魏 良，李永勤，陳碧華

第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶市，400038

自動(dòng)尿量監(jiān)測儀的研制

【作 者】魏 良，李永勤，陳碧華

第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶市，400038

針對(duì)目前臨床上依賴人工測量尿量的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)尿量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由流量傳感器、MSP430f149單片機(jī)、人機(jī)交互模塊、液晶模塊、時(shí)鐘模塊以及存儲(chǔ)模塊等組成。尿液經(jīng)導(dǎo)尿管流過流量傳感器時(shí)，尿量信號(hào)被單片機(jī)捕獲，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，配合時(shí)鐘模塊，將當(dāng)前時(shí)刻的尿量顯示在液晶屏上，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以供查詢。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好，滿足臨床尿量監(jiān)測要求。

尿量；自動(dòng)監(jiān)測；流量傳感器；單片機(jī)

尿量是監(jiān)測患者多種指標(biāo)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是反映腎臟血流灌注水平的最直接最敏感的生理指標(biāo)。特別是對(duì)于休克、心臟手術(shù)、大面積燒傷及腎功能不全等病人，每小時(shí)尿量的監(jiān)測非常重要，它能夠及時(shí)反映人體有效循環(huán)血量及腎臟功能[1]。目前，臨床上大多采用一次性儲(chǔ)尿袋來收集并測量尿量，測量結(jié)果由人工目測尿袋刻度獲得，存在著實(shí)際尿量與測得尿量的嚴(yán)重不符、誤差較大的問題，不能客觀真實(shí)地顯示尿量，因而也影響了病情的估計(jì)與治療。而現(xiàn)有的國外自動(dòng)尿量監(jiān)測儀產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，難以推廣。因此，需要探索一種低成本，可實(shí)時(shí)精確測量尿量的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)尿量監(jiān)測儀系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由流量傳感器、MSP430F149單片機(jī)、人機(jī)交互模塊、液晶模塊、時(shí)鐘模塊以及存儲(chǔ)模塊等組成。其工作流程如下：尿液流過流量傳感器，流量信號(hào)經(jīng)過采集電路被單片機(jī)捕獲，時(shí)鐘模塊給出當(dāng)前時(shí)間，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以及時(shí)間實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以供后續(xù)的查詢。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The system principle block diagram

2 流量傳感器的設(shè)計(jì)

如圖2所示為本流量傳感器結(jié)構(gòu)圖。流量的測量采用液滴計(jì)數(shù)和連續(xù)測量相結(jié)合的方式，以實(shí)現(xiàn)不同情況下（少量、大量、超大量）尿量的測量。液滴計(jì)數(shù)及連續(xù)測量分別采用紅外光電計(jì)數(shù)器和霍爾流量傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)病人尿量較少時(shí)，霍爾流量傳感器不工作，尿量通過紅外光電液滴計(jì)數(shù)的方式測量；當(dāng)病人尿量很大時(shí)，霍爾流量傳感器工作，尿量測量由二者共同完成。這樣既保證了測量的準(zhǔn)確度，又保證了測量的實(shí)時(shí)性。

圖2 尿流量傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the urine fl ow sensor

2.1 紅外光電計(jì)數(shù)器

紅外光電計(jì)數(shù)器采用一對(duì)紅外光電對(duì)管，發(fā)射管發(fā)射紅外光，接收管接收紅外光，流過接收管的電流與其接收到的紅外光成正比，通過電阻后形成與接收光量成比例的電壓信號(hào)，并與比較器另一端的參考電壓進(jìn)行比較，形成高低電平[2]。當(dāng)尿滴通過光路時(shí)，接收端發(fā)生電壓變化，光信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)被單片機(jī)捕獲。

2.2 霍爾流量傳感器

霍爾流量傳感器的工作原理是霍爾元件的霍爾效應(yīng)：在霍爾元件上通以與磁場方向正交的直流電流，當(dāng)流體通過渦流推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使霍爾元件輸出與流體流速相關(guān)的脈沖信號(hào)[3]，即脈沖數(shù)與尿量大小成正比。本文采用OKD-HZ/W41C（插管式）型霍爾流量傳感器，最小測量流量大小為0.15 L/min。

3 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)尿量信號(hào)的捕獲、實(shí)時(shí)時(shí)鐘的獲取、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，以及人機(jī)交互等功能[4]。

3.1 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊是重要的輔助模塊，自動(dòng)尿量監(jiān)測儀需要記錄病人某一時(shí)刻的尿量，因此需要實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用美國DALLAS公司推出的專用時(shí)鐘芯片DS1302來實(shí)現(xiàn)，其雙電源供電（主電源和備用電源）模式，可通過軟件設(shè)置備用電源充電方式，這樣在下次開機(jī)時(shí)仍然可以確保獲取當(dāng)前準(zhǔn)確的時(shí)間。

3.2 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊采用EEPROM及SD卡兩種存儲(chǔ)方式，EEPROM存儲(chǔ)器集成在系統(tǒng)內(nèi)部，SD卡可插拔，這樣在無SD卡的情況下，仍然不會(huì)影響數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢。

(1) EEPROM存儲(chǔ)

EEPROM存儲(chǔ)器使用AT24C16存儲(chǔ)芯片，AT24C16 是低工作電壓的16KB串行電可擦除只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)部組織為2 048 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8 位。AT24C16通過IIC總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，高達(dá)100萬次數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存長達(dá)100年。本設(shè)計(jì)中，每隔10分鐘存儲(chǔ)一次實(shí)時(shí)尿量數(shù)據(jù)，該存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)超過48小時(shí)的單個(gè)病人尿量數(shù)據(jù)。

(2) SD卡存儲(chǔ)

SD卡因其體積小、記憶容量高、數(shù)據(jù)傳輸率快、移動(dòng)靈活性大和安全性好等特點(diǎn)成為小型化智能醫(yī)療儀器的理想存儲(chǔ)介質(zhì)。本設(shè)計(jì)中，通過MSP430F149的P3.0-P3.3口以SPI總線接口方式對(duì)SD卡進(jìn)行通信[5]。同時(shí)，為便于存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)，采用簡化的FAT文件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)新建目錄/文件，刪除目錄/文件等基本的文件系統(tǒng)操作功能。

3.3 液晶模塊

液晶顯示屏提供了一個(gè)人機(jī)交互界面。通過液晶顯示屏可以選擇病人類型、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、測量間隔期、報(bào)警值，并可以查詢歷史尿量，顯示尿量曲線。液晶控制芯片選用ILI9320，具有5.6英寸顯示面積，圖3所示為液晶總尿量顯示界面。

圖3 總尿量顯示界面Fig.3 The display interface of the total urine volume

3.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本環(huán)境中進(jìn)行編寫與調(diào)試的。軟件系統(tǒng)由尿液測量程序和基于液晶的GUI界面設(shè)計(jì)[6]兩大部分組成。其中，系統(tǒng)軟件流程如圖4所示，主要包括：系統(tǒng)初始化（系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、時(shí)鐘模塊初始化、存儲(chǔ)模塊初始化）、參數(shù)設(shè)置（選擇病人類型，設(shè)置間隔期、時(shí)鐘以及報(bào)警值）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢等功能。液晶的GUI界面設(shè)計(jì)主要包括病人類型選擇界面、參數(shù)設(shè)置界面、總尿量顯示界面、尿流率顯示界面以及若干查詢界面。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The fl ow chart of system software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)之前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定每滴液體的大小以及霍爾流量傳感器脈沖數(shù)與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本設(shè)計(jì)中傳感器的標(biāo)定使用水作為標(biāo)定的液體。標(biāo)定時(shí)，用量筒依次量取指定體積的水，讓水在重力作用下分別通過兩個(gè)傳感器，記錄數(shù)據(jù)，擬合曲線，獲取與尿液體積和尿流速的相關(guān)系數(shù)。設(shè)計(jì)的流量傳感器標(biāo)定結(jié)果為：每滴液體體積為0.094 5 mL，霍爾流量傳感器脈沖數(shù)與流量的關(guān)系為：Q=0.294 5×N，其中Q為流量，N為脈沖數(shù)。

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)采用與獲取相關(guān)系數(shù)實(shí)驗(yàn)相同的方法進(jìn)行，將量筒讀數(shù)分別與單獨(dú)使用紅外光電液滴傳感器和霍爾流量傳感器測得的系統(tǒng)測量值比較，對(duì)儀器性能進(jìn)行驗(yàn)證。僅使用液滴傳感器時(shí)，即模擬在尿速較低的情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示。從測量誤差上可以看到，測量誤差均小于5%，有的情況下可小于1%，表明在尿速較為緩慢時(shí)（臨床調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)絕大部分尿量監(jiān)測屬于此類情況），測量是很精確的。表1 模擬低流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 模擬低流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data at low fl ow volume

考慮流量較大的情況下，模擬試驗(yàn)中，通過控制出水口處的流量開關(guān)來控制水流的大小，測量的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模擬一次測量中有尿量大的情況數(shù)據(jù)表Tab.2 The experimental data at high fl ow volume

可以發(fā)現(xiàn)，大于300 mL的情況下誤差都維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平（＜5%），而在小于300 mL時(shí)，隨著尿量的增多，誤差也趨向于減小，表明連續(xù)流量傳感器使用在尿量較大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的測量更為準(zhǔn)確，這與本文的設(shè)計(jì)初衷是符合的。而在小流量時(shí)，僅使用液滴傳感器即符合要求。

4.2 臨床實(shí)驗(yàn)

表3 臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Clinical test data

臨床實(shí)驗(yàn)選取一位右下肢撕脫傷，行創(chuàng)面持續(xù)負(fù)壓引流的病人連續(xù)測量其兩個(gè)小時(shí)尿量，分別記錄儀器及尿袋內(nèi)每十分鐘的尿量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照如表3所示：

從誤差上可以看到，儀器測量誤差均小于5%，完全符合臨床要求[7]。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)利用低功耗單片機(jī)MSP430配合時(shí)鐘模塊、液晶模塊等實(shí)時(shí)監(jiān)測尿量，同時(shí)可長時(shí)間、連續(xù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上，實(shí)現(xiàn)了尿量自動(dòng)監(jiān)測的功能。設(shè)計(jì)中的流量傳感器采用液滴計(jì)數(shù)和連續(xù)測量相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了不同情況下（少量，大量，超大量）尿量的測量。系統(tǒng)功能完善，結(jié)構(gòu)緊湊，測量準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好，滿足臨床要求。

[1] 張春桂, 許敏昭, 李培珍. 新型尿量監(jiān)測裝置的研制與應(yīng)用[J]. 廣西醫(yī)學(xué), 2009, 31(7): 950-951.

[2] 馬劍鋒, 王麗, 馬絮飛. 生理液滴紅外光電自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2006, 23(5): 53-55.

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[4] 張海峰, 任愛鋒, 仝欣, 等. 基于MSP430的心電采集系統(tǒng)[J]. 電子科技, 2011, 24(10): 80-83.

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[6] Texas Instruments. MSP430x1xx family user’s guide. [EB/OL]. [2006]. http://www.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf.

[7] 石曦, 楊宇航, 陳偉寧. 基于AT89C52單片機(jī)的光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2012, 27(01): 25-27.

Development of Automatic Urine Monitoring System

【 Writers 】Wei Liang, Li Yongqin, Chen Bihua
School of Biomedical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing, 400038

urine volume, automatic monitoring, fl ow sensor, single chip microcomputer

R472；TP216

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.009

1671-7104(2014)02-0114-03

2013-10-30

全國百篇優(yōu)秀博士論文專項(xiàng)基金（201060）

陳碧華，E-mail: windice1201@sina.com

【 Abstract 】An automatic urine monitoring system is presented to replace manual operation. The system is composed of the fl ow sensor, MSP430f149 single chip microcomputer, human-computer interaction module, LCD module, clock module and memory module. The signal of urine volume is captured when the urine fl ows through the fl ow sensor and then displayed on the LCD after data processing. The experiment results suggest that the design of the monitor provides a high stability, accurate measurement and good real-time, and meets the demand of the clinical application.