一种消化道动力检测方法和系统与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种消化道检测方法和系统。


背景技术：

2.消化道动力和人体生理病理有着密切的关系。现有技术消化道动力的检测手段主要基于放射性标记物的追踪，如美国专利申请号15881671所披露。由于放射性检查对生物是有损的，消化道动力的基础研究和临床应用亟需活体的无损检测方案。光、声、磁是常用的无损检测手段。3d摄像头以及带有磁定位的消化道视频胶囊机器人如奥林巴斯的endocapsule 10以及超声内窥镜已经得到商业性应用。胶囊机器人通常可以包括传感器、控制器和智能处理器。传感器以及至少部分控制器通常位于胶囊内，智能处理器通常位于体外的控制终端中。所述传感器、控制器和智能处理器通常由有线或无线通信链路连接。由于胶囊机器人的普遍商业性应用，本发明将该领域普通技术人员熟知的实现手段作为现有技术，不在以下

技术实现要素：
中加以累叙。
发明内容
3.本发明提供了第一种消化道动力检测系统，包括数据采集模块、系统控制和处理模块、胶囊。所述数据采集模块和所述系统控制和处理模块由有线或无线通信链路连接；所述数据采集模块被设置于所述胶囊内，用于获取消化道内壁的深度、形态和图像数据的一项或多项；所述系统控制和处理模块用于接收所述数据，并从所述数据中提取消化道的形态特征, 包括消化道的曲率、内径和容积的一项或多项，作为消化道动力评估的参数。
4.本发明提供了对应于上述系统的第一种消化道动力检测方法，包括以下步骤：获取消化道的形态特征，包括曲率、内径和容积的一项或多项，作为评估消化道动力的参数。
5.本发明提供了一种用于消化道检测的超声胶囊，包含至少一个超声测距探头对，用于同步双向获取消化道内壁对侧相关的深度和/或形态数据。
6.本发明提供了第二种消化道动力检测系统包括：系统控制和处理模块、磁驱动模块、胶囊；所述胶囊带有至少一个磁体，用于被所述磁驱动模块产生的磁场驱动使所述胶囊在消化道中运动；所述系统控制和处理模块获取所述运动的数据并根据所述数据和所述驱动磁力估计消化道动力。
7.本发明提供了对应于上述第二种消化道动力检测系统的第二种消化道动力检测方法，包括以下步骤：获取带有磁体的胶囊在磁场作用下在消化道中的运动数据；根据所述数据和所述磁场作用力估计消化道的动力。
8.附图说明：图1是胃部蠕动的示意图。
9.图2是超声胶囊的一个实施例及消化道内径计算的示意图。
10.图3是第一种消化道动力检测系统架构示意图。
11.图4是第一种消化道动力检测系统胶囊及数据获取模块的部分配置示意图。
12.图5是超声胶囊的结构示意图。
13.图6是第二种消化道动力检测系统架构示意图。
14.图7是第二种消化道动力检测系统的球体胶囊示意图。
15.图8是第二种消化道动力检测系统的椭球体胶囊示意图。
16.具体实现方案：以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，用于解释本发明，并不限定本发明。
17.消化道动力一般指在消化道肌肉的作用下，消化道收缩、舒张、蠕动的力量和频率，其作用是使食物产生运动和被传输，以便于被消化吸收和排空。消化道形态特征和消化道动力的关系，从直观看来，在消化道肌肉的作用下，消化道蠕动首先产生形变，包括消化道曲率的变化，和消化道的内径的变化；所述形变再将消化道肌肉的作用力传递给消化道内容物如食糜，使消化道内容物产生运动。其次，消化道和人体大多数其它组织一样，可以具有弹性的特性。熟知弹性物体的受力和该物体在受力作用下产生的形变成正比。因此，消化道内壁的形态的变化大小和消化道动力的大小有密切的相关性。特别的，如图1所示，消化道的内径和曲率的变化包括消化道曲面曲率的凸凹性的跳变的频率和胃肠蠕动的频率和强弱直接相关，由此可以根据所述内径和曲率的变化获取胃肠蠕动的频率和强度。另一方面，消化道蠕动的生理和病理在形态上也有显著的差别。比如当发生狭窄、扩张或梗阻时，正常的收缩和舒张的节律就会改变。对不同部位的消化道关注点的形态特征的数据和所述形态特征的变化的数据以及所述变化的频率的数据进行统计分析，就可以得到不同部位的消化道关注点的形态及动力的模型，作为评估消化道动力的参数。和曲率、内径一样，消化道形态特征还包括不同部位的消化道内腔容积在蠕动时的变化的数据，容积的变化反映了消化道蠕动力产生的排空量，和消化道肌肉所做的功，产生的能相关。
18.本发明提出的上述消化道动力参数，可以优选的通过先获取消化道内壁的深度、形态和图像数据的一项或多项，得到消化道内壁表面的曲面的数据；再提取形态特征。具体的，可以优选的将超声测距装置设置在胶囊中，胶囊在进入体内后，启动超声测距装置，获取胶囊到消化道内壁表面的距离，所述检测装置超声也可以采集从胶囊到消化道内壁多层组织结构的距离。超声测距主要使用的是时间差测距法。超声探头发射定向超声波，在发射时刻的同时开始计时，同一个超声探头在接收到反射波后停止计时。设超声波在介质中的传播速度v，计时器记录的发射和收到返回波的时间差 t，发射点到反射点的距离s，其表达公式为：s = v
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【1】设胶囊为一个球体，其球心位于消化道内任意一点，过所述任意一点沿任意一个方向到消化道的内壁上的一点的距离，与过该点沿反方向到消化道另一侧的内壁上的一点的距离之和，是对消化道形态的一个度量，在本发明中定义为消化道的一个方向腔径，同时包含了消化道内壁的一对深度数据。胶囊过任意点的方向腔径可以有多个。方向腔径是对消化道的形态的直接度量，消除了现有技术单向测量存在的由于胶囊在消化道中的运动产生的误差。进一步的，设两个探头至少在在测量时在胶囊中的相对位置是一定的，对应于胶囊任意一个位姿，所述位姿包括胶囊在消化道中的位置在体外的世界球面坐标系中的坐标，及胶囊内部的球面坐标系相对于体外的世界球面坐标
系的角度差，探头对的探头1以从探头2到探头1的方向α0测量从探头1到消化道一侧的第一距离，其实测方向为α1；探头2以探头1到探头2的方向-α0测量从探头2到消化道另一侧的第二距离，其实测方向为α2；所述第一距离、第二距离和两个探头之间的第三距离之和为胶囊在上述任意一个位姿得到的、对应于上述位姿的方向腔径。由于胶囊及探头的设计或实际制作的误差，可以设置一个测量方向的误差阈值。
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【3】其中t
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。
20.采样的间隔决定了深度图或点云，以及消化道内壁的曲面的空间分辨率，符合奈奎斯特定律的关系。可以优选的将多个超声测距探头设置在胶囊内，构成包括机械、电路和控制软件结构的超声测距探头阵列平台，探头可以位于一个中心对称体包括球体的外表面上，所述中心对称体的外表面包括胶囊的壳体，用于各向同性地获取多方位的深度和/或形态数据。显然，探头阵列越密集，采样点就越多，相应的成本和电路的功耗也越高。或者可以在稀疏探头阵列的平台上设置平台机械旋转装置，系统在一次采样以后，操控平台旋转一个角度，再进行下一次采样。所述平台在实现一次度量时，可以优选的实现如下特征，第一，多个探头位于一个中心对称体包括球体的外表面上，用于各向同性地获取多方位的深度和/或形态数据。第二，任意一个探头对的两个探头的测距方向相反；且任意一个探头对的两个探头的测距是同步的，两个探头得到的数据是相关的；第三，多个探头测距是同时的，或是同步的并且有时间间隔的，其中，由时间间隔产生的附加测量误差可以优选的小于单个探头的测量误差。由于胶囊一直随着消化道蠕动而运动。可以对多次采样得到的深度或形态进行匹配、注册和融合。
21.除了超声测距装置外，还可以采用基于红外或可见光传感器的3d摄像头获取全景深度图或点云。
22.胶囊随着消化道的蠕动在消化道中的运动是被动的，随机的，最终被排出体外。本发明的一个优选的实施，可以采用磁控设备产生磁场驱动带有磁体的胶囊在消化道中运动到，或滞留在一个或多个关注部位，实现定点检测。
23.图2 是含有探头对的超声胶囊的一个实施例。所述探头对包括探头1和探头2，用于双向获取消化道内壁相关对侧的深度和/或形态数据。当胶囊球体进入受检者体内后可以先到达 pa 的位置。位于胶囊外侧的探头1沿以pa为坐标原点的球面坐标系的任意一个方向(θ，φ)获取到胃壁上一点的距离由|a210，a21|表示；同时，位于胶囊对侧的另一个传感器探头2沿所述任意一个方向的反方向(-θ，-φ)获取到胃壁上一点另一点的距离由|a200，a20|表示。距离|a210，a21| |a200，a20| |a200，a210|就是过点pa 的一个方向腔径 d。其中a200 和a210 分别是两个超声探头的坐标。坐标（θ，φ，|a210，a21| 1/2*|a200，a210|）和（-θ，-φ，|a200，a20| 1/2*|a200，a210|）就是以胶囊中心位于 pa 点得到的一对深度数据。胶囊在pa点采集到的胃壁的所有点的深度数据的集合，就是在点pa 的深度图。可以将不同点包括比如pb, pc
ꢀ……
得到的深度图进行匹配融合成一个深度图，再将深度图转变成点云，也可以将每一个深度图转换成点云，再对点云进行匹配和融合。深度图和点云的融合，可以优选的参照胶囊的位姿数据。本发明优选的采用磁定位系统来获取胶囊的位姿。磁定位的实现，包括第一种定位方式，系统控制和处理模块
获取设置于体外的磁场传感器接收胶囊内设的磁体产生的磁场信号的数据，再采用定位算法处理所述数据得到获取胶囊的位姿；以及第二种定位方式，胶囊内的磁传感器获取设置于体外的定位磁体的磁场信号的数据，再将所述数据无线传送给系统控制和处理模块，系统控制和处理模块采用定位算法处理所述数据得到胶囊的位姿。系统控制和处理模块可以根据需要在上述两种定位方式之间进行切换。对上述位姿数据的时间序列进行处理，可以得到胶囊的运动数据包括位置、位移（包括选择角度）、和速度（包括角速度）、加速度（包括角加速度）和频率特性。胶囊的位姿定位，不仅可以用于数据的融合，得到消化道的全景，还可以用于获取体内消化道部位相对于体表的位置，比如检测胶囊处于幽门处的位置，作为对胃下垂的一个检测手段。
24.点云可以看成是消化道内壁曲面的一个采样。稀疏的点云可以通过曲面拟合来进行平滑和去噪来获取曲面数据。胶囊随着消化道的蠕动可以累积得到整个消化道的内壁表面的曲面数据。由于人体各个不同消化道部位有着独特的形态特征以及对应关系，系统控制和处理模块或胶囊的检测程序可以对采集的消化道数据进行消化道部位的形态特征识别。当需要对某一个特定关注部位进行检测时，比如图2中的pc点，如果当前胶囊的位置在pa 点，可以启动磁控装置，驱动胶囊从pa到pc 点。当磁定位装置确认胶囊已经到达pc点后，系统控制和处理模块或胶囊的检测程序启动胶囊的超声测距装置开始采集数据。进一步的，系统控制和处理模块或胶囊的检测程序将通过磁定位采集到的胶囊的当前位姿信息和从胶囊采集的消化道内壁的数据中提取的部位特征进行匹配，以确保定位的准确。为了尽量减少测试对周围生理环境的扰动，可以采用比如小体积、和食糜等密度的胶囊设计。在无干预的测试时，磁控设备的驱动力可以处于清零状态。在有干预的测试时，可以施加特定的干预力，以维持胶囊滞留在关注点周围，或对胶囊的运动进行拮抗干涉，以测量消化道的动力。作为一个实施例，可以在比如靠近幽门处的pc点对胶囊进行观察。磁控设备可对带有磁体的胶囊的运动施加干涉磁场，当磁场力达到第一个阈值时，胶囊的排空时间可见增加；当磁场力达到第二个阈值时，胶囊不能被排空。可以根据磁场作用力的大小和方向、胶囊的排空时间、胶囊的物理特性、胃内容物的物理特性估计胶囊所受到的蠕动力。系统控制和处理模块或胶囊的检测程序在获取了胶囊采集的时间序列的消化道内壁的深度和/或形态数据后，可以先将所述数据转换成点云，再进行曲面拟合。形态特征的提取，可以直接基于原始的深度和/或形态数据，或拟合后曲面的数据。由于消化道的主要功能是围绕着食物的运动，可以把食物的运动方向作为消化道的主轴方向或主通道方向。过消化道内任意一个关注部位与所述主轴垂直的多个方向腔径的一个统计平均值可以设定为消化道在该关注部位的主要方向腔径或内径。根据曲面的数据和消化道的解剖学形态特征，可以估计出消化道内各点的主通道方向。曲面曲率的计算，是微分几何的一个经典课题，有大量的算法可选。可以对消化道内壁曲面的数据，或在将消化道内壁曲面进行下采样后得到的数据进行偏导数的计算。不同的部位可以有不同的曲率半径特征，不同空间频率的曲面数据的曲率对应于不同的曲率半径。容积的计算，可以沿主通道方向选取一个长度可调的线段（l1，l2）作为高度，其中，l1、l2 为端点的坐标。过l1，l2 分别做主通道方向的垂面s1 和 s2。平面s1、s2 和消化道内壁的曲面数据包围的一个闭合体可以看作pc 点处的一个容积，其计算可采用积分的数值解法。胶囊的运动数据包括位移、速度、频率可以通过磁定位装置得到。上述消化道形态特征的变化率以及变化幅度可以从时间序列的所述特征数据中提取，其中
从形态特征的变化得到的频率特性可以和从磁定位得到的胶囊运动的频率特性作相关匹配。不同的食物或药物可以影响消化道动力，上述的检测可以在如清水、淀粉、酒水的食物环境下进行。
25.如图3、4所示，本发明上述第一种消化道动力检测系统，包括数据采集模块、系统控制和处理模块、胶囊。所述数据采集模块和所述系统控制和处理模块由有线或无线通信链路连接；所述系统控制和处理模块可以位于体外的控制终端或上位机中，或者是分布的，即部分功能在体外的控制终端或上位机中完成，部分功能在胶囊中完成。所述系统控制和处理模块含有至少一个处理器，至少一个固态存储介质，所述固态存储介质含有可供所述至少一个处理器读取的指令和参数，用于运行消化道动力检测程序协调各个模块的工作。所述数据采集模块被设置于所述胶囊内，用于获取消化道内壁的深度、形态和图像数据的一项或多项；所述系统控制和处理模块用于从数据采集模块接收所述深度、形态和图像数据的一项或多项，对所述数据进行处理，提取消化道的形态特征, 包括消化道的曲率、内径和容积的一项或多项，作为消化道动力评估的参数；其中，所述内径和曲率的变化包括消化道曲面曲率的凸凹性的跳变的频率和胃肠蠕动的频率和强弱直接相关，所述系统可以根据所述内径和曲率的变化获取胃肠蠕动的频率和强度。所述系统还包括一个磁定位模块，包括在所述胶囊内还设置有至少一个磁体或第一磁传感器；由设置于消化道外的磁传感器接收所述至少一个磁体产生的磁场信号, 或者所述第一磁传感器接受设置于消化道外的磁体的磁场信号，以获取所述胶囊的位姿数据。所述系统还包括一个磁驱动模块，包括一个体外的磁控设备和胶囊内的磁体，用于产生磁场驱动胶囊在消化道中运动到，或滞留在一个或多个关注部位，实现定点检测。所述系统控制和处理模块对采集的消化道数据进行消化道部位的形态特征识别，以确定胶囊所在的部位。参照所述胶囊的位姿数据对多幅深度图或点云进行融合，对点云进行拟合得到曲面数据。所述数据采集模块包括超声测距装置或摄像头。所述超声测距装置包含至少一个超声测距探头对，用于同步双向获取消化道内壁相关对侧的深度和/或形态数据。对应于胶囊的任意一个位姿，探头对的探头1以从探头2到探头1的方向α0测量从探头1到消化道一侧的第一距离，其实测方向为α1；探头2以探头1到探头2的方向-α0测量从探头2到消化道另一侧的第二距离，其实测方向为α2；所述第一距离、第二距离和两个探头之间的第三距离之和为胶囊在上述任意一个位姿得到的、对应于上述位姿的方向腔径。其中|α
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；|α
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26.所述超声测距装置还可以获取消化道内任意一个关注部位的位置的数据，驱动胶囊到所述关注部位，获取过所述关注部位的主通道方向，获取过与所述主通道方向垂直的多个方向腔径的平均值作为所述关注部位的消化道的主要方向腔径或内径。当探头对的数目大于一时，或同时采用多个单向测距的超声探头时，探头被设置在一个中心对称体包括球体的外表面上，所述中心对称体的外表面包括胶囊的壳体,用于各向同性地获取多方位的包括全景的深度和/或形态数据。
27.本发明上述第一种消化道动力检测方法，包括以下步骤：获取消化道的形态特征，包括曲率、内径和容积的一项或多项，作为评估消化道动力的参数。所述获取消化道的形态特征包括以下步骤:获取消化道内壁的深度、形态和图像数据的一项或多项，从所述数据中
提取所述形态特征；或者获取消化道内壁的曲面数据，从所述曲面数据中提取所述形态特征；根据内径和曲率的变化包括消化道曲面曲率的凸凹性的跳变的频率获取胃肠蠕动的频率和强度。所述获取消化道的内径包括以下步骤：获取消化道的一个关注部位；获取所述关注部位的主通道方向，所述主通道方向为食物的排空方向；获取与所述主通道方向垂直的多个方向腔径的平均值作为所述消化道在所述关注部位的内径；其中，获取任意一个方向腔径包括以下步骤：s1:获取从一个超声探头对中的第一探头沿第一方向到消化道内壁一侧的第一距离；s2:获取从所述一个超声探头对中的第二探头沿与第一方向相反的方向到消化道内壁另一侧的第二距离；s3:计算并获取所述第一、第二距离及所述第一、第二探头之间的第三距离之和。
28.所述获取消化道的容积包括以下步骤：获取一个关注部位；获取所述关注部位的消化道内壁的曲面数据；获取所述关注部位的主通道方向，所述主通道方向为食物的排空方向；获取沿所述主通道方向的一个线段（l1，l2），其中，l1、l2为所述线段的端点的坐标；分别获取过l1，l2与所述主通道方向的垂面s1和s2；计算并获取所述平面s1、s2和所述内壁曲面包围的一个闭合体的容积。
29.如图5所示，本发明上述一种用于消化道检测的超声胶囊包含至少一个超声测距探头对，用于双向同步获取消化道内壁相关对侧的深度和/或形态数据。所述超声测距探头对包括探头1和探头2，对应于胶囊的任意一个位姿，探头1用于以从探头2到探头1的方向α0获取从探头1到消化道一侧的第一距离，得到实测方向α1；探头2用于以探头1到探头2的方向-α0获取从探头2到消化道另一侧的第二距离，得到实测方向α2；获取第一距离、第二距离和两个探头之间的第三距离之和作为胶囊为消化道内径的一个度量；其中|α
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；|α2 α0|《t
α
；其中t
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30.当探头对的数目大于一时，或同时采用多个单向测距的超声探头时，可以将探头设置在一个中心对称体包括球体的外表面上，所述中心对称体的外表面包括胶囊的壳体,用于各向同性地获取多方位的深度或形态的数据。所述胶囊含有至少一个处理器，至少一个固态存储介质，所述至少一个固态存储介质含有可供所述至少一个处理器读取的指令和参数，用于运行消化道检测程序。所述胶囊可作为上述第一种消化道动力检测系统的一个组件，通过无线传送控制数据和采集的消化道数据，也可以作为一个独立的装置，其采集的消化道数据保存在胶囊内的存储介质中，在排出体外后再进行收集处理。所述胶囊内还设置有第一磁体或第一磁传感器；由设置于消化道外的第二磁传感器接收所述第一磁体产生的磁场信号,或者所述第一磁传感器接受设置于消化道外的第二磁体的磁场信号，以获取所述胶囊的位姿数据。胶囊的至少一个处理器对采集的消化道数据进行消化道部位的形态特征识别，以确定胶囊所在的部位。进一步的，获取消化道内一个关注部位的位置的数据，
驱动胶囊到所述关注部位，获取过所述关注部位的主通道方向，获取过所述关注部位与所述主通道方向垂直的多个方向腔径的平均值作为所述关注部位的消化道的主要方向腔径或内径。进一步的，参照所述胶囊的位姿数据对多幅深度图或点云进行融合，对点云进行拟合得到曲面数据，提取消化道的形态特征, 包括消化道的曲率、内径和容积的一项或多项，作为消化道动力评估的参数。其中，由于所述内径和曲率的变化包括消化道曲面曲率的凸凹性的跳变的频率和胃肠蠕动的频率和强弱直接相关，可以根据所述内径和曲率的变化获取胃肠蠕动的频率和强度。采用一个体外的磁控设备产生磁场驱动胶囊内的磁体使胶囊在消化道中运动到，或滞留在一个或多个关注部位，实现定点检测。
31.如图6、7、8所示，本发明上述第二种消化道动力检测系统包括：系统控制和处理模块、磁驱动模块、胶囊；所述系统控制和处理模块、磁驱动模块、胶囊由通讯链路连接；所述系统控制和处理模块可以位于体外的控制终端或上位机中。所述系统控制和处理模块含有至少一个处理器，至少一个固态存储介质，所述固态存储介质含有可供所述至少一个处理器读取的指令和参数，用于运行消化道动力检测程序协调各个模块的工作。所述胶囊带有至少一个驱动磁体，用于被所述磁驱动模块产生的磁场驱动使所述胶囊在消化道中运动；所述系统控制和处理模块获取所述运动的数据并根据所述数据和所述驱动磁力估计消化道动力。所述系统还包括一个磁定位模块。所述系统控制和处理模块包括通过磁定位获取胶囊的位姿数据，并提取胶囊的运动数据，包括位置、位移（包括旋转角度）、和速度（包括角速度）、加速度（包括角加速度）和频率特性。所述胶囊内还可以带有至少一个定位磁体和至少一个磁传感器。上述定位磁体可以和驱动磁体是同一个或不同的磁体。所述磁定位模块的第一种定位方式由设置于体外的第二磁传感器接收所述至少一个定位磁体的磁场信号得到第一位姿数据；所述磁定位模块的第二种定位方式包括由所述至少一个磁传感器接受设置于体外的定位磁体的磁场信号得到第二位姿数据。所述系统控制和处理模块可以根据需要切换上述两种定位方式；包括采用第一种定位方式获取胶囊在消化道动力作用下的位姿及运动数据，采用第二种定位方式获取胶囊在消化道动力和驱动磁力共同作用下的第二位姿和运动数据。所述胶囊的壳体可以优选外形光滑且不带棱角，包括球体或椭球体。
32.上述第二种消化道动力检测方法，包括以下步骤：获取带有磁体的胶囊在磁场作用下在消化道中的运动数据；所述运动数据包括所述胶囊的包括位置、位移（包括旋转角度）、和速度（包括角速度）、加速度（包括角加速度）和频率特性。根据所述运动数据和磁场作用力估计消化道的动力。上述方法还包括采样磁定位来获取胶囊的位姿数据；根据所述位姿数据得到胶囊的运动数据。上述方法还包括以下实现步骤：获取消化道内任意一个关注部位的位置的数据；驱动胶囊到所述关注部位；获取所述胶囊在一个关注部位的在消化道动力作用下的第一排空时间；获取所述胶囊在驱动磁力作用下在所述一个关注部位的第二排空时间；根据所述第一和第二排空时间和所述驱动磁力估计所述一个关注部位的消化道动力。上述方法还包括以下实现步骤：获取所述胶囊在一个关注部位的在消化道动力作用下的运动数据；产生一个对胶囊运动的干涉磁场，所述干涉磁场使所述胶囊滞留在所述关注部位；根据磁场作用力的大小和方向估计消化道动力。