一种新型肛门直肠生物力学功能无线仿生检测技术及相关实验研究

Obstructed defecation syndrome (ODS) is a common anorectal functional disease with high morbidity. Methods to study muscular interaction and anorectal activity in health and ODS have been limited due to difficult access and lack of physiologically relevant and practical diagnostic test for identifying the underlying mechanism. Current diagnostic tests provide incomplete and often conflicting information. Not surprisingly, results of these tests correlate poorly with symptoms and treatment outcomes. In previous studies, we developed an emerging bionic test for mapping the geometric and manometric profiles during evacuation base on cross-sectional impedance measurement and gyroscope technology. Test in normal volunteers, defecations were subdivided into four phases due to different dynamic changing process of the biomechanics. Significant differences of the pressure cycling and dynamic geometric features were obtained in patients. We hypothesize that study on this dynamic differential characteristics is very helpful for classification and diagnosis of ODS. Accordingly, the specific aims of this project are to : 1) development of the wireless bionic device and system for biomechanical function studies of the anorectal; 2) conduct safety and performance studies in dogs; 3) develop a validated mathematical model and 3D functional imaging method for test the anorectal biomechanical function. The significance is to address the major gaps by developing an emerging bionic device and provide new understanding of anorectal biomechanical function for ODS diagnosis.

排便障碍综合征（ODS）是一种发病率极高的肛门直肠功能性疾病，现有诊断技术难以从力与形态学角度对自然排泄过程中肛直肠功能进行全面评价，且不具备统一的诊断标准。前期研究中，我们利用阻抗测面及陀螺仪技术，开发了一种仿生检测探头，能对自然排泄过程中肠道力学与形态特征进行同步提取。自愿者试验显示：排便过程中组织协同作用可分为四个阶段，各阶段生物力学特征均呈不同的动态变化过程，ODS患者压力循环路径及动态几何特征较健康人存在明显差异。我们推测检测自然排便中这种生物力学动态差异性极可能是ODS分类诊断的重要途径，但目前临床上难以通过单项技术进行全面地解析。因此，本课题拟在前期研究基础上，研发一种无线仿生便块装置，通过动物实验验证其安全性，并应用数值模拟技术提出一种评价肛门直肠生物力学功能的数学模型，构建排便过程的三维动态功能性成像方法。本研究将为肛门直肠功能检测提供新方法，为ODS诊断提供新思路。

肛肠生物力学特征的综合检测与分析是肛肠运动机制研究和功能性疾病诊断的关键。现有检测技术功能单一特异性差，不具备统一的诊断标准。目前还没有一种临床检测技术能实现自然排便过程中力学与几何形貌特征同步采集与分析，直接导致了肛肠功能性疾病的误诊漏诊。针对这一问题，本项目在现有临床诊断技术基础上，结合括约肌功能特征分析，利用多种微型电子传感技术，研发了一种力学性能类似于布雷斯托3/4型便块的可弯折柔性仿生检测探头技术Fecobionics；动物实验和临床实验研究表明该技术能有效对肛肠运输时间、直肠感受、肛直角、多重压力和腔内几何特征进行高频同步检测；基于这些基础功能性参数，采用了薄壁旋转壳体模型，通过模拟了自然排出过程中的肛肠三维生物力学特征的动态变化过程分析了不同功能性特征间的相关性，建立了一种能有效地描绘肛肠组织三维张力和摩擦力动态分布的新方法；并利用该方法对的慢性便秘、失禁、延迟排便等典型的肛肠功能异常疾病进行了临床实验研究，通过与传统技术的对比分析，初步阐明了不同疾病的Fecobionics测试实验的肛肠运动、压力、形态和收缩模式等多个方面的不同表型，探索了该技术用于肛肠疾病诊断中的可行性；还提出了Preload-afterload功能性评价新理论，首次以功能图像方式展示了直肠蠕动波引起的肠道腔体形态变化过程。Fecobionics有望成为功能性疾病诊断的指导性技术，具有极强的应用前景。本项目为建立新的肛肠功能疾病诊断金标准提供了新的理论和技术支撑。