基于數字信號處理和齒輪泵的稱重式尿流率計校準裝置設計及臨床應用分析*

姬　軍　袁　青　王莉新　高佳碩　肖　宏

基于數字信號處理和齒輪泵的稱重式尿流率計校準裝置設計及臨床應用分析*

姬軍①②*袁青①②王莉新①②高佳碩①肖宏①

目的：研究基于數字信號處理（DSP）和齒輪泵的稱重式尿流率計校準裝置在臨床應用中的可行性。方法：以DSP和齒輪泵為主體設計尿流率計校準裝置，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裝置進行直線校準和曲線較準，比較其輸出結果與尿流率計輸出結果的一致性。結果：LABORIE尿流率計輸出結果與校準裝置相差較大，MMS尿流率計輸出結果與校準裝置相符。結論：所設計的尿流率計校準裝置達到設計要求，可以應用于臨床對尿流率計進行校準。

尿流率計；校準裝置；直線校準；曲線較準

［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用價值［2］。尿流率計是尿流率測定的工具，當尿流率計質量失控時測量的數據則不準確，并將對臨床診斷產生誤導，進而影響對患者治療方案的制定［3］。

目前，國內外并無針對尿流率計的校準裝置，校準操作主要依靠設備自帶的校準程序，且不同廠商的產品執行標準各不相同。為此，本研究研制專業的尿流率計校準裝置，以便開展尿流率計的計量校準工作，使尿流率計的校準建立在專業器具和定量檢測的基礎之上［4］。

1　尿流率計校準裝置設計原理及技術要求

1.1設計原理

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進行測定，以尿流率曲線的形式輸出檢查結果［5］。根據尿流率計的工作原理開展對尿流率計的校準，針對尿流率計輸出的尿流率曲線形態設計出流率曲線，使校準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計的流率曲線進行比較，即可對尿流率計進行精確定量校準。

1.2技術要求

國際尿控協會于2002年制定的“尿動力學技術規范（good urodynamic practices，GUP）”［6］及我國“尿動力學技術規范（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性的要求。結合臨床需求，確定所設計的尿流率計校準裝置應滿足校準裝置流率校準范圍為9～50 ml/s，分辨率＜5 ml/s，流量的誤差＜1%。在數字信號處理（digital signal processing，DSP）的控制下，由數字模擬轉換器（digital analog converter，DAC）輸出高精度電壓驅動電機轉動，通過改變電機的轉速而改變齒輪泵輸出的流率，使其能夠根據設定的轉速輸出高精度穩定流率的水流（如圖1所示）。

圖1　尿流率計校準裝置工作流程框圖

2　尿流率計校準裝置硬件設計

尿流率計校準裝置以DSP為核心，主要由轉速控制模塊、流量產生模塊、數據傳輸模塊及電源模塊構成。校準裝置采用OMAPL138BZWT為主控芯片，在其控制下AD5060 DA轉換器按照設計目標電壓曲線，輸出對應的高精度電壓至FG213齒輪泵一體機，從而產生符合目標流率曲線變化形式的水流［8］。電機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送至個人計算機（personal computer，PC）。DSP通過串行外圍設備接口（serial peripheral interface，SPI）與外部數模轉換器進行通訊，通過通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）和PC進行數據傳輸［9］。校準裝置系統硬件如圖2所示。

圖2　尿流率計校準裝置系統硬件框圖

3　尿流率計校準裝置軟件設計

3.1CCS軟件平臺

校準裝置使用的軟件開發平臺是TI公司的CCS（code composer studio）軟件。軟件設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設曲線輸出對應控制電壓至電機，齒輪泵開始運轉，此時脈沖采集模塊采集送入DSP的IO管腳電機反饋脈沖，用于計算處理模塊對其相應的頻率、流率以及積分值進行計算，最后通過串口通訊模塊接收處理后的數據至PC，用于實驗結果的分析與比較［10］。

3.2PC端數據分析模塊

PC端的數據分析模塊采用的是MATLAB R2012b軟件平臺，在MATLAB環境中讀取串口傳送的頻率數據，根據相關關系式對數據進行計算與處理，對處理后的數據進行平滑，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，用于校準實驗中實驗結果的精確比較。

4　尿流率計校準裝置實驗方法

4.1校準實驗方法

（1）使用本研究設計的尿流率計校準裝置對不同醫院不同品牌的94-R01-BT尿流率計（加拿大LABORIE公司生產）和PE10尿流率計（荷蘭MMS生產）進行校準實驗。

（2）校準實驗包括流率的直線校準和曲線較準：①直線校準，即給定電壓，使校準裝置輸出穩定的水流并對尿流率計進行測量，分析校準裝置和尿流率計流率值之間的相關性［11］；②曲線較準，即按照設計的流率曲線對尿流率計進行測量，檢測其輸出的尿流率曲線是否符合預期的變化規律，判斷尿流率計對輸入曲線的動態響應程度，以及最大尿流率、排尿量及達峰時間等指標的準確性。

4.2校準流程及流量校準系數

（1）直線校準實驗流程。擺放好校準裝置、尿流率計、PC以及水桶等工具，連接好串口線、電源線→系統上電后進行預實驗，排空齒輪泵管道內的空氣→通過串口調試軟件設置各流率對應的電壓，使校準裝置輸出的水流流入尿流率計，記錄串口接收到的數據和尿流率計輸出的曲線→檢測完成后倒掉尿杯內的液體→每個點重復測量3次→采用MATLAB處理串口接收到的數據，擬合出該電壓對應下的流率-時間曲線，計算曲線進入穩態后的流率值以及積分值，對校準裝置和尿流率計的流率值進行相關性分析。

（2）曲線較準實驗流程。同直線校準過程，重復測量5次進行曲線測定。用MATLAB軟件處理串口接收到的數據，擬合出對應的流率時間曲線，計算出最大尿流率、流率的積分值、流率時間以及達峰時間，并與尿流率計的測量值進行比較分析。

（3）流量校準系數。校準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果，但稱重式尿流率計是通過尿液的重量計算瞬時對應的尿流率，尿液與水的密度不一樣，會對計算結果造成誤差，故需要對校準裝置輸出的尿流率進行校正補償。經查找文獻并計算，確定補償因子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。本研究實驗結果與分析中采用校準后的流率值進行計算分析。

5　尿流率計校準裝置校準結果

5.1直線校準結果與分析

在0.653 V電壓下由MATLAB模擬出的校準裝置的流率曲線和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，對每個流率點重復進行3次測量并計算其平均值，令校準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據進行相關性分析，擬合曲線如圖5、圖6所示。

圖5　校準裝置與LABORIE尿流率計流率值的擬合曲線圖

圖6　校準裝置與MMS尿流率計流率值的擬合曲線圖

校準裝置與LABORIE尿流率計的流率值之間的關系式為公式1：

擬合指標SSE=3.846，RMSE=0.7413，R-square=0.9962，Adjusted R-square=0.9951，校準裝置和LABORIE尿流率計的流率值之間為二次函數關系。

校準裝置與MMS尿流率計的流率值之間的關系式為公式2：

擬合指標SSE=3.068，RMSE=0.6192，R-square=0.9985，Adjusted R-square=0.9984，校準裝置和MMS尿流率計的流率值之間為線性對應關系。

由直線校準實驗可知，校準裝置與LABORIE尿流率計的流率值是非線性的，在低流率范圍內，尿流率計測量精度高，在高流率范圍內，尿流率計測量誤差較大，而校準裝置和MMS尿流率計的流率值是線性相關的，在整個流率范圍內，尿流率計測量精度較高。由于設計曲線的最大流率值為50 ml/s，該流率值偏大，故用校準裝置對LABROIE尿流率計進行曲線校準時，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曲線較準結果與分析

對尿流率計重復5次曲線較準，用MATLAB軟件對通過串口接收到的DSP數據進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，達到最大值后流率開始減少，直至減少為0，與校準裝置的流率曲線有相似的變化規律。對尿流率計重復5次曲線校準，校準裝置和尿流率測量的結果見表1、表2。

LABORIE尿流率計曲線校準結果（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，但最大尿流率誤差大，超出GUP以及“指南”中規定的5%。且由圖5可知校準裝置與尿流率計流率值之間的關系是非線性的，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，表明尿流率計測量尿流率誤差較大。故當尿流率計的輸入為一連續變化的曲線時，LABORIE尿流率計雖然可以粗略檢測出尿流率的變化，但所測量數據偏差較大，儀器處于質量失控狀態。

MMS尿流率計曲線校準結果（見表2）顯示，使用校準裝置對MMS尿流率計進行試驗，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”中規定的5%。由于校準裝置與MMS尿流率計流率值之間的關系是線性的，其不僅可以檢測出尿流率的變化規律，并且可以及時進行動態響應，使最大尿流率及排尿量指標在誤差允許范圍內，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%，達峰時間誤差最大為14.98%。出現此種原因是由于校準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，而校準裝置在齒輪泵啟動到結束都認為是尿流時間，故造成很大的誤差。

表1　LABORIE尿流率計曲線校準結果

表2　MMS尿流率計曲線校準結果

圖7　校準裝置和LABORIE尿流率計輸出的流率曲線圖

圖8　校準裝置和MMS尿流率計輸出的流率曲線圖

6　結論

本研究設計的校準裝置可以檢測出尿流率的變化規律，表明校準裝置滿足設計要求，可以對尿流率計進行科學校準。同時設計的模擬人體排尿過程的校準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行測量，通過其誤差是否在規定范圍內判斷尿流率計的性能好壞，檢測出LABORIE儀器處于質量失控狀態，MMS性能良好，表明校準方法與裝置達到設計要求，能夠通過有效的技術依據判斷尿流率計的應用質量，系統穩定可靠，具有一定的實用性［12］。

［1］吳階平.泌尿外科學［M］.濟南：山東科學出版社，2004：1-1294.

［2］MacLachlan LS，Rovner ES.Good urodynamic practice keys to performing a quality UDS study［J］.Urol Clin North Am，2014，41（3）：363-373.

［3］Hogan S，Jarvis P，Gammie A，et al.Quality control in urodynamics and the role of softwaresupport in the QC procedure［J］.Neurourol Urodyn，2011，30（8）：1557-1564.

［4］廖利民.尿動力學技術規范—介紹國際尿控協會標準化報告［J］.中國康復理論與實踐，2005，11（11）：875-878.

［5］吳永安.正常尿流率曲線的分析及其臨床意義［J］.醫師進修雜志，1983（10）：51-52.

［6］［No authors listed］.Fourth report on the standardization of terminology of lower urinary tract function.Terminology related to neuromuscular dysfunction of the lower urinary tract［J］.Br J Urol，1981，53（4）：333-335.

［7］中華醫學會泌尿外科學分會.尿動力學檢查操作指南（2010版）［A］.中華醫學會泌尿外科學分會，2010.

［8］俞開清.齒輪泵流量脈動分析與優化設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［9］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［10］劉渙軍，劉向群.基于多片MSP430單片機數據采集系統的設計與開發［J］.自動化技術與應用，2006，25（12）：54-56，64.

［11］蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試［M］.北京：中國計量出版社，2007：5-6.

［12］蔣耀軍，葛斌，嚴容國，等.便攜式尿流率儀數據采集與測量精度的研究［J］.生物醫學工程學雜志，2014，31（1）：69-75.

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

軍事醫學計量科研專項（2012-JL1-016）“尿動力分析儀檢測技術研究”

①解放軍第305醫院醫學工程科 北京 100017

②南方醫科大學生物醫學工程學院 廣東 廣州 510515

kx68@163.com

姬軍，男，（1970- ），博士，副主任技師。解放軍第305醫院醫學工程科，從事生物醫學信號檢測與處理、智能醫療儀器設計，醫療設備計量與質量控制等方面的工作。