消化系统疾病是临床上的常见病和多发病,在消化科门诊中功能性胃肠病占有相当大的比例。在医学界,医生多注重胃肠道器质性疾病的研究而忽视功能性胃肠病的研究,其主要原因是传统胃肠道生理参数检测设备只能获取非正常生理状态下部分胃肠道生理参数数据,而且这些生理参数数据的可信度较低。以致到现在,人们还没能完全了解和掌握胃肠道的运动特点及其变化规律,更没有评价胃肠道功能的有效方法。微型电子胶囊的问世虽然解决了获取正常生理状态下胃肠道生理参数的难题,但是现有微型电子胶囊产品的在体工作时间较短,不能满足一些受试者全消化道检测的要求。本文以上海市科委项目(09DZ1907400)、国家自然科学基金项目(31170968)和载人航天领域预先研究项目(010203)为依托,研制了胃肠道多参数无创检测系统。该系统可以在正常生理状态下对人体胃肠道的多个生理参数进行检测,其中微型电子胶囊的设计是基于自主研发的专用集成电路芯片,该芯片的应用不但提高了系统稳定性、可靠性,而且还大大降低了系统的整体功耗。在此基础上,开展了胃肠道运动功能的研究,分析了胃肠道蠕动压力信号的运动特点并提出了评价胃肠道运动状态的方法。本研究力求对正常生理状态下胃肠生理参数的获取,生理信号的降噪,不同胃肠道疾病参数数据的分析以及胃肠道运动状态的评估方法等研究起到进一步的推动作用。本文开展了如下几个方面的研究:研制了胃肠道多参数无创检测系统,该系统由微型电子胶囊、便携式数据记录仪和数据处理工作站组成。基于胃肠道生理信号的特点,开发了具有自主知识产权的专用集成电路芯片,该芯片集成了模拟开关、信号放大器、模数转换器、时钟系统、参考电压源等模块。以专用集成电路芯片为核心设计的微型电子胶囊系统,不但降低了系统的功耗,还大大提升了系统的可靠性。为进一步提高微型电子胶囊中自封装压力传感器的稳定性,对自封装压力传感器模块进行了优化设计,通过建模仿真和测试结果证实了优化后的结构可以有效地提升自封装压力传感器模块的稳定性。研究了胃肠道生理参数数据的降噪和信号提取方法。通过对胃肠道压力信号的分析,提出了胃肠道压力信号中不同信号成分的划分方法。根据胃肠道压力信号的特点,研究了基于小波分析的降噪方法。相对于传统滤波器滤波,小波降噪可以更好地消除生理信号中的噪声干扰。利用小波多尺度分析的方法,提取出了胃肠道蠕动压力信号,该信号可以真实地反映出胃肠道的收缩与舒张运动状态。人体消化系统的运动具有非线性系统的一些特征,因此对人体胃肠道生理信号进行了非线性分析。本文主要从系统复杂度的角度分析解释了健康受试者和胃肠道功能异常患者结肠压力信号的差异。对于人体胃肠道压力信号复杂度的计算采用了多种计算分析方法,包括多重分形谱、近似熵、C0复杂度和L-Z复杂度。根据计算结果分析了不同算法对于结肠蠕动压力信号的适用性,对比分析了不同受试者结直肠压力信号L-Z复杂度的差异性。研究了基于胃肠道压力信号特征参数的聚类分析方法。首先提取了反映胃肠道运动状态的特征参数,再利用模糊c均值聚类算法对特征参数进行聚类分析。为避免模糊c均值聚类算法陷入局部最优解,本文先利用蚁群聚类算法的全局搜索特性求解样本数据的聚类中心,再将获得的聚类中心坐标作为模糊c均值聚类算法的初始聚类中心,经过迭代便可以得到新的聚类中心坐标。基于该方法对健康受试者和慢传输型便秘患者结肠运动特征参数进行了聚类分析,聚类结果表明相同类型受试者的结肠运动具有相似性。本文又以肠道蠕动压力信号的复杂度为特征值,对不同类型受试者的结直肠运动特性进行了聚类分析。该方法不但可以评价受试者的肠道健康状况,同时还可以判别功能性便秘患者属于哪种功能性便秘亚型,该方法的提出对功能性便秘的临床诊断具有重要的意义。尽管本文提出了一些判别胃肠道运动功能正常与否的方法,但是由于受到临床样本数的制约,这些方法还有待更多样本数据的验证。本文最后归纳了研究所取得的成果,并根据研究中所遇到的问题,提出了下一步研究的方向。