析
所有測量的數據使用 SPSS 16.0 統計軟件包進行處理，反射波個數以均數 ± 標準差表示，單因素方差分析采用 Welch 法，用 Dunnett T3 進行多重比較，P < 0.05 表示差異具有統計學意義。
2 結果
不同狀態腸內容物反射波情況如圖 2 所示。
圖2
不同狀態腸內容物顯示反射波個數情況
Figure2.
Number of the reflected ultrasonic waves for different intestinal contents
不同動物反射波數據資料如圖 3 所示。
圖3
實驗動物 4 種不同狀態腸內容物反射波數據
Figure3.
Data of the reflected ultrasonic waves for the pigs with 4 different intestinal contents
30 只動物的 4 種信號數據，共 120 個關于固體、流體、氣體、空癟狀態的信號數據相關統計結果如表 1 所示。
表1
不同狀態腸內容物反射波統計數據
Table1.
Statistical data of the reflected waves of different intestinal contents
4 種不同腸內容物狀態信號之間差異具有統計學意義（F = 1 088，P < 0.05）。用 Dunnett T3 法進行組間多重比較，各個比較組之間的差異均具有統計學意義（ P < 0.05）。
氣體狀態反射波數目（37.13 ± 3.98）> 固體反射波數目（21.77 ± 4.99）> 流體反射波數目（11.70 ± 4.28）> 空癟反射波數目（0.07 ± 0.36）。
3 討論
排便動作發生之前，神經中樞通過整合肛管和直腸粘膜表面及其臨近的感覺神經末梢和感受器的信息，對腸內是否有糞便以及是氣體、液體還是固體狀態做出準確的判斷。人工肛門括約肌能夠控制大便的排出，但缺乏感知大便的功能。如何使現有的人工肛門括約肌具有感知功能是當前研究的一個難點。
超聲波具有較高的能量, 其中反射式超聲波在醫學影像方面有著廣泛的應用[12-13]。本研究利用反射式超聲波探測系統接收不同腸內容物狀態下的反射波信號，通過統計學分析發現使用反射式超聲波有可能對腸管內不同的大便狀態做出判斷。
通過本文研究結果顯示，固體、流體、氣體、空癟 4 種狀態下反射波個數的均數之間的差異具有統計學意義（F = 1 088，P < 0.05）。理論上而言，超聲在密度一致的物質中傳播基本不產生反射，當通過不同密度的介質并且這兩種不同密度物質的交界面大于超聲波的波長時，超聲便會發生反射。同理，當超聲在第二密度物質繼續往前傳播遇到第三個不同密度物質時，再產生反射 [14]。在本研究中，當超聲波遇到氣體、固體、液體等界面時，會發生不同的反射，這可能是反射波的信號產生差異的根本原因，其相關反射強度原理如圖 4 所示，圖中箭頭的粗和細分別代表超聲波的強和弱。
圖4
不同狀態腸內容物超聲反射強度示意圖（箭頭的粗和細分別代表超聲波的強和弱）
Figure4.
Sketch for the intensity of the reflected ultrasound for different intestinal contents (The arrow thickness is positively related to the intensity of the ultrasound.)
4 種不同腸內容物狀態下，各個比較組之間超聲反射波的個數差異具有統計學意義（P < 0.05）。這是因為，當超聲波遇到不同密度物質的界面時，二者的密度差別越大，反射則越強 [15]。在本研究中，對于腸管內的氣體來說，氣—腸內壁界面密度差異較大，超聲波遇到空氣時會反射形成較強的超聲波，這時超聲換能器接收到較強的超聲波信號因而在示波器上表現為較多的反射波。對于固體來說，固體—腸內壁界面密度差異較氣—腸內壁為小，因此反射的超聲波相對較少，在示波器上表現為比氣體較少的反射波；同理，流體—腸內壁界面密度差別較固體—腸內壁界面密度差異小，因而示波器上表現為比固體少的反射波；腸管空癟時腸內壁—腸內壁界面基本上沒有密度差，示波器上基本沒有反射波出現。另外，本研究發現，腸管空癟狀態時反射波的情況與未測量腸內容物狀態時沒有反射波出現的情況相互吻合。
總之，本研究中的反射式超聲波測儀有區分腸內的氣體、固體、流體等狀態的作用，并且占用空間較少，為研制微型的反射式智能腸內容物判斷系統提供了一種可能。但是，能否應用于現有的人工肛門括約肌，仍有諸如合適的超聲波頻率的選擇、腸內容物電子信號的提取、儲存、處理等工作有待完成。
