姬　軍　袁　青　王莉新　高佳碩　肖　宏

基于數(shù)字信號處理和齒輪泵的稱重式尿流率計校準(zhǔn)裝置設(shè)計及臨床應(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)字信號處理（DSP）和齒輪泵的稱重式尿流率計校準(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)計尿流率計校準(zhǔn)裝置，選用加拿大LABORIE的94-R01-BT尿流率計和荷蘭MMS的PE10尿流率計，分別對尿流率計校準(zhǔn)裝置進(jìn)行直線校準(zhǔn)和曲線較準(zhǔn)，比較其輸出結(jié)果與尿流率計輸出結(jié)果的一致性。結(jié)果：LABORIE尿流率計輸出結(jié)果與校準(zhǔn)裝置相差較大，MMS尿流率計輸出結(jié)果與校準(zhǔn)裝置相符。結(jié)論：所設(shè)計的尿流率計校準(zhǔn)裝置達(dá)到設(shè)計要求，可以應(yīng)用于臨床對尿流率計進(jìn)行校準(zhǔn)。

尿流率計；校準(zhǔn)裝置；直線校準(zhǔn)；曲線較準(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.

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

目前，國內(nèi)外并無針對尿流率計的校準(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，本研究研制專業(yè)的尿流率計校準(zhǔn)裝置，以便開展尿流率計的計量校準(zhǔn)工作，使尿流率計的校準(zhǔn)建立在專業(yè)器具和定量檢測的基礎(chǔ)之上［4］。

1　尿流率計校準(zhǔn)裝置設(shè)計原理及技術(shù)要求

1.1設(shè)計原理

尿流率的測定是使用尿流率計對排尿過程中的尿流率、排尿時間及排尿量等參數(shù)進(jìn)行測定，以尿流率曲線的形式輸出檢查結(jié)果［5］。根據(jù)尿流率計的工作原理開展對尿流率計的校準(zhǔn)，針對尿流率計輸出的尿流率曲線形態(tài)設(shè)計出流率曲線，使校準(zhǔn)裝置精確地按照此流率曲線輸出水流，將此水流作為尿流率計的輸入，并流入尿流率計的集尿容器，將尿流率計輸出的尿流率曲線與設(shè)計的流率曲線進(jìn)行比較，即可對尿流率計進(jìn)行精確定量校準(zhǔn)。

1.2技術(shù)要求

國際尿控協(xié)會于2002年制定的“尿動力學(xué)技術(shù)規(guī)范（good urodynamic practices，GUP）”［6］及我國“尿動力學(xué)技術(shù)規(guī)范（2010版）”［7］（簡稱“指南”），對尿流率計的測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)計的尿流率計校準(zhǔn)裝置應(yīng)滿足校準(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)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過改變電機(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　尿流率計校準(zhǔn)裝置工作流程框圖

2　尿流率計校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計

尿流率計校準(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)計目標(biāo)電壓曲線，輸出對應(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)流率曲線變化形式的水流［8］。電機(jī)的反饋脈沖信號直接送入處理器的IO引腳，計算分析后通過串口發(fā)送至個人計算機(jī)（personal computer，PC）。DSP通過串行外圍設(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　尿流率計校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)硬件框圖

3　尿流率計校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計

3.1CCS軟件平臺

校準(zhǔn)裝置使用的軟件開發(fā)平臺是TI公司的CCS（code composer studio）軟件。軟件設(shè)計主要包括脈沖采集模塊、DAC輸出電壓模塊、計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)曲線輸出對應(yīng)控制電壓至電機(jī)，齒輪泵開始運轉(zhuǎn)，此時脈沖采集模塊采集送入DSP的IO管腳電機(jī)反饋脈沖，用于計算處理模塊對其相應(yīng)的頻率、流率以及積分值進(jìn)行計算，最后通過串口通訊模塊接收處理后的數(shù)據(jù)至PC，用于實驗結(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，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)系式對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與處理，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，擬合出實際的尿流率曲線并計算出曲線的最大尿流率以及尿流量，用于校準(zhǔn)實驗中實驗結(jié)果的精確比較。

4　尿流率計校準(zhǔn)裝置實驗方法

4.1校準(zhǔn)實驗方法

（1）使用本研究設(shè)計的尿流率計校準(zhǔn)裝置對不同醫(yī)院不同品牌的94-R01-BT尿流率計（加拿大LABORIE公司生產(chǎn)）和PE10尿流率計（荷蘭MMS生產(chǎn)）進(jìn)行校準(zhǔn)實驗。

（2）校準(zhǔn)實驗包括流率的直線校準(zhǔn)和曲線較準(zhǔn)：①直線校準(zhǔn)，即給定電壓，使校準(zhǔn)裝置輸出穩(wěn)定的水流并對尿流率計進(jìn)行測量，分析校準(zhǔn)裝置和尿流率計流率值之間的相關(guān)性［11］；②曲線較準(zhǔn)，即按照設(shè)計的流率曲線對尿流率計進(jìn)行測量，檢測其輸出的尿流率曲線是否符合預(yù)期的變化規(guī)律，判斷尿流率計對輸入曲線的動態(tài)響應(yīng)程度，以及最大尿流率、排尿量及達(dá)峰時間等指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

4.2校準(zhǔn)流程及流量校準(zhǔn)系數(shù)

（1）直線校準(zhǔn)實驗流程。擺放好校準(zhǔn)裝置、尿流率計、PC以及水桶等工具，連接好串口線、電源線→系統(tǒng)上電后進(jìn)行預(yù)實驗，排空齒輪泵管道內(nèi)的空氣→通過串口調(diào)試軟件設(shè)置各流率對應(yīng)的電壓，使校準(zhǔn)裝置輸出的水流流入尿流率計，記錄串口接收到的數(shù)據(jù)和尿流率計輸出的曲線→檢測完成后倒掉尿杯內(nèi)的液體→每個點重復(fù)測量3次→采用MATLAB處理串口接收到的數(shù)據(jù)，擬合出該電壓對應(yīng)下的流率-時間曲線，計算曲線進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的流率值以及積分值，對校準(zhǔn)裝置和尿流率計的流率值進(jìn)行相關(guān)性分析。

（2）曲線較準(zhǔn)實驗流程。同直線校準(zhǔn)過程，重復(fù)測量5次進(jìn)行曲線測定。用MATLAB軟件處理串口接收到的數(shù)據(jù)，擬合出對應(yīng)的流率時間曲線，計算出最大尿流率、流率的積分值、流率時間以及達(dá)峰時間，并與尿流率計的測量值進(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從而輸出尿流率結(jié)果，但稱重式尿流率計是通過尿液的重量計算瞬時對應(yīng)的尿流率，尿液與水的密度不一樣，會對計算結(jié)果造成誤差，故需要對校準(zhǔn)裝置輸出的尿流率進(jìn)行校正補(bǔ)償。經(jīng)查找文獻(xiàn)并計算，確定補(bǔ)償因子C=1/1.0165時流率的誤差范圍小，滿足臨床尿流率檢測精度的要求。本研究實驗結(jié)果與分析中采用校準(zhǔn)后的流率值進(jìn)行計算分析。

5　尿流率計校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果

5.1直線校準(zhǔn)結(jié)果與分析

在0.653 V電壓下由MATLAB模擬出的校準(zhǔn)裝置的流率曲線和LABORIE尿流率計測量輸出的流率曲線如圖3所示。

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

在0.653 V電壓下由MATLAB模擬出的校準(zhǔn)裝置的流率曲線和MMS尿流率計測量輸出的流率曲線如圖4所示。

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

在0.653 V電壓下校準(zhǔn)裝置輸出的流率曲線與兩臺尿流率計測量所得尿流率曲線具有相似的變化規(guī)律，除上升和下降過程兩者的流率值均趨于一條直線，其他電壓下校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計測量的流率曲線分別與圖3、圖4類似。

實驗共選取了10個流率點，對每個流率點重復(fù)進(jìn)行3次測量并計算其平均值，令校準(zhǔn)裝置的流率平均值為橫軸變量X，尿流率計的流率平均值為縱軸變量Y，用MATLAB軟件分別對兩臺尿流率計的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，擬合曲線如圖5、圖6所示。

圖5　校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計流率值的擬合曲線圖

圖6　校準(zhǔn)裝置與MMS尿流率計流率值的擬合曲線圖

校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計的流率值之間的關(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尿流率計的流率值之間為線性對應(yīng)關(guān)系。

由直線校準(zhǔn)實驗可知，校準(zhǔn)裝置與LABORIE尿流率計的流率值是非線性的，在低流率范圍內(nèi)，尿流率計測量精度高，在高流率范圍內(nèi)，尿流率計測量誤差較大，而校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計的流率值是線性相關(guān)的，在整個流率范圍內(nèi)，尿流率計測量精度較高。由于設(shè)計曲線的最大流率值為50 ml/s，該流率值偏大，故用校準(zhǔn)裝置對LABROIE尿流率計進(jìn)行曲線校準(zhǔn)時，該尿流率計輸出尿流率曲線的最大尿流率誤差也會偏大。

5.2曲線較準(zhǔn)結(jié)果與分析

對尿流率計重復(fù)5次曲線較準(zhǔn)，用MATLAB軟件對通過串口接收到的DSP數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的曲線圖形以及兩臺尿流率計測量所得尿流率曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7、圖8顯示，尿流率計輸出的尿流率曲線均隨時間的增加，流率逐漸增大，達(dá)到最大值后流率開始減少，直至減少為0，與校準(zhǔn)裝置的流率曲線有相似的變化規(guī)律。對尿流率計重復(fù)5次曲線校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置和尿流率測量的結(jié)果見表1、表2。

LABORIE尿流率計曲線校準(zhǔn)結(jié)果（見表1）顯示，LABORIE尿流率計5次測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)裝置與尿流率計流率值之間的關(guān)系是非線性的，其測量的最大尿流率誤差偏大。而最大尿流率是曲線中最重要的參數(shù)，表明尿流率計測量尿流率誤差較大。故當(dāng)尿流率計的輸入為一連續(xù)變化的曲線時，LABORIE尿流率計雖然可以粗略檢測出尿流率的變化，但所測量數(shù)據(jù)偏差較大，儀器處于質(zhì)量失控狀態(tài)。

MMS尿流率計曲線校準(zhǔn)結(jié)果（見表2）顯示，使用校準(zhǔn)裝置對MMS尿流率計進(jìn)行試驗，尿流率曲線中最具參考價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尿流率計流率值之間的關(guān)系是線性的，其不僅可以檢測出尿流率的變化規(guī)律，并且可以及時進(jìn)行動態(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)，表明該尿流率計性能良好。

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

表1　LABORIE尿流率計曲線校準(zhǔn)結(jié)果

表2　MMS尿流率計曲線校準(zhǔn)結(jié)果

圖7　校準(zhǔn)裝置和LABORIE尿流率計輸出的流率曲線圖

圖8　校準(zhǔn)裝置和MMS尿流率計輸出的流率曲線圖

6　結(jié)論

本研究設(shè)計的校準(zhǔn)裝置可以檢測出尿流率的變化規(guī)律，表明校準(zhǔn)裝置滿足設(shè)計要求，可以對尿流率計進(jìn)行科學(xué)校準(zhǔn)。同時設(shè)計的模擬人體排尿過程的校準(zhǔn)方法可以對尿流率曲線中最具參考價值的最大尿流率以及排尿量進(jìn)行測量，通過其誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)判斷尿流率計的性能好壞，檢測出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)計要求，能夠通過有效的技術(shù)依據(jù)判斷尿流率計的應(yīng)用質(zhì)量，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的實用性［12］。

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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)計量科研專項（2012-JL1-016）“尿動力分析儀檢測技術(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)信號檢測與處理、智能醫(yī)療儀器設(shè)計，醫(yī)療設(shè)備計量與質(zhì)量控制等方面的工作。