高灵敏度、高精度膀胱压力监测技术的研究

吴中毅, 刘德森, 李 钰, 杨晓冬, 刘兆邦, 袁 刚

(1. 中科院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州, 215163; 2. 苏州科技城医院, 江苏 苏州, 215163; 3. 浙江省温州市人民医院 ICU, 浙江 温州, 325000)

一般情况下，患者置入导尿管后，尿液直接排出到引流袋，导致膀胱不能处于充盈状态，长时间维持此状态可导致膀胱自身的收缩与扩张功能退化。重症患者往往需要长期留置导尿，或者术后膀胱积液较为浑浊，经常发生导尿管堵塞，易再次引发尿潴留，且当膀胱内积液过多时，尿液会直接从尿道溢出，容易引起感染[1-3]。根据国家重症病房感染控制措施建议，应尽量采用夹管方式进行患者的导尿管理。

在采用夹管方式进行导尿管护理时，通常在间隔固定时间进行排放以保证膀胱内压在较小的范围内，一方面由于没有可以参考的排放标准，对于患者的膀胱顺应性和膀胱排尿功能维护不能起到很好的作用; 另一方面，夹管护理又会加大护理工作量，尤其是对于ICU的护理人员，负担会更加沉重[4]。本研究设计了一套便携式实时监测膀胱压力的设备，实现连续、动态、简便、精准的膀胱压力监测，通过无线数据传输将膀胱压力监测设备采集的实时数据和预测结果反馈到手持终端或护理工作站，通过报警提示医护人员或者自动控制导尿管出口阀门进行排尿，实现对患者的膀胱压力智能管理，现报告如下。

1 系统设计

为实现高灵敏度、高精度的膀胱压力监测和减小患者感染的风险，采用基于arm9的高性能嵌入式芯片作为控制核心，选用MX9505T一次性医用传感器作为测量元件，膀胱压力动态监测控制单元框架见图1。其中，高灵敏度微型压力传感器模块实现对膀胱内压微小波动的检测，调理电路模块的功能是对压力传感器的输出信号进行滤波和去噪处理，保证原始数据的稳定性和准确性; 数据采集模块的功能是通过高位数AD转换实现对调理后数据的采集和处理; 数据分析模块是通过对实时采集的压力信息进行患者活动带来的扰动排出和堵塞情况检测; MCU为基于ARM9的高性能嵌入式芯片; 无线传输模块通过蓝牙实现数据的无线传输; 界面显示与报警模块用于实时压力值及当前膀胱内积液容量估计值，在该值达到设定临界值时发送提示信息或设置自动排放动作; 电源管理模块的设计是保证核心控制板及传感器供电的稳定性和低功耗控制，实现长时间续航。

图1 膀胱压力动态监测控制单元系统构架

1.1 硬件电路设计

1.1.1 高精度调理电路模块: 传感器输出信号为差分信号，操作压力范围为-30～300 mmHg。灵敏度为5 μV/mmHg, 零点漂移为±40 mmHg, 因此满量程输出电信号范围为-350～1 700 μV。本文将此电信号放大后采用AD芯片进行采集。微伏级别的电信号属于微弱信号，需要采用多极放大将信号放大至AD采集范围。传感器输出的差分信号首先经过一个一阶低通滤波，输出与输入的关系为，截止频率计算公式为，滤除高频杂波[5]。将滤除杂波后的差分信号输入至前置放大器AD623, AD623是一个集成仪表前置放大器[6], 在无外接电阻的条件下, AD623被设置为单位增益; 外接电阻后, AD623可编程设置增益，其增益最高可达1 000倍。在第一级放大中，将仪器信号放大100倍，被放大100倍后信号范围为-35～170 mV, 同时采用负压芯片LM2662为AD芯片提供负电压。经过第一级放大的信号还属于微弱信号，第二级放大仍然使用仪表前置放大器。改性经过二阶无源滤波后输入至第二级放大器AD623中，第二级放大10倍后信号范围为-0.35～1.7 V, 由于ADC不能采集负电压信号，本研究最后将被放大后的信号通过加法电路往上提升1 V。传感器差分信号经过上述调理电路之后的电信号范围为0.65～2.7 V, 经过一个二阶无源滤波器后输入AD模数转换器中[7-8]。

AD数模转换器采用芯片ADS1256, ADS1256测压范围为DC 0～5 V, 采集卡的采集速率为30 K/s, 精度可达到0.000 01, 模地，数字地完全隔离，抗干扰能力强。采用芯片OPA350为AD芯片提供参考电压。AD芯片将采集电压通过SPI传输给MCU。设计电路见图2、3。

1.1.2 无线传输模块: 为实现患者膀胱压力的智能管理，基于蓝牙芯片HC-05设计无线传输模块。将采集并经过处理后的实时膀胱压力值通过蓝牙协议传输到护理工作站或者手持终端上，护理人员可以根据终端上的显示和警报远程操作导尿管阀门控制排放，也可输入排放阈值，当监测到当前压力值达到阈值时自动控制阀门排放。另外，针对微弱信号处理，为保证电源稳定性，设计了功率模块; 为实现实时显示采用接入了OLED模块设计电路图见图4、5。

1.2 系统软件设计

本研究所涉及的软件主要是嵌入式软件，是膀胱压力监测控制板上运行的程序，基于C语言在keil5平台上开发，用于实现数据采集、数据处理、界面显示、算法运行等功能。软件算法工作流程见图6。

图2 多极放大电路

图3 负压电路

图4 蓝牙模块

图5 功率模块

图6 软件算法工作流程图

对实时采集的压力信号进行均值滤波处理后，通过初始化和排空操作完成数据校准，并设计软件滤波算法完成对外界干扰如患者翻身或移动等带来的数据干扰，同时根据上图所示的定时触发检测流程，实现导尿管的堵塞情况判定。

2 结 果

2.1 实验平台

为验证上述软硬件设计，本研究设计了实验平台和智能终端显示APP(图7、8)。其中，电路板为所设计的高灵敏度微型压力膀胱压力监测设备，传感器为Simith医疗的一次性医用压力传感器MX9505T, 透明水容器贴上透明刻度贴纸用来观测当前水面高度，容器底部开口接入导尿管和医用防水接头并做防漏处理，传感器接入导尿管三通的一个通道。

根据P=pgh公式，可知压力值液面高度相关，取水的密度(ρ)=103kg/m2,g=9.8 N/kg, 当传感器与液面高度差为10 mm时，压力值应为0.98 kPa, 通过显示面板和手机上读取的压力值与理论计算值对比，就可以验证本研究所设计设备的准确性。

图7 膀胱压力监测实验平台 图8 APP显示界面

2.2 实验结果

本研究设备实际测量值与理论值的误差在0.1左右(1 mmHg=0.13 kPa), 设备检测误差小于1 mmHg, 满足临床需求。见表1及图9、10。另外，采用多次重复加水的方法来进行灵敏度的检测，根据实验数据，当液面高度改变3 mm时，所采集的数据波动趋于稳定，本设备对于高于3 mm的波动能够准确检出，灵敏度在3 mmH2O≈0.22 mmHg。

表1 不同液位高度差(mm)测得的实验数据

图9 压力曲线

图10 误差曲线

3 讨 论

由于性别、年龄、尿液密度、病症不同等因素，每个患者的膀胱压耐受度差异性较大，对于同样的压力值，每个患者膀胱内积液容量可能有较大差异，膀胱的顺应性、安全容量都不一样，单纯通过膀胱压力作为排放依据并不能完全保证患者的膀胱顺应性，实现对患者的膀胱功能的维护[9-11]。对于如何建立患者膀胱压力与膀胱积液容量的特异性关系，客观评估、制定患者的排放标准并实现患者膀胱功能维护的定制方案，目前并没有成熟的解决方案。为实现膀胱压力和膀胱内积液容量模型的建立，需要大量的临床数据。目前用于临床膀胱压力信息实时采集的手段大多采用手动注水法，但效率较低。在后期研究中，以本设备为基础，可以方便地进行较大量的临床数据积累并建立该数据库，基于该数据库，通过机器学习和支持向量机回归算法(SVR)可实现对当前患者实时膀胱积液容量的预测，根据预测结果设计适用当前患者的最佳排放方案，实现对患者膀胱压力维护效果的最优化。此外，从学术研究的角度上来说，膀胱压力的监测可拓展到膀胱逼尿肌功能、神经源性膀胱、膀胱壁肌肉紧张性和膀胱盆神经对膀胱功能的影响等方面的研究[12-13]。

综上所述，本研究实验设计能够准确地监测到微弱的压力波动，对于膀胱内压的监测有较大的参考价值，不仅可以提高ICU护理效率，减少护理工作量，而且可以为膀胱功能性研究提供有效的数据，为膀胱压力与膀胱积液容量的建模研究提供设备保障，进而实现对患者膀胱压力的智能管理。