一種基于數字信號處理器和齒輪泵的尿流率計校準裝置

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

一種基于數字信號處理器和齒輪泵的尿流率計校準裝置

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

目的研究基于數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）和齒輪泵的尿流率計校準裝置。方法 采用電壓控制齒輪泵輸出標準流量水流。裝置以DSP為核心，在DSP的控制下，讓DA轉換器輸出高精度控制電壓至電機，電機驅動齒輪泵帶動水流運轉。首先給定一個固定電壓，檢查裝置能否輸出穩定的水流，其次，擬合出標準的尿流率曲線，觀察裝置能否根據此流率曲線輸出可變流率的水流。結果利用設計的裝置對荷蘭MMS尿流率計進行校準，結果顯示MMS尿流率計輸出的尿流率曲線結果與校準裝置擬合出的曲線結果其變化規律相符，最大流率、流量誤差均不超過5%，能夠實現對尿流率計的校準。結論利用DSP和齒輪泵為主體構建尿流率計校準裝置是可行的，滿足校準尿流率計所需測量范圍和分辨率的要求。

尿流率計；數字信號處理器；齒輪泵；排尿量測量；最大尿流率測量

引言

尿流率測定是尿動力學檢查中唯一非侵入性的、簡單方便的檢測患者下尿路癥狀的檢查方法[1]。測定尿流率的設備是尿流率計，檢測時只需要患者對準尿流率計的集尿容器進行正常的排尿過程，尿流率計即可根據集尿容器內尿液重量的增加計算出患者排尿的瞬時速率并輸出尿流率曲線[2]，此曲線提供的數據包含很多患者排尿過程中的重要信息，如患者排尿過程的連續性、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[4]。自20世紀80年代以來，尿流率計在國內的應用呈上升趨勢。國際尿控協會制訂的《尿動力學技術規范》以及我國《尿動力學檢查操作指南》均要求對尿流率計每周校準一次，但是并沒有給出詳盡的操作細節[5]。目前國內外并沒有專門的針對尿流率計的校準裝置，也未出臺尿流率計校準需遵循的技術規范，儀器的校準主要依靠設備自帶的校準程序，無法使校準建立在專業計量器具和定量檢測的基礎上，致使此類設備長期處于質量失控狀態[6]。因此研制一種尿流率計校準裝置，對尿流率計進行定期、定量校準具有重要的臨床意義。

1 設計原理

校準裝置對尿流率計進行校準的原理，見圖1。首先設計一條流率曲線Q(t)，使校準裝置嚴格按照此曲線變化規律輸水流。將此水流作為人體尿流輸入尿流率計，并將尿流率計輸出的尿流率曲線Y(t)與輸入水流的流率曲線Q(t)比較，即可對尿流率計進行校準。

圖1 尿流率計校準原理圖

根據以上尿流率計校準原理，設計校準裝置原理圖，見圖2。在數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）的控制下，DA轉換器輸出高精度的控制電壓U(t)至電機，驅動齒輪泵帶動水流運轉，從而產生符合目標流率曲線變化形式的水流Q(t)。

圖2 尿流率計校準裝置設計原理框圖

2 校準裝置設計技術要求

尿流率計校準裝置的設計要滿足尿流率計測量范圍、分辨率并結合臨床要求。通過查找文獻可知，具有臨床意義的最小排尿量時最大尿流率下限值的最小值為9 mL/s[7-10]，《尿動力學檢查操作指南（2010版）》（以下簡稱《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作為尿流率計校準范圍的下限值，將尿流率計校準范圍設定為9～50 mL/s，校準裝置的測量范圍必須包含該區間。《指南》同時指出尿流率計的最高分辨率為0.5 mL/s[11]，故欲對尿流率計進行校準，裝置的誤差應＜1%。ICS技術報告推薦在臨床檢查中尿流信號的精確度低于相對于滿刻度的±術報。在臨床中一般要求每次的排尿量＞200 mL[12]。綜合以上分析，尿流率計的校準裝置需滿足以下技術要求：尿流率的校準范圍包含9～50 mL/s；流率分辨率＞0.5 mL/s；流量范圍應＞200 mL。

3 目標流率曲線Q(t)的設計

正常的連續尿流率曲線，見圖3。尿流率曲線主要包含最大尿流率、平均尿流率、達最大尿流率時間、尿流時間、排尿量等信息[3]。根據尿流率曲線中包含的信息，取尿流率與時間對應點用MATLAB軟件進行尿流率目標曲線的擬合，擬合曲線中流率與時間的關系為：

設計目標流率曲線，見圖4。其中Q為流率，單位為mL/s，t為排尿時間，單位為s，總流率時間為16 s。當t=10 s時，曲線的波峰即最大流率為Qmax=50 mL/s，包含尿流率計測量的最大值，且由圖3和圖4比較可知，設計的流率曲線與正常尿流率曲線形態基本一致，可應用此曲線對尿流率計進行校準。

圖3 正常連續尿流率曲線

圖4 設計的目標流率曲線

4 校準裝置硬件設計

根據以上要求及原理，設計了以DSP為核心的校準裝置，主要由轉速控制模塊、流量產生模塊、數據傳輸模塊以及電源模塊構成，硬件原理，見圖5。

圖5 校準裝置總體硬件框圖

裝置采用芯片型號為OMAPL138BZWT，其中作為核心的DSP核為TMS320C6748，能夠滿足系統的非實時多任務及實時高強度數據處理的應用需求[13]，滿足低功耗、高性能的應用環境[14]。

流量產生模塊由意大利Fluid-o-Tech公司的FG213一體機及其附屬軟管等組成。FG213齒輪泵一體機電路簡單，控制電壓U與轉速S線性對應[15]，兩者之間對應關系為：

其中U為控制電壓，單位為V；S為每分鐘轉速，單位為rpm；SI為每秒轉速，單位為rev/s。電機無極調速，每轉一圈泵出液體體積是相同的，為每轉0.9 mL，控制電壓為0.3～5 V時，對應轉速范圍為300～5000 rpm ，對應流率范圍為4.5～75 mL/s，滿足校準裝置流率范圍的要求。

轉速控制模塊主要由數字模擬轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）芯片和基準源芯片構成。轉速控制模塊需要控制轉速使其達到校準裝置分辨率的要求。由于選用的齒輪泵每轉泵出液體體積為0.9 mL，尿流率計的最低分辨率為0.5 mL/s，則要求齒輪泵每秒的轉數為：（0.5 mL/s）/ （0.9 mL/rev）=5/9（rev/s）。由公式（2）計算可知，所給電機控制電壓的精度至少應為故至少需采用5位以上的DAC芯片對電機的控制電壓進行控制，才能使校準裝置的分辨率＜5 mL/s。本裝置選用AD公司的nanoDAC系列產品AD5060的16位輸出，滿足校準裝置的分辨率需求。

數據傳輸模塊通過異步傳輸發送器協議實現裝置與計算機的通訊，電源模塊為整個裝置提供所需直流穩壓電流。

5 實驗結果

用所設計的裝置對荷蘭MMS生產的PE10尿流率計進行校準，驗證裝置產生水流的能力。試驗包括流率的直線校準和曲線較準兩個部分，直線校準是指給定一個電壓，使校準裝置輸出穩定的水流；曲線較準是指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。

5.1 直線校準結果與分析

0.653 V電壓下PE10尿流率計測量輸出的尿流率曲線和由MATLAB擬合出的校準裝置輸出的流率曲線，見圖6。

由圖6可知，0.653 V電壓下校準裝置輸出的流率曲線與PE10尿流率計測量所得尿流率曲線由相似的變化規律，除上升和下降過程兩者的流率均趨于一條直線，其他電壓下校準裝置和PE10尿流率計測量的流率曲線與圖6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，通過MATLAB軟件處理DSP返回的數據，計算每次測量校準裝置對應輸出的結果，并與PE10尿流率計輸出的結果進行比較，見表1。

由表1可知，在整個流率范圍內，流量的誤差都小于ICS技術報告規定的5%。但是由于尿流率計和校準裝置計算流率時間算法的不同，兩者計算的尿流時間有較大的差異，計算得出的尿流率差異也較大。

5.2 校準裝置的曲線較準結果與分析

PE10尿流率計輸出的流率曲線和通過MATLAB擬合出的校準裝置輸出的流率曲線，見圖7。

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

圖7 校準裝置擬合出的流率曲線（a）和PE10尿流率計輸出的流率曲線（b）

由圖7可知，尿流率計輸出的尿流率曲線隨時間的增加，流率逐漸增大，達到最大值后流率開始減小，直至減為0，與設計的流率曲線具有相似的變化規律。

對尿流率計重復5次進行曲線校準，校準裝置和PE10尿流率計測量的結果，見表2。

由表2可知，用校準裝置對PE10尿流率計進行實驗，尿流率曲線中最具參考價值的最大尿流率誤差＜5%，排尿量誤差＜1%，均未超出《指南》和ICS規定的5%。由于尿流率計和校準裝置計算流率時間算法的不同，兩者計算的尿流時間有較大的差異，本次試驗中尿流時間誤差最大為12.84%，達峰時間誤差最大為14.98%。

表1 校準裝置直線校準結果

表2 PE10尿流率計曲線較準結果

6 結論

由實驗可知，本研究設計的尿流率計校準裝置能夠在給定電壓下輸出穩定的水流，也可以輸出預設流率曲線的水流，且裝置滿足尿流率計校準范圍及校準精度的需求。隨著尿流率計在國內醫院的廣泛使用，尿流率計的質量控制受到越來越高的重視[16]，本研究設計的以DSP和齒輪泵為基礎的尿流率計校準裝置具有一定的實用價值，為尿流率計校準裝置的研制提供了一種新的思路和方法,為下一步的實驗打好基礎。

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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

軍事醫學計量科研專項課題（2012-JL1-016）。

姬軍，副主任技師，主要研究方向為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。

通訊作者郵箱：kx68@163.com