基于容積和電導(dǎo)率的尿液監(jiān)測計(jì)量裝置的研制

李祖國，邱慶明，陳 吉，王虎林，唐文耀，羅菲菲，張 玥，袁麗萍

基于容積和電導(dǎo)率的尿液監(jiān)測計(jì)量裝置的研制

李祖國，邱慶明，陳 吉，王虎林，唐文耀，羅菲菲，張 玥，袁麗萍

目的:研制一種自動(dòng)連續(xù)計(jì)量患者尿量和檢測尿液電導(dǎo)率的裝置。方法:制作尿液測量池，內(nèi)置電導(dǎo)率測量電極、溫度測量電極和液位感應(yīng)電極；自制單片機(jī)控制各電極的測量和夾管電磁閥的啟閉動(dòng)作；控制/顯示觸摸屏系統(tǒng)與單片機(jī)之間采用Wi-Fi無線通信，使測得的尿量和電導(dǎo)率值以坐標(biāo)折線和數(shù)值的形式連續(xù)更新顯示。結(jié)果:通過該裝置與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)比測試不同溫度和電導(dǎo)率的69份溶液試驗(yàn)，測得的溫度和電導(dǎo)率值與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備所測得的絕對(duì)值和變化趨勢高度相關(guān)（r分別為0.961和0.999，P＜0.01）。結(jié)論:該裝置性能可靠，有望為臨床監(jiān)測腎臟功能提供一種新的便利的方法。

尿液；監(jiān)測計(jì)量裝置；容積；電導(dǎo)率

0 引言

在生態(tài)學(xué)中，電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳導(dǎo)電流的能力，以mS/m表示，而生理體液多以mS/cm計(jì)量。體液電導(dǎo)率的大小主要與其電解質(zhì)濃度有關(guān)，并受溫度影響。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已有眾多生命體征參數(shù)監(jiān)測裝置供醫(yī)院選擇，但尿液監(jiān)測顯然未受到足夠重視，傳統(tǒng)的間斷測量尿比重、滲透壓、尿常規(guī)、手工目視計(jì)量等方法仍在沿用。一些對(duì)集尿裝置精細(xì)化改進(jìn)的研究，仍然需要進(jìn)行目測和手工定時(shí)計(jì)量[1-4]。盡管近年來出現(xiàn)了以光電傳感儀記錄尿液滴數(shù)[5]、以尿液壓力差和流經(jīng)時(shí)間計(jì)算尿液流速、手工輸入尿比重并稱重自動(dòng)計(jì)量尿量的裝置，但尿液濃度的動(dòng)態(tài)變化仍被忽視。因此，我們研制了一種自動(dòng)計(jì)量尿液容積和電導(dǎo)率的裝置，為尿液流速和電解質(zhì)濃度的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測提供了便利，現(xiàn)介紹如下。

1 設(shè)計(jì)思路

急危重癥患者在急救時(shí)，血壓和尿量是否正常，是臟器血流灌注是否充分的快速直觀的指標(biāo)，尿液濃度則反映血容量和腎功能狀況?，F(xiàn)有的監(jiān)護(hù)儀都沒有設(shè)置自動(dòng)監(jiān)測尿量和尿濃度的功能，須人工耗時(shí)記錄或送檢，因而這2個(gè)重要指標(biāo)難以被利用和重視。前述的尿量自動(dòng)計(jì)量方法已成熟，但尿液濃度仍需人工計(jì)量。經(jīng)查閱，國內(nèi)已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道了尿液電導(dǎo)率與尿比重和滲透壓的良好相關(guān)性，且正常人尿液電導(dǎo)率的正常參考范圍為（22.9±12.9）mS/cm[6-7]，處于電極常數(shù)為10的電導(dǎo)率電極的測量范圍（2～100 mS/cm）。但這些研究均為利用尿沉渣儀和實(shí)驗(yàn)儀間斷測量尿標(biāo)本的電導(dǎo)率，難以滿足急危重癥患者救治時(shí)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測的需要。為此，研制自動(dòng)測量裝置，使尿液電導(dǎo)率和尿量的測量、顯示、報(bào)警自動(dòng)化，將提高臨床醫(yī)師對(duì)這2個(gè)無創(chuàng)參數(shù)的重視程度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 尿液測量池

尿液測量池用整塊有機(jī)玻璃加工制作，包括底部的尿液進(jìn)、出三通接口和頂部的頂蓋。其中，三通接口與硅膠軟管和尿液進(jìn)、出管連接；頂蓋上固定安裝有已知電極常數(shù)（K≈10）的鉑金玻璃電極（電導(dǎo)率電極）、溫度電極和液位感應(yīng)電極。以上3個(gè)電極通過導(dǎo)線與測量電路連接。蓋上頂蓋后，3個(gè)電極處于測量室中央位置，各電極處于不同平面，相互絕緣。測量池一側(cè)設(shè)有尿液溢出口，其水平位置略高于感應(yīng)電極，通過硅膠管與電磁閥遠(yuǎn)端的尿液出管相通，用以保障感應(yīng)電路或電磁閥故障時(shí)也能順利將尿液導(dǎo)入尿袋，從而防止尿液溢出后污染尿液測量池下方的電磁閥。

2.2 測量電路

測量電路是以單片機(jī)為核心的硬件測量系統(tǒng)，并進(jìn)行溫度采集和溫度補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳌D2為該電導(dǎo)率測量系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)以51系列單片機(jī)為核心控制器件。單片機(jī)發(fā)出2個(gè)頻率不同的方波信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電導(dǎo)率測量電極，并通過對(duì)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行控制，分時(shí)測量尿液測量池中溶液的電導(dǎo)率和溶液的溫度，分別對(duì)各信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 測量電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

作為電導(dǎo)率測量電路，要求輸入激勵(lì)源的頻率與幅值必須非常精確、穩(wěn)定，尤其是幅值指標(biāo)對(duì)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響很大。為此，設(shè)備專門對(duì)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形。測量電路中的高精度電壓基準(zhǔn)源MCl403輸入+5 V電壓，經(jīng)過電阻和電位器分壓得到穩(wěn)定的+2 V電壓，經(jīng)通用高速、高阻運(yùn)放TL084緩沖進(jìn)入模擬開關(guān)CD4052的0通道，其他通道和INH引腳均接地，保證模擬開關(guān)上電工作。信號(hào)源接入通道選擇引腳B，只要信號(hào)源頻率穩(wěn)定，且能保證提供模擬開關(guān)所需要的高低電平就可以了，對(duì)信號(hào)源幅度的限制大大降低。從模擬開關(guān)的連線可以知道隨著信號(hào)源方波的加入，模擬開關(guān)的0通道和2通道交替選通，從而交替輸出0 V電壓和2 V電壓，即正脈沖。模擬開關(guān)與下一級(jí)運(yùn)放緩沖之間加一手動(dòng)開關(guān)，試驗(yàn)過程中需要切換正脈沖和信號(hào)源。正脈沖經(jīng)緩沖接到電導(dǎo)率測量電路輸入端。這樣得到的激勵(lì)源幅值是很穩(wěn)定的，且十分準(zhǔn)確，僅存在十幾mV的偏差。信號(hào)源采用交流方波，且幅值很小，有利于消除極化效應(yīng)的影響。

測量電路由單片機(jī)控制電導(dǎo)率電極、溫度電極和液位感應(yīng)電極的測量及電磁閥的啟閉，通過內(nèi)置的無線網(wǎng)卡與控制/顯示屏系統(tǒng)間進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。

2.3 電磁夾管閥

尿液三通進(jìn)管夾常開，患者尿液經(jīng)導(dǎo)尿管和三通入管依重力進(jìn)入測量池；尿液三通出管夾常閉。電磁夾管閥的啟閉動(dòng)作由感應(yīng)電極啟動(dòng)，由測量電路控制電磁夾管閥啟閉的持續(xù)時(shí)間（s）。

2.4 控制/顯示觸摸屏

控制/顯示觸摸屏系統(tǒng)可輸入?yún)?shù)如患者姓名、體質(zhì)量、住院號(hào)等，與測量電路之間采用Wi-Fi無線通信，具備預(yù)設(shè)每次計(jì)量尿液量（mL）、排空時(shí)間（s）、報(bào)警上下限、光聲報(bào)警等功能。測量數(shù)據(jù)在顯示觸摸屏上以坐標(biāo)折線和單位數(shù)據(jù)的形式雙重實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)保存。單位數(shù)據(jù)為最近第1、4、8、12、24 h（可調(diào)）的累計(jì)尿量（mL）和平均尿量（mL/h）。當(dāng)輸入患者體質(zhì)量參數(shù)時(shí)平均尿量顯示為mL/（kg·h）。

2.5 軟件算法的實(shí)現(xiàn)

首先采用雙頻法將電極間的分布電容作為一個(gè)未知變量引入電導(dǎo)率的計(jì)算中，從而避免在傳統(tǒng)交流計(jì)算方法中分布電容對(duì)電導(dǎo)率測量精度的影響。同時(shí)采用迭代算法將復(fù)雜的計(jì)算方法簡化，使之可以在單片機(jī)中進(jìn)行編程和應(yīng)用。其次采用二次插值的方法對(duì)電導(dǎo)率的實(shí)測值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高電導(dǎo)率儀的溫度補(bǔ)償精度，達(dá)到提高電導(dǎo)率儀測量精度的目的，并且根據(jù)給出的電導(dǎo)率和溫度補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ謩e設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子程序。

2.6 總電源

外接12 V交流電源。

3 工作原理

尿液依重力自三通入管進(jìn)入尿液測量池，達(dá)到液位感應(yīng)電極平面時(shí)觸發(fā)計(jì)量和尿液排空一次。計(jì)量內(nèi)容包括尿液的預(yù)設(shè)容積、電導(dǎo)率、溫度。由電磁夾管閥的出管軟管夾上緣至感應(yīng)電極尖端水平的固定容量決定每次計(jì)量的尿液容積（可標(biāo)定和預(yù)設(shè)），尿液計(jì)量容積除以相鄰2次測量的間隔時(shí)間，即為該時(shí)間段的尿液流速（mL/h）。由測量電路向電導(dǎo)率電極施加交變正負(fù)2 V方波脈沖電壓10次，1 ms/次，間隔1 ms測量其回路電流并取均值，由此計(jì)算尿液電導(dǎo)值G（G=I/V，I為測試電流值，V為試驗(yàn)電壓值），并推算出尿液電導(dǎo)率值S（S=KG，K為試驗(yàn)電極的電極常數(shù)）。最后結(jié)合所測尿液溫度值C，通過溫度校正公式S25℃=S/（1+0.02×（C-25））計(jì)算得換算至25℃下的電導(dǎo)率值（mS/cm），并顯示于顯示/觸摸屏的坐標(biāo)上。瞬時(shí)測量完成后，控制電路開啟尿液出管電磁閥（常閉型）和關(guān)閉尿液進(jìn)管電磁閥（常開型）達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間，確保尿液排空后電磁閥自動(dòng)復(fù)位，然后進(jìn)入下一次計(jì)量。以上測量值可以導(dǎo)出為Excel表格文件。系統(tǒng)軟件具備事件標(biāo)示功能，便于科研記錄、拓展報(bào)警內(nèi)容及綜合評(píng)價(jià)患者情況。設(shè)置的膀胱沖洗鍵可輸入沖洗液量（mL），系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量排出的液量達(dá)沖洗液量后，繼續(xù)自動(dòng)計(jì)量尿液電導(dǎo)率和流速（如圖3所示）。

圖3 連續(xù)監(jiān)測屏幕截圖

4 性能試驗(yàn)和結(jié)果

4.1 試驗(yàn)方法

以上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的DDS-307型電導(dǎo)率儀（電極常數(shù)為10）和深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司生產(chǎn)的PM-8000Express便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀（顯示數(shù)字溫度）為參照，與自研裝置對(duì)比測試同一容器中不同濃度和溫度的鹽溶液，共69份。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示，通過對(duì)69份溶液樣本的測定，自研裝置測得的各樣本溫度值與參照設(shè)備所測溫度值近似，變化趨勢高度相關(guān)（r=0.961，P＜0.01）。如圖5所示，通過對(duì)69份溶液樣本的測定，自研裝置測得的各樣本電導(dǎo)率值與參照設(shè)備所測電導(dǎo)率值近似，變化趨勢高度相關(guān)（r=0.999，P＜0.01）。

圖4 溫度對(duì)比測定

圖5 電導(dǎo)率對(duì)比測定

5 應(yīng)用及討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證自研裝置測量的準(zhǔn)確性，通過間斷測量法，與檢驗(yàn)科的自動(dòng)尿沉渣檢測儀和實(shí)驗(yàn)用電導(dǎo)率儀同時(shí)測量724份門診和住院患者的尿液樣本，結(jié)果與性能試驗(yàn)一樣，幾種測量方法的結(jié)果高度近似和相關(guān)。在自研裝置連續(xù)工作的穩(wěn)定性測試方面，經(jīng)急診科、麻醉科、腎內(nèi)科、重癥醫(yī)學(xué)科等172例留置導(dǎo)尿管患者連續(xù)使用2 h～16 d，證實(shí)自研裝置性能穩(wěn)定，并且發(fā)現(xiàn)用醫(yī)用75%酒精10 mL隔日沖洗管路，可避免連續(xù)使用期間的尿垢堵塞。

尿量和其濃度監(jiān)測是臨床基本內(nèi)容之一，尤其在急危重癥的救治過程中尤為重要。其監(jiān)測結(jié)果能反映腎臟灌注狀態(tài)和尿液濃縮功能，而腎功能支持是防止病程向多器官功能障礙發(fā)展進(jìn)而死亡的最重要一環(huán)。常用的手工計(jì)量尿量、尿比重和滲透壓測量是間斷性檢測人工送檢的標(biāo)本，且操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴，難以滿足危重病救治時(shí)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測的要求。

國內(nèi)已有一些學(xué)者應(yīng)用尿沉渣儀能夠檢測尿電導(dǎo)率的特點(diǎn)，對(duì)比研究了尿電導(dǎo)率與比重、滲透壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性很好[7-8]，且電導(dǎo)率主要受帶電粒子（電解質(zhì)）濃度的影響，不受有機(jī)分子（蛋白、細(xì)胞、糖、造影劑、結(jié)晶鹽）的影響，其反映腎臟的濃縮和稀釋功能較穩(wěn)定，可以替代傳統(tǒng)的尿比重和滲透壓檢測[8-9]。這些可能的影響因素對(duì)自研裝置在連續(xù)使用狀態(tài)下是否產(chǎn)生影響，今后將進(jìn)一步研究。

本文研制的基于容積和電導(dǎo)率的尿液自動(dòng)連續(xù)

（????）（????）監(jiān)測裝置能自動(dòng)連續(xù)顯示患者尿液的流速和動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率，更好地滿足危重病救治需要，提高效率、減少誤差。經(jīng)過鹽溶液樣本測試、患者尿液樣本測試、床旁連續(xù)試用等方法，初步證實(shí)了自研裝置測量結(jié)果的可靠性，但裝置的臨床實(shí)用性、耐久性、智能化以及電導(dǎo)率值結(jié)合尿量指標(biāo)在監(jiān)測腎功能方面的臨床意義等，仍需后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證提高。

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（收稿：2014-06-04 修回：2014-12-29）

Development of urine monitoring and measuring device based on volume and conductivity

LI Zu-guo1,QIU Qing-ming2,CHEN Ji1,WANG Hu-lin1,TANG Wen-yao1,LUO Fei-fei1,ZHANG Yue1,YUAN Li-ping3
(1.Department of Critical Care Medicine,the 44th Hospital of the PLA,Guiyang 550009,China;2.Department of Anesthesia,the 44th Hospital of the PLA,Guiyang 550009,China;3.Supply Department，the 2nd Affiliated Hospital of Guiyang College of Traditional Chinese Medicine,Guiyang 550002,China)

Objective To develop a urine monitoring device for volume and conductivity.MethodsA urine measuring cell was equipped with electrodes for scaling conductivity and temperature and sensing liquid level,and a self-developed SCM controlled all the electrodes and pipe-clamping electromagnetic valve.Wi-Fi wireless communication between a touch screen and the SCM made the acquired data on urine volume and conductivity displayed continuously with the modes of coordinate polyline and value.ResultsTrials for 69 samples proved that the values of volume and conductivity acquired by the device highly correlated with those by the standard device,with r values being 0.961,0.999 respectively and P<0.01.ConclusionThe device may be an option for renal function monitoring in the future.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（6）：32-34，45]

urine;monitoring and measuring device;volume;conductivity

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）06-0032-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.032

成都軍區(qū)后勤科研項(xiàng)目

專 利:國家實(shí)用新型專利（ZL 201120217304.5）

李祖國（1965—），男，主任，主任醫(yī)師，主要從事重癥醫(yī)學(xué)方面的研究工作，E-mail:189850322 99@189.cn。

550009貴陽，解放軍44醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科（李祖國，陳 吉，王虎林，唐文耀，羅菲菲，張 玥），麻醉科（邱慶明）；550002貴陽，貴陽中醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院供應(yīng)室（袁麗萍）

袁麗萍，E-mail:1604639163@qq.com