自動尿量監(jiān)測儀的研制

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

針對目前臨床上依賴人工測量尿量的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種自動尿量監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由流量傳感器、MSP430f149單片機、人機交互模塊、液晶模塊、時鐘模塊以及存儲模塊等組成。尿液經(jīng)導(dǎo)尿管流過流量傳感器時，尿量信號被單片機捕獲，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，配合時鐘模塊，將當(dāng)前時刻的尿量顯示在液晶屏上，同時存儲數(shù)據(jù)以供查詢。實驗證明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量準確，實時性好，滿足臨床尿量監(jiān)測要求。

尿量；自動監(jiān)測；流量傳感器；單片機

尿量是監(jiān)測患者多種指標(biāo)中的一項重要內(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，每小時尿量的監(jiān)測非常重要，它能夠及時反映人體有效循環(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，存在著實際尿量與測得尿量的嚴重不符、誤差較大的問題，不能客觀真實地顯示尿量，因而也影響了病情的估計與治療。而現(xiàn)有的國外自動尿量監(jiān)測儀產(chǎn)品，價格昂貴，難以推廣。因此，需要探索一種低成本，可實時精確測量尿量的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的自動尿量監(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、人機交互模塊、液晶模塊、時鐘模塊以及存儲模塊等組成。其工作流程如下：尿液流過流量傳感器，流量信號經(jīng)過采集電路被單片機捕獲，時鐘模塊給出當(dāng)前時間，單片機處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以及時間實時顯示在液晶屏上，同時將數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的時間存儲在存儲器中，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

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數(shù)和連續(xù)測量相結(jié)合的方式，以實現(xiàn)不同情況下（少量、大量、超大量）尿量的測量。液滴計數(shù)及連續(xù)測量分別采用紅外光電計數(shù)器和霍爾流量傳感器實現(xiàn)。當(dāng)病人尿量較少時，霍爾流量傳感器不工作，尿量通過紅外光電液滴計數(shù)的方式測量；當(dāng)病人尿量很大時，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確度，又保證了測量的實時性。

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 紅外光電計數(shù)器

紅外光電計數(shù)器采用一對紅外光電對管，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，并與比較器另一端的參考電壓進行比較，形成高低電平[2]。當(dāng)尿滴通過光路時，接收端發(fā)生電壓變化，光信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號被單片機捕獲。

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)流體通過渦流推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而使霍爾元件輸出與流體流速相關(guān)的脈沖信號[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單片機系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用MSP430F149單片機實現(xiàn)尿量信號的捕獲、實時時鐘的獲取、數(shù)據(jù)處理與存儲，以及人機交互等功能[4]。

3.1 時鐘模塊

時鐘模塊是重要的輔助模塊，自動尿量監(jiān)測儀需要記錄病人某一時刻的尿量，因此需要實時獲取當(dāng)前時間。本設(shè)計采用美國DALLAS公司推出的專用時鐘芯片DS1302來實現(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，這樣在下次開機時仍然可以確保獲取當(dāng)前準確的時間。

3.2 存儲模塊

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

(1) EEPROM存儲

EEPROM存儲器使用AT24C16存儲芯片，AT24C16 是低工作電壓的16KB串行電可擦除只讀存儲器，內(nèi)部組織為2 048 個字節(jié)，每個字節(jié)8 位。AT24C16通過IIC總線與單片機進行通信，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，高達100萬次數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存長達100年。本設(shè)計中，每隔10分鐘存儲一次實時尿量數(shù)據(jù)，該存儲器可存儲超過48小時的單個病人尿量數(shù)據(jù)。

(2) SD卡存儲

SD卡因其體積小、記憶容量高、數(shù)據(jù)傳輸率快、移動靈活性大和安全性好等特點成為小型化智能醫(yī)療儀器的理想存儲介質(zhì)。本設(shè)計中，通過MSP430F149的P3.0-P3.3口以SPI總線接口方式對SD卡進行通信[5]。同時，為便于存儲與管理數(shù)據(jù)，采用簡化的FAT文件系統(tǒng)，以實現(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人機交互界面。通過液晶顯示屏可以選擇病人類型、設(shè)置系統(tǒng)時間、測量間隔期、報警值，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

系統(tǒng)軟件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本環(huán)境中進行編寫與調(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[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)時鐘初始化、時鐘模塊初始化、存儲模塊初始化）、參數(shù)設(shè)置（選擇病人類型，設(shè)置間隔期、時鐘以及報警值）、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等功能。液晶的GUI界面設(shè)計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 實驗結(jié)果

實驗之前對傳感器進行標(biāo)定，確定每滴液體的大小以及霍爾流量傳感器脈沖數(shù)與流量的對應(yīng)關(guān)系，本設(shè)計中傳感器的標(biāo)定使用水作為標(biāo)定的液體。標(biāo)定時，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 模擬實驗

模擬實驗采用與獲取相關(guān)系數(shù)實驗相同的方法進行，將量筒讀數(shù)分別與單獨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，對儀器性能進行驗證。僅使用液滴傳感器時，即模擬在尿速較低的情況下的實驗數(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（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 模擬低流量下的實驗數(shù)據(jù)

表1 模擬低流量下的實驗數(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穩(wěn)定的水平（＜5%），而在小于300 mL時，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，整個系統(tǒng)的測量更為準確，這與本文的設(shè)計初衷是符合的。而在小流量時，僅使用液滴傳感器即符合要求。

4.2 臨床實驗

表3 臨床實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Clinical test data

臨床實驗選取一位右下肢撕脫傷，行創(chuàng)面持續(xù)負壓引流的病人連續(xù)測量其兩個小時尿量，分別記錄儀器及尿袋內(nèi)每十分鐘的尿量，實驗數(shù)據(jù)對照如表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MSP430配合時鐘模塊、液晶模塊等實時監(jiān)測尿量，同時可長時間、連續(xù)將數(shù)據(jù)存儲在SD卡上，實現(xiàn)了尿量自動監(jiān)測的功能。設(shè)計中的流量傳感器采用液滴計數(shù)和連續(xù)測量相結(jié)合的方式，實現(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，測量準確，實時性好，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計數(shù)裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2006, 23(5): 53-55.

[3] 胡小泊, 翟浩, 安稷. 基于霍爾效應(yīng)的低成本簡易流量計[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2012, 04: 47.

[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.

[5] SanDisk Corporation. Manual of SanDisk secure digital (SD) card product[EB/OL]. [2004]. http://www.sandisk.com.

[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單片機的光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[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.