CN104605850B - 一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置及方法，所述装置包括激励模块、电极驱动模块、信号测量及调理模块、数据采集模块、计算机控制终端和电极脱落检测模块；所述方法为通过放置在患者膀胱部位体表面的测试电极阵列，采集人体体表的电阻抗数据信息；根据采集到的膀胱的电阻抗数据，实时重构出膀胱所在横断面的二维彩色图像，并通过后续图像算法提取二维图像的参数，根据此参数预测当前的膀胱积尿量，并在所述膀胱积尿量达到较大容积时发出警报，提示病人排尿或者医护人员帮助病人排尿。根据本发明提供的膀胱尿量实时监测装置及方法能够实现准确地预测膀胱积尿过程中的尿量，提高膀胱尿量实时监测的精度。

Description

一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置和 方法

技术领域

本发明涉及医疗检测技术领域，更具体地，涉及一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置和方法。

背景技术

对于具有膀胱功能障碍的患者，如尿失禁、脊髓损伤等尿意缺失患者，需要实时监测膀胱尿量，并及时提醒患者排尿或者医护人员帮助排尿，才能预防积尿过多带来的一系列并发症。目前膀胱尿量的检测方法多采用人工估算、超声或者压力等方法，这些大都属于静态监测，无法实时、准确地监测患者膀胱的尿量。

近年来，生物电阻抗技术被应用于膀胱尿量的动态监测，它通常借助于体表的电极系统向膀胱表面施加以微小的交流测量电流或电压，检测膀胱积尿过程中相应的电阻抗及其变化情况，由此预测病人膀胱积尿的情况。比如常用的四电极测量电阻抗的装置和方法，通常由两对电极对构成(一对激励电极和一对测量电极)。通过激励电极向被测目标输入恒定幅值的交变电流或电压，然后在两激励电极旁边贴入接收电极，可以准确测量出被测部位的电位差。但是，四电极测量电阻抗的装置和方法在体表的测量信息量太小，而且容易受到病人翻动及尿液电导率变化的影响，无法清晰准确地测量膀胱中的尿量，及时提示患者排尿。

例如，在现有技术中，专利申请号为201310080354.7的中国发明公开了基于生物电阻抗的膀胱积尿实时监测方法及装置，主要根据测量数据的时域特征计算患者的膀胱积尿量，然后将计算出的膀胱积尿量与预先针对不同患者设定的尿量阈值进行比较，并在膀胱积尿量达到和/或超过所述尿量阈值时发出警报。但是，这种方法测量信息量小，容易受到体表接触阻抗变化及病人姿势的影响，存在较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种准确可靠、可对膀胱尿量进行连续动态监测的装置，并提出了利用该装置对膀胱尿量进行实时动态监测的方法，根据本发明提供的装置和方法能显著提高了膀胱尿量实时监测的精度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置，所述装置包括激励模块、电极驱动模块、信号测量及调理模块、数据采集模块、计算机控制终端和电极脱落检测模块；

所述激励模块在计算机控制终端的控制下用于产生频率及幅值可调的恒流正弦波输出信号；

所述电极驱动模块通过计算机控制终端的控制从若干个电极中任意选取相邻的一对电极作为激励电极向人体注入来自所述激励模块的恒流正弦波输出信号，同时所述电极驱动模块通过计算机控制终端的控制从剩下的电极中任意选取相邻的一对电极作为测量电极；所述信号测量及调理模块对所述测量电极测量的信号进行滤波、放大处理并对其进行交直流转换；

所述数据采集模块以一定的采样频率采集直流信号，并上传至计算机控制终端；

所述计算机控制终端包括图像重构模块和尿量实时监测模块，所述图像重构模块先对膀胱所在的横断面进行有限元建模，包括确定圆形边界，划分固定数量的三角单元(本专利以576个单元为例)，建立了固定的有限元模型后，根据所述数据采集模块的采集直流信号对膀胱所在的横断面进行图像重构，并以二维彩色图像的形式表示出来；所述尿量实时监测模块，通过后续图像算法对膀胱截面的二维图像进行参数提取、分析，实现对人体膀胱尿量的实时监测，并在尿量达到较大值时提示医护人员帮助患者排尿；

所述电极脱落检测模块用于监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和/或蜂鸣器进行报警。

优选地，所述激励模块包括直接数字频率合成芯片和电压/电流转换电路；所述直接数字频率合成芯片的频率由计算机控制终端编程控制，输出为50KHz、幅值600mV的恒压正弦信号，经过电压/电流转换电路后输出50KHz、幅值为1mA的恒流正弦信号。

优选地，所述电极驱动模块由四组每组16个通道多路开关组成，且每组16通道多路开关均执行16选1功能。

优选地，所述信号测量及调理模块包括双路可编程滤波器、双路仪表运算放大器和一个交流-直流转换模块；

所述双路可编程滤波器采用带通滤波，可以去除数据中的人体生理活动造成的极低频干扰，以及各种高频干扰，从而获得高信噪比的人体电阻抗测量数据；

所述交流-直流转换模块可以直接将高频交流信号进行直流有效值计算，所得直流信号可直接用于计算机控制终端图像重构；

优选地，所述图像重构模块负责完成高速率数据采集和图像重构，提高系统的实时性；

所述尿量实时监测模块通过以下后续图像算法预测患者实时的膀胱尿量：

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值；

A_P和A_REF可以通过以下校准公式获得：

其中，A表示二维图像的平均电导率值，N表示图像的各剖分单元的总数，бi表示计算得到的第i个单元的电导率值；

所述校准实验步骤如下：

1)测量开始前，使用者须先排空膀胱；

2)开启所述膀胱尿量实时监测装置，使用者开始积尿；

3)使用者具有强烈尿感后，获取此时膀胱充盈状态下的图像数据；停止测量，使用者排尿，并记录最后的排尿量V_REF；

4)根据校准公式计算获得校准参数，完成校准。

本发明还提供了基于所述装置的膀胱尿量实时监测方法，包括如下步骤：

S1.在一条有弹性的环形腰带上均匀地放置16个电极；

S2.将所述环形腰带系于被测对象的膀胱所在腹部表面部位，并对应于人体髂前上棘以上10cm的环绕平面；

S3.开启所述膀胱尿量实时监测装置，进行测量；

当首次使用时，每个使用者须先经过一次校准实验；

所述校准实验步骤如下：

1)测量开始前，使用者须先排空膀胱；

2)开启所述膀胱尿量实时监测装置，使用者开始积尿；

3)使用者具有强烈尿感后，获取此时膀胱充盈状态下的图像数据；停止测量，使用者排尿，并记录最后的排尿量V_REF；

4)根据校准公式计算获得校准参数，完成校准；

S4.完成校准实验后，输入校准参数和校准的排尿量，进行正常膀胱尿量实时监测；通过计算机控制终端终端重构出膀胱所在横断面的二维彩色图像，并利用后续图像算法实时监测膀胱尿量。

优选地，所述后续图像算法为按照以下计算方法进行：

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值。

A_P和A_REF可以通过以下校准公式获得：

其中，A表示二维图像的平均电导率值，N表示图像的各剖分单元的总数，б_i表示计算得到的第i个单元的电导率值。

根据本发明提供的膀胱尿量实时监测装置及方法能够实现准确地预测膀胱积尿过程中的尿量，提高膀胱尿量实时监测的精度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将电阻抗断层成像技术应用于膀胱尿量实时监测，能够以二维彩色图像的方式，直观、定量地显示膀胱中尿量的变化情况；并且能够克服了现有技术中不能动态测量、信息量少及接触阻抗影响大等弊端，从重构图像中提取有效的参数反映膀胱尿量的变化情况；由于电阻抗断层成像作为一种廉价的无损伤图像监测技术，无毒无害，可以对病人进行长期、连续监护，具有很好的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置示意图；

图2是本发明实施例1用于膀胱横断面图像重构的有限元模型；

图3是本发明实施例2的膀胱尿量实时监测方法结构框图。

具体实施方式

下面结合一些具体实施方式对本发明基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置和方法做进一步描述。具体实施例为进一步详细说明本发明，非限定本发明的保护范围。

实施例1：如图1所示，一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测的装置，包括激励模块、电极驱动模块、信号测量及调理模块、数据采集模块、计算机控制终端和电极脱落检测模块，其中，

1.激励模块，在计算机控制终端的控制下主要用于产生频率及幅值可调的恒流正弦波输出信号。

具体的，该模块包括直接数字频率合成(DDS)芯片和电压/电流转换电路。DDS芯片的频率由计算机控制终端编程控制，一般输出为50KHz、幅值600mV的恒压正弦信号，经过电压/电流转换电路后输出50KHz、幅值为1mA的恒流正弦信号；

2.电极驱动模块，通过计算机控制终端指令的控制从若干个电极中任意选取相邻的一对电极作为激励电极向人体注入来自所述激励模块的恒流正弦信号，同时所述电极驱动模块通过计算机控制终端指令的控制从剩下的电极中任意选取相邻的一对电极作为测量电极。如果电极有16个，则一次完整的测量(一帧图像)包含16×13＝208个数据；

特别的，在注入激励电流和测量电压时，所述电极驱动模块由四个16个通道多路开关组成，且每个16通道多路开关均执行16选1功能。

3.信号测量及调理模块，对所述电极驱动模块中测量电极测量的信号进行滤波、放大处理并对其进行交直流转换；

具体的，在进行信号测量和调理时，所述信号测量及调理模块由双路可编程滤波器、双路仪表运算放大器和一个交流-直流转换模块构成。可编程滤波器采用50KHz带通滤波，可以去除数据中的如呼吸、心跳等人体生理活动造成的极低频干扰，以及各种高频干扰，从而获得高信噪比的人体电阻抗测量数据。交流-直流转换模块可以直接将高频交流信号进行直流有效值计算，所得直流信号可直接用于计算机控制终端图像重构，不仅大大减少了交流信号解调带来了功耗及速度方面的影响，而且降低了数据采样时对高采样率的要求，降低了硬件设计的复杂度。

4.数据采集模块，以一定的采样频率对经过所述信号测量及调理模块转换的直流信号进行采样，并上传至计算机控制终端；

5.电极脱落检测模块，用于监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和/或蜂鸣器进行报警。

6.计算机控制终端，其中包括：

图像重构模块，先对膀胱所在的横断面进行有限元建模，包括确定圆形边界，划分固定数量的三角单元(本专利以576个单元为例，如图2所示)，建立了固定的有限元模型后，根据所述数据采集模块的采集直流信号对膀胱所在的横断面进行图像重构，并以二维彩色图像的形式表示出来；

尿量实时监测模块，通过图像的后续处理算法对膀胱截面的二维图像进行参数提取、分析，实现对人体膀胱尿量的实时监测，并在尿量达到较大值时提示医护人员帮助患者排尿。

具体的，所述的膀胱尿量实时监测装置，在进行图像重构时，所述的图像重构模块，可完成高速率的数据采集和图像重构，提高系统的实时性。所述的尿量实时监测模块，并通过以下后续图像算法预测患者实时的膀胱尿量：

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值。

A_P和A_REF可以通过以下校准公式获得：

其中，A_REF表示校准步骤中二维图像的平均电导率值，N表示此图像的有限元模型剖分单元的总数，б_i表示计算得到的第i个单元的电导率值。通常情况下，N的数量是确定的。

实施例2：如图3所示，一种利用电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测方法，包括如下步骤：

S1，在一条有弹性的环形腰带上均匀地环设16个电极，电极为普通Ag/AgCl心电电极；

S2，将环形腰带系于被测对象的膀胱所在腹部表面部位，并对应于人体髂前上棘以上10cm的环绕平面；

在粘贴环形电极前，需要清除病人表面皮肤的毛发，用砂纸打磨皮肤，以达到最好的测量效果。测量时需要固定环形腰带，否则将影响测量结果；

S3，开启实施例1所述的装置，进行测量；

S4，若为首次使用，每个使用者须先经过一次校准实验。

所述校准实验步骤如下：

S41，测量开始前，使用者须先排空膀胱，目的是为了获取膀胱排空状态下横断面的背景数据，用于后续的图像重构；

S42，开启实施例1所述装置，使用者开始积尿；

S43，使用者具有强烈尿感后，获取此时膀胱充盈状态下的图像数据；停止测量，使用者排尿，并记录最后的排尿量，记为V_REF；

S44，重构膀胱充盈状态下的二维彩色图像，并根据校准公式计算校准参数A_REF，完成校准。

具体的，膀胱横断面的图像重构使用如图2所示的有限元模型进行重构，其中每一个三角形网格代表一个有限元剖分单元。

具体的，A_REF可以通过以下校准公式获得：

其中，A_REF表示校准步骤中二维图像的平均电导率值，N表示此图像的有限元模型剖分单元的总数，б_i表示计算得到的第i个单元的电导率值。通常情况下，N的数量是确定的。

S5，完成校准实验后，输入校准参数A_REF和校准尿量V_REF，进行正常膀胱尿量实时监测，准备步骤如S1-S3；

S6.通过计算机控制终端终端重构出膀胱所在横断面的二维彩色图像，并利用步骤S44中A_REF的算法计算当前图像的平均电导率值A_P。尿量实时监测模块将根据上述参数，实现对人体膀胱尿量V_P的实时监测，并在尿量达到较大值时提示医护人员帮助患者排尿。

具体的，本发明通过以下后续图像算法对当前人体膀胱尿量V_P进行预测：

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值。

本发明通过上述方法，可准确地实现了对人体膀胱尿量的实时监测，并在尿量达到较大值时提示医护人员帮助患者排尿。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置，其特征在于，包括激励模块、电极驱动模块、信号测量及调理模块、数据采集模块、计算机控制终端和电极脱落检测模块；

所述激励模块在计算机控制终端的控制下用于产生频率及幅值可调的恒流正弦波输出信号；

所述电极驱动模块通过计算机控制终端的控制从若干个电极中任意选取相邻的一对电极作为激励电极向人体注入来自所述激励模块的恒流正弦波输出信号，同时所述电极驱动模块通过计算机控制终端的控制从剩下的电极中任意选取相邻的一对电极作为测量电极；

所述信号测量及调理模块对所述测量电极测量的信号进行滤波和放大处理并对其进行交直流转换；

所述数据采集模块用于采集直流信号，并上传至计算机控制终端；

所述计算机控制终端包括图像重构模块和尿量实时监测模块；

所述图像重构模块先对膀胱所在的横断面进行有限元建模，包括确定圆形边界，划分固定数量的三角单元，建立了固定的有限元模型后，根据所述数据采集模块采集的直流信号对膀胱所在的横断面进行图像重构，并以二维彩色图像的形式表示出来；

所述尿量实时监测模块，通过后续图像算法对膀胱截面的二维图像进行参数提取和分析，实现对人体膀胱尿量的实时监测；

所述电极脱落检测模块用于监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和/或蜂鸣器进行报警；

所述图像重构模块负责完成高速率数据采集和图像重构，提高系统的实时性；

所述尿量实时监测模块通过以下后续图像算法预测患者实时的膀胱尿量：

$V_P=\frac{A_P}{A_{REF}}\×V_{REF}$

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值；

A_P和A_REF可以通过以下校准公式获得：

$A=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i}{N}$

其中，A表示二维图像的平均电导率值，N表示图像的各剖分单元的总数，表示计算得到的第i个单元的电导率值；

所述校准步骤如下：

1)测量开始前，使用者须先排空膀胱；

2)开启所述膀胱尿量实时监测装置，使用者开始积尿；

3)使用者具有强烈尿感后，获取此时膀胱充盈状态下的图像数据；停止测量，使用者排尿，并记录最后的排尿量V_REF；

4)根据校准公式计算获得校准参数，完成校准。

2.根据权利要求1所述的膀胱尿量实时监测装置，其特征在于，所述激励模块包括直接数字频率合成芯片和电压/电流转换电路；

所述直接数字频率合成芯片的频率由计算机控制终端编程控制，输出50KHz、幅值为600mV的恒压正弦信号，经过电压/电流转换电路后输出50KHz、幅值为1mA的恒流正弦信号。

3.根据权利要求1所述的膀胱尿量实时监测装置，其特征在于，所述电极驱动模块由四组每组16个通道多路开关组成，且每组16通道多路开关均执行16选1功能。

4.根据权利要求1所述的膀胱尿量实时监测装置，其特征在于，所述信号测量及调理模块包括双路可编程滤波器、双路仪表运算放大器和一个交流-直流转换模块；

所述双路可编程滤波器采用带通滤波，可以去除数据中的人体生理活动造成的极低频干扰，以及各种高频干扰，从而获得高信噪比的人体电阻抗测量数据；

所述交流-直流转换模块可以直接将高频交流信号进行直流有效值计算，所得直流信号可直接用于计算机控制终端图像重构。

5.一种利用权利要求1至4任意一项权利要求所述装置的膀胱尿量实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.在环形腰带上均匀地放置16个电极；

S2.将所述环形腰带系于被测对象的膀胱所在腹部表面部位，并对应于人体髂前上棘以上10cm的环绕平面；

S3.开启所述膀胱尿量实时监测装置，进行测量；

当首次使用时，每个使用者须先经过一次校准实验；

所述校准实验步骤如下：

1)测量开始前，使用者须先排空膀胱；

2)开启所述膀胱尿量实时监测装置，使用者开始积尿；

3)使用者具有强烈尿感后，获取此时膀胱充盈状态下的图像数据；停止测量，使用者排尿，并记录最后的排尿量V_REF；

4)根据校准公式计算获得校准参数，完成校准；

S4.完成校准实验后，输入校准参数和校准的排尿量，进行正常膀胱尿量实时监测；通过计算机控制终端重构出膀胱所在横断面的二维彩色图像，并利用后续图像算法实时监测膀胱尿量。

6.根据权利要求5所述的膀胱尿量实时监测方法，其特征在于，所述后续图像算法为按照以下计算方法进行：

$V_P=\frac{A_P}{A_{REF}}\×V_{REF}$

其中，V_P是当前膀胱的积尿量，V_REF是校准步骤得到的排尿量，A_P是当前膀胱所成图像的平均电导率值，A_REF是通过校准步骤得到的膀胱图像平均电导率值；

A_P和A_REF可以通过以下校准公式获得：

$A=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_i}{N}$

其中，A表示二维图像的平均电导率值，N表示图像的各剖分单元的总数，表示计算得到的第i个单元的电导率值。