基于容积和电导率的尿液监测计量装置的研制

李祖国，邱庆明，陈 吉，王虎林，唐文耀，罗菲菲，张 玥，袁丽萍

基于容积和电导率的尿液监测计量装置的研制

李祖国，邱庆明，陈 吉，王虎林，唐文耀，罗菲菲，张 玥，袁丽萍

目的:研制一种自动连续计量患者尿量和检测尿液电导率的装置。方法:制作尿液测量池，内置电导率测量电极、温度测量电极和液位感应电极；自制单片机控制各电极的测量和夹管电磁阀的启闭动作；控制/显示触摸屏系统与单片机之间采用Wi-Fi无线通信，使测得的尿量和电导率值以坐标折线和数值的形式连续更新显示。结果:通过该装置与标准设备对比测试不同温度和电导率的69份溶液试验，测得的温度和电导率值与标准设备所测得的绝对值和变化趋势高度相关（r分别为0.961和0.999，P＜0.01）。结论:该装置性能可靠，有望为临床监测肾脏功能提供一种新的便利的方法。

尿液；监测计量装置；容积；电导率

0 引言

在生态学中，电导率是以数字表示的溶液传导电流的能力，以mS/m表示，而生理体液多以mS/cm计量。体液电导率的大小主要与其电解质浓度有关，并受温度影响。现代医学已有众多生命体征参数监测装置供医院选择，但尿液监测显然未受到足够重视，传统的间断测量尿比重、渗透压、尿常规、手工目视计量等方法仍在沿用。一些对集尿装置精细化改进的研究，仍然需要进行目测和手工定时计量[1-4]。尽管近年来出现了以光电传感仪记录尿液滴数[5]、以尿液压力差和流经时间计算尿液流速、手工输入尿比重并称重自动计量尿量的装置，但尿液浓度的动态变化仍被忽视。因此，我们研制了一种自动计量尿液容积和电导率的装置，为尿液流速和电解质浓度的连续自动监测提供了便利，现介绍如下。

1 设计思路

急危重症患者在急救时，血压和尿量是否正常，是脏器血流灌注是否充分的快速直观的指标，尿液浓度则反映血容量和肾功能状况。现有的监护仪都没有设置自动监测尿量和尿浓度的功能，须人工耗时记录或送检，因而这2个重要指标难以被利用和重视。前述的尿量自动计量方法已成熟，但尿液浓度仍需人工计量。经查阅，国内已有多篇文献报道了尿液电导率与尿比重和渗透压的良好相关性，且正常人尿液电导率的正常参考范围为（22.9±12.9）mS/cm[6-7]，处于电极常数为10的电导率电极的测量范围（2～100 mS/cm）。但这些研究均为利用尿沉渣仪和实验仪间断测量尿标本的电导率，难以满足急危重症患者救治时自动连续监测的需要。为此，研制自动测量装置，使尿液电导率和尿量的测量、显示、报警自动化，将提高临床医师对这2个无创参数的重视程度。

2 系统结构设计

系统结构如图1所示。

图1 结构设计图

2.1 尿液测量池

尿液测量池用整块有机玻璃加工制作，包括底部的尿液进、出三通接口和顶部的顶盖。其中，三通接口与硅胶软管和尿液进、出管连接；顶盖上固定安装有已知电极常数（K≈10）的铂金玻璃电极（电导率电极）、温度电极和液位感应电极。以上3个电极通过导线与测量电路连接。盖上顶盖后，3个电极处于测量室中央位置，各电极处于不同平面，相互绝缘。测量池一侧设有尿液溢出口，其水平位置略高于感应电极，通过硅胶管与电磁阀远端的尿液出管相通，用以保障感应电路或电磁阀故障时也能顺利将尿液导入尿袋，从而防止尿液溢出后污染尿液测量池下方的电磁阀。

2.2 测量电路

测量电路是以单片机为核心的硬件测量系统，并进行温度采集和温度补偿等工作。图2为该电导率测量系统的原理框图。系统以51系列单片机为核心控制器件。单片机发出2个频率不同的方波信号来驱动电导率测量电极，并通过对多路转换开关进行控制，分时测量尿液测量池中溶液的电导率和溶液的温度，分别对各信号进行放大、滤波和A/D转换。

图2 测量电路结构设计图

作为电导率测量电路，要求输入激励源的频率与幅值必须非常精确、稳定，尤其是幅值指标对测量数据准确性的影响很大。为此，设备专门对信号发生器的输出信号进行整形。测量电路中的高精度电压基准源MCl403输入+5 V电压，经过电阻和电位器分压得到稳定的+2 V电压，经通用高速、高阻运放TL084缓冲进入模拟开关CD4052的0通道，其他通道和INH引脚均接地，保证模拟开关上电工作。信号源接入通道选择引脚B，只要信号源频率稳定，且能保证提供模拟开关所需要的高低电平就可以了，对信号源幅度的限制大大降低。从模拟开关的连线可以知道随着信号源方波的加入，模拟开关的0通道和2通道交替选通，从而交替输出0 V电压和2 V电压，即正脉冲。模拟开关与下一级运放缓冲之间加一手动开关，试验过程中需要切换正脉冲和信号源。正脉冲经缓冲接到电导率测量电路输入端。这样得到的激励源幅值是很稳定的，且十分准确，仅存在十几mV的偏差。信号源采用交流方波，且幅值很小，有利于消除极化效应的影响。

测量电路由单片机控制电导率电极、温度电极和液位感应电极的测量及电磁阀的启闭，通过内置的无线网卡与控制/显示屏系统间进行无线数据通信。

2.3 电磁夹管阀

尿液三通进管夹常开，患者尿液经导尿管和三通入管依重力进入测量池；尿液三通出管夹常闭。电磁夹管阀的启闭动作由感应电极启动，由测量电路控制电磁夹管阀启闭的持续时间（s）。

2.4 控制/显示触摸屏

控制/显示触摸屏系统可输入参数如患者姓名、体质量、住院号等，与测量电路之间采用Wi-Fi无线通信，具备预设每次计量尿液量（mL）、排空时间（s）、报警上下限、光声报警等功能。测量数据在显示触摸屏上以坐标折线和单位数据的形式双重实时显示并自动保存。单位数据为最近第1、4、8、12、24 h（可调）的累计尿量（mL）和平均尿量（mL/h）。当输入患者体质量参数时平均尿量显示为mL/（kg·h）。

2.5 软件算法的实现

首先采用双频法将电极间的分布电容作为一个未知变量引入电导率的计算中，从而避免在传统交流计算方法中分布电容对电导率测量精度的影响。同时采用迭代算法将复杂的计算方法简化，使之可以在单片机中进行编程和应用。其次采用二次插值的方法对电导率的实测值进行温度补偿，从而提高电导率仪的温度补偿精度，达到提高电导率仪测量精度的目的，并且根据给出的电导率和温度补偿的算法分别设计对应的数据处理子程序。

2.6 总电源

外接12 V交流电源。

3 工作原理

尿液依重力自三通入管进入尿液测量池，达到液位感应电极平面时触发计量和尿液排空一次。计量内容包括尿液的预设容积、电导率、温度。由电磁夹管阀的出管软管夹上缘至感应电极尖端水平的固定容量决定每次计量的尿液容积（可标定和预设），尿液计量容积除以相邻2次测量的间隔时间，即为该时间段的尿液流速（mL/h）。由测量电路向电导率电极施加交变正负2 V方波脉冲电压10次，1 ms/次，间隔1 ms测量其回路电流并取均值，由此计算尿液电导值G（G=I/V，I为测试电流值，V为试验电压值），并推算出尿液电导率值S（S=KG，K为试验电极的电极常数）。最后结合所测尿液温度值C，通过温度校正公式S25℃=S/（1+0.02×（C-25））计算得换算至25℃下的电导率值（mS/cm），并显示于显示/触摸屏的坐标上。瞬时测量完成后，控制电路开启尿液出管电磁阀（常闭型）和关闭尿液进管电磁阀（常开型）达预设时间，确保尿液排空后电磁阀自动复位，然后进入下一次计量。以上测量值可以导出为Excel表格文件。系统软件具备事件标示功能，便于科研记录、拓展报警内容及综合评价患者情况。设置的膀胱冲洗键可输入冲洗液量（mL），系统自动计量排出的液量达冲洗液量后，继续自动计量尿液电导率和流速（如图3所示）。

图3 连续监测屏幕截图

4 性能试验和结果

4.1 试验方法

以上海仪电科学仪器股份有限公司生产的DDS-307型电导率仪（电极常数为10）和深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司生产的PM-8000Express便携式多参数监护仪（显示数字温度）为参照，与自研装置对比测试同一容器中不同浓度和温度的盐溶液，共69份。

4.2 试验结果

如图4所示，通过对69份溶液样本的测定，自研装置测得的各样本温度值与参照设备所测温度值近似，变化趋势高度相关（r=0.961，P＜0.01）。如图5所示，通过对69份溶液样本的测定，自研装置测得的各样本电导率值与参照设备所测电导率值近似，变化趋势高度相关（r=0.999，P＜0.01）。

图4 温度对比测定

图5 电导率对比测定

5 应用及讨论

为进一步验证自研装置测量的准确性，通过间断测量法，与检验科的自动尿沉渣检测仪和实验用电导率仪同时测量724份门诊和住院患者的尿液样本，结果与性能试验一样，几种测量方法的结果高度近似和相关。在自研装置连续工作的稳定性测试方面，经急诊科、麻醉科、肾内科、重症医学科等172例留置导尿管患者连续使用2 h～16 d，证实自研装置性能稳定，并且发现用医用75%酒精10 mL隔日冲洗管路，可避免连续使用期间的尿垢堵塞。

尿量和其浓度监测是临床基本内容之一，尤其在急危重症的救治过程中尤为重要。其监测结果能反映肾脏灌注状态和尿液浓缩功能，而肾功能支持是防止病程向多器官功能障碍发展进而死亡的最重要一环。常用的手工计量尿量、尿比重和渗透压测量是间断性检测人工送检的标本，且操作复杂、设备昂贵，难以满足危重病救治时自动连续监测的要求。

国内已有一些学者应用尿沉渣仪能够检测尿电导率的特点，对比研究了尿电导率与比重、渗透压的关系，发现相关性很好[7-8]，且电导率主要受带电粒子（电解质）浓度的影响，不受有机分子（蛋白、细胞、糖、造影剂、结晶盐）的影响，其反映肾脏的浓缩和稀释功能较稳定，可以替代传统的尿比重和渗透压检测[8-9]。这些可能的影响因素对自研装置在连续使用状态下是否产生影响，今后将进一步研究。

本文研制的基于容积和电导率的尿液自动连续

（►►►►）（◄◄◄◄）监测装置能自动连续显示患者尿液的流速和动态电导率，更好地满足危重病救治需要，提高效率、减少误差。经过盐溶液样本测试、患者尿液样本测试、床旁连续试用等方法，初步证实了自研装置测量结果的可靠性，但装置的临床实用性、耐久性、智能化以及电导率值结合尿量指标在监测肾功能方面的临床意义等，仍需后续实验进一步验证提高。

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（收稿：2014-06-04 修回：2014-12-29）

Development of urine monitoring and measuring device based on volume and conductivity

LI Zu-guo1,QIU Qing-ming2,CHEN Ji1,WANG Hu-lin1,TANG Wen-yao1,LUO Fei-fei1,ZHANG Yue1,YUAN Li-ping3
(1.Department of Critical Care Medicine,the 44th Hospital of the PLA,Guiyang 550009,China;2.Department of Anesthesia,the 44th Hospital of the PLA,Guiyang 550009,China;3.Supply Department，the 2nd Affiliated Hospital of Guiyang College of Traditional Chinese Medicine,Guiyang 550002,China)

Objective To develop a urine monitoring device for volume and conductivity.MethodsA urine measuring cell was equipped with electrodes for scaling conductivity and temperature and sensing liquid level,and a self-developed SCM controlled all the electrodes and pipe-clamping electromagnetic valve.Wi-Fi wireless communication between a touch screen and the SCM made the acquired data on urine volume and conductivity displayed continuously with the modes of coordinate polyline and value.ResultsTrials for 69 samples proved that the values of volume and conductivity acquired by the device highly correlated with those by the standard device,with r values being 0.961,0.999 respectively and P<0.01.ConclusionThe device may be an option for renal function monitoring in the future.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（6）：32-34，45]

urine;monitoring and measuring device;volume;conductivity

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）06-0032-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.032

成都军区后勤科研项目

专 利:国家实用新型专利（ZL 201120217304.5）

李祖国（1965—），男，主任，主任医师，主要从事重症医学方面的研究工作，E-mail:189850322 99@189.cn。

550009贵阳，解放军44医院重症医学科（李祖国，陈 吉，王虎林，唐文耀，罗菲菲，张 玥），麻醉科（邱庆明）；550002贵阳，贵阳中医学院第二附属医院供应室（袁丽萍）

袁丽萍，E-mail:1604639163@qq.com