CN112957072B - 穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其包括超声检测单元、主机和系统终端，超声检测单元包括柔性可拉伸且呈穿戴式的柔性基底、分布在柔性基底上的多个超声探头；主机包括高压激励发射器、T/R开关、选通电路控制器、AFE接收器、数据处理器、无线传输模块和电源模块；系统终端包括数据接收模块、数据分析模块和后处理显示模块。本发明一方面无需对膀胱成像，也无需复查地计算膀胱容积，可克服现有产品单阵元传感器空间分辨率低、准确性差，需专业辅助操作等不足，可便捷地获取膀胱尿液的状态，为临床监测和病患排尿提供相应的辅助信息；另一方面穿戴方便，便于实时测量，且测量耗时少，造价低和体积小。

Description

穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统

技术领域

本发明属于临床医疗技术领域，具体涉一种穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统。

背景技术

膀胱残余尿量常被用作了解膀胱功能、判断尿道梗阻情况的重要依据，已经成为国际上众多机构和组织诊断、治疗泌尿系统疾病和评估治疗效果的重要指标之一，因此，膀胱尿液量在线监测就十分的重要。

然而，目前，膀胱残余尿量主要根据膀胱容积的大小进行判定，而膀胱容积测量方法研究热点主要有植入传感器法、生物阻抗法和体外成像法。

具体的，植入传感器法：将可植入应变传感器植入体内，发出的信号可以使用外部接收器检测，并且其频率对应于测量的压力。膀胱容积和压力呈线性关系。但是，此方法带来了功率、生物兼容性和遥测等问题。比如，被传感器附着的膀胱组织可能会在一段时间后发生纤维化，这会改变组织的物理性质，例如降低其拉伸能力，使得该技术无法长期使用。

生物阻抗法：基于阻抗的膀胱测量系统利用尿液与膀胱组织之间电导率的差异，使用具有多个电触点的腰带来感测骨盆区域的电导分布。尿液电导率主要受其盐水浓度的影响。由于与皮肤的电接触不可靠以及导致阻抗变化的因素较多，该方法在实践中并不是非常成功。

体外成像法，典型代表就是超声测容技术。它是目前国际上智能健康监测机构普遍使用的技术之一，主要采用3D超声探头测量膀胱容积，3D超声探头精确度较高，相比于2D探头，3D超声探头造价更高，并且仪器体积较大，不适用于需要实时测量的情况。

而便捷高精准的便携式体外超声检测膀胱容积，具有极大地临床和市场需求。同时，为了实现便捷的实时超声检测膀胱容积状态，现有的产品如下所示。其有超声传感器、主机和手机（终端）组成。其传感器中含有一个超声传感器，放置在膀胱体外皮肤上，通过检测是否有来自小肠的反射波的强度，来推定膀胱中的尿量。该方法具有实时性好、设备简洁、成本低廉等优点。但其主要的不足在于：1. 单探头测量，空间分辨率低，准确性不高；2.由于需要探测膀胱后的小肠位置，其放置位置精度要求较高，需要第三方设备和医生辅助进行。

而且，经过申请人对背景技术的了解，现有膀胱监测专利较多，列举其中最类似的方法和装置：

如，201580080297.X:尿量推定装置和尿量推定方法（现有产品的专利），其利用一个传感器，放置在膀胱上，通过检测是否有来自小肠的反射波的强度，来推定膀胱中的尿量。

又如，201711401220.5：一种手持式膀胱测容装置及膀胱测容实现方法，其需要利用3D探头，实现图像梯度计算处理控制，根据图像梯度值快速勾边处理获取膀胱每个截面边界数据获得整个膀胱的容积。

还有，201711155019.3：一种膀胱测容方法及仪器，其主要是向膀胱的多个方向发射超声波信号；接收每个方向上的超声波信号经过该方向两侧膀胱壁反射的两次反射信号；根据每个方向上的两次反射信号的时间差确定该方向上膀胱的深度；根据多个方向上膀胱的深度确定膀胱的容积。

因此，采用超声进行膀胱尿液量监测，主要是采用单阵元探头检测，而单阵元超声探头成像需要1-2 分钟，并且空间分辨率低，测量结果存在很大的误差率；若是需要3D图像扫描膀胱，成像系统算法复杂，测量时间长，设备造价高昂，仪器体积庞大，不适用于实时测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其包括超声检测单元、主机和系统终端，

超声检测单元包括柔性可拉伸且呈穿戴式的柔性基底、分布在柔性基底上的多个超声探头；

主机包括高压激励发射器、T/R开关、选通电路控制器、AFE接收器、数据处理器、无线传输模块和电源模块，其中选通电路控制器通过探头连接器与多个超声探头连接，且实现对不同超声探头的工作选通；AFE接收器用于回波信号的低噪放大、带通滤波和增益放大；数据处理器包括数据AD采样、取包络和数据存储；无线传输模块用于将采集到的数据传输至系统终端；

系统终端包括数据接收模块、数据分析模块和后处理显示模块；

设数值变量Y：

Y=（X1-Xb）φ/ (Xt-Xb) 式（1）

设数值Z：

Z-Y=A 式（2）

在式（1）中，定义多个超声探头中最底部超声探头位置为起始位置，且值为0；X1，Xb, Xt分别对应膀胱中尿液的交界面、膀胱的底部和膀胱的顶部所在位置，且X1，Xb, Xt的数值分别为该位置所对应超声探头至起始位置的距离；φ为修正因子，φ=cosβ1/cosβ2，其中β1为X1与Xb所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角，β2为Xb与Xt所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角；

在式（2）中，Z是根据用户膀胱容积的大小设定尿液预警值，当A＜0时，系统终端发出示警，并能够远程提醒医护人员或陪护人员进行排尿。

优选地，多个超声探头形成多阵元式超声探头，且呈线阵状分布在柔性基底上。

每个超声探头工作频率范围为0.1MHz-20MHz。以确保实现对整个膀胱的穿透。同时根据分辨率高低的要求，进行相应的选择，通常为1-3 MHz。

多阵元式超声探头中选用工作频率的大小值与所对应膀胱壁前后距离大小值呈反比。也就是说，多阵元式超声探头可以具有相同的工作中心频率或不同的工作中心频率。这主要取决于该超声探头测量的如果是膀胱前后壁距离较大的位置，其相应位置可以选用频率较低的探头，而对应膀胱壁前后距离较小的位置，则选用频率较高的探头。

优选地，为了便于穿戴，单个超声探头的直径不大于1 cm，其典型尺寸为1-3 mm。超声探头的个数大于2个。

进一步的每个超声探头都有单独的电缆线连接，可实现对单个超声探头的单独控制。所有探头的连线，最终集束连接到系统的主机上。

优选地，超声探头压电超声探头、电容式超声探头或者薄膜式超声探头，且单个所述超声探头的直径小于或等于1cm。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，柔性基底呈长条状，且柔性基底上分布有多个接口，超声探头可拆卸的连接在接口上。

优选地，多个超声探头在柔性基底上，可以是等间隔分布，也可以非均匀分布。这主要是取决于该超声探头对应的如果是尿液警戒区域（对应膀胱中上区域的传感器的中上段），则为了提高预警精度，该区域传感器的分布密度可适当高于两端的区域。

进一步的，柔性基底主要起到固定超声探头和粘接皮肤的作用。柔性探头上有若干固定超声探头的固定位置，可以是凹洞、粘接盘或者固定夹子等。柔性基底具有一定的拉伸性，可实现根据不同的用户体型进行一定的拉伸和弯曲贴合。柔性基底主体材料可以是柔性胶带、柔性橡胶等。

优选地，T/R开关位于高压激励发射器和选通电路控制器之间，且将高压激励发射器和选通电路控制器相连通。

此外，主机还包括与选通电路控制器相连通的探头连接器，多个超声探头相独立的与探头连接器相连通。

优选地，主机还包括警示器，后处理显示模块能够实时查看膀胱容积Y的数值变化和动画显示。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明一方面利用多阵元的超声探头监测膀胱尿液状态，无需对膀胱成像，也无需复查地计算膀胱容积，可克服现有产品单阵元传感器空间分辨率低、准确性差，需专业辅助操作等不足，可便捷地获取膀胱尿液的状态，为临床监测和病患排尿提供相应的辅助信息；另一方面穿戴方便，便于实时测量，且测量耗时少，造价低和体积小。

附图说明

图1为本发明的膀胱尿液量的超声监测系统的结构示意图；

图2为本发明的超声检测单元的结构示意图；

图3为本发明的系统监测时的原理示意图；

其中：1、超声检测单元；10、柔性基底；11、超声探头；

2、主机；20、高压激励发射器；21 、T/R开关；22、选通电路控制器；23、AFE接收器；24、数据处理器；25、无线传输模块；26、电源模块；27、探头连接器；28、警示器；

3、系统终端；30、数据接收模块；31、数据分析模块；32、后处理显示模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例的膀胱尿液量的超声监测系统，其为穿戴式，具体的，该超声监测系统包括超声检测单元1、主机2和系统终端3。

结合图2所示，超声检测单元1包括柔性可拉伸且呈穿戴式的柔性基底10、呈线形分布在柔性基底10上的多阵元式超声探头11。

柔性基底10呈长条状，且柔性基底10上分布有多个接口，超声探头11可拆卸的连接在接口上。

多个超声探头11在柔性基底10上，可以是等间隔分布，也可以非均匀分布。这主要是取决于该超声探头对应的如果是尿液警戒区域（对应膀胱中上区域的传感器的中上段），则为了提高预警精度，该区域传感器的分布密度可适当高于两端的区域。

进一步的，柔性基底10主要起到固定超声探头11和粘接皮肤的作用。柔性基底10上有若干固定超声探头11的固定位置，可以是凹洞、粘接盘或者固定夹子等。柔性基底10具有一定的拉伸性，可实现根据不同的用户体型进行一定的拉伸和弯曲贴合。柔性基底10主体材料可以是柔性胶带、柔性橡胶等。

本例中，每个超声探头11工作频率范围为0.1MHz-20MHz。以确保实现对整个膀胱的穿透。同时根据分辨率高低的要求，进行相应的选择，通常为1-3 MHz。

本例中，阵元式超声探头中选用工作频率的大小值与所对应膀胱壁前后距离大小值呈反比。也就是说，阵元式超声探头可以具有相同的工作中心频率或不同的工作中心频率。这主要取决于该超声探头测量的如果是膀胱前后壁距离较大的位置，其相应位置可以选用频率较低的探头，而对应膀胱壁前后距离较小的位置，则选用频率较高的探头。

为了便于穿戴，单个超声探头11的直径不大于1 cm，其典型尺寸为1-3 mm。超声探头11有9个。

进一步的，每个超声探头11都有单独的电缆线连接，可实现对单个超声探头11的单独控制。所有探头的连线，最终集束连接到系统的主机2上。

超声探头11为压电超声探头、电容式超声探头或者薄膜式超声探头，且单个所述超声探头11的直径小于或等于1cm。

本例中，主机2包括高压激励发射器20、T/R开关21、选通电路控制器22、AFE接收器23、数据处理器24、无线传输模块25和电源模块26，其中选通电路控制器22通过探头连接器27与多个超声探头11连接，且实现对不同超声探头的工作选通；AFE接收器23用于回波信号的低噪放大、带通滤波和增益放大；数据处理器24包括数据AD采样、取包络和数据存储；无线传输模块25用将采集到的数据传输至系统终端3。

具体的，T/R开关21主要实现接收信号与发射信号电路的选通，避免高压激励电压破坏接收电路；选通电路控制器22主要实现对不同超声探头的工作选通，从而不必每个探头都需要单独的激励和接收；无线传输模块25主要通过蓝牙或者WiFi实现将采集到的数据传输到终端上去。

本例中，主机1还具有警示器28，其用示警，例如，尿量超标了，以警示陪护人员或医疗人员。

系统终端3包括数据接收模块30、数据分析模块31和后处理显示模块32。其主要功能包括对数据进行分析、判断膀胱尿液的状态、实时动态显示膀胱状态结果、并进行相应的设置、提醒和报警等。终端可以是智能手机、平板电脑、移动电脑甚至智能电视。

结合图3所示，本实施例的膀胱尿液量监测方法，该方法包括如下步骤：

1）、采用分布在柔性基底上的多阵元式超声探头，并自柔性基底贴到膀胱对应的腹部体表；

2）、通过选通电路控制器进行不同超声探头的工作选通，并在高压脉冲激励电压依次快速激励选通的超声探头，接收各个超声探头的回波信号，检测各个回波的包络信号，是否出现膀胱后壁回波信号或者小肠的回波信号，判断目前多个超声探头中三个正对膀胱中尿液的交界面、膀胱的底部和膀胱的顶部，且分别定义为X1，Xb, Xt，其中定义多阵元超声探头中最底部探头位置为起始位置，且值为0，该X1，Xb, Xt的数值为分别该位置所对应超声探头至起始位置的距离；

3）、设数值变量Y：

Y=（X1-Xb）φ/ (Xt-Xb)

式中φ为修正因子，φ=cosβ1/cosβ2，其中β1为X1与Xb所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角，β2为Xb与Xt所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角；

4）、根据用户膀胱容积的大小设定尿液预警值Z，其中Z-Y<0时，系统终端发出示警，并能够远程提醒医护人员或陪护人员进行排尿。

此外，需要进一步说明的是，Y与膀胱容积的对应关系可以利用系统自带的内部默认模型进行通用设置，当然也可以通过事先医疗3D容积成像检测针对个人建立更精细的关系。若Y的数值为正常值，则状态显示灯为绿色；若超过预警值，则状态显示灯变红，并发出警鸣声。

同时，主机与终端无线连接后，可在终端软件上实时查看膀胱容积Y的数值变化和动画显示。可以在终端实现Y与膀胱容积对应关系的自定义、以及设定预警值，发出警报，紧急情况远程提醒医护人员、家人等。

因此，本实施例的优势是：

1）、利用多阵元的超声探头监测膀胱尿液状态，无需对膀胱成像，也无需复查地计算膀胱容积，可克服现有产品单阵元传感器空间分辨率低、准确性差，需专业辅助操作等不足，可便捷地获取膀胱尿液的状态，为临床监测和病患排尿提供相应的辅助信息；

2）穿戴方便，便于实时测量，且测量耗时少，造价低和体积小。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其包括超声检测单元、主机和系统终端，其特征在于：

所述的超声检测单元包括柔性可拉伸且呈穿戴式的柔性基底、分布在所述柔性基底上的多个超声探头，所述多个超声探头形成多阵元式超声探头，且呈线阵状分布在所述柔性基底上；

所述主机包括高压激励发射器、T/R开关、选通电路控制器、AFE接收器、数据处理器、无线传输模块和电源模块，其中选通电路控制器通过探头连接器与多个超声探头连接，且实现对不同超声探头的工作选通；AFE接收器用于回波信号的低噪放大、带通滤波和增益放大；数据处理器包括数据AD采样、取包络和数据存储；无线传输模块用于将采集到的数据传输至系统终端；

所述系统终端包括数据接收模块、数据分析模块和后处理显示模块；

设数值变量Y：

Y=（X1-Xb）φ/ (Xt-Xb) 式（1）

设数值Z：

Z-Y=A 式（2）

在式（1）中，定义多个超声探头中最底部超声探头位置为起始位置，且值为0；X1，Xb,Xt分别对应膀胱中尿液的交界面、膀胱的底部和膀胱的顶部所在位置，且X1，Xb, Xt的数值分别为该位置所对应超声探头至起始位置的距离；φ为修正因子，φ=cosβ1/cosβ2，其中β1为X1与Xb所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角，β2为Xb与Xt所对应超声探头延长线与膀胱中心线延长线之间形成的夹角；

在式（2）中，Z是根据用户膀胱容积的大小设定尿液预警值，当A＜0时，系统终端发出示警，并能够远程提醒医护人员或陪护人员进行排尿。

2.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：每个所述的超声探头工作频率范围为0.1MHz-20MHz。

3.根据权利要求2所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：多阵元式超声探头中选用工作频率的大小值与所对应膀胱壁前后距离大小值呈反比。

4.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述的超声探头为压电超声探头、电容式超声探头或者薄膜式超声探头，且单个所述超声探头的直径小于或等于1cm。

5.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述柔性基底呈长条状，且所述柔性基底上分布有多个接口，所述的超声探头可拆卸的连接在所述的接口上。

6.根据权利要求1或5所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述的柔性基底为柔性胶带或柔性橡胶。

7.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述的T/R开关位于所述高压激励发射器和所述选通电路控制器之间，且将所述高压激励发射器和所述选通电路控制器相连通。

8.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述的主机还包括与所述选通电路控制器相连通的探头连接器，多个所述超声探头相独立的与所述探头连接器相连通。

9.根据权利要求1所述的穿戴式膀胱尿液量的超声监测系统，其特征在于：所述的主机还包括警示器，所述的后处理显示模块能够实时查看膀胱容积Y的数值变化和动画显示。

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