自动尿量监测仪的研制

魏 良，李永勤，陈碧华

第三军医大学生物医学工程学院，重庆市，400038

自动尿量监测仪的研制

【作 者】魏 良，李永勤，陈碧华

第三军医大学生物医学工程学院，重庆市，400038

针对目前临床上依赖人工测量尿量的现状，设计了一种自动尿量监测系统。系统由流量传感器、MSP430f149单片机、人机交互模块、液晶模块、时钟模块以及存储模块等组成。尿液经导尿管流过流量传感器时，尿量信号被单片机捕获，经过数据处理，配合时钟模块，将当前时刻的尿量显示在液晶屏上，同时存储数据以供查询。实验证明，本系统工作稳定，测量准确，实时性好，满足临床尿量监测要求。

尿量；自动监测；流量传感器；单片机

尿量是监测患者多种指标中的一项重要内容，是反映肾脏血流灌注水平的最直接最敏感的生理指标。特别是对于休克、心脏手术、大面积烧伤及肾功能不全等病人，每小时尿量的监测非常重要，它能够及时反映人体有效循环血量及肾脏功能[1]。目前，临床上大多采用一次性储尿袋来收集并测量尿量，测量结果由人工目测尿袋刻度获得，存在着实际尿量与测得尿量的严重不符、误差较大的问题，不能客观真实地显示尿量，因而也影响了病情的估计与治疗。而现有的国外自动尿量监测仪产品，价格昂贵，难以推广。因此，需要探索一种低成本，可实时精确测量尿量的监测系统。

1 系统总体设计

本文设计的自动尿量监测仪系统原理框图如图1所示。系统由流量传感器、MSP430F149单片机、人机交互模块、液晶模块、时钟模块以及存储模块等组成。其工作流程如下：尿液流过流量传感器，流量信号经过采集电路被单片机捕获，时钟模块给出当前时间，单片机处理数据并将数据以及时间实时显示在液晶屏上，同时将数据及其对应的时间存储在存储器中，以供后续的查询。

图1 系统原理框图Fig.1 The system principle block diagram

2 流量传感器的设计

如图2所示为本流量传感器结构图。流量的测量采用液滴计数和连续测量相结合的方式，以实现不同情况下（少量、大量、超大量）尿量的测量。液滴计数及连续测量分别采用红外光电计数器和霍尔流量传感器实现。当病人尿量较少时，霍尔流量传感器不工作，尿量通过红外光电液滴计数的方式测量；当病人尿量很大时，霍尔流量传感器工作，尿量测量由二者共同完成。这样既保证了测量的准确度，又保证了测量的实时性。

图2 尿流量传感器结构图Fig.2 The structure of the urine fl ow sensor

2.1 红外光电计数器

红外光电计数器采用一对红外光电对管，发射管发射红外光，接收管接收红外光，流过接收管的电流与其接收到的红外光成正比，通过电阻后形成与接收光量成比例的电压信号，并与比较器另一端的参考电压进行比较，形成高低电平[2]。当尿滴通过光路时，接收端发生电压变化，光信号转化成脉冲信号被单片机捕获。

2.2 霍尔流量传感器

霍尔流量传感器的工作原理是霍尔元件的霍尔效应：在霍尔元件上通以与磁场方向正交的直流电流，当流体通过涡流推动磁性转子转动，从而使霍尔元件输出与流体流速相关的脉冲信号[3]，即脉冲数与尿量大小成正比。本文采用OKD-HZ/W41C（插管式）型霍尔流量传感器，最小测量流量大小为0.15 L/min。

3 MSP430单片机系统设计

本设计采用MSP430F149单片机实现尿量信号的捕获、实时时钟的获取、数据处理与存储，以及人机交互等功能[4]。

3.1 时钟模块

时钟模块是重要的辅助模块，自动尿量监测仪需要记录病人某一时刻的尿量，因此需要实时获取当前时间。本设计采用美国DALLAS公司推出的专用时钟芯片DS1302来实现，其双电源供电（主电源和备用电源）模式，可通过软件设置备用电源充电方式，这样在下次开机时仍然可以确保获取当前准确的时间。

3.2 存储模块

存储模块采用EEPROM及SD卡两种存储方式，EEPROM存储器集成在系统内部，SD卡可插拔，这样在无SD卡的情况下，仍然不会影响数据的存储与查询。

(1) EEPROM存储

EEPROM存储器使用AT24C16存储芯片，AT24C16 是低工作电压的16KB串行电可擦除只读存储器，内部组织为2 048 个字节，每个字节8 位。AT24C16通过IIC总线与单片机进行通信，支持双向数据传输协议，高达100万次数据读写次数，数据保存长达100年。本设计中，每隔10分钟存储一次实时尿量数据，该存储器可存储超过48小时的单个病人尿量数据。

(2) SD卡存储

SD卡因其体积小、记忆容量高、数据传输率快、移动灵活性大和安全性好等特点成为小型化智能医疗仪器的理想存储介质。本设计中，通过MSP430F149的P3.0-P3.3口以SPI总线接口方式对SD卡进行通信[5]。同时，为便于存储与管理数据，采用简化的FAT文件系统，以实现新建目录/文件，删除目录/文件等基本的文件系统操作功能。

3.3 液晶模块

液晶显示屏提供了一个人机交互界面。通过液晶显示屏可以选择病人类型、设置系统时间、测量间隔期、报警值，并可以查询历史尿量，显示尿量曲线。液晶控制芯片选用ILI9320，具有5.6英寸显示面积，图3所示为液晶总尿量显示界面。

图3 总尿量显示界面Fig.3 The display interface of the total urine volume

3.4 软件系统设计

系统软件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本环境中进行编写与调试的。软件系统由尿液测量程序和基于液晶的GUI界面设计[6]两大部分组成。其中，系统软件流程如图4所示，主要包括：系统初始化（系统时钟初始化、时钟模块初始化、存储模块初始化）、参数设置（选择病人类型，设置间隔期、时钟以及报警值）、数据存储、数据查询等功能。液晶的GUI界面设计主要包括病人类型选择界面、参数设置界面、总尿量显示界面、尿流率显示界面以及若干查询界面。

图4 系统软件流程图Fig.4 The fl ow chart of system software

4 实验结果

实验之前对传感器进行标定，确定每滴液体的大小以及霍尔流量传感器脉冲数与流量的对应关系，本设计中传感器的标定使用水作为标定的液体。标定时，用量筒依次量取指定体积的水，让水在重力作用下分别通过两个传感器，记录数据，拟合曲线，获取与尿液体积和尿流速的相关系数。设计的流量传感器标定结果为：每滴液体体积为0.094 5 mL，霍尔流量传感器脉冲数与流量的关系为：Q=0.294 5×N，其中Q为流量，N为脉冲数。

4.1 模拟实验

模拟实验采用与获取相关系数实验相同的方法进行，将量筒读数分别与单独使用红外光电液滴传感器和霍尔流量传感器测得的系统测量值比较，对仪器性能进行验证。仅使用液滴传感器时，即模拟在尿速较低的情况下的实验数据如下表1所示。从测量误差上可以看到，测量误差均小于5%，有的情况下可小于1%，表明在尿速较为缓慢时（临床调查可以发现绝大部分尿量监测属于此类情况），测量是很精确的。表1 模拟低流量下的实验数据

表1 模拟低流量下的实验数据Tab.1 The experimental data at low fl ow volume

考虑流量较大的情况下，模拟试验中，通过控制出水口处的流量开关来控制水流的大小，测量的数据如表2所示。

表2 模拟一次测量中有尿量大的情况数据表Tab.2 The experimental data at high fl ow volume

可以发现，大于300 mL的情况下误差都维持在一个稳定的水平（＜5%），而在小于300 mL时，随着尿量的增多，误差也趋向于减小，表明连续流量传感器使用在尿量较大时，整个系统的测量更为准确，这与本文的设计初衷是符合的。而在小流量时，仅使用液滴传感器即符合要求。

4.2 临床实验

表3 临床实验数据Tab.3 Clinical test data

临床实验选取一位右下肢撕脱伤，行创面持续负压引流的病人连续测量其两个小时尿量，分别记录仪器及尿袋内每十分钟的尿量，实验数据对照如表3所示：

从误差上可以看到，仪器测量误差均小于5%，完全符合临床要求[7]。

5 总结

本系统利用低功耗单片机MSP430配合时钟模块、液晶模块等实时监测尿量，同时可长时间、连续将数据存储在SD卡上，实现了尿量自动监测的功能。设计中的流量传感器采用液滴计数和连续测量相结合的方式，实现了不同情况下（少量，大量，超大量）尿量的测量。系统功能完善，结构紧凑，测量准确，实时性好，满足临床要求。

[1] 张春桂, 许敏昭, 李培珍. 新型尿量监测装置的研制与应用[J]. 广西医学, 2009, 31(7): 950-951.

[2] 马剑锋, 王丽, 马絮飞. 生理液滴红外光电自动计数装置的设计与实现[J]. 实验技术与管理, 2006, 23(5): 53-55.

[3] 胡小泊, 翟浩, 安稷. 基于霍尔效应的低成本简易流量计[J]. 科技创新导报, 2012, 04: 47.

[4] 张海峰, 任爱锋, 仝欣, 等. 基于MSP430的心电采集系统[J]. 电子科技, 2011, 24(10): 80-83.

[5] SanDisk Corporation. Manual of SanDisk secure digital (SD) card product[EB/OL]. [2004]. http://www.sandisk.com.

[6] Texas Instruments. MSP430x1xx family user’s guide. [EB/OL]. [2006]. http://www.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf.

[7] 石曦, 杨宇航, 陈伟宁. 基于AT89C52单片机的光电尿量监测系统的设计[J]. 中国医疗设备, 2012, 27(01): 25-27.

Development of Automatic Urine Monitoring System

【 Writers 】Wei Liang, Li Yongqin, Chen Bihua
School of Biomedical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing, 400038

urine volume, automatic monitoring, fl ow sensor, single chip microcomputer

R472；TP216

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.009

1671-7104(2014)02-0114-03

2013-10-30

全国百篇优秀博士论文专项基金（201060）

陈碧华，E-mail: windice1201@sina.com

【 Abstract 】An automatic urine monitoring system is presented to replace manual operation. The system is composed of the fl ow sensor, MSP430f149 single chip microcomputer, human-computer interaction module, LCD module, clock module and memory module. The signal of urine volume is captured when the urine fl ows through the fl ow sensor and then displayed on the LCD after data processing. The experiment results suggest that the design of the monitor provides a high stability, accurate measurement and good real-time, and meets the demand of the clinical application.