直肠癌是我国常见的恶性肿瘤之一，目前我国直肠癌的发病率和死亡率呈上升趋势，手术切除仍是直肠癌的主要手段[1]。现在大多采用Miles手术（即腹会阴联合切除术）[2]。术后将肠道的出口外置于腹部，即腹部造瘘术。腹部造瘘术给患者的生活带来诸多不便，于是我们提出原位人工肛门[3]的再造肛门方案。人工肛门是替代切除了的或已丧失扩约功能的自然肛门，模拟肛门生理功能的一种人工器官，是一切严重肛门失禁的最终解决方案，与药物治疗、手术修补相比有不可替代的作用。
1 智能型人工肛门总体设计方案
    人工肛门是一个人造器官，它的肠壁是一种纳米材料。超声波发射器和超声波接收器紧贴在肠壁两侧。人工肛门底端是一个肠道开合开关，一般处于闭合状态。肠道开合开关内部表面有一个压力传感器，用于检测肠腔内部的压力变化。当有排泄物时，需要打开肠道开合开关。
    智能人工肛门的物理模型如图 1所示。

    本文设计的智能人工肛门由四个模块构成：压力传感器探测模块、超声传感器探测模块、报警模块以及单片机控制模块，如图2所示。压力传感器分析肠腔压力变化，超声传感器探测模块分析肠腔内容物是气体、液体、固体。如果是气体，微处理器会自动驱动水泵工作打开肛门排出气体，如果是液体或固体，将会启动报警系统，提醒患者，等待患者的下一步指令。
    压力传感器探测模块：利用压力传感器测量到肠腔的压力变化时，马上给单片机发出信号并分析压力的大小，通过单片机模块来判断排废物的紧急程度。
    超声波传感器探测模块：单片机发出启动超声波传感器时，555芯片便产生40 kHz的高频振荡脉冲，进入超声波发射器，超声波发射器发生40 kHz的超声波，超声波穿过肠腔，发射后的回波或衰减后的超声波被超声波接收器接收后的微弱信号经放大电路放大，包络检波电路优化信号波形，剔除干扰低频成分信号，得到所需要的高频信号，最后经A/D转换到达单片机。
    单片机控制模块：单片机实时控制压力传感器探测模块和超声传感器探测模块，处理来自A/D转换器的压力数字信号和超声波接收模块的数字信号。根据这些数字信号判断物质的状态和排泄的紧急程度，从而通知病人做出不同的反应。
    报警模块包括一个蜂鸣器和一个发光二极管。发光二极管发光时，代表着肠腔内有排泄物。而蜂鸣器的响声则代表着排泄的紧急程度，响声越响则排泄越紧急。整个系统的流程图如图3所示。
2 压力传感器探测模块
    压力传感器探测模块所要实现的功能是对肠壁压力的实时检测，即模块必须实现根据已有的肠壁压力数据，对比判断肠道内部所受压力的强度，从而得到紧急级别。当到达一定的级别后应启动超声检测，以判断肠道内容物的状态，为使用者提供更丰富的信息。压力检测模块如图4所示。

    包围在肠腔四周的压力传感器不断地将肠腔内部压力转换为电信号，然后经过放大器和A/D转换传送到单片机进行处理。
3 超声传感器探测模块
    超声波是一种振动频率高于声波的机械波,具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点[4]。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波,碰到活动物体会产生多普勒效应[5]。以超声波作为检测手段,就要产生超声波和接收超声波,完成这种功能的装置就是超声波传感器。利用超声波传感器检测,迅速、方便、计算简单,易于实现实时控制且测量精度能满足要求。随着计算机软、硬件技术及信号处理技术的飞速发展,超声波在成像无损检测、测距、超声清洗、无损探伤、医疗等领域获得了非常广泛的应用。超声波穿过不同介质时，其速度v是不同的[6]。
    由于肠腔宽度H是固定的，可以通过测量求得。如果能求得超声波通过肠腔的平均速度v，就能推断出肠腔内容物是空气、液体还是固体。所以提出了图5所示的物理模型。