被动式胶囊内窥镜在小肠内运动的力学分析

　　20世纪90年代以后,随着感光器件CMOS和CCD图像分辨率的不断提高及体积的不断减小,内置微型摄像头、信号发射器、电源等微型设备的无线胶囊式内窥镜开始成为新的诊疗手段,特别是完全依靠小肠蠕动推动的被动式胶囊内窥镜(以下简称胶囊)开始进入临床治疗,并取得了明显的效果,如以色列Given Imaging公司生产的PillCam系列胶囊窥镜,日本RF SYSTEM Lab提出的捕捉全方位肠道图像的“NORIKA Warp”胶囊[1-2].我国金山公司在国家“863”计划支持下,开发了“OMOM胶囊内镜”.华南理工大学也开展了胶囊的研究,并制作了第一代样[3].不同的研究者提出的胶囊具有不同的尺寸,当然通过肠道的时间长短也不同.尺寸太大会造成患者检查时不适,但是尺寸过小也可能造成胶囊在胃肠道前段滞留时间过长导致能量耗尽而不能检查到整个肠道.另外,Meyer等的研究表明:决定不消化固体排空时间主要在于其大小[4].

　　在发展胶囊技术同时,研究人员同样重视胃肠道组织生物力学特性研究,以减轻病人使用内窥镜时的痛苦.研究者通常是选用大小适当的哺乳动物的小肠进行研究,比如猪和狗的小肠. Sacks等[5]采用小角度光学散射法对猪小肠粘膜下层的纤维结构和二轴各向异性力学特性进行了研究. Randhawa等[6]建立了小肠主动运动的计算机模拟模型,使用五种神经元[7]共同作用控制小肠蠕动.周银生等[8]研究了人体胃液的流变特性,得出胃液是一种剪切减薄性非牛顿流体.周丁华等[9]对50例正常人体消化道黏液进行了流变学性能测试,获得了正常人体消化道黏液的流变学模型.吴江红等[10]对狗小肠粘液进行了试验,并提出了小肠粘液Casson方程流变模型.本文采用此公式计算小肠肠道粘液粘滞阻力.

　　本文将蠕动运动中的小肠简化为不可压缩弹性薄膜,结合旋转壳体的薄膜应力平衡方程,研究小肠蠕动推进被动式胶囊内窥镜在其内部运动的力学行为,并对推导公式进行数值分析.综合考虑患者感受、检查成功性的条件下,提出胶囊直径的设计条件.在假设胶囊行进速度为常数时,分析了粘滞阻力和其直径与长度乘积的关系.

　　1　小肠模型

　　在小肠神经系统的支配下,当食糜等外部物质进入小肠后,小肠的运动立即增强.小肠的运动由肠壁内层的环行肌和外层的纵行肌的舒缩运动共同完成.小肠的运动形式分为三种:紧张性收缩、分节运动及蠕动.紧张性收缩是进行其他运动形式的基础,但是并不能直接将食糜推向大肠.分节运动使食糜和消化液充分混合并使食糜与肠壁紧密接触,促进食物的吸收,但是空腹时几乎不存在分节运动,在进食后分节运动逐渐加强.图1是小肠分节运动的示意图,图中的字母表示食糜.由图可见,多次分节运动不仅可以将肠内食糜蠕动混合均匀,而且能够帮助小肠蠕动将食糜推向大肠方.蠕动是小肠平滑肌的纵行肌和环行肌协调而连续性收缩完成的运动,其主要作用是把肠内容物向大肠方向推送.蠕动的意义是把经分节运动作用后的肠内容物向前推进一步,到新的肠段再开始新的分节运动.如果不考虑蠕动冲和逆蠕动运动,小肠的蠕动速度为0.5～2 cm/s.每一个蠕动波一般向前推送十几厘米便消失,而食糜在肠道内真正向前移动的速度约为1 cm/min[11-13].显然食糜的推进速度远小于小肠的蠕动速度,这主要是由于小肠的分节和蠕动运动使得食糜的形状不停地变化,以及食糜连续体之间的阻力造成的,即前段的食糜对于分节和蠕动运动推进的后段食糜具有阻力.