尿流量监测装置研究现状

高 鹏，杨运森*，李如振，刘 鹏，苏红森

（1.联勤保障部队第924医院，广西桂林 541002；2.联勤保障部队第923医院，南宁 530021）

0 引言

尿流量不仅能直接反映肾灌注、肾功能情况，还能间接反映机体血流动力学状态，是评价循环血容量、心功能状态及微循环灌注的有效指标之一[1]，也是液体复苏和急性肾损伤早期鉴别的重要生理指标[2-3]。尿流量指标常用于监测体外循环手术或重症多发伤患者的血液动力学状态[4-6]，指导重度烧伤患者抗休克治疗补液调节[7]，调整急性心力衰竭、肾损伤患者的早期治疗方案和评估预后[8-9]以及评估脓毒性休克患儿预后[10]等。临床常用的尿流量指标有每分钟尿流量、每小时尿流量、24 h尿流量、48 h尿流量。实现尿流量的精准化测量不仅对于掌握患者病情、适时调整治疗方案、判断病情转归和预后有着重要意义[4]，还可以大大地减少临床护理人员的工作量[1]。本文对尿流量监测装置的研究现状综述如下。

1 尿流量监测难点

成年人尿液浓度正常范围为1.002～1.038 g/ml。人体尿液中含有约95%的水，另外5%的有机溶质包括尿素、肌酸酐、尿酸、微量的酶、碳水化合物、激素和非有机物质，如钠、钾、氯化物、镁、钙、铵、硫酸盐和磷酸盐等，具有导电性[11]。在大多数情况下，尿液浓度随着尿渗透压的增加呈线性增加，而当尿液中存在大量大分子时，这种关系会发生改变[12]。

尿流量监测难点主要有4个方面：（1）尿流量监测连续、时间长。如液体复苏通常至少需要连续监测患者的48 h尿流量情况。（2）患者尿流量范围大、监测精度要求高。从无尿（＜100 ml/24 h）、少尿（＜400 ml/24 h）到多尿（＞2 500 ml/24 h），使用利尿剂后尿流量甚至能达到600 ml/h，要在如此大范围内监测并保证尿流量≤40 ml/h时误差不超过3 ml/h、＞40 ml/h且≤100 ml/h时误差不超过5 ml/h、＞100 ml/h且≤250 ml/h时误差不超过10 ml/h、＞250 ml/h且≤500 ml/h时误差不超过20 ml/h、＞500 ml/h时误差不超过40 ml/h[13]。（3）监测环境不稳定、不可控。监测装置易受剧烈晃动及反复移动影响，尤其重症病房仪器装置较多，空间比较狭窄，医务人员工作量大，来回走动容易碰撞到尿袋及监测装置。在重度烧伤患者治疗过程中还会将患者整体翻转以进行换药，容易造成尿袋及尿管的大幅位移。（4）尿液非均质随时间变化。尿液成分会对尿液理化性质产生较大影响，在患者治疗过程中，治疗方案的调整及患者肾功能状态变化均会影响尿液成分，其密度、电导率、黏滞性都会随时间发生变化。

2 尿流量人工监测装置

目前，临床上通常是由护士进行患者尿流量的测量和记录工作，主要有2种方法。一是使用量筒按时测量患者所排出尿量，这种方法存在的问题是测量过程复杂、耗时长，还容易倾洒，造成污染，不太卫生，尤其是患者尿流量大时。二是使用带刻度的精密集尿袋，常用的是子母集尿袋，它由一个带刻度、容量约为500 ml的子尿袋和一个无刻度、容量约为3 000 ml的母尿袋组成，这种方式测量过程相对简化，医务人员按时直接读取尿袋数值，子尿袋装满之后再将其中尿液倒入母尿袋。这种方法的主要问题是需要护士按时准确读数，且需要集尿袋自然悬垂以保证液面水平，通常尿袋悬挂位置低于床沿，位置较低，读取数据不方便，而且尿袋刻度不连续，需要估读，再加上尿袋刻度线比较密集，容易产生误差和错误。还有学者制作了一些尿流量人工监测装置，如张春桂等[14]设计了一种尿量监测装置，装置中间为带有刻度的容器，其上下两端用2个夹子夹住，每小时读数并排空一次，这种方式的原理类似于量筒测量方法，只是简化了测量流程，避免了尿液倾洒。综上，可以看出人工监测方式很难按时准确读数和记录，尤其是患者量大时，医务人员工作繁忙，容易出错，还可能遗忘[15]。人工监测也不能像其他血流动力学参数一样连续实时监测，进而得到实时尿流量信息[16]，无法保证测量精度，且获取的尿流量信息不全面，如无法得到每分钟尿流量等。

3 尿流量自动监测装置

近年来，有关尿流量自动监测方面的研究越来越多，市场上也出现了几种尿流量自动监测装置，但其在临床上的应用并不广泛。根据所采用的方法，尿流量自动监测装置主要可分为以下5类。

3.1 滴数测量法类装置

滴数测量法的主要思路是使用量筒标定出尿滴所对应的毫升数，通过流速调节阀将患者排出的尿流转变成尿滴后进行计数，即可求出尿流量，如图1所示。此类装置根据尿滴检测传感器又可分为以下5种。

图1 滴数测量法示意图

（1）光电传感器类装置。其原理是尿流量监测装置一端发射红外线，另一端使用光敏电阻检测红外线强度，当尿滴通过二者之间时会阻断红外线，造成光敏电阻上的电流发生脉冲式变化，对脉冲进行计数即可得到尿滴数。这种方式原理简单，实现成本低，目前研究和应用最为广泛，如Hersch等[17]和田永明等[18]研究中所采用的Urexaxt尿液计量仪、Hersch等[19]研究中所采用的Urinfo2000尿量仪、石曦等[20]设计的基于AT89C52单片机的光电尿量监测系统、沈晓华[21]发明的光电尿量监测仪均采用此方法。

（2）声音传感器类装置。其原理是采用麦克风对尿滴滴答声进行检测，再对产生的声音信号强度脉冲进行分析处理得到尿滴数[22]。此方法原理也比较简单，但易受环境噪声影响。

（3）图像传感器类装置。其原理是采用高分辨力CCD（charge-coupled device）摄像头对尿滴进行快速高清拍照，对图像进行处理分析得到尿滴体积大小及滴数，进而求得尿流量[22]。但此方法对处理器要求高，算法过于复杂，成本过高。

（4）电极片传感器类装置。其原理是使用一对极片间距较小的导电电极，当尿滴通过时电极会导通产生脉冲信号，对脉冲信号进行计数即可得到尿滴数。如江水[23]发明的测量尿量的传感电极就采用此方法。由于尿滴通过电极时会有一定时间的滞留期，尤其是尿液黏滞性增大时，当尿滴速达到一定值时电极将持续导通，无法测量尿滴数。

（5）声/光传感器类装置。其原理是使用发射器产生超声波或红外线作用于尿滴，通过接收器对返回的超声波强度或光强度进行检测分析并进行计数[22]。由于测量距离比较短，此方法对传感器灵敏度要求高，测量精度难以保证。

滴数测量法类尿流量监测装置存在的问题如下：

（1）当患者尿流量达到一定程度时，滴数测量法监测装置单位时间所测尿量小于患者尿液排出速度，会造成尿液一定程度的积压，达不到实时监测效果，严重的甚至会影响患者正常排尿。

（2）尿液成分会随着治疗方案和患者肾功能状态变化，其黏滞性会改变，从而尿滴的形状、大小也会发生变化，即尿滴所对应的体积会发生变化，这种原因所产生的误差会随着监测时间而累积。

虽然这类装置存在上述问题，但由于监测原理及实现方式简单，目前应用比较广泛，尤其是光电传感器类装置商用产品较多。

3.2 质量测量法类装置

质量测量法的主要思路是通过对患者排出尿液的质量进行实时监测，再根据尿液密度换算成体积。此方法原理比较简单，通常采用悬挂尿袋的方式测量质量（如图2所示），如Otero等[13]研制的尿流量自动监测装置、庞文明[24]发明的尿量监测仪均采用此方法。

图2 质量测量法示意图

质量测量法类尿流量监测装置存在的问题如下：

（1）测量过程中需要尿袋自然悬垂，但实际使用过程中尿袋易晃动造成尿袋体位变化，导致称重装置无法准确测量尿液质量。

（2）尿袋称重时易受到尿管位置的影响。由于尿管摆动会影响测量结果，通常会采用夹子固定尿管，但患者翻转或装置移动时容易牵拉到尿管造成尿袋卡死，无法测量质量。

（3）同滴数测量法一样，尿液成分是随患者治疗方案及肾功能状态变化而变化的，所以尿液密度也是变化的，导致尿液质量换算成体积时会产生误差。

（4）尿袋装满时，需要对其排空，这个过程中该方法无法进行监测，排空操作还容易引起尿袋体位及管路位置变化。

但这类装置所受尿液密度变化的影响可以通过预置相应密度的尿液来校正，最主要的问题还是尿袋晃动和尿管位移带来的影响，虽然可以通过加强护理人员操作使用培训来减小影响，但很难完全避免，是此类装置亟待解决的问题。

3.3 液位检测法类装置

液位检测法是指通过液位传感器对固定容积的容器液面进行监测，进而直接得到尿液体积，如图3所示。该类装置根据液位检测传感器类型又分为以下3种。

（1）光电传感器类装置。其原理同滴数测量法中光电传感器类装置类似，在固定容积的容器一定刻度上放置一对传感器，一端发射红外线，另一端使用光敏电阻检测红外线强度，当尿液液面达到该刻度时，发射器和接收器之间的尿液阻断红外线，从而检测到尿液体积。如王香枝等[25-26]设计的尿量监测装置就是在集尿器外侧放置一定数量的光电传感器检测液位。该类装置很难达到连续实时检测的效果，而且测量精度只能通过增加传感器数量来实现。

图3 液位检测法示意图

（2）超声波/激光传感器类装置。其原理是通过向液体表面发射高频声波或激光，检测反射回传感器信号的持续时间和强度以计算出液面距离。如文建国等[27]发明的基于超声波的智能尿量测量系统即采用超声波对液位进行测量，曹君利等[28]发明的无线尿量监测仪及其系统采用激光对液位进行测量。同声/光反射法检测尿滴一样，由于液位变化范围比较小，这种方法对检测传感器精度及处理器要求较高。

（3）电容液位传感器类装置。其原理是基于容器内电容的变化计算液位。容器内放置的极板与容器外极板形成正负两极，尿液充当电介质，容器内液位的变化引起电容变化，一个空的容器内电容较低，而一个装满液体的容器内电容就较高，通过建立液位与电容的数学模型，得到液位与电容的关系，即可实时求得液位。如Otero等[29]采用电容液位检测原理自制检测装置，建立液位与电容的数学模型；而Otero等[30]制作的另一种尿流量仪采用Sensortechnics GmbH公司生产的电容液位传感器。但患者治疗过程中尿液成分变化会引起介电常数变化，进而影响电容法测量的准确性。

液位检测法类尿流量监测装置存在的问题如下：

（1）测量时需要液面保持水平，尿袋晃动或体位改变造成液面波动和变化会影响测量准确性。

（2）在尿袋排空过程中无法进行实时监测。

此类装置通过连续监测尿袋液面以得到连续尿液体积，但光电传感器类监测装置不能做到实时连续监测；超声波/激光传感器类装置实现较为复杂，而且精度难以保证；电容液位传感器类装置有比较好的应用前景，但还需要解决尿液成分变化带来的误差和液面波动的影响。

3.4 体积测量法类装置

体积测量法可以视为液位检测法的一种特殊情形，它只检测容器充盈时的液位，主要原理是使用容积固定的容器，当容器液面触发检测电路时记录尿液体积并排空，如图4所示。主要有3种实现方式：一是Otero等[31]设计制作的尿流量监测原型装置，其主要原理是在固定容积的容器顶部设置2个电极，容器中有一漂浮的导电块，当容器充盈时，导电块抵住容器顶部，两电极导通，记录一次体积并排空。二是Otero等[32]设计制作的低成本尿流量监测装置，其主要原理是在浮标上连接一块磁铁，在容器外与磁铁相对的位置上有一铁质弹簧开关，当容器充盈时，浮标浮到容器顶部带动磁铁移动使得容器外弹簧开关断开，记录一次体积并排空。这2种实现方式工作机制均过于复杂。三是李祖国等[33]研制的自动连续监测尿流量和电导率装置，其原理是在容器内放置一对电极，当液面浸没时电极导通，记录一次体积并排空。

图4 体积测量法示意图

体积测量法类尿流量监测装置存在的问题如下：

（1）尿袋晃动或体位改变使液面波动和变化容易造成检测电路误触发，影响到测量准确性。

（2）每次检测都需要排空，这个过程会造成单次监测时间过长，可能使得装置单位时间所测尿量小于患者尿液排出速度，进而使尿液积压。

（3）每次测量所需尿液体积较大，精度不够，且没有做到实时连续监测。

虽然上述3种实现方式不同，但原理都是通过设置一个传感器检测尿液，容器充盈后排空，进入下一个检测周期。此类装置只能通过调整容器大小来调整精度，容器过大难以做到实时连续监测。

3.5 流速测量法类装置

流速测量法主要原理是使用流速传感器直接测量尿流量，目前主要有2种实现方式：

（1）热传导法类装置。其原理是采用热传导原理，在一定长度尿液管路的两端分别放置高灵敏度温度传感器，通过建立温度与流速的数学模型来计算出尿液流速，如Goldman等[34]研究中所采用的Clarity RMS尿流量传感器。

（2）霍尔传感器法类装置。其原理是在霍尔元件上通以与磁场方向正交的直流电流，当流体通过时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，使用前需要进行校准，如魏良等[35]研制的自动尿量监测仪。此方法适于检测流速较大情况，尿流速较小时无法检测。

流速测量法类装置存在的问题有：流速传感器设计原理复杂，很难做到尿流量全范围精确监测；精确数学模型建立困难；使用还需要进行校准；受到尿液化学、物理性质变化的影响。虽然有研究人员将流速法与尿滴检测法组合使用，但整个装置变得较为复杂而且效果也不理想[35]，还需要做进一步的研究。

4 结语

虽然目前尿流量自动监测装置还存在一些问题，但国内外研究都表明尿流量自动监测装置具有很好的临床应用价值[36]，具有以下优点：

（1）大大简化尿流量监测流程，减轻医务人员工作负担；（2）自动实时监测尿流量，实时掌握患者尿流量动态信息；（3）相对人工监测，监测结果更加稳定、准确、可靠，有助于医生适时调整治疗方案；（4）尿流量信息全面，可全方位反映患者尿流量情况；（5）相对于心电、心排量，尿流量监测还具有直观、简便、成本低等特点，非常适合伤员院前救治过程。

尿流量自动监测装置的基本要求是保证尿流量监测准确、稳定、可靠，故以下几个方面亟待改进：

（1）目前医院数字化建设越来越完善，各种患者信息数据都自动接入到医院信息系统（hospital information system，HIS）中，方便医生实时地了解患者所监测的各项生理指标。为了更方便医生掌握尿流量信息，尿流量监测装置还需接入HIS，不仅可实现尿流量数据实时上传，还可以避免护士频繁到患者床旁读取数据。

（2）尿流量监测装置成本应控制在一定范围内。与其他生理指标相比，尿流量监测相对简单，其成本过高不便于临床推广应用，需要尽量简化装置，同时提高其稳定性、可靠性和准确性。

（3）尿流量监测装置占用空间不能太大，操作应简单方便，能够与现有常用尿袋和管路配合使用，无需增加专用尿袋和管路。

（4）尿流量监测装置还需要提高智能化水平，不能仅仅停留在简单的监测、记录、提示异常层面，还要能根据患者尿流量情况判定患者肾脏功能状况并提供相应建议。

因此，尿流量监测装置需要紧贴临床应用实践开展更深入的研究，解决实际应用过程中遇到的问题并提高数字化和智能化水平，为医务人员制订治疗方案提供准确可靠的患者尿流量信息，以期在临床上有更广泛的应用。