一種基于數(shù)字信號(hào)處理器和齒輪泵的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置

姬軍，尹琳琳，王莉新，高佳碩，肖宏，袁青

1.解放軍第三〇五醫(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

一種基于數(shù)字信號(hào)處理器和齒輪泵的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置

姬軍1,2，尹琳琳1，王莉新1,2，高佳碩1，肖宏1，袁青1,2

1.解放軍第三〇五醫(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

目的研究基于數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）和齒輪泵的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置。方法 采用電壓控制齒輪泵輸出標(biāo)準(zhǔn)流量水流。裝置以DSP為核心，在DSP的控制下，讓DA轉(zhuǎn)換器輸出高精度控制電壓至電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵帶動(dòng)水流運(yùn)轉(zhuǎn)。首先給定一個(gè)固定電壓，檢查裝置能否輸出穩(wěn)定的水流，其次，擬合出標(biāo)準(zhǔn)的尿流率曲線，觀察裝置能否根據(jù)此流率曲線輸出可變流率的水流。結(jié)果利用設(shè)計(jì)的裝置對(duì)荷蘭MMS尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果顯示MMS尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線結(jié)果與校準(zhǔn)裝置擬合出的曲線結(jié)果其變化規(guī)律相符，最大流率、流量誤差均不超過(guò)5%，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尿流率計(jì)的校準(zhǔn)。結(jié)論利用DSP和齒輪泵為主體構(gòu)建尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置是可行的，滿足校準(zhǔn)尿流率計(jì)所需測(cè)量范圍和分辨率的要求。

尿流率計(jì)；數(shù)字信號(hào)處理器；齒輪泵；排尿量測(cè)量；最大尿流率測(cè)量

引言

尿流率測(cè)定是尿動(dòng)力學(xué)檢查中唯一非侵入性的、簡(jiǎn)單方便的檢測(cè)患者下尿路癥狀的檢查方法[1]。測(cè)定尿流率的設(shè)備是尿流率計(jì)，檢測(cè)時(shí)只需要患者對(duì)準(zhǔn)尿流率計(jì)的集尿容器進(jìn)行正常的排尿過(guò)程，尿流率計(jì)即可根據(jù)集尿容器內(nèi)尿液重量的增加計(jì)算出患者排尿的瞬時(shí)速率并輸出尿流率曲線[2]，此曲線提供的數(shù)據(jù)包含很多患者排尿過(guò)程中的重要信息，如患者排尿過(guò)程的連續(xù)性、最大尿流率、尿量等[3]，這些信息為患者下尿路疾病的診斷提供重要的依據(jù)[4]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，尿流率計(jì)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。國(guó)際尿控協(xié)會(huì)制訂的《尿動(dòng)力學(xué)技術(shù)規(guī)范》以及我國(guó)《尿動(dòng)力學(xué)檢查操作指南》均要求對(duì)尿流率計(jì)每周校準(zhǔn)一次，但是并沒(méi)有給出詳盡的操作細(xì)節(jié)[5]。目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的針對(duì)尿流率計(jì)的校準(zhǔn)裝置，也未出臺(tái)尿流率計(jì)校準(zhǔn)需遵循的技術(shù)規(guī)范，儀器的校準(zhǔn)主要依靠設(shè)備自帶的校準(zhǔn)程序，無(wú)法使校準(zhǔn)建立在專(zhuān)業(yè)計(jì)量器具和定量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，致使此類(lèi)設(shè)備長(zhǎng)期處于質(zhì)量失控狀態(tài)[6]。因此研制一種尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置，對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行定期、定量校準(zhǔn)具有重要的臨床意義。

1 設(shè)計(jì)原理

校準(zhǔn)裝置對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的原理，見(jiàn)圖1。首先設(shè)計(jì)一條流率曲線Q(t)，使校準(zhǔn)裝置嚴(yán)格按照此曲線變化規(guī)律輸水流。將此水流作為人體尿流輸入尿流率計(jì)，并將尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線Y(t)與輸入水流的流率曲線Q(t)比較，即可對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1 尿流率計(jì)校準(zhǔn)原理圖

根據(jù)以上尿流率計(jì)校準(zhǔn)原理，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置原理圖，見(jiàn)圖2。在數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）的控制下，DA轉(zhuǎn)換器輸出高精度的控制電壓U(t)至電機(jī)，驅(qū)動(dòng)齒輪泵帶動(dòng)水流運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生符合目標(biāo)流率曲線變化形式的水流Q(t)。

圖2 尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理框圖

2 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)要求

尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)要滿足尿流率計(jì)測(cè)量范圍、分辨率并結(jié)合臨床要求。通過(guò)查找文獻(xiàn)可知，具有臨床意義的最小排尿量時(shí)最大尿流率下限值的最小值為9 mL/s[7-10]，《尿動(dòng)力學(xué)檢查操作指南（2010版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》）指出尿流率的參考范圍為0～50 mL/s[11]，故選定最小值9 mL/s作為尿流率計(jì)校準(zhǔn)范圍的下限值，將尿流率計(jì)校準(zhǔn)范圍設(shè)定為9～50 mL/s，校準(zhǔn)裝置的測(cè)量范圍必須包含該區(qū)間?！吨改稀吠瑫r(shí)指出尿流率計(jì)的最高分辨率為0.5 mL/s[11]，故欲對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，裝置的誤差應(yīng)＜1%。ICS技術(shù)報(bào)告推薦在臨床檢查中尿流信號(hào)的精確度低于相對(duì)于滿刻度的±術(shù)報(bào)。在臨床中一般要求每次的排尿量＞200 mL[12]。綜合以上分析，尿流率計(jì)的校準(zhǔn)裝置需滿足以下技術(shù)要求：尿流率的校準(zhǔn)范圍包含9～50 mL/s；流率分辨率＞0.5 mL/s；流量范圍應(yīng)＞200 mL。

3 目標(biāo)流率曲線Q(t)的設(shè)計(jì)

正常的連續(xù)尿流率曲線，見(jiàn)圖3。尿流率曲線主要包含最大尿流率、平均尿流率、達(dá)最大尿流率時(shí)間、尿流時(shí)間、排尿量等信息[3]。根據(jù)尿流率曲線中包含的信息，取尿流率與時(shí)間對(duì)應(yīng)點(diǎn)用MATLAB軟件進(jìn)行尿流率目標(biāo)曲線的擬合，擬合曲線中流率與時(shí)間的關(guān)系為：

設(shè)計(jì)目標(biāo)流率曲線，見(jiàn)圖4。其中Q為流率，單位為mL/s，t為排尿時(shí)間，單位為s，總流率時(shí)間為16 s。當(dāng)t=10 s時(shí)，曲線的波峰即最大流率為Qmax=50 mL/s，包含尿流率計(jì)測(cè)量的最大值，且由圖3和圖4比較可知，設(shè)計(jì)的流率曲線與正常尿流率曲線形態(tài)基本一致，可應(yīng)用此曲線對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖3 正常連續(xù)尿流率曲線

圖4 設(shè)計(jì)的目標(biāo)流率曲線

4 校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上要求及原理，設(shè)計(jì)了以DSP為核心的校準(zhǔn)裝置，主要由轉(zhuǎn)速控制模塊、流量產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊構(gòu)成，硬件原理，見(jiàn)圖5。

圖5 校準(zhǔn)裝置總體硬件框圖

裝置采用芯片型號(hào)為OMAPL138BZWT，其中作為核心的DSP核為T(mén)MS320C6748，能夠滿足系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)多任務(wù)及實(shí)時(shí)高強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用需求[13]，滿足低功耗、高性能的應(yīng)用環(huán)境[14]。

流量產(chǎn)生模塊由意大利Fluid-o-Tech公司的FG213一體機(jī)及其附屬軟管等組成。FG213齒輪泵一體機(jī)電路簡(jiǎn)單，控制電壓U與轉(zhuǎn)速S線性對(duì)應(yīng)[15]，兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

其中U為控制電壓，單位為V；S為每分鐘轉(zhuǎn)速，單位為rpm；SI為每秒轉(zhuǎn)速，單位為rev/s。電機(jī)無(wú)極調(diào)速，每轉(zhuǎn)一圈泵出液體體積是相同的，為每轉(zhuǎn)0.9 mL，控制電壓為0.3～5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍為300～5000 rpm ，對(duì)應(yīng)流率范圍為4.5～75 mL/s，滿足校準(zhǔn)裝置流率范圍的要求。

轉(zhuǎn)速控制模塊主要由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）芯片和基準(zhǔn)源芯片構(gòu)成。轉(zhuǎn)速控制模塊需要控制轉(zhuǎn)速使其達(dá)到校準(zhǔn)裝置分辨率的要求。由于選用的齒輪泵每轉(zhuǎn)泵出液體體積為0.9 mL，尿流率計(jì)的最低分辨率為0.5 mL/s，則要求齒輪泵每秒的轉(zhuǎn)數(shù)為：（0.5 mL/s）/ （0.9 mL/rev）=5/9（rev/s）。由公式（2）計(jì)算可知，所給電機(jī)控制電壓的精度至少應(yīng)為故至少需采用5位以上的DAC芯片對(duì)電機(jī)的控制電壓進(jìn)行控制，才能使校準(zhǔn)裝置的分辨率＜5 mL/s。本裝置選用AD公司的nanoDAC系列產(chǎn)品AD5060的16位輸出，滿足校準(zhǔn)裝置的分辨率需求。

數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)異步傳輸發(fā)送器協(xié)議實(shí)現(xiàn)裝置與計(jì)算機(jī)的通訊，電源模塊為整個(gè)裝置提供所需直流穩(wěn)壓電流。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用所設(shè)計(jì)的裝置對(duì)荷蘭MMS生產(chǎn)的PE10尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證裝置產(chǎn)生水流的能力。試驗(yàn)包括流率的直線校準(zhǔn)和曲線較準(zhǔn)兩個(gè)部分，直線校準(zhǔn)是指給定一個(gè)電壓，使校準(zhǔn)裝置輸出穩(wěn)定的水流；曲線較準(zhǔn)是指按照設(shè)計(jì)的流率曲線對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)其輸出的尿流率曲線是否符合預(yù)期的變化規(guī)律。

5.1 直線校準(zhǔn)結(jié)果與分析

0.653 V電壓下PE10尿流率計(jì)測(cè)量輸出的尿流率曲線和由MATLAB擬合出的校準(zhǔn)裝置輸出的流率曲線，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，0.653 V電壓下校準(zhǔn)裝置輸出的流率曲線與PE10尿流率計(jì)測(cè)量所得尿流率曲線由相似的變化規(guī)律，除上升和下降過(guò)程兩者的流率均趨于一條直線，其他電壓下校準(zhǔn)裝置和PE10尿流率計(jì)測(cè)量的流率曲線與圖6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，通過(guò)MATLAB軟件處理DSP返回的數(shù)據(jù)，計(jì)算每次測(cè)量校準(zhǔn)裝置對(duì)應(yīng)輸出的結(jié)果，并與PE10尿流率計(jì)輸出的結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

由表1可知，在整個(gè)流率范圍內(nèi)，流量的誤差都小于ICS技術(shù)報(bào)告規(guī)定的5%。但是由于尿流率計(jì)和校準(zhǔn)裝置計(jì)算流率時(shí)間算法的不同，兩者計(jì)算的尿流時(shí)間有較大的差異，計(jì)算得出的尿流率差異也較大。

5.2 校準(zhǔn)裝置的曲線較準(zhǔn)結(jié)果與分析

PE10尿流率計(jì)輸出的流率曲線和通過(guò)MATLAB擬合出的校準(zhǔn)裝置輸出的流率曲線，見(jiàn)圖7。

圖6 0.653V電壓下校準(zhǔn)裝置擬合出的流率曲線（a）和PE10尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線（b）

圖7 校準(zhǔn)裝置擬合出的流率曲線（a）和PE10尿流率計(jì)輸出的流率曲線（b）

由圖7可知，尿流率計(jì)輸出的尿流率曲線隨時(shí)間的增加，流率逐漸增大，達(dá)到最大值后流率開(kāi)始減小，直至減為0，與設(shè)計(jì)的流率曲線具有相似的變化規(guī)律。

對(duì)尿流率計(jì)重復(fù)5次進(jìn)行曲線校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置和PE10尿流率計(jì)測(cè)量的結(jié)果，見(jiàn)表2。

由表2可知，用校準(zhǔn)裝置對(duì)PE10尿流率計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尿流率曲線中最具參考價(jià)值的最大尿流率誤差＜5%，排尿量誤差＜1%，均未超出《指南》和ICS規(guī)定的5%。由于尿流率計(jì)和校準(zhǔn)裝置計(jì)算流率時(shí)間算法的不同，兩者計(jì)算的尿流時(shí)間有較大的差異，本次試驗(yàn)中尿流時(shí)間誤差最大為12.84%，達(dá)峰時(shí)間誤差最大為14.98%。

表1 校準(zhǔn)裝置直線校準(zhǔn)結(jié)果

表2 PE10尿流率計(jì)曲線較準(zhǔn)結(jié)果

6 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)可知，本研究設(shè)計(jì)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置能夠在給定電壓下輸出穩(wěn)定的水流，也可以輸出預(yù)設(shè)流率曲線的水流，且裝置滿足尿流率計(jì)校準(zhǔn)范圍及校準(zhǔn)精度的需求。隨著尿流率計(jì)在國(guó)內(nèi)醫(yī)院的廣泛使用，尿流率計(jì)的質(zhì)量控制受到越來(lái)越高的重視[16]，本研究設(shè)計(jì)的以DSP和齒輪泵為基礎(chǔ)的尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置具有一定的實(shí)用價(jià)值，為尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置的研制提供了一種新的思路和方法,為下一步的實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。

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本文編輯 張丹妮

Uroflowmeter Calibration Device Based on Digital Signal Processor and Gear Pump

JI Jun1,2, YIN Lin-lin1, WANG Li-xin1,2, GAO Jia-shuo1, XIAO Hong1, YUAN Qing1,2

1. Department of Medical Engineering, the 305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China; 2. College of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, China

ObjectiveTo explore the system of uroflowmeter calibration devices based on Digital Signal Processor (DSP) and gear pump. Methods The proposed method used voltage control gear pump to output standard water flow. With DSP as the core，and under the control of DSP, the digital/analog converter outputted a high precision control voltage to the motor, and motor drived pump operation. First, fixed voltage was given to check if the device could output a stable water flow; second, fitted out a standard urinary flow rate curve and observe if the device could output variable flow rate of water according to the rate curve.ResultsBy using the designed device to calibrate uroflowmeter of the Netherlands Medical Measurement Systems, results of the urine flow rate curve output by Medical Measurement Systems uroflowmeter was consistent with that of calibration device fitting curve, and the maximum flow rate as well as the flow error were all less than 5%, which showed that our device could achieve calibration of urinary flow rate meter.ConclusionThe research scheme of uroflowmeter calibration device based on DSP and gear pump is feasible and can meet the requirement of measurement range and resolution of uroflowmeter calibration devices.

uroflowmeter; digital signal processor; gear pump; urine output measurement; maximum flow rate measurement

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.009

1674-1633(2017)01-0034-04

2016-09-14

2016-09-27

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專(zhuān)項(xiàng)課題（2012-JL1-016）。

姬軍，副主任技師，主要研究方向?yàn)樯镝t(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。

通訊作者郵箱：kx68@163.com