（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb总线的胃肠动力检测仪的设计与实现.pdf

基于u s b 总线的胃肠动力检测仪的设计与实现 摘要 胃肠动力障碍性疾病作为临床上常见的胃肠道功能性疾病，得到了人们的 普遍关注。胃肠动力学是当前针对胃肠动力障碍性疾病提出的一门新兴学科， 主要研究人体胃肠运动的生理、病理和胃肠动力障碍性疾病的临床诊断和治疗。 反映胃肠动力学特性的胃肠运动生理参数检测及结果分析已成为胃肠动力障碍 性疾病的重要诊断方法。胃肠无创动力检测是近年来消化内科提出的一种新的 人体胃肠道运动生理参数的检测方法，力图解决正常生理状态下，人体胃肠道压 力实时监测问题，是一种安全、方便、无损伤、诊断率高的检查技术。 本文主要解决人体消化道运动生理参数的无创获取、信号分析处理及利用 等问题。主要工作包括： 研制了基于u s b 总线的胃肠动力检测系统下位机硬件系统，完成信号采集 电路、主控制电路、a o 转换等电路的设计和系统集成；开发专用的u s b 设备 驱动程序和固件程序，实现芯片与主机及外部逻辑通信。 分析上位机数据分析软件需求，划分软件的功能模块，主要包括数据采集、 波形分析、胃肠道生理参数计算、报告输出等模块；采用a d o 数据库技术，提 供患者信息和医学术语词库管理平台，完善软件功能。 进行了实验室测试，初步验证系统的工作性能、可靠性、安全性，并对典 型实验数据进行了分析。 本研究为临床胃肠动力性疾病的诊查提供有力工具，为人体胃肠运动功能 研究和胃肠动力性能评价提供定量依据，为医生进行疾病诊断提供了客观的数 据参考，测试表明，系统满足实际的医用需求。 关键词：胃肠动力，微创检测，e z u s b ，a d o ，胃肠道生理参数 d e s i g na n di m p l e m e n tg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yd e t e c t i o n i n s t l u m e n tb a s e do i le z u s b a b s t r a c t a s f r e q u e n t l yo c c u r r i n g d i s e a s e s o fg a s t r o i n t e s t i n a l f u n c t i o n ，d i s o r d e r so f g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yh a v eg e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw i d e l y t h es t u d yo fd i s o r d e r so f g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yp r o v i d ean e ws u b j e c t ，w h i c hm a i n l yc o n c e r nt h er e s e a r c ho ft h e g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yp h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ed i a g n o s e so f d i s o r d e r so f g a s t r o i n t e s t i n a l a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i s o f g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t y p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sb a s e do nt h es u b j e c th a sb e e nai m p o r t a n ta p p r o a c ho ft h e d i a g n o s e so fd i s o r d e r so fg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t y g a s t r o i n t e s t i n a ln o n i n v a s i v em o t i l i t y d e t e c t i o ni san e wd i a g n o s i sm e t h o dp u tf o r w a r db yd i g e s t i o nb r a n c hw h i c hi sa p p l i e dt o a c q u i r eg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s i tt r yt os o l v et h ep r o b l e mo f d y n a m i c a l l yg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yp a r a m e t e rm o n i t o r i n g i ti sas a f e ，c o n v e n i e n t ， s c a t h e l e s sa n de f f i c i e n td e t e c t i o nt e c h n i q u e t h i sp a p e rt 巧t os o l v et h ep r o b l e mo ft h en o n i n v a s i v ea c q u i s i t i o no fg a s t r o i n t e s t i n a l m o t i l i t yp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，a u t op r o c e s s i n ga n du t i l i z a t i o no ft h ep r e s s u r es i g n a l t h e m a i nc o n t e n ta r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： d e s i g n i n gt h eh a r d w a r eo fg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yd e t e c t i o ni n s t r u m e n tb a s e do n e z u s b c o m p l e t i n gt h ed e s i g no ft h ec i r c u i to fs i g n a la c q u i s i t i o n ，c o n t r o lu n i ta n da d c o n v e r s i o na n dt h es y n t h e s i so ft h es y s t e m d e v e l o p i n gt h ee z u s bf i r m w a r ea n du s b d r i v e rp r o g r a mt oc o m m u n i c a t et h ec h i pw i t ht h eh o s ta n dt h ec l i e n t a n a l y z i n gt h eu p p e r - e n dc o m p u t e rs o f t w a r ea n dp a r t i t i o n i n gi ti n t os o m ef u n c t i o n a l m o d u l e s ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，w a v ea n a l y s i s ，g a s t r o i n t e s t i n a lp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s c a l c u l a t i o n ，r e p o r tc r e a t i o n ，a n ds oo n a d o p t i n ga d o t e c h n i q u ei nb a c k g r o u n dd a t a b a s e p r o v i d i n gt h ec i r c u m s t a n c ef o rm a n a g i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h ep a t i e n t sa n dt h em e d i c i n a l d i c t i o n a r yt oc o n s u m m a t et h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r e t e s t i n gt h es y s t e mi nt h el a b o r a t o r y v a l i d a t i n gi t sp e r f o r m a n c e ，s u c ha st h es e c u r i t y a n dt h ed e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t e ma n da n a l y z i n gt h et y p i c a ld a t a t h ea i mi st op r o v i d ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ht ot h eg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yr e s e a r c h a n daq u a n t i t a t i v eb a s i sf o rt h ed i a g n o s e so fg a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t yd i s o r d e r s t h es t u d y a l s op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed o c t o rt od i a g n o s ed i s o r d e r so f g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t y k e y w o r d s ：g a s t r o i n t e s t i n a lm o t i l i t y , n o n i n v a s i v em o t i l i t yd e t e c t i o n ，e z u s b ，a d o ， g a s t r o i n t e s t i n a lp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s 插图清单 图2 1u s b 硬件拓扑结构图i 9 图2 2u s b 系统软件结构图1 0 图2 3u s b 层次对应关系1 0 图2 4u s b 设备状态转换图1 2 图2 5u s b 设备枚举流程图1 2 图3 1 系统原理图1 4 图3 2 开发e z u s b 接口设备的一般步骤1 5 图3 3a n 2 13 1s c 结构图1 6 图3 4t l c 2 5 4 3 与增强型8 0 5 l 系统连接图17 图3 5 中断子程序流程图1 9 图3 6 固件程序框架流程图2 1 图3 7e z u s b 固件装载流程2 2 图3 8w d m 驱动程序层次模型2 3 图4 1 上位机软件系统功能框图2 6 图4 2 控制命令字m c t r l b y t e 格式3 2 图4 3 数据采集模块工作流程图3 3 图4 4 采集界图3 4 图4 5 线程函数t h r e a d p r o c l ( ) 流程图3 5 图4 - 6 采集工具栏3 7 图4 7 下括约肌压力波形图3 8 图4 8 患者信息查询对话框4 1 图4 9 患者检查波形图4 3 图4 1 0l e s 高压区( h p z ) 4 4 图4 1ll e s 长度4 5 图4 1 2l e s 松弛率计算公式4 5 图4 - 13 食管传导性、同步性、中断性、脱落性蠕动示意图4 6 图4 1 4 多峰收缩示意图4 7 图4 15 患者信息表5 0 图4 1 6 编辑患者信息对话框5 0 图4 1 7 常用语词库的管理5 2 图4 1 8 添加新用户对话框5 4 图4 1 9 修改密码对话框5 4 图4 2 0 分析结果5 5 图5 1 深度初始值以及牵拉步进值5 7 图5 2 胃基线的设置5 7 图5 - 3 通道选择对话框5 8 图5 - 4 下括约肌高压区波形图5 8 图5 - 5 湿咽时下括约肌松弛波形图5 8 图5 - 6 湿咽时食管收缩波形图5 9 图5 7 湿咽时食管多波收缩波形图5 9 图5 8 下括约肌静息压力值5 9 图5 9 湿咽时下括约肌残余压力值5 9 图5 1 0 湿咽时食管收缩压力值6 0 图5 1 1 胃肠动力学检测报告6 0 表4 1 表4 - 2 表4 - 3 表4 - 4 表4 5 表4 - 6 表4 7 表格清单 s y s t e m t a b le 系统信息表2 8 a d m i n 用户信息表2 8 p a t ie n t t a b le 患者信息表2 9 p a tie n t w a v e 患者波形数据表2 9 c a s e t a b le 常用语词库表2 9 c o m m e n t t a b le 解释与评议词库表2 9 a p i 函数和驱动程序的i r p 对应关系表3 0 独创性声明 本人声明所警交的学位论文是本人在导师指导一卜进行的研究 ：佧及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金g 里王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：毛匙使签字日期：砂矿年乡月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金星墨些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被裔阅或借阅。本人 授权 金胆些厶堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 纭缓新躲卉刍夏 签字日期：，矽扩年多月9 e t签- 7 - - e t 期矽多年多月扩日 学位论文作者毕业后去向： l ：作单 试： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 论文完成之际，我要向在攻读硕士学位期间给予大力支持和无私帮助的老师和同 学表示深深的感谢! 由衷地感谢我的导师方敏教授! 在整个硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过 程中，我自始至终得到了方老师的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了方老师的心血，我发自内心的感谢方老师在学业指导及 各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，并十分庆幸自 己能在人生的这个重要时段遇到了我的导师，老师广博的学识、严谨的治学作风、 诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前! 此外，实验室各位同学在我的研究生学习期间也给予了大力的帮助并提供了许多 宝贵的建议，他们是秦明辉、孙斌、陈志超、李寅、陈琼，杜征，刘芳，黄梅初。在 这里我也一并向他们表示真诚的感谢! 能够在研究生学习期间遇到这么多的良师益友，我感到自己是幸运的。这段美好 的生活经历将伴随我的一生并成为我生命中最宝贵的财富! 最后再次感谢支持我、帮助我、关心我的老师与同学! 作者：张俊 2 0 0 8 年2 月 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 功能性胃肠病( f g i d s ) 罗马i i i 体系与胃肠动力疾病( d g i m ) 新概念的提出 加深了人们对消化道运动功能障碍性疾病的认识，例如最常见功能性消化不良 ( f u n c t i o n a ld y s p e p s i a ，f d ) ，原称非溃疡性消化不良( n u d ) ，是由非器质性病 变引起的一组消化不良症候群。表现为持续性或反复发作性餐后饱胀、腹部胀 气、暖气、早饱、厌食、恶心、呕吐、嘈杂、胸骨后痛、反胃等症状，且经胃 镜等多种检查无特殊异常，病程超过1 2 周以上而未发现器质性疾病。现己获悉： 新发消化不良患者中，能从组织结构方面作出解释的只是少数，多数病人都是 f d 。f d 的发病率很高，约占消化专科门诊的三分之一，严重影响患者生活质量， 因病不能工作而造成的社会经济损失显著，并消耗大量的医疗资源2 1 。 胃肠道功能性疾病越来越受到人们的关注，用于检查和评估这类疾病的科 学技术也不断进步与提高。胃肠动力学是一门新兴学科，研究人体胃肠运动的 生理、病理和胃肠动力性疾病的临床诊断和治疗。胃肠动力学在解释胃肠疾病 和症状的重要性越来越受到学术界公认。胃肠动力性疾病与各临床学科关系非 常密切，包括传染、内分泌、神经、肿瘤、代谢等。胃肠功能性疾病的发病机 制尚未明了，除与胃肠动力密切相关外，与胃肠激素，胃肠神经调节，精神心 理因素等也有关联。因此西医认为f d 发病机理主要与胃肠动力和感觉异常、幽 门螺杆菌( h p ) 感染与慢性炎症、心里障碍和迷走神经低张、胃酸分泌、胃肠激 素和一氧化氮、以及饮食药物因素等方面有关，而胃的动力功能障碍是f d 的 主要发病基础。目前临床诊断f d 主要依据1 9 9 8 年罗马h 标准，并根据其不同 的症状分成几种亚型，即溃疡样消化不良型、动力障碍样消化不良型、非特异 性消化不良型。治疗上主要采取对症治疗的方法，如促进胃肠动力、抑制胃酸 分泌，对于幽门螺杆菌检出阳性者，加用根除幽门螺杆菌治疗的方法，而对伴 有精神症状者，则使用镇静、抗焦虑、抗抑郁等方法n3 。 1 2 胃肠动力诊查方法研究现状3 3 胃肠动力功能包括胃肠推进性蠕动、胃肠平滑肌收缩的压力梯度和频率、 胃肠排空、胃肠压力等。研究胃肠动力功能，首先必须对胃肠道运动参数进行 可靠监测。重要的依据是胃肠动力和功能检查，近年来胃肠动力的检测方法及 原理的研究有了较大进展，国外在这方面的研究开展较早，但之前由于条件限 制，胃肠运动功能、胃肠疾病之间的明确关系仍有待进一步揭示。为了确定和 建立这种对应关系，还需要比较实验研究n 0 。1 1 1 。目前关于胃肠运动功能参数的 检测方法目前在临床上应用较多的有1 们放射学检查，核素显像，胃肠电图， 腔内测压，超声检查，呼气试验，腔内酸碱度监测，阻抗法现仍处于实验室研 究阶段，仍存在若干技术性困难阳刮。现将常用的胃肠动力检测方法介绍如下。 1 核素检查 将标记核素的液体与固体食物给试验者服用后，借助计算机检测的y 照像 机对液相和固相同时进行测定，以餐后即刻扫描为起始计数，以后每隔5 分钟 体外扫描一次，共1 2 0 分钟。计数时在每一幅图上画出感兴趣区，以计算机计 数与起始计数比较得出单位时间的排空率和胃半排空时间，了解胃排空情况。 该检查准确、可靠、重复性强，非侵入性，是检测胃排空的一项理想的技术比1 。 2 胃肠测压法3 测压导管根据压力传导介质的不同，可分为充液式及充气式利用连续灌 注导管测压系统工作原理，用微泵向导管内注水气体，水流速度恒定，导管末 端测孔逸水时克服的阻力即为胃肠腔内压力，最多可同时进行3 2 通道记录1 。 可直接测量管道、胃窦、十二指肠、小肠、结肠和直肠的腔内压力，并可准确 记录这些器官的节段性收缩活动情况。目前低顺应性的灌注导管系统和腔内微 型传感导管系统已成为定型的测压技术设备。利用连续灌注导管测压系统工作 原理，用微泵向导管内注水，水流速度恒定，导管末端测孔逸水时克服的阻力 即为胃肠腔内压力。常用p cp o l y g r a fh r 型胃肠动力监测系统，有4 通道和8 通道两种。 3 超声检查 进食一定量液体时，应用实时b 型超声波或三维实时超声，对胃的排空功 能检查，能够有效地观察到胃窦、胃体、幽门以及十二指肠的动态运动情况， 并可将胃排空情况量化，准确测量胃的半排空和完全排空时间h 3 。具体方法： 给被检查者一定量的3 7 c 的液体，然后每1 0 分钟测量胃体、胃底胃窦部前 后径、上下径大小和面积，计算出胃窦、胃体面积减少的速度，从而得出胃排 空和半排空时间。两维和三维r 超常用于胃窦容积、幽门开放、胃内食物经过 幽门的流动和胃窦幽门十二指肠直协调收缩等的测定，亦可评估近端胃的面积 和休积。联合使用多谱勒方法和测压法检测胃窦、幽门和十二指肠，为一新的 检测方法，如张力多普勒检测法，能提供更多测定胃壁弹性的信息。超声影像 具有非侵入性、无放射线和应用广泛等特点。 4 放射学检查 钡剂胃肠造影不仅排除胃肠道内器质性病变，而且通过钡剂在胃肠道中的 运动来检测胃肠动力。观察了解食管和胃的形态、收缩、蠕动、排空、有无反 流，也可用于小肠、大肠的动力学检测，为胃肠动力检侧提供定性评估。给受 试者1 ：3 服一定量x 线不能穿透的小标记物，如小钡条胶囊，每隔一定时间透视 或摄片，以标志物计数来计算胃排空和结肠通过时间哺3 。钡剂胃肠造影可观察 了解食管和胃的形态、收缩、蠕动，排空、有无反流，也可用于小肠、大肠的 动力学检测，为胃肠动力检测提供定性评估，但最常用于结肠动力功能临床检 测。 在x 线下观察胃肠道运动，符合生理要求，设备简单但费时，多次曝光对 患儿健康不利。 5 胃肠电描述们 胃平滑肌始终存在电活动。控制胃平滑肌的收缩和舒张，了解胃电活动 也是检查胃运动功能的一种方法。在人体应用的方法有腔内胃电记录和体表胃 电记录。由于肌肉收缩产生的电流非常小，只能用微伏计算，需要用敏感的放 大器将其放大后才能直接观察由于其能量微弱，信躁比低，因此对其准确分析 十分困难。近年来，国内外专家经过不懈努力，有很多研究成果2 叫3 | 。事实上 表面肌电图就是一个非常敏感的电流放大器旧1 。腔内胃电记录是将浆膜电极、 粘膜电极直接置于胃窦、胃体枯膜，可准确记录到胃平滑肌电活动情况。可检 测动力功能有两个参数：慢波的频率和强度。在餐后和空腹时可方便地检测胃的 慢波，波的强度与摄人和胃排空有关。现已被广泛用于胃动力的研究。腔内胃 电记录是诊断胃平滑肌异常活动的有效的方法，然而因其有创性难以在临床普 遍开展。5 0 年代首次报道应用体表胃电记录技术，即胃电图( e g g ) ，它是一种 无创检查方法，因操作简单、准确性强和可重复性而得到认可，定量指标包括 e g g 的主频率，正常胃慢波所占时间百分比，胃动过速、胃动过缓及其他动力 紊乱所占比例。目前，e g g 对于了解胃肠动力障碍疾病的病理生理状态有一定 价值，e g g 面临的问题是如何分析所获结果，使之规范化、统一化，应用e g g 诊断具体器质性疾病尚为时过早7 2 们。 6 呼气氢技术 氢气呼吸试验必须符合以下条件：碳水化合物通过小肠时不被消化和吸收， 到达盲肠时经结肠细菌的分解产生氢气阻，然后被结肠黏膜吸收进入内脏循 环，再经呼吸排出体外。收集呼气标本，测定氢浓度，确定收集到的呼出气体 中氢气量突然增加的时间。从摄人不能被吸收的碳水化合物到开始呼出氢气之 间的时间良口为口腔一小肠传递时间。由于该检查受较多因素影响，因此，用于 判定小肠传递时间仅限于成人。 7 p h 监测2 2 3 p h 监测是目前诊断胃食管反流疾病( g e r d ) 的金标准，敏感性较高，一般建 议在顽固性、难治性g e r d 或疑似食管外反流时应用心引。采用柔软的p h 电极( 儿 科常用单晶锑电极) ，放置在食管或胃中监测p h ，数据存储在可携带的p h 记录 仪上，可持续监测2 4 - 9 6 小时，由电脑进行数据处理。目前常用d i g i t r a p p e r m ki ii 型监测仪。 由以上所述可以看出，在目前的胃肠动力功能检查方法中，放射学检查和 核素显像能检查胃肠道的形貌、大致蠕动情况、胃排空、通过时间等指标；胃 电图和肠电图方法中肌电活动与腔内压力和运动的关系尚不明确：超声法也只 能用来检查胃排空，且影响因素较多；呼气试验只能分析通过时间；腔内酸碱 度监测职能检查胃、十二指肠反流情况；而直接反映胃肠道动力性能的消化道 腔内压力测定则只能借助导管才能实现心9 。 目前临床上胃肠动力检查的传统方法例如放射性同位素检查法、内窥镜检 查法等，这些消化道动力检查方法，由于检测手段的入侵性，受试者痛苦大， 戍本高：而且由于前期准备处理工作，如清肠禁食等，测得的结果是消化道脏 器未充盈状态下的生理参数，不能正确反映正常生理状态下的消化道内生理参 数化情况。 1 3 本课题的研究目的和意义 消化道动力性疾病是是常见的消化系统疾病之一大量研究资料显示，消 化道功能紊乱性疾病在世界范围内发病率较高且有日渐上升趋势心7 | 。在日常医 疗工作中约有近5 0 患者因腹胀、腹痛等消化道症状就诊，其中3 0 一4 0 最终 确诊为消化道动力障碍性疾病，该疾病几乎占胃肠道疾病的半数以上旧引。 人体消化道疾病与消化道生理参数及其变化规律存在密切的关系，这种对 应关系的研究和消化道疾病的诊断都直接依赖于消化道生理参数的检测。如前 所述，到目前为止，临床上还没有一种方法能在正常生理状态下对整个胃肠道 多项参数进行长时间的动态监测和分析。 近年来提出的消化道腔内压力测定可以了解腔内压力变化规律，当平滑肌 收缩和舒张时，局部胃肠段压力上升或下降，收缩和舒张的程度不同，压力增 加或减少的幅度也有异，通过传感器可将这种机械信号转变为电信号，并记录 下来，从而获取局部压力的动态变化。目前腔内压力的方法主要有两种：一种 为压力传感器在体外的末端开放导管灌注法，将水或其他低粘稠度的液体以恒 定的速度注入末端开口的导管中，通过测定导管顶端液体流出的阻力来获取结 肠内压力的变化阳4 。2 引。导管上有多个测压孔，可以同时测量多个位置的压力， 因此测量效率高；另一种为微型压力传感器导管法，在一根细的导管顶部安装 几个微型压力传感器，末端通过导线与压力记录仪连接，微型压力传感器导管 可以直接感受腔内压力的变化，无须外部的灌注器，便于携带，能够较长时间 地记录腔内压力地变化，适合于非麻醉性研究9 j 。 胃肠道动力检测是消化道腔内压力测定中的一个重要部分，主要用于研究 和诊断胃肠动力障碍性疾病，是胃肠疾病其它检查方法的补充和综合应用，显 示了较高的临床意义。目前，国内对于胃肠道动力的检测设备的研制和应用处 于起步阶段。本文根据实际的医用要求，提出一种胃肠动力检测仪方案。本文 旨在解决： 4 研究正常生理状态下，人体胃肠道运动生理参数及其变化的实时监测问题， 开发新型胃肠道动力检测系统，以在无痛苦、无创伤、无须清肠和禁食的条件 下完成信号的采集和保存； ( 1 ) 研究胃肠运动生理信号的计算机自动分析处理方法，以提高分析过程的 效率，提供一个方便、科学的数据分析分析平台，保证分析过程的客观和规范： ( 2 ) 研究胃肠道动力性能和运动参数之间内在联系的建立方法，提供胃肠道 各种生理参数。从而为胃肠道动力性疾病的预防和诊断提供依据。 胃肠动力检测仪主要应用于评估咽部及下括约肌( l e s ) 压力的定量分析；确 认l e s 的不完全或不协调松弛；检测吞钡录像检查未能发现的异常。同时用于 食管源性症状( 吞咽困难、吞咽疼痛、烧心及难以解释的胸痛) 患者的疾病诊 断，并且可作为抗反流手术前的常规检查，以用于评估反流。此外，还有助于 明确系统性疾病如硬皮病和慢性特发性假性肠梗阻等是否累及食管。它是研究 和了解胃肠的正常生理功能及其病理生理改变不可缺少的工具。 胃肠动力功能的研究对于科学、正确地认识消化系统的物理、化学运动， 探索、研究各生理量之间的关系，评定消化道的功能，对消化系统疾病的早期 诊断及防止消化器官的恶性病变具有十分重要的意义。本研究旨在对人体消化 道的功能研究起到进一步的推动作用，对于人类社会保健普查工作、对于患有 消化系症状与体征病人的诊查，具有重要意义和明显的社会与经济效益。 1 4 本文的主要研究内容 围绕人体消化道生理参数检测系统及胃肠动力分类诊断模型，本文提出一 种胃肠动力检测仪器的设计方案：鉴于u s b 总线技术的诸多优点以及它的迅速 发展和普及，在接口技术中使用了u s b 总线。u s b 总线控制芯片采用的是e z u s b 系列芯片。e z u s b 系列芯片是c y p r e s s 半导体公司推出的系列u s b 接口芯片之 一，也是技术比较成熟的产品之一。本文详细的介绍了基于e z u s b 总线的胃肠 动力检测系统的设计方法。包括胃肠动力检测系统下位机硬件的设计，u s b 总 线驱动程序，固件程序以及上位机数据分析软件的编写。 本文具体组织结构如下： 第一章阐述了本文的研究背景、目的、意义和主要研究内容。本章重点介 绍了结肠生理学和动力学基础。然后介绍了目前临床上主要的胃肠动力性疾病 及胃肠动力功能检测方法，以及这些检测方法存在的不足。 第二章通过比较不同总线接口的优缺点，给出了胃肠动力监测仪的总线接 口方案。并且重点介绍了此总线接口的特点。 第三章介绍了胃肠动力检测仪硬件系统的研制。重点研究了动力仪的测压 传感器及下位机主控制电路设计、信号采集电路设计和系统集成。根据动力仪 的实际医用要求，给出了可行的下位机硬件系统的实现方案。 第四章介绍了胃肠动力检测仪上位机数据分析软件的开发。重点阐述了数 据库的设计、分析软件的整体框架以及各个子功能模块的详细设计方案。 第五章通过临床测试，进一步检验了系统的各项性能，并对典型实验数据 进行了分析。计算各项胃肠生理功能参数。给出分析报告。 6 第二章u s b 总线概述 使用u s b 总线接口是本次设计的胃肠动力检测仪的一大特点。在这一章里 介绍u s b 总线的发展、特点、拓扑结构、数据传输类型、通信分层模型以及线 系统的硬件连接。 2 1 u s b 总线的发展 在早期的计算机系统上常用串口或是并口连接外围设备。每个接口都需计 算机的系统资源( 如中断、d m a 通道等) 。无论是串口还是并点对点的连接，一 个接口仅支持一个设备，因此每添加一个新的设备，就加一块i s a e i s a 或是 p c i 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设u s b 总线的出现恰好克 服了这些缺点，为以计算机为核心的数据传输带来发展。 为了解决传统p c 机在发展过程中所遇到的一些问题，如外设通信端口数量 不足，外设连接繁琐、配置困难，数据传输速率低等，c o m p a q ，d e c ，i b m ，i n t e l ， m ic r o s o f t ，n e c 和n o r t h e r nt e le c o m 七家公司共同研制开发了u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s 通用串行总线) 。u s b 是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的 并支持热插拔的串行端口，它把网络的拓扑结构的思想引入计算机组织结构， 从而增强了p c 端口的扩展性。从1 9 9 4 年u s b 论坛成立到今天u s b 设备的普及， 事实说明u s b 已从一个概念演变成主流市场中的一项重要技术。2 0 0 0 年的4 几 家公司又联合推出了通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a ab u s ) 新规范u s b 2 0 新 规范最引人注目的是数据传输速率的增加，由于u s b l 1 只支持低速5 m b p s 和 全速的1 2 m b p s ，而u s b 2 0 则增加了一种高速4 8 0 m b p s 。由于新速率是原有速度 的4 0 倍，因而大大扩大了u s b 的应用范围旧7 l 。 2 2u s b 总线的优点1 1 u s b 为所有的u s b 外设提供了单一的，易于操作的标准的连接类型。简 化了u s b 外设的设计。统一了各种接口设备的连接接口。如通信接口、打印机 接口、显示器输出、音效输入输出设备、存储设备等，都采用相同的u s b 接口 规范。排除了各个设各对系统资源的需求，减少了硬件的复杂性和对端口的占 用。 2 u s b 支持热插拔 系统对设备自动检测和配置，支持热插拔，在操作系统运行过程中，可以 安全的连接和断开u s b 设备，动态的加载驱动程序。支持p n p ，系统会对设备 进行自动的检测和配置，使其正常工作。 3 易扩展 7 通过集线器( h u b ) ，主机可以最多连接1 2 7 个外设。使得多个外围设备可以 跟主机通信。特别在工业生产和管理中，需要对各种测量参数，如温度、液位、 压力等，采用p c i 总线或者i s a 的传统数据采集卡会占用计算机的端口，中断 等资源，而采用u s b 总线就可以避免此问题，而且成本低，可靠性高。 4 采用了灵活的供电方式 u s b 设备可以直接连接到集线器或者主机上通过u s b 总线供电，即总线供 电方式，u s b 总线为连接其上的设备提供5 v 电压1 0 0 m a 电流的供电。同时，u s b 设备也可以通过电池或者其他外接电源供电，即自供电方式。或者同时使用两 种供电方式。并支持节约能源的挂机和唤醒方式。 5 高速度 u s b 提供高速4 8 0 l b s ，全速1 2 m b s 以及低速1 5 m b s 的速率来适应不同 类型的设备。 6 通信方式灵活 针对不同类型的外接设备，u s b 提供4 种不同的数据传送类型。 2 3 总线构成m 3 u s b 总线可分为3 大部分描述： ( 1 ) 主机和设备：u s b 系统中的主要构件。 ( 2 ) 物理构成：u s b 器件连接物理连接方式。 ( 3 ) 逻辑构成：不同u s b 器件的角色和责任，以及从主机和设备的角度出发， u s b 所呈现的结构。 1 j s b 主机 u s b 主机是u s b 中唯一的一个用于协调工作的实体。任何u s b 系统中都只 有一个主机。u s b 主机的逻辑构成包括：u s b 主控制器( u s b 和主机系统的接口) 、 u s b 整体系统软件( u s b 驱动程序，主控制器驱动程序和主机软件) 以及客户软 件三部分。主机受u s b 系统软件控制，负责与u s b 设备通信，管理电源，检测 错误。u s b 系统软件通常由主板制造商提供，它为u s b 客户软件和u s b 设备提 供一个标准的服务接口，把来自于u s b 主机控制器的信息传送到客户软件，或 把客户软件需要发送的数据信息送到u s b 设备。u s b 客户软件主要 用于实现与具体的u s b 设备进行数据交流。它解释收到的数据类型，并向 u s b 设备发出相关的控制命令或数据。u s b 主机内还嵌入了根集线器，用来提供 s b 连接点。因此，在u s b 系统软件和u s b 客户软件的控制下，u s b 主机可通过 主机控制器与根集线器所连的u s b 设备进行交互。 2 u s b 设备 u s b 物理设备向主机提供了附加的功能，虽然这些u s b 设备所提供的功能 差异很大，但所有的u s b 逻辑设备都具有相同的接入主机的基本接口，所以主 机能够通过相同的方式管理不同的u s b 设备中与u s b 有关的问题。u s b 设备可 分为功能部件和集线器( h u b ) 两大类。 功能部件是指带有u s b 接口的外部设备。每个功能部件中都有描述其性能 和所需资源的配置信息，使用前u s b 主机根据信息完成对它的配置。常见的功 能部件包括u s b 扫描仪、u s b 调制解调器以及u s b 键盘、鼠标和游戏杆等。 集线器是一种用来提供扩展端口的特殊的u s b 设备。它有上行端口和下行 端口，下行端口可接u s b 设备也可接u s bh u b 。集线器可检测每个下行端口的 设备的安装和拆卸，区分高速设备和低速设备，而且还能给设备分配能源。 3 u s b 体系结构 u s b 系统是一个典型的软，硬件结合的系统，系统中的软件和硬件相互支 持，互为补充，共同实现u s b 的协议功能。 ( 1 ) u s b 系统硬件结构 图2 一l 所示为一般应用场合下u s b 硬件系统的连接方式。协议中规定，一 个系统内同时只能有一个主机处于活动状态。 图2 1u s b 硬件拓扑结构图 在图2 1 中，处于最上层的p c 主机运行支持u s b 的操作系统软件，它支 持两种不同的功能；设备初始化和监控设备运行过程。u s b 初始化软件不仅在 p c 主机启动期间是活动的，而且在所有运行期间都是活动的。因此，u s b 设备 在任何时间都可以增加或者删除。一旦有一个设备接入到一台p c 主机，设备就 被u s b 初始化软件识别并且分配一个在运行时期使用的唯一标识符。 p c 主机的下面是u s b 主机控制器。u s b 主机控制器位于计算机主板的芯片 组中，向上受u s b 底层驱动程序控制，向下产生对外设的处理动作，并把处理 动作交给根集线器。在硬件构成上，根集线器和主机控制器既可以独立分布， 又可以集成。 ( 2 ) u s b 系统软件结构 u s b 系统软件结构的特点是分层化和模块化，如图2 2 所示。协议接口以 上的程序运行在p c 主机上，最下面的设备控制器程序运行在设备的微控制器 e 。 9 图2 2u s b 系统软件结构图 u s b 客户应用程序 u s b 客户应用程序负责与设备使用者的交互，包含接受使用者的命令，向 u s b 客户驱动程序发送命令，以及获取返回的数据等。在w i n d o w s 操作系统中， u s b 客户应用程序运行在a p i ( 应用程序接口) 上，通过调用a p i 函数与客户驱 动程序通信。 u s b 客户驱动程序 u s b 客户驱动程序接收u s b 客户应用程序的命令，把读写命令变成规范的 u s b 请求包传给下一层驱动程序。客户驱动程序负责解析设备的各种描述符， 掌握设备的性质何功能，制订与其功能相适应的软件结构和算法，为上层应用 程序提供a p i 接口。 h u b 驱动程序与u s b 主控制器驱动程序 h u b 驱动程序与u s b 主控制器驱动程序均属底层驱动程序，它们分别对根 集线器和主控制器进行操作，完成最底层的数据通信工作。h u b 驱动程序与u s b 主控制器驱动程序直接或间接地接收客户驱动程序发送来的u s b 请求包，完成 底层通信协议的操作。 ( 3 ) 层次对应关系 u s b 系统的层次对应关系如图2 3 所示。 电层 u s b 客户软件i ：iu s b 功能设备 t 1 i rj 静层 u s b 系统软件 ju s b 逻辑设备 tt jj 口层u s b 丰机控制器i ，lu s b 总线接口 q = = = 逻辑通信流 - - 实际通信流 图2 - 3u s b 层次对应关系 u s b 系统分为以下三层： 最上面为功能层，包括客户应用软件和u s b 设备功能块，它们之间有直 接的逻辑对应关系。逻辑上客户应用软件只需要考虑如何实现具体设备功能。 l o 中间一层为u s b 设备层，包括u s b 的系统设备驱动软件和u s b 设备的通 信软、影件部分。它们之间也是逻辑上的对应关系。 最下面一层为u s b 总线接口层。黑箭头为实际的信号传输路径。u s b 串 行信号由主机控制器经总线传到设备接口芯片的sie 上。再由s i e 做数据解码 和校验后提交到设备的上一层进行解析。 2 4u s b 设备的枚举过程卟2 咱们 u s b 设备枚举是任何u s b 设备再插入或复位时发生的一段信号传递过程， 是u s b 协议运作的重要部分。设备枚举包括主机如何与设备建立联系，如何对 设备进行配置，设备如何响应主机的命令以及整个系统如何实现即插即用功能。 当u s b 设备接入或者断开u s b 连接后，u s b 主机通过总线枚举过程确定和组织 设备的状态的转换。 1 u s b 设备的状态 u s b 设备有多种状态，相当于u s b 设备和主机而言，分为可见状态和不可 见状态。并且u s b 设备在运行时有明显的状态区分。u s b 设备以有限状态机的 形式在状态图中根据内，外条件的变化做状态迁移。状态变化的驱动因素包括 硬件