膀胱机电一体化模型的设计及原型的实现与评价

抽象

每年，世界各地都有许多膀胱癌患者接受根治性膀胱切除术(RC)并进行尿路分流。直到2019年，肠膀胱成形术仍是膀胱置换的金标准，但这种治疗总是伴随着严重的并发症。理想的替代膀胱不使用肠组织仍然是一个挑战，今天。本文提出了一种全新的人工机械电子膀胱替代方法。我们从教材和相关文献中研究了天然膀胱的主要生理功能特征。根据这些特点，我们完成了AMB的总体设计，并在实验室制作了原型，该原型在体外成功实现了天然膀胱的功能。当尿液流进它的时候，它可以扩展并实时储存尿液。尿满后发出排尿报警，收到遥控信号后自动排尿。根据相关文件和我们的测试经验,如果原型可以更小、更轻并具有良好的生物相容性材料,如聚四氟乙烯生产,我们认为这是可能的AMB植入动物体内,我们推断AMB可以实现自然体内膀胱的功能。经过动物实验的彻底验证，我们希望AMB在未来能够成为膀胱摘除患者的一个良好的临床选择。

1.介绍

膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤[1]。每年，超过7000例，估计在美国[尿流改道接受根治性膀胱切除（RC）2]。然而，患者不得不面对多种并发症[3.]和生活RC后生活质量不理想，因为这种创伤事件通常与身体形象，排尿和性功能，人际关系显著的变化，以及社会心理压力的结果[相关4]。

近一个世纪以来，泌尿生殖科技一直奉行其传统上与肠段做了一个理想的替代膀胱。“难道我们不再局限于肠道膀胱替代[5]?“然而，直到2019年，肠膀胱成形术仍是黄金标准[5- - - - - -7]。膀胱更换或扩展，而无需使用肠组织仍然是一个挑战，尽管在生物材料的制造中的进展和细胞疗法的发展[6]。

为了开发从肠道膀胱成形术新的解决方案不同，我们试图使人造膀胱的机电一体化（AMB）作为一种新的理想的膀胱替代品。在搜索文献的过程中，我们发现Rohrmann等。[8]提出了一种球形硅橡胶球胆（SRB）在1996年，其报告该SRB可以有效地收集尿通过创建通过手动压缩羊的腹的负压力和排出尿。它是在5羊植入和体内最少147天，最长的595天表现良好。从Rohrmann的报告中，我们得到了三个重要信息：（1）负压可以保证尿液充满膀胱（2）尿液可以通过手动压缩腹部收缩膀胱排出(3)反流问题是人工膀胱设计中必须考虑的问题

根据Rohrmann的报告，我们相信制造AMB是可能的，我们需要做的是让SRB能够通过使用适当的传感器来监测尿液量，并通过机械结构而不是手动压缩来自动排出尿液。

到目前为止，我们已经完成了AMB的整体设计，并在实验室中做出了原型。该样机已经实现了体外自然膀胱的功能。我们希望AMB可以实现在体内自然膀胱的功能，并且在未来，它可以为膀胱切除患者良好的临床选择。

2. AMB总体设计

从教学用书和相关论文[9,10，我们得到的信息是，天然膀胱的主要生理功能是储存和排尿。当尿液流入膀胱时，膀胱会放松;这有助于尿液流入膀胱，同时保持膀胱内压力稳定。当膀胱充满时，它会向大脑发送排尿信号，并通过膀胱平滑肌收缩排尿。此外，在排尿过程中，输尿管关闭防止尿液回流，尿道括约肌打开，让尿液排出。

根据以上的自然膀胱的特点，我们可以设计我们的AMB如下：（1）需要有一个储尿可扩展存储尿液和合同无效尿（2）在储尿要求，同时尿液流入它会自动扩大(3)当储尿是满的，AMB需要发出一个报警排尿和病人可以控制AMB到排尿(4)AMB需要瓣膜来防止尿液回流和尿失禁，如输尿管和尿道括约肌

因此，根据上述情况，我们设计AMB如图1显示;它由五个部分组成，分别是外衣部分、储尿器、可伸缩机械结构、控制系统和动力装置。

2.1。外套部分

外套部分应包括两个尿口，一个尿出口，一个硬壳，两个隔板，若干管道。尿液入口与两侧输尿管相连，尿液出口与尿道相连。刚性壳体用于保护内部构件不受内部环境的影响，使其稳定工作。

从相关文献[9,10], we got the information that the urinary bladder is able to store urine up to 500 ml in the normal adult. Theoretically, the full natural bladder could be considered as a sphere, and the diameter of a 500 ml sphere is about 100 mm, so we design the height and diameter of the rigid shell both fewer than 90 mm so that AMB could be small enough to be implanted in the pelvic cavity. The partition boards divide the inside of the shell into different workspaces in order to place different subassemblies of AMB. The pipes, as a path for urine to transport, connect different parts of AMB together inside the shell. According to relevant papers [8,11- - - - - -15]，我们更倾向于使用加长聚四氟乙烯(ePTFE)作为尿液进出口的理想材料，使用聚四氟乙烯(PTFE)作为刚性外壳。

2.2。储尿

如图2,the urinary reservoir is an expandable and contractable cylinder which maximum height is 70 mm and diameter is 80 mm. On the top of the urinary reservoir, there is a groove. The height of the groove is 10 mm, and its diameter is 70 mm.

从教学书和有关文件[16,17，我们得到的信息是，一个正常人的排尿量大约是300毫升。根据这些信息和刚体壳体的尺寸，我们设计了储尿池容量为300ml，高70mm，直径80mm，槽10mm。在一般情况下，本设计可以满足正常尿量的要求;同时，它具有外套部分和机械结构，足够小，可以植入盆腔。如图所示，当储尿池被排空时2shows, the groove will fill the inside space of the urinary reservoir, and the surplus inside space is an annulus cylinder which volume is theoretically less than 12 ml. So the urinary reservoir has very little residual urine when it is emptied. The urinary reservoir is the core mechanical part of our AMB; the mechanical structure and outerwear part are both designed based on its shape and size.

2.3。机械结构

机械结构设计开放;应满足以下条件:（1）机械结构是能够实现扩张和收缩的储尿功能（2）机械结构应足够小，以与其他相关组件放入刚性壳内

任何可用的机械结构，能满足这些条件就可以了。在我们看来，结构简单，效果更好。一个更简单的结构通常具有较小的尺寸和较轻的重量;小尺寸和重量轻是用于植入的必要条件。同时，应该满足机械结构能稳定实现其功能的长期或永久使用的要求。所以总结起来，机械结构的一个更好的设计是同时满足更小，更轻，并且可用于长期或永久使用这三个要求的设计。

我们目前的机械结构能够实现扩张和收缩的储尿功能，并且它可以被固定在刚性外壳内。我们的设计在显示部分3.;我们用一个步进电机来驱动的机械结构。

2.4。控制系统

控制系统用于控制从尿液流入AMB到尿液排出体外的整个AMB工作过程。控制系统包括尿液监测部分、两个电磁阀和一个电路板。

尿监视部用于监视当尿液流入到储尿和储尿是否被充满。The urine monitoring part includes a small soft balloon of 1-2 ml capacity, a liquid flow meter, and a photoelectric switch. To guarantee the urine monitoring part to realize its function, the small balloon must be soft enough to be passively filled by the pressure of the kidney and the ureter. When urine flows into the balloon, the liquid flow meter will sense the flow and send pulses to the circuit board. Once the urine fills the balloon, the circuit board will then automatically control the entrance valve to close and the stepping motor to rotate. The rotating stepping motor will drive the mechanical structure to take the urinary reservoir to expand; this will create a negative pressure to assist the urine to flow into the urinary reservoir from the small balloon. When the balloon barely has urine inside, the stepping motor stops rotating and the entrance valve opens again. This process repeats many times until urine is about to fill the urinary reservoir. When the urinary reservoir is about to be filled, it triggers the photoelectric switch to send a signal to the circuit board. The circuit board then will send an alarm signal to patients, and patients need to send back a urination signal to the circuit board. After receiving the urination signal, the circuit board will control the stepping motor to rotate reversely, the entrance valve closes to prevent reflux, and the exit valve opens like urethral sphincter. This time, the stepping motor drives the mechanical structure to take the urinary reservoir to contract to void urine. When the urinary reservoir is empty, the exit valve closes and the stepping motor stops rotating.

在我们的设计中，随时放电也被认为是。患者是否接受报警信号，就可以发送信号给控制AMB到放电时，他们想要的。该程序算法如下所示。

系统的初始状态为空。当尿液进入储液器时，电路板计算步进电机的旋转时间。步进电机每次旋转1秒。当电路板接收到随时放电信号时，控制步进电机在计数时间内反向旋转。例如，如果进入的旋转时间为20，即步进电机旋转20次，同时电路板收到放电随时信号，控制步进电机反向旋转20秒;步进电机的旋转会使机械结构回到原来的状态，即空的状态。

数字3.是该系统的工作流程图。

2.5。动力单元

在我们的设计中，电源单元由电池和无线充电系统组成。希望电池能为AMB提供至少48小时的电力，无线充电系统可以随时随地为电池充电。到目前为止，在实验室里，我们已经实现了通过两个天线无线充电电池。不过，有关文件[18]表示这个无线能量传送可能导致组织加热，因为电磁，组织是有损介电材料与介电常数和电导率描述属性;无线能量传输技术似乎仍然远离临床应用。因此，目前的技术条件下，它仍然似乎是一个更好的选择，把电池体外。

3.样机实现

在实验室中，我们已经做出了原型安博它由两个部分组成。其中一部分，是实现自然膀胱的功能，我们称之为主体。另一部分是控制和提供动力，我们称之为控制系统。

由于资金的限制，样机在实验室无法很好地实现整体设计。根据实际情况，我们将尿储液器和机械结构设计为图形4和5秀。储尿罐高度40毫米，直径80毫米，容积小于200毫升。螺杆穿过尿液储液器的孔。塑料板与尿液储液器固定。通过导螺杆步进电机的旋转带动塑料板沿导轨上下运动，使塑料板带动尿储液进行膨胀和收缩。

我们将主体设计为图形6和7秀。当储完全展开，光电开关触发信号发送到电路板和电路板会做出正确的报警声音告诉病人水库已满。主体的外壳具有用于在盆腔以固定AMB五个条。The diameter and height of the shell are both about 110 mm.

电路板设计如图所示8所示。芯片为pic18f4520。微芯片的引脚RA1用于控制常开电磁阀。RA2用于控制常闭电磁阀。RC1用于控制蜂鸣器。采用RC2和RA3控制步进电机，RC2输出脉冲，RA3控制旋转方向。用RB2接收液体流量计的脉冲。RB1用于接收远程信号。用RA0接收光电开关的信号。电路板的电压是24v。 The program work flow of the microchip is as Figure3.所示。

当尿液流入小气球时，液体流量计向微芯片发送脉冲信号，然后微芯片计算脉冲信号的数量。当数字等于200时(5时产生一个脉冲μ升尿液流过液体流量计），常开电磁阀将关闭，以防止尿液不断流入气囊和步进电机将旋转以使储存器扩大一点，这样在尿中的小气球将流入由于通过储存器的扩大产生的负压的贮存器。当小气球是空的，常开的电磁阀打开，尿再次流入气囊。这个过程重复许多次，直到贮存器触发光电开关以将信号发送到所述电路板，并且在电路板上的蜂鸣器此时发出警报。在听到报警，患者可将信号发送与遥控器的电路板和在所述电路板上的微芯片将控制常开电磁阀关闭以防止回流，控制常闭电磁阀，以像尿道括约肌打开，并控制步进电机转动成反比，使水库的合同，直到水库是空的。当贮存是空的，步进电机停止转动时，常闭电磁阀关闭，而常开型电磁阀打开。尿液开始对液体流量计再次流经入气球。

数字9展示了我们制作的原型主体的内部10显示了我们做原型的主体，图11显示了我们所做的电路板。

数字12展示了我们做的最终测试。对于正常成年人，中位尿生成率约为1.42 l /天[19] which indicates that the average speed of urine that flows into the urinary bladder is about 1 ml/min, so we use infusion apparatus to simulate urine that flows into the urinary bladder. During urination, the internal pressure of a natural bladder could reach 150 cm H₂Ø[20]，其被认为是强收缩性。For ease of calculation, we assume that the cross-sectional area of the urethra is 1 cm²显然比实际面积大。内部压力的转换表明，自然膀胱的收缩压力通常小于0.15 kgf。因为壳体是刚性的，所以也要考虑标准大气压。所以最后我们计算出AMB的排尿压力小于1.2 kgf。由于机械结构产生的推力大于1.5 kgf，所以理论上样机即使在体内也可以实现排尿功能。表格1示出了原型的测试结果。

4.讨论

抗反流阀显示在图10是的AMB原型非常重要的组件。我们测试的主体是第一次，我们发现影响了对方两个尿液入口。当不均衡的两个出入口的压力，回流发生在低压入口。这就是我们没有在我们最初的设计预期。因此，我们试图用在两个入口插入的抗反流阀，并成功地解决了回流问题。

肠膀胱成形术是目前膀胱置换的金标准[5- - - - - -7，但这种疗法往往伴随严重的并发症，如结石形成、尿漏和慢性感染[7]。此外，膀胱更换样组织工程与生物材料等主要研究方向也面临着许多挑战目前[7]。这项研究的目的是提供一个机电一体化方法作为膀胱替代的意图解决或避免这些问题，目前的方法和策略造成一个全新的战略。在所有我们搜索关于人造膀胱的文件，我们还没有发现关于机电一体化膀胱并无类似的研究论文或报告，所以我们认为我们的团队是第一个尝试开发膀胱替代AMB。

我们认为在我们的设计中有两个创新点。首先，我们使用了一个圆柱形的尿液储存器，而不是传统的球形储存器来储存尿液;这种设计的优点是圆柱形储层易于通过简单的机械结构进行膨胀和收缩，而球形储层则不那么容易。其次，我们发现没有任何论文或著作报道过任何方法来监测流入天然膀胱的尿液，所以我们发明了一种方法，使用一个小气球和一个液体流量计来解决这个问题。当小气球充满时，圆柱形储液器会膨胀，产生负压，使尿液从小气球流入储液器。当气球是空的，蓄水池将停止膨胀，尿液流进气球再次从输尿管。在这个设计中，储气罐的制造材料必须比气球的制造材料更硬，否则膨胀的储气罐会崩溃，无法产生负压使气球腾空。另外，在本次设计中，我们认为液体流量计作为传感器是非常合适的，因为它在监测尿液流量时不受身体姿势的影响。

我们的测试结果显示样机成功地实现了在体外自然膀胱的功能。它可以自动监测尿流并扩大储存器来存储尿液，当储存已满，可以发出报警排尿，并且其可以接收到远程控制信号后自动压缩贮存到空隙尿。但由于实际条件的限制，仍然原型和整体设计之间存在很大的差距。主要的问题是，步进电机，阀门，液体流量计是一个小又大又重的AMB。如果我们有更小更轻组件，原型的整个体积可以更小;在同一时间，在储尿的体积可能会更大。这将是更接近整体设计。

我们认为AMB的整体设计是一个很好的模型，可以实现自然膀胱的功能。该模型的关键部件是可伸缩的圆柱形储层和由小气球和液体流量计组成的监测部分。用于防止回流和尿失禁的阀门以及相关的机械结构和控制系统也是重要的组成部分。据有关文献[8,21] and our test experience, if the prototype could be smaller and lighter and manufactured with good biocompatibility materials such as PTFE, we think it is possible for AMB to be implanted in an animal’s body, and we deduce AMB could realize the functions of a natural urinary bladder in vivo. If AMB could realize the functions of a natural urinary bladder in vivo, we could even think about long-term or permanent clinical implantation.

五，结论

在本文中，我们完成了AMB的总体设计，并在实验室中制作了一个原型，该原型已经成功实现了自然膀胱的体外功能。当尿液流进它的时候，它可以扩展并实时储存尿液。尿满后发出排尿报警，收到遥控信号后自动排尿。基于此模型，如果我们对原型进行改进，我们认为更新后的AMB有可能植入动物体内，实现其体内功能。在经过动物实验的彻底验证后，我们希望AMB可以成为未来膀胱切除患者的一个良好的临床选择。

数据可用性

读者可以发送电子邮件到420725538@qq.com为原型的测试视频。

的利益冲突

作者宣称，有兴趣对此文件发表任何冲突。

致谢

本研究的资金由作者石平教授和通讯作者庞西宁教授提供。作者感谢所有参与这项研究的人。

补充材料

在这些3个文件，一个是产品小册子，一个是传感器的数据表，另一个是数据表的传感器电缆。传感器电缆的数据表提供了我们引入（在手稿中，我们使用“卷计数器”模式）和连接图的传感器模式。其他两个文件主要是关于传感器的介绍，如规范图表和专利技术。(补充材料)

参考

1. M. Babjuk, M. Burger, R. Zigeuner等人，“膀胱非肌肉浸润性尿路上皮癌指南:2013年更新，”欧洲泌尿学第64卷，no。4，第639-653页，2013。视图:出版商网站|谷歌学术
2. P. T. Gellhaus, C. Cary, H. Z. Kaimakliotis等，“根治性膀胱切除术后长期健康相关生活质量的结果，”泌尿科学卷。106，第82-86，2017年。视图:出版商网站|谷歌学术
3. B.埃文斯，J. E. Montie和S. M.吉尔伯特，“失禁或大陆尿流改道：如何做出正确的选择，”当前泌尿外科意见第20卷，no。5，第421-425页，2010。视图:出版商网站|谷歌学术
4. Y.黄，潘十，问：周某等人，“质量的生活结果之间未满足的需求回肠和原位回肠代膀胱术在中国人群膀胱根治性切除后：2：1的匹配，对分析”BMC泌尿外科第15卷第2期1, 2015年第117页。视图:出版商网站|谷歌学术
5. 钟士元，“膀胱组织工程：一个新的可行的解决方案？”柳叶刀卷。367，没有。9518，第1215至1216年，2006年。视图:出版商网站|谷歌学术
6. C. Gasanz，C.Raventós，和J.莫罗特，“组织工程的当前状态施加到膀胱重建在人类中，”ACTAS UrologicasEspañolas第42卷，no。2018年第435-441页。视图:出版商网站|谷歌学术
7. M.霍斯特D.埃拜尔利，R. Gobet和S.萨莱米，“小儿膀胱重建，成功之路组织工程”儿科前沿卷。7，P。91，2019。视图:出版商网站|谷歌学术
8. D. Rohrmann，D.阿尔布雷希，J. Hannappel，R. Gerlach的，G. Schwarzkopp和W. Lutzeyer，“异质更换膀胱，”泌尿外科杂志第156卷，no。1996年，第2094-2097页。视图:谷歌学术
9. C. H.鱼苗和B. Vahabi“在正常和异常的膀胱功能粘膜的作用，”基础与临床药理学与毒理学卷。119，第57-62，2016。视图:出版商网站|谷歌学术
10. 安吉松，“膀胱收缩和放松:生理学和病理生理学”，生理评测第84卷，no。3，第935-986页，2004。视图:出版商网站|谷歌学术
11. W.他，Z.胡，徐A.等人，“一个新的聚氨酯人工血管的制备和性能，”细胞生物化学与生物物理第66卷，no。3，第855-866，2013。视图:出版商网站|谷歌学术
12. C. Toth, Z. Klarik, F. Kiss, E. Toth, Z. Hargitai, N. Nemeth，“单侧植入聚四氟乙烯血管移植于比格犬股动脉术后早期血液学、红细胞聚集和凝血参数的变化”Acta Cirurgica Brasileira卷。29，没有。5，第320-327，2014。视图:出版商网站|谷歌学术
13. 陈志明，“人工血管移植物在肝脏外科静脉重建中的作用”。世界日报肿瘤外科第12卷，no。1，第113页，2014。视图:出版商网站|谷歌学术
14. S. Andonian，K. C.佐恩，S. PARASKEVAS和M. Anidjar，“在肾移植人工输尿管，”泌尿科学第66卷，no。5，第1109e9-1109e11页，2005。视图:出版商网站|谷歌学术
15. E. S. Sabanegh小，J.R。唐尼和A. L.西米，“长段输尿管置换膨体聚四氟乙烯移植物，”泌尿科学卷。48，没有。2，第312-316，1996。视图:出版商网站|谷歌学术
16. W. Y. Cho, S. C. Kim, S. O. Kim等人，“只能记录白天的排空量来预测膀胱容量吗?”调查和临床泌尿学第59卷，no。第194-199页，2018年。视图:出版商网站|谷歌学术
17. Y. Udo, M. Nakao, H. Honjo等，“24小时尿量、夜间尿量、夜间膀胱容量和睡眠时间长短对夜尿症的分析:有效治疗模式的概念，”国际现代泌尿外科杂志，第107卷，no。5，第791-798页，2011。视图:出版商网站|谷歌学术
18. k . n . Bocan和大肠Sejdić“适应性经皮的权力转移到植入式设备:一个国家的艺术评论,”传感器第16卷，no。3, 2016年第393页。视图:出版商网站|谷歌学术
19. C. Rose, a . Parker, B. Jefferson，和E. Cartmell，“粪便和尿液的特征:提供先进处理技术的文献综述，”环境科学和技术的评论第45卷，no。第17页，1827-1879,2015年。视图:出版商网站|谷歌学术
20. N.关户，“膀胱收缩和尿道阻力关系：什么是压力流的研究告诉我们什么？”国际泌尿学杂志卷。19，没有。3，第216-228，2012。视图:出版商网站|谷歌学术
21. B.佩尔蒂埃，S. Spiliopoulos，T菲诺基亚罗等人，“完全植入目的地疗法ReinHeart，全人工心脏的系统概述”欧洲心胸外科杂志卷。47，没有。1，第80-86，2015年。视图:出版商网站|谷歌学术

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