CN103054589A - 尿流量动态监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尿流量动态监测系统及监测方法，称重传感器前置信号处理回路与称重传感器连接，称重传感器用于采集流入集尿袋的尿液重量的实时数据，光电传感器检测回路与光电传感器连接，光电传感器与一光电二极管可夹持一连接在集尿袋入口处的导管，光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入光电传感器检测回路处理后发送至微处理器转换成尿液比重。采用尿液折光比重分析法计算尿液量，不易受干扰，计量精确，测量装置不与尿液接触就能够精确地实时计量出病人的尿流量。对于显示的称重值易受干扰显示不稳定的问题，进一步判断显示屏上显示的最后一位值闪烁是否由干扰引起，从而避免闪烁，使显示的称重值稳定。

Description

尿流量动态监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种尿流量监测系统，尤其涉及一种尿流量动态监测系统。

背景技术

尿流量是反映人体体液动态平衡及心肾功能的重要指标，准确的尿量监测有助于判断病情的变化，指导制订治疗方案。现在重危病人的尿量监测已发展到以每小时甚至每分钟来观察尿量,而现在医院里临床上使用的尿量监测法有量杯（筒）监测法、注射器监测法和精密尿袋监测法等,在监测的准确性、全面性和院内感染防护等方面有不足之处。采用传统的尿袋和量杯的方法已经无法满足现代临床医学要求数字化、信息化的需求。而且操作过程很繁琐，往往一个值班护士或ICU护士，其处理尿量的时间要耗去整个护理时间的四分之一到三分之一，采用这种手工处理排尿计量还可能造成护士被污染或感染的危险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种尿流量动态监测系统及其监测方法，可以实现动态计量尿液量，提高计量精确度，避免干扰。

为解决上述技术问题，本发明提供一种尿流量动态监测系统，其特征是，包括

微处理器，

与微处理器进行信号传递的称重传感器前置信号处理回路、光电传感器检测回路，

所述称重传感器前置信号处理回路与称重传感器连接，所述称重传感器用于采集流入集尿袋的尿液重量的实时数据，

所述光电传感器检测回路与光电传感器连接，所述光电传感器与一光电二极管可夹持一连接在所述集尿袋入口处的导管，导管内实时流过进入集尿袋的尿液，

所述光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入所述光电传感器检测回路处理后发送至所述微处理器转换成尿液比重。光电二极管所发的为单色光。

所述称重传感器前置信号处理回路对称重传感器采集的压电信号放大、数字化转换后传送至所述微处理器中。

称重传感器采集输入的尿液重量的实时数据，传送给缓冲放大器预放大，然后信号经主放大器进一步放大,并滤除噪波干扰，放大后的信号经隔合电路传送到A/D转换器采样、转换为数字信号，再由控制单元传送给以ARM芯片为核心的微处理器进行计算、分析、统计。

所述微处理器通过驱动模块控制一LCD显示屏显示数据。

所述微处理器与一报警控制单元连接。

所述微处理器设置有USB接口和/或以太网络输出接口。

一种基于所述的尿流量动态监测系统的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

由称重传感器采集流入集尿袋的尿液重量的实时数据后转换为数字信号，

光电传感器与光电二极管夹持一连接在集尿袋入口处的导管，导管内实时流过进入集尿袋的尿液，

所述光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入所述光电传感器检测回路转换成尿液比重，

微处理器根据尿液的重量、比重的实时信号计算出实时流入集尿袋的尿液的容积。

所述微处理器将计算的尿液容积结果发送至LCD显示屏进行显示。

LCD显示屏显示器的称重值是在两个相邻的显示称重值之间时，采用了以下算法保持稳定的显示值：

在每个显示周期内，检测本周期内显示的称重值是否与前一个周期内的值相等，如果相等，LCD显示输出的称重值不变，并且处理过程继续进入下一个周期；

如果不等，将计算这两个周期的内部编码之间的差值，如果差值小于阈值，则认为此变化是由噪声引起的，依然显示上一个周期的称重值；如果差值大于阈值，则更新显示的称重值。

下面详细介绍根据光折射计算尿液比重的过程：

尿液是由多种有机和无机物混合的液体，随着内含成分不同，尿液浓度和透光率也不同。Lambert-Beer定律（朗伯—比尔定律）描述了吸光度A、液层厚度b及溶液浓度c之间的定量关系为： 

A=lg（Io／I）=abc 

其中，Io——入射光强度，cd；

I——透射光强度，cd；

a——吸光系数，L/(mol·cm)；

b——液层厚度，cm；

c——溶液浓度，mol/L。 

由此公式可知，当用某一特定波长的光照射溶液时，溶液的浓度越高，比重也越大，吸光度就越大，利用这种浓度和吸光度成正比的关系，通过测量吸光度，即可得到溶液的比重。严格地讲朗伯—比尔定律只有用一定波长的单色光才会具有线性关系。所以在折光计中，本方案采用了460nM的绿色光电二极管作为光源，测定尿液与内置标准液体的吸光度曲线相比较，获得待测尿液的比重值。

光电检测是以光信息的变换为基础的。基本原理：把待检测量变换为光信息量，它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比。所以，光电探测器的光电流大小可以反映待检测量的大小，即光电流I₁是待检测量Q的函数。

当光源（460nM的绿色光电二极管）透过待检测液体（尿液），其中一部分光通量被待检测物体吸收或散射，另一部分光通量透过待检测物体由光电探测器接收。被吸收或散射的光通量的数值决定于待检测物的浓度。当光源透过均匀介质时光被吸收，透过的光强可由Lambert－Beer定律表示。因此，当介质的厚度（待测尿液在导管内的量）一定时，光电探测器上接受的光通量仅与待测介质的浓度有关。运用这种光电投射式结构，就可以检测液体浓度，从而获得尿液的比重。

本发明所达到的有益效果：

本发明的尿流量动态监测系统及其监测方法采用尿液折光比重分析法计算尿液量，通过设置在导管外的光电二极管和光电传感器实时检测尿液的光折射率并转换成尿比重，尿液通过导管与检测装置完全隔离，避免接触产生的不良影响，计量精确，不易受干扰。对于显示的称重值易受干扰显示不稳定的问题，采用了一种判断方法进一步判断显示屏上显示的最后一位值闪烁是否由干扰引起，从而避免闪烁，使显示的称重值稳定。

附图说明

图1是尿流量动态监测系统的工作原理图；

图2是称重传感器与ADC转换接口电路图；

图3是触发控制电路过零触发波形图；

图4是主程序流程框图；

图5是写液晶程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

尿流量动态监测系统的工作原理如图1所示。系统包括尿液质量测量部分和比重测量部分。

比重测量部分：光电传感器检测回路与光电传感器连接，光电传感器与一光电二极管可夹持一连接在所述集尿袋入口处的导管，导管内实时流过进入集尿袋的尿液，光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入光电传感器检测回路处理后将信息传送给微处理器转换成尿液比重。

质量测量部分：称重传感器负责采集输入的尿液重量的实时数据，传送给缓冲放大器预放大，然后信号经主放大器进一步放大,并滤除噪波干扰。放大后的信号经隔合电路传送到A/D转换器采样、转换后，再由控制模块以数字信号传送给以ARM芯片为核心的微处理器进行计算、分析、统计和显示。系统的显示采用TFT-LCD彩色液晶显示器，大屏幕显示，图像清晰确保远距离也能观察到尿量数据。为了提高系统的抗干扰能力，系统的数字和模拟两部分电源完全独立设计。主机电源采用直流9V安全电压供电，而且在结构形式采用系统与人体完全隔离的双重绝缘方式，从而有效地保证了人体的安全。

下面以一具体实施例开介绍本监测系统的硬件构成。本实施例中采用的称重传感器为台湾Mavin公司的高精度LDB系列铝合金单点式称重传感器，为半导体电阻应变式传感器。根据电阻应变式传感器的原理，四个电阻应变片构成全桥桥路，在电桥供电端施加恒定的直流电压5V，则电桥输出端的电压将与其上所承受的压力成正比，由此可根据输出电压的不同来测量重量。图2为称重传感器与A/D转换器CS5532的电路原理图。传感器为全桥桥接方式，传感器受力后机械形变使得应变片电阻阻值发生变化，由机械应力转变为电信号，这个输出信号经过滤波电路，消除信号中的串模和共模干扰以及高频干扰信号后进入A/D转换器。

系统的触发控制电路是采用移相触发控制器，设计了过零点检测电路。如图3所示，作为触发采样基准的50Hz交流电信号经过电压比较器LM393，以及光耦合器TLP521的隔离、反相器74HC14D的整形后，在INT0、INT1分别输出用于单片机外中断0、1的脉冲信号。这样，在交流信号每一周期的正负半周期，都可以产生脉冲信号以引起单片机的外中断。单片机进入中断后，在服务程序中根据控制角的需要设定定时器的计数值，并立即启动定时器。定时器计数溢出中断后，将在其中断服务中对门极施加触发脉冲，触发其导通。

尿流量动态监测系统监测方法的步骤如下：

1）系统主程序流程：

主程序流程如图4所示。当系统上电，完成单片机、外围芯片、各种参数的初始化后，即进入主循环。在主循环中，由定时器1定时扫描键盘，当扫描到有按键按下时，有标志位产生，即进入键值计算并执行相应的处理。

当按键启动系统后，系统进入运行态。系统开始进行A/D采样、数字滤波、标度变换以及比较判断等工作。当尿量值达到设定报警值时，系统进入暂停态。此刻等待报警释放，释放后系统自动进入运行态。当系统处于暂停态时，系统自动地保存改变的参数。LCD实时刷新当前的状态和各项参数。

2）CS5532模/数转换程序流程

CS5532在启动时有20 ms的延迟，所以要在其启动20ms后再对其进行初始化。CS5532没有加电复位功能，首先需要人工通过ADC串口发送初始化序列，即15个SYNC1(0xFF)命令字节和1个SYNC0（0xFE)命令字节，使ADC串口进入命令模式；接着通过设置配置寄存器的RS位，实现系统复位。系统复位后，需配置电压参考模式VRS位，初始化通道设置寄存器CSR，设置是否进行校准。完成以上工作后，即可进行转换。

3）液晶显示程序

对液晶屏的驱动实际上就是对其控制芯片RA8870的读/写操作。RA8870可读可写，但本系统设计中只用到写命令，所以直接把R/W引脚接地。RA8870共有13种指令，包括初始化时需要用到的复位、占空比设置、显示开/关，以及常用的设置列地址、设置页地址、写数据等。液晶显示的程序流程如图5所示。

4）抗干扰设计

干扰来自电源等外部电磁信号和操作等人为作用的干扰。干扰的消除就是如何保证A/D采样的精确性和误码纠错能力。提高系统抗电磁干扰性设计方面主要是A/D采样模块的电路设计以及电磁兼容性设计。系统对由于碰撞等产生的扰动干扰主要采用软件算法来消除。

在电路设计方面，除了设计好信号调理电路，还特别注重CS5532的参考电压以及称重传感器的供电电压的稳定性。电压的稳定性直接影响着A/D测量值的精确性。本系统采用模拟电路使用的电源与数字电路的电源分别单独设计，而且单独为CS5532以及称重传感器供电，同时CS5532的参考电压由基准电源芯片LM3362的5脚输出提供稳定的2.5V参考电压，而CS5532与CPU之间的通信用光耦合器进行隔离，进一步消除CPU系统对采样模块的影响。

关于如何判断仪器显示屏上显示的最后一位值闪烁是否由干扰引起的问题。称重传感器工作时会出现可能显示0.5g或1g的最小刻度的现象，因为当称重值是在两个相邻的显示称重值之间时，显示值将在这两个称重值之间发生闪烁。为了保持稳定的显示值，我们采用了一种特殊的算法。在每个显示周期内，软件决定本周期内显示的称重值是否与前一个周期内的值相等。如果相等，LCD显示输出将不变，并且处理过程继续进入下一个周期。如果不等，将计算这两个周期的内部编码之间的差值。如果差值小于阈值，则认为此变化是由噪声引起的，所以依然显示旧的称重值。如果差值大于阈值，则更新显示值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种尿流量动态监测系统，其特征是，包括

微处理器，

与微处理器进行信号传递的称重传感器前置信号处理回路、光电传感器检测回路，

所述称重传感器前置信号处理回路与称重传感器连接，所述称重传感器用于采集流入集尿袋的尿液重量的实时数据，

所述光电传感器检测回路与光电传感器连接，所述光电传感器与一光电二极管可夹持一连接在所述集尿袋入口处的导管，导管内实时流过进入集尿袋的尿液，

所述光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入所述光电传感器检测回路处理后发送至所述微处理器转换成尿液比重。

2.根据权利要求1所述的尿流量动态监测系统，其特征是，所述称重传感器前置信号处理回路对称重传感器采集的压电信号放大、数字化转换后传送至所述微处理器中。

3.根据权利要求1所述的尿流量动态监测系统，其特征是，称重传感器采集输入的尿液重量的实时数据，传送给缓冲放大器预放大，然后信号经主放大器进一步放大,并滤除噪波干扰，放大后的信号经隔合电路传送到A/D转换器采样、转换为数字信号，再由控制单元传送给以ARM芯片为核心的微处理器进行计算、分析、统计。

4.根据权利要求1所述的尿流量动态监测系统，其特征是，所述微处理器通过驱动模块控制一LCD显示屏显示数据。

5.根据权利要求1所述的尿流量动态监测系统，其特征是，所述微处理器与一报警控制单元连接。

6.根据权利要求1所述的尿流量动态监测系统，其特征是，所述微处理器设置有USB接口和/或以太网络输出接口。

7.一种基于权利要求1所述的尿流量动态监测系统的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

由称重传感器采集流入集尿袋的尿液重量的实时数据后转换为数字信号，

光电传感器与光电二极管夹持一连接在集尿袋入口处的导管，导管内实时流过进入集尿袋的尿液，

所述光电传感器采集光电二极管发出的并透过导管及内部的尿液后的折射光，并送入所述光电传感器检测回路转换成尿液比重，

微处理器根据尿液的重量、比重的实时信号计算出实时流入集尿袋的尿液的容积。

8.根据权利要求1所述的尿流量动态监测方法，其特征是，所述微处理器将计算的尿液容积结果发送至LCD显示屏进行显示。

9.根据权利要求1所述的尿流量动态监测方法，其特征是，LCD显示屏显示器的称重值是在两个相邻的显示称重值之间时，采用了以下算法保持稳定的显示值：

在每个显示周期内，检测本周期内显示的称重值是否与前一个周期内的值相等，如果相等，LCD显示输出的称重值不变，并且处理过程继续进入下一个周期；

如果不等，将计算这两个周期的内部编码之间的差值，如果差值小于阈值，则认为此变化是由噪声引起的，依然显示上一个周期的称重值；如果差值大于阈值，则更新显示的称重值。

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