高靈敏度、高精度膀胱壓力監(jiān)測技術(shù)的研究

吳中毅, 劉德森, 李 鈺, 楊曉冬, 劉兆邦, 袁 剛

(1. 中科院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州, 215163; 2. 蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215163; 3. 浙江省溫州市人民醫(yī)院 ICU, 浙江 溫州, 325000)

一般情況下，患者置入導(dǎo)尿管后，尿液直接排出到引流袋，導(dǎo)致膀胱不能處于充盈狀態(tài)，長時間維持此狀態(tài)可導(dǎo)致膀胱自身的收縮與擴張功能退化。重癥患者往往需要長期留置導(dǎo)尿，或者術(shù)后膀胱積液較為渾濁，經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)尿管堵塞，易再次引發(fā)尿潴留，且當(dāng)膀胱內(nèi)積液過多時，尿液會直接從尿道溢出，容易引起感染[1-3]。根據(jù)國家重癥病房感染控制措施建議，應(yīng)盡量采用夾管方式進行患者的導(dǎo)尿管理。

在采用夾管方式進行導(dǎo)尿管護理時，通常在間隔固定時間進行排放以保證膀胱內(nèi)壓在較小的范圍內(nèi)，一方面由于沒有可以參考的排放標準，對于患者的膀胱順應(yīng)性和膀胱排尿功能維護不能起到很好的作用; 另一方面，夾管護理又會加大護理工作量，尤其是對于ICU的護理人員，負擔(dān)會更加沉重[4]。本研究設(shè)計了一套便攜式實時監(jiān)測膀胱壓力的設(shè)備，實現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)、簡便、精準的膀胱壓力監(jiān)測，通過無線數(shù)據(jù)傳輸將膀胱壓力監(jiān)測設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果反饋到手持終端或護理工作站，通過報警提示醫(yī)護人員或者自動控制導(dǎo)尿管出口閥門進行排尿，實現(xiàn)對患者的膀胱壓力智能管理，現(xiàn)報告如下。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)高靈敏度、高精度的膀胱壓力監(jiān)測和減小患者感染的風(fēng)險，采用基于arm9的高性能嵌入式芯片作為控制核心，選用MX9505T一次性醫(yī)用傳感器作為測量元件，膀胱壓力動態(tài)監(jiān)測控制單元框架見圖1。其中，高靈敏度微型壓力傳感器模塊實現(xiàn)對膀胱內(nèi)壓微小波動的檢測，調(diào)理電路模塊的功能是對壓力傳感器的輸出信號進行濾波和去噪處理，保證原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性; 數(shù)據(jù)采集模塊的功能是通過高位數(shù)AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對調(diào)理后數(shù)據(jù)的采集和處理; 數(shù)據(jù)分析模塊是通過對實時采集的壓力信息進行患者活動帶來的擾動排出和堵塞情況檢測; MCU為基于ARM9的高性能嵌入式芯片; 無線傳輸模塊通過藍牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸; 界面顯示與報警模塊用于實時壓力值及當(dāng)前膀胱內(nèi)積液容量估計值，在該值達到設(shè)定臨界值時發(fā)送提示信息或設(shè)置自動排放動作; 電源管理模塊的設(shè)計是保證核心控制板及傳感器供電的穩(wěn)定性和低功耗控制，實現(xiàn)長時間續(xù)航。

圖1 膀胱壓力動態(tài)監(jiān)測控制單元系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 硬件電路設(shè)計

1.1.1 高精度調(diào)理電路模塊: 傳感器輸出信號為差分信號，操作壓力范圍為-30～300 mmHg。靈敏度為5 μV/mmHg, 零點漂移為±40 mmHg, 因此滿量程輸出電信號范圍為-350～1 700 μV。本文將此電信號放大后采用AD芯片進行采集。微伏級別的電信號屬于微弱信號，需要采用多極放大將信號放大至AD采集范圍。傳感器輸出的差分信號首先經(jīng)過一個一階低通濾波，輸出與輸入的關(guān)系為，截止頻率計算公式為，濾除高頻雜波[5]。將濾除雜波后的差分信號輸入至前置放大器AD623, AD623是一個集成儀表前置放大器[6], 在無外接電阻的條件下, AD623被設(shè)置為單位增益; 外接電阻后, AD623可編程設(shè)置增益，其增益最高可達1 000倍。在第一級放大中，將儀器信號放大100倍，被放大100倍后信號范圍為-35～170 mV, 同時采用負壓芯片LM2662為AD芯片提供負電壓。經(jīng)過第一級放大的信號還屬于微弱信號，第二級放大仍然使用儀表前置放大器。改性經(jīng)過二階無源濾波后輸入至第二級放大器AD623中，第二級放大10倍后信號范圍為-0.35～1.7 V, 由于ADC不能采集負電壓信號，本研究最后將被放大后的信號通過加法電路往上提升1 V。傳感器差分信號經(jīng)過上述調(diào)理電路之后的電信號范圍為0.65～2.7 V, 經(jīng)過一個二階無源濾波器后輸入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器中[7-8]。

AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用芯片ADS1256, ADS1256測壓范圍為DC 0～5 V, 采集卡的采集速率為30 K/s, 精度可達到0.000 01, 模地，數(shù)字地完全隔離，抗干擾能力強。采用芯片OPA350為AD芯片提供參考電壓。AD芯片將采集電壓通過SPI傳輸給MCU。設(shè)計電路見圖2、3。

1.1.2 無線傳輸模塊: 為實現(xiàn)患者膀胱壓力的智能管理，基于藍牙芯片HC-05設(shè)計無線傳輸模塊。將采集并經(jīng)過處理后的實時膀胱壓力值通過藍牙協(xié)議傳輸?shù)阶o理工作站或者手持終端上，護理人員可以根據(jù)終端上的顯示和警報遠程操作導(dǎo)尿管閥門控制排放，也可輸入排放閾值，當(dāng)監(jiān)測到當(dāng)前壓力值達到閾值時自動控制閥門排放。另外，針對微弱信號處理，為保證電源穩(wěn)定性，設(shè)計了功率模塊; 為實現(xiàn)實時顯示采用接入了OLED模塊設(shè)計電路圖見圖4、5。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究所涉及的軟件主要是嵌入式軟件，是膀胱壓力監(jiān)測控制板上運行的程序，基于C語言在keil5平臺上開發(fā)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、界面顯示、算法運行等功能。軟件算法工作流程見圖6。

圖2 多極放大電路

圖3 負壓電路

圖4 藍牙模塊

圖5 功率模塊

圖6 軟件算法工作流程圖

對實時采集的壓力信號進行均值濾波處理后，通過初始化和排空操作完成數(shù)據(jù)校準，并設(shè)計軟件濾波算法完成對外界干擾如患者翻身或移動等帶來的數(shù)據(jù)干擾，同時根據(jù)上圖所示的定時觸發(fā)檢測流程，實現(xiàn)導(dǎo)尿管的堵塞情況判定。

2 結(jié) 果

2.1 實驗平臺

為驗證上述軟硬件設(shè)計，本研究設(shè)計了實驗平臺和智能終端顯示APP(圖7、8)。其中，電路板為所設(shè)計的高靈敏度微型壓力膀胱壓力監(jiān)測設(shè)備，傳感器為Simith醫(yī)療的一次性醫(yī)用壓力傳感器MX9505T, 透明水容器貼上透明刻度貼紙用來觀測當(dāng)前水面高度，容器底部開口接入導(dǎo)尿管和醫(yī)用防水接頭并做防漏處理，傳感器接入導(dǎo)尿管三通的一個通道。

根據(jù)P=pgh公式，可知壓力值液面高度相關(guān)，取水的密度(ρ)=103kg/m2,g=9.8 N/kg, 當(dāng)傳感器與液面高度差為10 mm時，壓力值應(yīng)為0.98 kPa, 通過顯示面板和手機上讀取的壓力值與理論計算值對比，就可以驗證本研究所設(shè)計設(shè)備的準確性。

圖7 膀胱壓力監(jiān)測實驗平臺 圖8 APP顯示界面

2.2 實驗結(jié)果

本研究設(shè)備實際測量值與理論值的誤差在0.1左右(1 mmHg=0.13 kPa), 設(shè)備檢測誤差小于1 mmHg, 滿足臨床需求。見表1及圖9、10。另外，采用多次重復(fù)加水的方法來進行靈敏度的檢測，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)液面高度改變3 mm時，所采集的數(shù)據(jù)波動趨于穩(wěn)定，本設(shè)備對于高于3 mm的波動能夠準確檢出，靈敏度在3 mmH2O≈0.22 mmHg。

表1 不同液位高度差(mm)測得的實驗數(shù)據(jù)

圖9 壓力曲線

圖10 誤差曲線

3 討 論

由于性別、年齡、尿液密度、病癥不同等因素，每個患者的膀胱壓耐受度差異性較大，對于同樣的壓力值，每個患者膀胱內(nèi)積液容量可能有較大差異，膀胱的順應(yīng)性、安全容量都不一樣，單純通過膀胱壓力作為排放依據(jù)并不能完全保證患者的膀胱順應(yīng)性，實現(xiàn)對患者的膀胱功能的維護[9-11]。對于如何建立患者膀胱壓力與膀胱積液容量的特異性關(guān)系，客觀評估、制定患者的排放標準并實現(xiàn)患者膀胱功能維護的定制方案，目前并沒有成熟的解決方案。為實現(xiàn)膀胱壓力和膀胱內(nèi)積液容量模型的建立，需要大量的臨床數(shù)據(jù)。目前用于臨床膀胱壓力信息實時采集的手段大多采用手動注水法，但效率較低。在后期研究中，以本設(shè)備為基礎(chǔ)，可以方便地進行較大量的臨床數(shù)據(jù)積累并建立該數(shù)據(jù)庫，基于該數(shù)據(jù)庫，通過機器學(xué)習(xí)和支持向量機回歸算法(SVR)可實現(xiàn)對當(dāng)前患者實時膀胱積液容量的預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果設(shè)計適用當(dāng)前患者的最佳排放方案，實現(xiàn)對患者膀胱壓力維護效果的最優(yōu)化。此外，從學(xué)術(shù)研究的角度上來說，膀胱壓力的監(jiān)測可拓展到膀胱逼尿肌功能、神經(jīng)源性膀胱、膀胱壁肌肉緊張性和膀胱盆神經(jīng)對膀胱功能的影響等方面的研究[12-13]。

綜上所述，本研究實驗設(shè)計能夠準確地監(jiān)測到微弱的壓力波動，對于膀胱內(nèi)壓的監(jiān)測有較大的參考價值，不僅可以提高ICU護理效率，減少護理工作量，而且可以為膀胱功能性研究提供有效的數(shù)據(jù)，為膀胱壓力與膀胱積液容量的建模研究提供設(shè)備保障，進而實現(xiàn)對患者膀胱壓力的智能管理。