基于数字信号处理和齿轮泵的称重式尿流率计校准装置设计及临床应用分析*

姬　军　袁　青　王莉新　高佳硕　肖　宏

基于数字信号处理和齿轮泵的称重式尿流率计校准装置设计及临床应用分析*

姬军①②*袁青①②王莉新①②高佳硕①肖宏①

目的：研究基于数字信号处理（DSP）和齿轮泵的称重式尿流率计校准装置在临床应用中的可行性。方法：以DSP和齿轮泵为主体设计尿流率计校准装置，选用加拿大LABORIE的94-R01-BT尿流率计和荷兰MMS的PE10尿流率计，分别对尿流率计校准装置进行直线校准和曲线较准，比较其输出结果与尿流率计输出结果的一致性。结果：LABORIE尿流率计输出结果与校准装置相差较大，MMS尿流率计输出结果与校准装置相符。结论：所设计的尿流率计校准装置达到设计要求，可以应用于临床对尿流率计进行校准。

尿流率计；校准装置；直线校准；曲线较准

［First-author’s address］ 1.Department of Medical Engineering， 305 Hospital of PLA， Beijing 100017， China. 2.College of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou 510515， China.

尿流率是单位时间内排出的尿量，通常以ml/ s为单位［1］。尿流率的测定是尿动力学分析中唯一的非侵入性检测手段，对于下尿路梗阻等疾病的筛查具有重要的应用价值［2］。尿流率计是尿流率测定的工具，当尿流率计质量失控时测量的数据则不准确，并将对临床诊断产生误导，进而影响对患者治疗方案的制定［3］。

目前，国内外并无针对尿流率计的校准装置，校准操作主要依靠设备自带的校准程序，且不同厂商的产品执行标准各不相同。为此，本研究研制专业的尿流率计校准装置，以便开展尿流率计的计量校准工作，使尿流率计的校准建立在专业器具和定量检测的基础之上［4］。

1　尿流率计校准装置设计原理及技术要求

1.1设计原理

尿流率的测定是使用尿流率计对排尿过程中的尿流率、排尿时间及排尿量等参数进行测定，以尿流率曲线的形式输出检查结果［5］。根据尿流率计的工作原理开展对尿流率计的校准，针对尿流率计输出的尿流率曲线形态设计出流率曲线，使校准装置精确地按照此流率曲线输出水流，将此水流作为尿流率计的输入，并流入尿流率计的集尿容器，将尿流率计输出的尿流率曲线与设计的流率曲线进行比较，即可对尿流率计进行精确定量校准。

1.2技术要求

国际尿控协会于2002年制定的“尿动力学技术规范（good urodynamic practices，GUP）”［6］及我国“尿动力学技术规范（2010版）”［7］（简称“指南”），对尿流率计的测量范围和分辨率均做出了指导性的要求。结合临床需求，确定所设计的尿流率计校准装置应满足校准装置流率校准范围为9～50 ml/s，分辨率＜5 ml/s，流量的误差＜1%。在数字信号处理（digital signal processing，DSP）的控制下，由数字模拟转换器（digital analog converter，DAC）输出高精度电压驱动电机转动，通过改变电机的转速而改变齿轮泵输出的流率，使其能够根据设定的转速输出高精度稳定流率的水流（如图1所示）。

图1　尿流率计校准装置工作流程框图

2　尿流率计校准装置硬件设计

尿流率计校准装置以DSP为核心，主要由转速控制模块、流量产生模块、数据传输模块及电源模块构成。校准装置采用OMAPL138BZWT为主控芯片，在其控制下AD5060 DA转换器按照设计目标电压曲线，输出对应的高精度电压至FG213齿轮泵一体机，从而产生符合目标流率曲线变化形式的水流［8］。电机的反馈脉冲信号直接送入处理器的IO引脚，计算分析后通过串口发送至个人计算机（personal computer，PC）。DSP通过串行外围设备接口（serial peripheral interface，SPI）与外部数模转换器进行通讯，通过通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）和PC进行数据传输［9］。校准装置系统硬件如图2所示。

图2　尿流率计校准装置系统硬件框图

3　尿流率计校准装置软件设计

3.1CCS软件平台

校准装置使用的软件开发平台是TI公司的CCS（code composer studio）软件。软件设计主要包括脉冲采集模块、DAC输出电压模块、计算处理模块以及串口通讯模块。DAC输出电压模块按照预设曲线输出对应控制电压至电机，齿轮泵开始运转，此时脉冲采集模块采集送入DSP的IO管脚电机反馈脉冲，用于计算处理模块对其相应的频率、流率以及积分值进行计算，最后通过串口通讯模块接收处理后的数据至PC，用于实验结果的分析与比较［10］。

3.2PC端数据分析模块

PC端的数据分析模块采用的是MATLAB R2012b软件平台，在MATLAB环境中读取串口传送的频率数据，根据相关关系式对数据进行计算与处理，对处理后的数据进行平滑，拟合出实际的尿流率曲线并计算出曲线的最大尿流率以及尿流量，用于校准实验中实验结果的精确比较。

4　尿流率计校准装置实验方法

4.1校准实验方法

（1）使用本研究设计的尿流率计校准装置对不同医院不同品牌的94-R01-BT尿流率计（加拿大LABORIE公司生产）和PE10尿流率计（荷兰MMS生产）进行校准实验。

（2）校准实验包括流率的直线校准和曲线较准：①直线校准，即给定电压，使校准装置输出稳定的水流并对尿流率计进行测量，分析校准装置和尿流率计流率值之间的相关性［11］；②曲线较准，即按照设计的流率曲线对尿流率计进行测量，检测其输出的尿流率曲线是否符合预期的变化规律，判断尿流率计对输入曲线的动态响应程度，以及最大尿流率、排尿量及达峰时间等指标的准确性。

4.2校准流程及流量校准系数

（1）直线校准实验流程。摆放好校准装置、尿流率计、PC以及水桶等工具，连接好串口线、电源线→系统上电后进行预实验，排空齿轮泵管道内的空气→通过串口调试软件设置各流率对应的电压，使校准装置输出的水流流入尿流率计，记录串口接收到的数据和尿流率计输出的曲线→检测完成后倒掉尿杯内的液体→每个点重复测量3次→采用MATLAB处理串口接收到的数据，拟合出该电压对应下的流率-时间曲线，计算曲线进入稳态后的流率值以及积分值，对校准装置和尿流率计的流率值进行相关性分析。

（2）曲线较准实验流程。同直线校准过程，重复测量5次进行曲线测定。用MATLAB软件处理串口接收到的数据，拟合出对应的流率时间曲线，计算出最大尿流率、流率的积分值、流率时间以及达峰时间，并与尿流率计的测量值进行比较分析。

（3）流量校准系数。校准装置采用的流体是水，并将水流流入尿流率计从而输出尿流率结果，但称重式尿流率计是通过尿液的重量计算瞬时对应的尿流率，尿液与水的密度不一样，会对计算结果造成误差，故需要对校准装置输出的尿流率进行校正补偿。经查找文献并计算，确定补偿因子C=1/1.0165时流率的误差范围小，满足临床尿流率检测精度的要求。本研究实验结果与分析中采用校准后的流率值进行计算分析。

5　尿流率计校准装置校准结果

5.1直线校准结果与分析

在0.653 V电压下由MATLAB模拟出的校准装置的流率曲线和LABORIE尿流率计测量输出的流率曲线如图3所示。

图3　 0.653 V电压下校准装置和LABORIE尿流率计输出的流率曲线图

在0.653 V电压下由MATLAB模拟出的校准装置的流率曲线和MMS尿流率计测量输出的流率曲线如图4所示。

图4　 0.653 V电压下校准装置和MMS尿流率计输出的尿流率曲线图

在0.653 V电压下校准装置输出的流率曲线与两台尿流率计测量所得尿流率曲线具有相似的变化规律，除上升和下降过程两者的流率值均趋于一条直线，其他电压下校准装置和LABORIE尿流率计测量的流率曲线分别与图3、图4类似。

实验共选取了10个流率点，对每个流率点重复进行3次测量并计算其平均值，令校准装置的流率平均值为横轴变量X，尿流率计的流率平均值为纵轴变量Y，用MATLAB软件分别对两台尿流率计的数据进行相关性分析，拟合曲线如图5、图6所示。

图5　校准装置与LABORIE尿流率计流率值的拟合曲线图

图6　校准装置与MMS尿流率计流率值的拟合曲线图

校准装置与LABORIE尿流率计的流率值之间的关系式为公式1：

拟合指标SSE=3.846，RMSE=0.7413，R-square=0.9962，Adjusted R-square=0.9951，校准装置和LABORIE尿流率计的流率值之间为二次函数关系。

校准装置与MMS尿流率计的流率值之间的关系式为公式2：

拟合指标SSE=3.068，RMSE=0.6192，R-square=0.9985，Adjusted R-square=0.9984，校准装置和MMS尿流率计的流率值之间为线性对应关系。

由直线校准实验可知，校准装置与LABORIE尿流率计的流率值是非线性的，在低流率范围内，尿流率计测量精度高，在高流率范围内，尿流率计测量误差较大，而校准装置和MMS尿流率计的流率值是线性相关的，在整个流率范围内，尿流率计测量精度较高。由于设计曲线的最大流率值为50 ml/s，该流率值偏大，故用校准装置对LABROIE尿流率计进行曲线校准时，该尿流率计输出尿流率曲线的最大尿流率误差也会偏大。

5.2曲线较准结果与分析

对尿流率计重复5次曲线较准，用MATLAB软件对通过串口接收到的DSP数据进行拟合的曲线图形以及两台尿流率计测量所得尿流率曲线分别如图7、图8所示。

图7、图8显示，尿流率计输出的尿流率曲线均随时间的增加，流率逐渐增大，达到最大值后流率开始减少，直至减少为0，与校准装置的流率曲线有相似的变化规律。对尿流率计重复5次曲线校准，校准装置和尿流率测量的结果见表1、表2。

LABORIE尿流率计曲线校准结果（见表1）显示，LABORIE尿流率计5次测量的排尿量误差最大为1.54%，在误差允许范围内，但最大尿流率误差大，超出GUP以及“指南”中规定的5%。且由图5可知校准装置与尿流率计流率值之间的关系是非线性的，其测量的最大尿流率误差偏大。而最大尿流率是曲线中最重要的参数，表明尿流率计测量尿流率误差较大。故当尿流率计的输入为一连续变化的曲线时，LABORIE尿流率计虽然可以粗略检测出尿流率的变化，但所测量数据偏差较大，仪器处于质量失控状态。

MMS尿流率计曲线校准结果（见表2）显示，使用校准装置对MMS尿流率计进行试验，尿流率曲线中最具参考价值的最大尿流率误差＜5%，排尿量的误差＜1%，均未超出GUP以及“指南”中规定的5%。由于校准装置与MMS尿流率计流率值之间的关系是线性的，其不仅可以检测出尿流率的变化规律，并且可以及时进行动态响应，使最大尿流率及排尿量指标在误差允许范围内，表明该尿流率计性能良好。

两个尿流率计测量的尿流时间与达峰时间误差均较大，LABORIE尿流率计尿流时间误差最大为18.27%，达峰时间误差最大为15.04%，MMS尿流率计尿流率时间误差最大为12.84%，达峰时间误差最大为14.98%。出现此种原因是由于校准装置和尿流率计检测尿流时间的方法不同，流率在一定范围时，尿流率计才记录尿流时间，而校准装置在齿轮泵启动到结束都认为是尿流时间，故造成很大的误差。

表1　LABORIE尿流率计曲线校准结果

表2　MMS尿流率计曲线校准结果

图7　校准装置和LABORIE尿流率计输出的流率曲线图

图8　校准装置和MMS尿流率计输出的流率曲线图

6　结论

本研究设计的校准装置可以检测出尿流率的变化规律，表明校准装置满足设计要求，可以对尿流率计进行科学校准。同时设计的模拟人体排尿过程的校准方法可以对尿流率曲线中最具参考价值的最大尿流率以及排尿量进行测量，通过其误差是否在规定范围内判断尿流率计的性能好坏，检测出LABORIE仪器处于质量失控状态，MMS性能良好，表明校准方法与装置达到设计要求，能够通过有效的技术依据判断尿流率计的应用质量，系统稳定可靠，具有一定的实用性［12］。

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The design and clinical application of weighing type uroflowmeter calibration device based on DSP and gear pump

JI Jun， YUAN Qing， WANG Li-xin， et al// China Medical Equipment，2016，13（10）:8-12.

Objective: To research the feasibility in clinical application of weighing type uroflowmeter calibration device based on DSP and the gear pump. Methods: With DSP and the gear pump as the core conducted calibration device， we use the device in two urine flow rate meter-LABORIE and MMS for clinical trials， conduct linear and curve calibrations， and test the data consistency between calibration device and the urine flow meter. Results: Data from LABORIE exist difference with calibration device while MMS is in accordance with it. Conclusion: The uroflowmeter calibration device has met the design requirements， and it can apply in clinical calibration.

Uroflowmeter； Calibration device； Linear calibration； Curve calibration

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.003

1672-8270（2016）10-0008-05

R197.324

A

2016-07-02

军事医学计量科研专项（2012-JL1-016）“尿动力分析仪检测技术研究”

①解放军第305医院医学工程科 北京 100017

②南方医科大学生物医学工程学院 广东 广州 510515

kx68@163.com

姬军，男，（1970- ），博士，副主任技师。解放军第305医院医学工程科，从事生物医学信号检测与处理、智能医疗仪器设计，医疗设备计量与质量控制等方面的工作。