姬　軍　袁　青　王莉新　高佳碩　肖　宏

基于數(shù)字信號(hào)處理和齒輪泵的稱(chēng)重式尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及臨床應(yīng)用分析*

姬軍①②*袁青①②王莉新①②高佳碩①肖宏①

目的：研究基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和齒輪泵的稱(chēng)重式尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置在臨床應(yīng)用中的可行性。方法：以DSP和齒輪泵為主體設(shè)計(jì)尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置，選用加拿大LABORIE的94-R01-BT尿流率計(jì)和荷蘭MMS的PE10尿流率計(jì)，分別對(duì)尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行直線(xiàn)校準(zhǔn)和曲線(xiàn)較準(zhǔn)，比較其輸出結(jié)果與尿流率計(jì)輸出結(jié)果的一致性。結(jié)果：LABORIE尿流率計(jì)輸出結(jié)果與校準(zhǔn)裝置相差較大，MMS尿流率計(jì)輸出結(jié)果與校準(zhǔn)裝置相符。結(jié)論：所設(shè)計(jì)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用于臨床對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

尿流率計(jì)；校準(zhǔn)裝置；直線(xiàn)校準(zhǔn)；曲線(xiàn)較準(zhǔn)

［First-author’s address］ 1.Department of Medical Engineering， 305 Hospital of PLA， Beijing 100017， China. 2.College of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou 510515， China.

尿流率是單位時(shí)間內(nèi)排出的尿量，通常以ml/ s為單位［1］。尿流率的測(cè)定是尿動(dòng)力學(xué)分析中唯一的非侵入性檢測(cè)手段，對(duì)于下尿路梗阻等疾病的篩查具有重要的應(yīng)用價(jià)值［2］。尿流率計(jì)是尿流率測(cè)定的工具，當(dāng)尿流率計(jì)質(zhì)量失控時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)則不準(zhǔn)確，并將對(duì)臨床診斷產(chǎn)生誤導(dǎo)，進(jìn)而影響對(duì)患者治療方案的制定［3］。

目前，國(guó)內(nèi)外并無(wú)針對(duì)尿流率計(jì)的校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)操作主要依靠設(shè)備自帶的校準(zhǔn)程序，且不同廠商的產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)各不相同。為此，本研究研制專(zhuān)業(yè)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置，以便開(kāi)展尿流率計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)工作，使尿流率計(jì)的校準(zhǔn)建立在專(zhuān)業(yè)器具和定量檢測(cè)的基礎(chǔ)之上［4］。

1　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理及技術(shù)要求

1.1設(shè)計(jì)原理

尿流率的測(cè)定是使用尿流率計(jì)對(duì)排尿過(guò)程中的尿流率、排尿時(shí)間及排尿量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以尿流率曲線(xiàn)的形式輸出檢查結(jié)果［5］。根據(jù)尿流率計(jì)的工作原理開(kāi)展對(duì)尿流率計(jì)的校準(zhǔn)，針對(duì)尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線(xiàn)形態(tài)設(shè)計(jì)出流率曲線(xiàn)，使校準(zhǔn)裝置精確地按照此流率曲線(xiàn)輸出水流，將此水流作為尿流率計(jì)的輸入，并流入尿流率計(jì)的集尿容器，將尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)的流率曲線(xiàn)進(jìn)行比較，即可對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行精確定量校準(zhǔn)。

1.2技術(shù)要求

國(guó)際尿控協(xié)會(huì)于2002年制定的“尿動(dòng)力學(xué)技術(shù)規(guī)范（good urodynamic practices，GUP）”［6］及我國(guó)“尿動(dòng)力學(xué)技術(shù)規(guī)范（2010版）”［7］（簡(jiǎn)稱(chēng)“指南”），對(duì)尿流率計(jì)的測(cè)量范圍和分辨率均做出了指導(dǎo)性的要求。結(jié)合臨床需求，確定所設(shè)計(jì)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置應(yīng)滿(mǎn)足校準(zhǔn)裝置流率校準(zhǔn)范圍為9～50 ml/s，分辨率＜5 ml/s，流量的誤差＜1%。在數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）的控制下，由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital analog converter，DAC）輸出高精度電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速而改變齒輪泵輸出的流率，使其能夠根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速輸出高精度穩(wěn)定流率的水流（如圖1所示）。

圖1　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置工作流程框圖

2　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)

尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置以DSP為核心，主要由轉(zhuǎn)速控制模塊、流量產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及電源模塊構(gòu)成。校準(zhǔn)裝置采用OMAPL138BZWT為主控芯片，在其控制下AD5060 DA轉(zhuǎn)換器按照設(shè)計(jì)目標(biāo)電壓曲線(xiàn)，輸出對(duì)應(yīng)的高精度電壓至FG213齒輪泵一體機(jī)，從而產(chǎn)生符合目標(biāo)流率曲線(xiàn)變化形式的水流［8］。電機(jī)的反饋脈沖信號(hào)直接送入處理器的IO引腳，計(jì)算分析后通過(guò)串口發(fā)送至個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）。DSP通過(guò)串行外圍設(shè)備接口（serial peripheral interface，SPI）與外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通訊，通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）和PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［9］。校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)硬件框圖

3　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1CCS軟件平臺(tái)

校準(zhǔn)裝置使用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是TI公司的CCS（code composer studio）軟件。軟件設(shè)計(jì)主要包括脈沖采集模塊、DAC輸出電壓模塊、計(jì)算處理模塊以及串口通訊模塊。DAC輸出電壓模塊按照預(yù)設(shè)曲線(xiàn)輸出對(duì)應(yīng)控制電壓至電機(jī)，齒輪泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)脈沖采集模塊采集送入DSP的IO管腳電機(jī)反饋脈沖，用于計(jì)算處理模塊對(duì)其相應(yīng)的頻率、流率以及積分值進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)串口通訊模塊接收處理后的數(shù)據(jù)至PC，用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與比較［10］。

3.2PC端數(shù)據(jù)分析模塊

PC端的數(shù)據(jù)分析模塊采用的是MATLAB R2012b軟件平臺(tái)，在MATLAB環(huán)境中讀取串口傳送的頻率數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)關(guān)系式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，擬合出實(shí)際的尿流率曲線(xiàn)并計(jì)算出曲線(xiàn)的最大尿流率以及尿流量，用于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確比較。

4　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置實(shí)驗(yàn)方法

4.1校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法

（1）使用本研究設(shè)計(jì)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置對(duì)不同醫(yī)院不同品牌的94-R01-BT尿流率計(jì)（加拿大LABORIE公司生產(chǎn)）和PE10尿流率計(jì)（荷蘭MMS生產(chǎn)）進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

（2）校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)包括流率的直線(xiàn)校準(zhǔn)和曲線(xiàn)較準(zhǔn)：①直線(xiàn)校準(zhǔn)，即給定電壓，使校準(zhǔn)裝置輸出穩(wěn)定的水流并對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，分析校準(zhǔn)裝置和尿流率計(jì)流率值之間的相關(guān)性［11］；②曲線(xiàn)較準(zhǔn)，即按照設(shè)計(jì)的流率曲線(xiàn)對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)其輸出的尿流率曲線(xiàn)是否符合預(yù)期的變化規(guī)律，判斷尿流率計(jì)對(duì)輸入曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)程度，以及最大尿流率、排尿量及達(dá)峰時(shí)間等指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

4.2校準(zhǔn)流程及流量校準(zhǔn)系數(shù)

（1）直線(xiàn)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程。擺放好校準(zhǔn)裝置、尿流率計(jì)、PC以及水桶等工具，連接好串口線(xiàn)、電源線(xiàn)→系統(tǒng)上電后進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，排空齒輪泵管道內(nèi)的空氣→通過(guò)串口調(diào)試軟件設(shè)置各流率對(duì)應(yīng)的電壓，使校準(zhǔn)裝置輸出的水流流入尿流率計(jì)，記錄串口接收到的數(shù)據(jù)和尿流率計(jì)輸出的曲線(xiàn)→檢測(cè)完成后倒掉尿杯內(nèi)的液體→每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次→采用MATLAB處理串口接收到的數(shù)據(jù)，擬合出該電壓對(duì)應(yīng)下的流率-時(shí)間曲線(xiàn)，計(jì)算曲線(xiàn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的流率值以及積分值，對(duì)校準(zhǔn)裝置和尿流率計(jì)的流率值進(jìn)行相關(guān)性分析。

（2）曲線(xiàn)較準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程。同直線(xiàn)校準(zhǔn)過(guò)程，重復(fù)測(cè)量5次進(jìn)行曲線(xiàn)測(cè)定。用MATLAB軟件處理串口接收到的數(shù)據(jù)，擬合出對(duì)應(yīng)的流率時(shí)間曲線(xiàn)，計(jì)算出最大尿流率、流率的積分值、流率時(shí)間以及達(dá)峰時(shí)間，并與尿流率計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行比較分析。

（3）流量校準(zhǔn)系數(shù)。校準(zhǔn)裝置采用的流體是水，并將水流流入尿流率計(jì)從而輸出尿流率結(jié)果，但稱(chēng)重式尿流率計(jì)是通過(guò)尿液的重量計(jì)算瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的尿流率，尿液與水的密度不一樣，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成誤差，故需要對(duì)校準(zhǔn)裝置輸出的尿流率進(jìn)行校正補(bǔ)償。經(jīng)查找文獻(xiàn)并計(jì)算，確定補(bǔ)償因子C=1/1.0165時(shí)流率的誤差范圍小，滿(mǎn)足臨床尿流率檢測(cè)精度的要求。本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析中采用校準(zhǔn)后的流率值進(jìn)行計(jì)算分析。

5　尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果

5.1直線(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果與分析

在0.653 V電壓下由MATLAB模擬出的校準(zhǔn)裝置的流率曲線(xiàn)和LABORIE尿流率計(jì)測(cè)量輸出的流率曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3　 0.653 V電壓下校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計(jì)輸出的流率曲線(xiàn)圖

在0.653 V電壓下由MATLAB模擬出的校準(zhǔn)裝置的流率曲線(xiàn)和MMS尿流率計(jì)測(cè)量輸出的流率曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4　 0.653 V電壓下校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線(xiàn)圖

在0.653 V電壓下校準(zhǔn)裝置輸出的流率曲線(xiàn)與兩臺(tái)尿流率計(jì)測(cè)量所得尿流率曲線(xiàn)具有相似的變化規(guī)律，除上升和下降過(guò)程兩者的流率值均趨于一條直線(xiàn)，其他電壓下校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計(jì)測(cè)量的流率曲線(xiàn)分別與圖3、圖4類(lèi)似。

實(shí)驗(yàn)共選取了10個(gè)流率點(diǎn)，對(duì)每個(gè)流率點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行3次測(cè)量并計(jì)算其平均值，令校準(zhǔn)裝置的流率平均值為橫軸變量X，尿流率計(jì)的流率平均值為縱軸變量Y，用MATLAB軟件分別對(duì)兩臺(tái)尿流率計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，擬合曲線(xiàn)如圖5、圖6所示。

圖5　校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計(jì)流率值的擬合曲線(xiàn)圖

圖6　校準(zhǔn)裝置與MMS尿流率計(jì)流率值的擬合曲線(xiàn)圖

校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計(jì)的流率值之間的關(guān)系式為公式1：

擬合指標(biāo)SSE=3.846，RMSE=0.7413，R-square=0.9962，Adjusted R-square=0.9951，校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計(jì)的流率值之間為二次函數(shù)關(guān)系。

校準(zhǔn)裝置與MMS尿流率計(jì)的流率值之間的關(guān)系式為公式2：

擬合指標(biāo)SSE=3.068，RMSE=0.6192，R-square=0.9985，Adjusted R-square=0.9984，校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計(jì)的流率值之間為線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由直線(xiàn)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)可知，校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計(jì)的流率值是非線(xiàn)性的，在低流率范圍內(nèi)，尿流率計(jì)測(cè)量精度高，在高流率范圍內(nèi)，尿流率計(jì)測(cè)量誤差較大，而校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計(jì)的流率值是線(xiàn)性相關(guān)的，在整個(gè)流率范圍內(nèi)，尿流率計(jì)測(cè)量精度較高。由于設(shè)計(jì)曲線(xiàn)的最大流率值為50 ml/s，該流率值偏大，故用校準(zhǔn)裝置對(duì)LABROIE尿流率計(jì)進(jìn)行曲線(xiàn)校準(zhǔn)時(shí)，該尿流率計(jì)輸出尿流率曲線(xiàn)的最大尿流率誤差也會(huì)偏大。

5.2曲線(xiàn)較準(zhǔn)結(jié)果與分析

對(duì)尿流率計(jì)重復(fù)5次曲線(xiàn)較準(zhǔn)，用MATLAB軟件對(duì)通過(guò)串口接收到的DSP數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的曲線(xiàn)圖形以及兩臺(tái)尿流率計(jì)測(cè)量所得尿流率曲線(xiàn)分別如圖7、圖8所示。

圖7、圖8顯示，尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線(xiàn)均隨時(shí)間的增加，流率逐漸增大，達(dá)到最大值后流率開(kāi)始減少，直至減少為0，與校準(zhǔn)裝置的流率曲線(xiàn)有相似的變化規(guī)律。對(duì)尿流率計(jì)重復(fù)5次曲線(xiàn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置和尿流率測(cè)量的結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

LABORIE尿流率計(jì)曲線(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果（見(jiàn)表1）顯示，LABORIE尿流率計(jì)5次測(cè)量的排尿量誤差最大為1.54%，在誤差允許范圍內(nèi)，但最大尿流率誤差大，超出GUP以及“指南”中規(guī)定的5%。且由圖5可知校準(zhǔn)裝置與尿流率計(jì)流率值之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的，其測(cè)量的最大尿流率誤差偏大。而最大尿流率是曲線(xiàn)中最重要的參數(shù)，表明尿流率計(jì)測(cè)量尿流率誤差較大。故當(dāng)尿流率計(jì)的輸入為一連續(xù)變化的曲線(xiàn)時(shí)，LABORIE尿流率計(jì)雖然可以粗略檢測(cè)出尿流率的變化，但所測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大，儀器處于質(zhì)量失控狀態(tài)。

MMS尿流率計(jì)曲線(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果（見(jiàn)表2）顯示，使用校準(zhǔn)裝置對(duì)MMS尿流率計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，尿流率曲線(xiàn)中最具參考價(jià)值的最大尿流率誤差＜5%，排尿量的誤差＜1%，均未超出GUP以及“指南”中規(guī)定的5%。由于校準(zhǔn)裝置與MMS尿流率計(jì)流率值之間的關(guān)系是線(xiàn)性的，其不僅可以檢測(cè)出尿流率的變化規(guī)律，并且可以及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使最大尿流率及排尿量指標(biāo)在誤差允許范圍內(nèi)，表明該尿流率計(jì)性能良好。

兩個(gè)尿流率計(jì)測(cè)量的尿流時(shí)間與達(dá)峰時(shí)間誤差均較大，LABORIE尿流率計(jì)尿流時(shí)間誤差最大為18.27%，達(dá)峰時(shí)間誤差最大為15.04%，MMS尿流率計(jì)尿流率時(shí)間誤差最大為12.84%，達(dá)峰時(shí)間誤差最大為14.98%。出現(xiàn)此種原因是由于校準(zhǔn)裝置和尿流率計(jì)檢測(cè)尿流時(shí)間的方法不同，流率在一定范圍時(shí)，尿流率計(jì)才記錄尿流時(shí)間，而校準(zhǔn)裝置在齒輪泵啟動(dòng)到結(jié)束都認(rèn)為是尿流時(shí)間，故造成很大的誤差。

表1　LABORIE尿流率計(jì)曲線(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果

表2　MMS尿流率計(jì)曲線(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果

圖7　校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計(jì)輸出的流率曲線(xiàn)圖

圖8　校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計(jì)輸出的流率曲線(xiàn)圖

6　結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置可以檢測(cè)出尿流率的變化規(guī)律，表明校準(zhǔn)裝置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行科學(xué)校準(zhǔn)。同時(shí)設(shè)計(jì)的模擬人體排尿過(guò)程的校準(zhǔn)方法可以對(duì)尿流率曲線(xiàn)中最具參考價(jià)值的最大尿流率以及排尿量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)其誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)判斷尿流率計(jì)的性能好壞，檢測(cè)出LABORIE儀器處于質(zhì)量失控狀態(tài)，MMS性能良好，表明校準(zhǔn)方法與裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠通過(guò)有效的技術(shù)依據(jù)判斷尿流率計(jì)的應(yīng)用質(zhì)量，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用性［12］。

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［12］蔣耀軍，葛斌，嚴(yán)容國(guó)，等.便攜式尿流率儀數(shù)據(jù)采集與測(cè)量精度的研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2014，31（1）：69-75.

The design and clinical application of weighing type uroflowmeter calibration device based on DSP and gear pump

JI Jun， YUAN Qing， WANG Li-xin， et al// China Medical Equipment，2016，13（10）:8-12.

Objective: To research the feasibility in clinical application of weighing type uroflowmeter calibration device based on DSP and the gear pump. Methods: With DSP and the gear pump as the core conducted calibration device， we use the device in two urine flow rate meter-LABORIE and MMS for clinical trials， conduct linear and curve calibrations， and test the data consistency between calibration device and the urine flow meter. Results: Data from LABORIE exist difference with calibration device while MMS is in accordance with it. Conclusion: The uroflowmeter calibration device has met the design requirements， and it can apply in clinical calibration.

Uroflowmeter； Calibration device； Linear calibration； Curve calibration

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.003

1672-8270（2016）10-0008-05

R197.324

A

2016-07-02

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專(zhuān)項(xiàng)（2012-JL1-016）“尿動(dòng)力分析儀檢測(cè)技術(shù)研究”

①解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100017

②南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 廣東 廣州 510515

kx68@163.com

姬軍，男，（1970- ），博士，副主任技師。解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理、智能醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)，醫(yī)療設(shè)備計(jì)量與質(zhì)量控制等方面的工作。