CN112973208B - 一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法。该装置包括箱体以及安装在箱体内的U形沉淀池、振动机构和传送机构。U形沉淀池包括外壳和嵌入安装在外壳内的内壳。内壳底部设有与内壳内部相通的引流导管一。引流导管一上安装有正压阀。振动机构包括机械波发生器、可伸缩套管、换能器和振动板。机械波发生器的输出端与换能器的输入端相连，换能器的输出端与振动板相连。可伸缩套管的一端与控制马达相连，另一端与换能器相连。箱体内依次设有工位一、工位二和工位三。该装置及方法使得尿液有形成分沉淀速度可控，提高了沉淀层质量，易于实现自动化，适用范围较广。

Description

一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法。

背景技术

随着社会生活节奏的加快和生活水平的提高，人们对个人的身体健康状况的重视程度逐渐加强。包括慢性肾脏病、心血管病、肿瘤、糖尿病在内的多种疾病的诊断都需要对尿液有形成分的异常状态进行快速检测。

尿液检测需要先获得尿液中的有形成分。传统提取方法主要包括离心法和自然沉降法两种方法，但这两种提取方法各有利弊。离心法需要使用离心机对尿液离心3-5分钟，虽然能达到尿沉渣浓缩的目的，但不易把握提取的尿残渣量，易漏检异常成分，同时由于离心机械张力作用，可使脆弱的管型及细胞破坏。而使用自然沉降法，尿液有形成分通常需要较长的时间(5分钟以上)才能自然沉降到沉淀池底部同一平面上，这一要求在实际应用中往往很难达到，致使沉降不充分，沉淀层过厚，而且由于相对密度不同，不同的尿液有形成分沉淀速度不一，在沉淀池底部会互相覆盖，沉淀层过厚，致使显微镜进行观察时成像质量不高，严重影响了尿液检测结果的准确性。另一方面，由于不同患者尿液常常具有不同的粘稠度，不同个体间尿沉渣自然沉降时间变异大，不利于实现自动化。

因此，急需设计一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置及方法，该装置及方法使得尿液有形成分沉淀速度可控，提高了沉淀层质量，易于实现自动化，适用范围较广。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，包括箱体以及安装在箱体内的U形沉淀池、振动机构和传送机构。

所述U形沉淀池包括外壳和嵌入安装在外壳内的内壳；所述外壳上开设有过孔一；所述内壳底部设有与内壳内部相通的引流导管一；所述引流导管一上安装有正压阀。

所述振动机构包括机械波发生器、可伸缩套管、换能器和振动板；所述机械波发生器的输出端与换能器的输入端相连，换能器的输出端与振动板的微型电机的电源端相连；所述可伸缩套管的一端与控制马达相连，另一端与换能器相连。所述振动板上设有包胶膜。

所述箱体内依次设有工位一、工位二和工位三；所述工位一处的箱体顶部设有送样口，工位二处的箱体底部设有取样口，工位三处的箱体侧壁上设有取料门。

所述工位一，用于将尿液样本放入至U形沉淀池中；所述振动机构安装在工位二上方，所述工位二，用于在装有尿液样本的U形沉淀池移动到该工位后，在控制马达的作用下，可伸缩套管长度变长，驱动换能器及振动板向下运动，使振动板的包胶膜与U形沉淀池中的尿液样本相接触，在换能器及振动板的作用下，尿液样本中的有形成分沉淀，沉淀后的尿液有形成分从取样口流出；所述工位三，用于在装有尿液样本的U形沉淀池完成有形成分沉淀移动到该工位后，通过取料门将内壳进行更换。将U形沉淀池放置于工位一，通过箱体送样口倒入适量合格尿液标本，通过液位传感器检测尿液标本的容量和沉淀之后的废液的容量，将液位信号转换为电信号反馈至控制单元，尿液标本不足时警示检验操作人员。停止倒入样本时，通过送样口盖进行遮盖，防止尿液挥发气味散出。U形沉淀池完成上述操作后，按下箱体上的工位二按钮，U沉淀池送至工位二。

进一步的，所述机械波发生器包括带有ARM芯片的控制电路板和与控制电路板信号连接的变频器。所述机械波发生器，用于产生频率可变的机械波电信号，经过换能器能够带动振动板产生相应机械波的电路模块。

进一步的，所述振动板包括振动臂、驱动单元、调节臂、检测端子、调节端子、基部。所述驱动单元包括微型电机、振动电极和调节电极。所述振动臂、调节臂和微型电机均安装在基部上，调节臂通过调节电极与微型电机相连，振动臂通过振动电极与微型电机相连，检测端子安装在振动臂的顶部，调节端子安装在调节臂的顶部，所述包胶膜包裹在基部的外侧，所述包胶膜采用硅胶材质。振动臂和调节臂是振动板的机械结构，检测端子和调节端子是传感器，基部是容纳上述结构及支撑的结构。

所述振动板，用于产生适合尿液有形成分均匀有效沉淀的机械振动波，能够给尿液有形成分中的细胞一个向下的作用力使细胞能够匀速沉淀在沉淀池底部，而且作用力的方向和细胞自然沉淀的方向相同，细胞就不会变形，不会影响下一步的检测。对于机械波发生器产生的不同的频率能够产生相应的机械振动波，上述波通过尿液的表面不断向下传输和叠加给尿液中细胞，所受波源的外加力大小与离波源的距离成正比，使得相对密度不同的尿液有形成分能匀速的同时到达至沉淀池底部，并不会分层。振动板的振动电极所用的电机是微型电机，将换能器传递的能量转换为振动臂的微型振动，微型电机放在振动臂的空腔中，驱动振动臂，调节臂振动，与振动电极构成驱动单元。微型电机带动振动臂振动，能够产生适合细胞级别的微小振动，而振动臂上面增加了传感器能够精准反馈振动频率，增加了调节臂使振动的精度提高，调节臂的振动频率比振动臂的振动频率小一个量级，使振动波的范围微调至细胞级别的振动波强度，调节臂上增加了速度传感器反馈至控制单元，使控制更加精准。

进一步的，所述外壳内设有固定卡槽，所述内壳通过固定卡槽安装在外壳内；所述内壳底部设有支撑结构；所述引流导管一的上端穿过支撑结构后伸入至内壳的腔体内，下端穿过支撑结构及外壳上的过孔一后连接正压阀；所述内壳内安装有液位传感器和PSD液体浓度传感器。

进一步的，所述送样口处安装有送样导管，所述送样导管上安装有液位控制开关一。

进一步的，所述取样口处安装有引流导管二，引流导管二上设有液位控制开关二；所述引流导管一的下端从过孔一向下伸出；所述引流导管二的上端伸入至箱体内部，下端伸出至箱体的外部，引流管二的下端上安装有液位控制开关二。

进一步的，所述振动板的下端外侧套设有包胶膜。在上述的机械结构上理论上实现了尿液有形成分的外加力，在实际运用过程中为了增加系统的鲁棒性和安全性，增加了包胶膜结构。包胶膜是设置在振动板基部外部会直接接触到尿液的一个机械结构，可以一次性更换，提高尿液有形成分提取的安全性和效率，经济实用；包胶膜起到了缓冲的作用，从而保护了细胞的正常形态，而且包胶膜能够使振动更加均匀，不会在振动臂下方垂直集中作用于尿液表面，导致细胞沉淀不均匀。包胶膜的厚度越厚分散振动的效果就越大，缓冲作用越明显，在振动板硬件振动力太大时，加上包胶膜就能很好的改进这一点，包胶膜软，能够与沉淀池吻合，减少了振动板产生的振动波的浪费和尿液与外界的接触，避免感染，在实验了众多材料之后，选择硅胶材质，尺寸与振动板基部一致。

进一步的，所述传送机构包括传动辊和与传动辊传动配合的传送带；所述传送带上开设有过孔二。所述传送机构还包括位移传感器一。所述位移传感器一采用反射式光电传感器，在到达指定位置时，传送机构的电机就停止转动。

进一步的，所述可伸缩套管为中空套管，其空腔用于信号线走线。可伸缩套管上安装有用于检测可伸缩套管端部位置的位移传感器二。

进一步的，该装置还包括控制单元和电源；所述控制单元的输入端与液位传感器、振动板的角速度传感器、传送机构中的位移传感器一和可伸缩套管上的位移传感器二的输出端相连；所述控制单元的输出端与液位控制开关一、液位控制开关二、机械波发生器的输入端相连；所述电源用于为机械波发生器、振动板、换能器、液位传感器、位移传感器一、位移传感器二、液位控制开关一、液位控制开关二、正压阀供电。机械波发生器控制面板可以设置机械波的频率、频率梯度，机械波发生器电路产生对应超波电信号，超声波频率由控制面板通过控制变频器的高频电流来控制。换能器，通过信号线与机械波发生器通信，换能器将电信号转换成超声波能，振动板将超声波能转换为机械波，机械波频率的大小直接调节振动板的振动速度。振动板通过控制面板上的振动板按钮，控制可伸缩套管的长度于待分离尿液上方，振动板的振动臂上方设置有角速度传感器，通过对振动板的角速度控制机械波的强度，从而实现对尿液沉淀的速度控制，使尿液的有形成分充分沉淀并能够控制沉淀的速度、时间。设置好机械波发生器的参数之后，换能器通过信号线能够迅速产生对应频率的机械波能，并利用振动板的压电效应产生连续的机械波从尿液表面开始向下形成一个向下的力并不断迭加，尿沉渣能完全均匀沉淀于沉淀池底部。

本发明还包括一种上述基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置的沉淀方法，该方法包括以下步骤：

S1、尿液样本获取

取患者早上起床后第一次小便的中段尿液A ml作为尿液样本。

S2、U形沉淀池装样

S21、传送机构工作，使U形沉淀池的外壳移动至工位一位置处，传送机构停止工作。

S22、将U形沉淀池的内壳安装到U形沉淀池的外壳中，将尿液样本通过送样口上的送样导管倒入到U形沉淀池的内壳内。

S23、在倒入尿液样本过程中，U形沉淀池内的液位传感器实时采集内壳内的尿液样本的液位信号，当尿液样本在U形沉淀池内部容量达到B ml时，液位控制开关一关闭，同时产生警示信号提醒操作者，停止向U形沉淀池内倒入尿液样本，关闭送样口，完成装样。将U形沉淀池放置于工位一，通过箱体送样口倒入适量合格尿液标本，通过液位传感器检测尿液标本的容量和沉淀之后的废液的容量，将液位信号反馈为电信号，尿液标本不足时警示检验操作人员。停止倒入样本时，通过送样口盖进行遮盖，防止尿液挥发气味散出。

S3、U形沉淀池中的尿液样本有形成分沉淀

S31、传送机构工作，使U形沉淀池到达工位二，当U形沉淀池移动到工位二时，引流导管一的下端开口与引流导管二的上端开口对接。

S32、控制马达转动，可伸缩套管伸长，振动板及换能器下移至U形沉淀池上方且振动板上的包胶膜与U形沉淀池内尿液样本相接触时，控制马达停止转动。

S33、机械波发生器工作，设置机械波发生器产生的机械波的起始频率f₀、频率梯度f，机械波发生器产生对应的超声波电信号，该超声波信号通过位于可伸缩套管中的信号线传递至换能器来调节振动板的角速度，振动板的振动臂利用压电效应向尿液样本表面发射机械波，并不断向下传播，加速尿液中的有形成分向下沉淀。

S34、采用PSD液体浓度传感器实时检测U形沉淀池中的尿液样本设定位置处的浓度，若浓度未达到设定值，则通过频率梯度f调整机械波发生器的频率，沉淀时间不变，换能器及振动板继续工作，使U形沉淀池中的尿液样本有形成分继续沉淀，直至尿液样本的浓度检测值达到目标值；若沉淀所需的总时间不超过目标沉淀时间，至此尿液有形成分完全沉淀于U形沉淀池底部，机械波发生器停止工作，换能器和振动板随之停止工作。

S4、尿液有形成分取出

液位控制开关二打开，同时正压阀也打开，U形沉淀池中的尿液有形成分沿着引流导管一和引力导管二流出至检验容器。

S41、控制马达转动，可伸缩套管缩短，带动换能器和振动板上升，远离沉淀池。

S42、传送机构工作，使U形沉淀池移动至工位三。

S43、打开取料门，将未沉淀的上层尿液和U形沉淀池的内壳取出留存，更换上干净的U形沉淀池内壳和包胶膜，箱体表面进行消毒、清洗。

S5、对检验容器中的尿液有形成分进行后处理。

有益效果

(1)本发明使用机械波发生器产生一定频率的超声电信号，通过信号线传递给换能器，换能器将电信号转换为机械振动，利用振动板的压电效应使尿液的有形成分在机械波的作用下沉淀在U形沉淀池内壳的底部，通过设计正压阀、液位控制开关实现了引流速度的可控，从而能够得到完整的尿液有形成分沉淀层，有效保护了细胞的有形成分的原始形态，且具有样本污染率低，操作时间短等特点。

(2)本发明无需离心，利用机械波的震动效应从尿液表面开始向下形成一个向下的力并不断迭加，使尿液的有形成分向下沉淀，这样能够避免破坏细胞等有形成分的原始形态，使尿液有形成分能均匀沉淀在沉淀池底部，不会因为沉淀速度不同而互相覆盖，并且在沉淀完毕后，从U形沉淀池底部先提取尿液有形成分(即尿沉渣)再排出废液，从而提高了尿沉渣捕获质量。

(3)本发明可根据不同个体间尿液尿比重情况设置合适的机械波发生器的起始频率和频率梯度，以加快尿液有形成分的沉淀，并且速度可控，从而提高了尿沉渣提取效率和质量，解决因久置、温度、PH值、比密、渗透压等给尿液有形成分鉴定和识别带来的困难。

(4)本发明采用的U形沉淀池内壳和包胶膜均为一次性的，省去了冲洗、消毒等操作，不但避免了尿样的交叉污染，也简化了尿液有形成分提取步骤，易于实现流程的自动化。

附图说明

图1是本发明中尿液有形成分沉淀装置的原理框图；

图2(a)是图1的A-A向剖视图；

图2(b)是图2(a)的B-B向局部图；

图3是本发明中U形沉淀池的结构示意图；

图4是本发明中尿液有形成分沉淀方法的方法流程图。

其中：

1、箱体，2、送样口，3、控制面板，4、工位控制按钮，5、振动板位置控制按钮，6、底座，7、出料阀控制按钮，8、传送机构，9、工位一(即图4中的工位0)，10、进料液位控制开关，11、U形沉淀池，12、工位二(即图4中的工位1)，13、工位三(即图4中的工位2)，14、可伸缩套管，15、进料门把手，16、取料门，17、换能器，18、振动板，20、换能器外壳，21、压电陶瓷，22、金属片，23、吸声材料填充层，24、引出电缆，25、振动臂，26、振动电极，27、微型电机，28、调节臂，29、调节电极，30、检测端子，31、调节端子，32、包胶膜，33、基部，34、液位传感器，36、控制马达，37、机械波发生器，39、PSD液体浓度传感器，40、正压阀，41、引流导管一，43、外壳，44、内壳，45、固定卡槽，46、支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图2所示的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，包括箱体1以及安装在箱体1内底部6上的U形沉淀池11、振动机构和传送机构8。所述箱体1的侧壁上设有控制面板3，控制面板3上设有机械波发生器的控制开关、工位控制按钮4、振动板位置控制按钮5、出料阀控制按钮7、进料液位控制开关10。

如图1-图3所示，所述U形沉淀池11包括外壳43和嵌入安装在外壳43内的内壳44；所述外壳43上开设有过孔一；所述内壳44底部设有与内壳内部相通的引流导管一41；所述引流导管一41上安装有正压阀40。如图3所示，所述外壳43内设有固定卡槽45，所述内壳44通过固定卡槽45安装在外壳43内；所述内壳44底部设有支撑结构46；所述引流导管一41的上端穿过支撑结构46后伸入至内壳44的腔体内，下端穿过支撑结构46及外壳上的过孔一后连接正压阀40；所述内壳44内安装有液位传感器34和PSD液体浓度传感器39。U形沉淀池是尿液样本的放置容器，方便沉淀。U形沉淀池的创新在于U形沉淀池外部的支撑结构，能够利用传动结构在工位之间有序移动，沉淀池内部设有一次性的内壳，与尿液直接接触，采用一次性的结构，能够降低污染风险，减少装置的清洗，消毒操作。在内壳的底部设有正向阀，由于工位一底部有液位控制开关，当在工位一时，液位控制开关打开，外部压强大于沉淀池内部的液体压强，正压阀就会打开，液位控制开关关闭时，正压阀关闭，所以沉淀池的底部的有形成分导出速度、容量可控。U形沉淀池的创新在于与传统的沉淀导出方法不同，传统的沉淀导出是先排出上层的非沉淀物，然后剩下的就是所需的沉淀有形成分，本发明是利用重力作用，直接从沉淀池底部导出尿液有形成分，这样避免了上层废液导出时，导致底部的尿液有形成分随着上层废液导出，导致尿液有形成分不完整。

所述振动机构包括机械波发生器37、可伸缩套管14、换能器17和振动板18。所述机械波发生器37的输出端与换能器17的输入端相连，换能器17的输出端与振动板18相连；所述可伸缩套管14的一端与控制马达36相连，另一端与换能器17相连。可伸缩套管14为中空套管，其中间空腔设有用于机械波发生器37与换能器17之间通信的信号线。

所述箱体1内依次设有工位一9、工位二12和工位三13；所述工位一9处的箱体1顶部设有送样口2，送样口2包括开设在箱体1顶部的开口、安装在开口处的盖板以及安装在盖板上的把手15。工位二12处的箱体底部设有取样口，工位三13处的箱体侧壁上设有取料门16。

所述工位一9，用于将尿液样本放入至U形沉淀池11中；所述振动机构安装在工位二12上方，所述工位二12，用于在装有尿液样本的U形沉淀池11移动到该工位后，在控制马达36的作用下，可伸缩套管14长度变长，驱动换能器17及振动板18向下运动，使振动板18上的包胶膜32与U形沉淀池11中的尿液样本相接触，在振动板11的作用下，尿液样本中的有形成分沉淀，沉淀后的尿液有形成分从取样口流出；所述工位三，用于在装有尿液样本的U形沉淀池完成有形成分沉淀移动到该工位后，通过取料门将内壳进行更换。

进一步的，所述换能器17包括换能器外壳20、压电陶瓷21、金属片22、吸声材料填充层23和引出电缆24。所述换能器内设置有位置传感器反馈控制装置振动板的位置。所述换能器为压电陶瓷式换能器，该换能器采用压电陶瓷的压电效应，由电声换能器将电能转换成机械波信号，机械波信号频率由控制面板设置参数，通过控制变频器的高频电流来控制。该换能器主要由金属片，压电陶瓷，引线组成，通过信号线接受机械波发生器超声电信号，将超声波电信号转换为机械波，是在所述振动板的机械效应下引发微振，使尿液的有形成分沉淀至池底部，内部电机根据信号线信号产生机械振动。

进一步的，所述振动板包括振动臂25、驱动单元、调节臂28、检测端子30、调节端子31、基部33；所述驱动单元包括微型电机27、振动电极26和调节电极29；振动臂25、调节臂28和微型电机27均安装在基部33上，且调节臂28通过调节电极29与微型电机27相连，振动臂25通过振动电极26与微型电机27相连，检测端子30安装在振动臂25的顶部，调节端子31安装在调节臂28的顶部，所述包胶膜32包裹在基部33的外侧，所述包胶膜32采用硅胶材质。振动臂25和调节臂28是振动板的机械结构，检测端子30和调节端子31是传感器，基部33是容纳上述结构及支撑的结构。

微型电机27，用于驱动振动臂25、调节臂28振动，与振动电极26及调节电极29构成驱动单元。微型电机27产生的振动对尿液有形成分的作用力刚好合适，太大会破坏细胞的结构，而且作用力的方向是向下与细胞自然沉淀的方向相同，就不会使细胞变形，方便后期检测。微型电机27带动振动臂25振动，而振动臂25上面增加了传感器(检测端子30)能够精准控制振动速度，检测端子30的信号反馈至单片机之后控制调节臂28动的微调振动强度，精度提高。包胶膜32是放在基部33的外侧，方便更换，可以一次性更换，避免感染，这对提高检测的安全性有很大提高。而且包胶膜32经济实用，包胶膜32对机械振动有一定的缓冲作用，保护了细胞的形态正常，而且包胶膜32圆滑结构，增加波形折射，使机械波不会在振动臂25下方集中作用，导致细胞沉淀不均匀。包胶膜32的厚度越厚分散振动的效果就越大，缓冲作用越明显。包胶膜32软，能够与U形沉淀池11吻合，减少了振动板32产生的振动波的浪费。在实验了众多材料之后，本发明选择了硅胶材质，尺寸与振动板18的基部33大小一致的包胶膜32。

所述振动板18主要是由基部、振动臂25、调节臂28、驱动单元、顶部的检测装置构成的主体部分。检测装置内设置角速度传感器，微型电机27与基部33相连，电机驱动电源来自于换能器17将超声波电信号转换的能量。振动板18的主体部分的外形形状以及所用电极的设置关于轴线成对称形式。通过对振动板18的角速度控制实现尿液沉淀的速度控制，具体为振动板装置的振动臂25产生相应强度的机械波，调节臂28能对振动的强度进行精准的校准，达到快速沉淀，可控沉淀。鉴于尿液有形成分的相对密度不同，本发明对机械波发生器的频率进行设置，采用一定的机械波频率梯度和对应不同的沉淀时间，使尿液有形成分均匀沉淀。

进一步的，所述机械波发生器37包括控制芯片和与控制芯片信号连接的变频器。所述机械波发生器37，用于产生频率可变的波形。未沉淀的尿液里面细胞分布情况，相对密度(相对于水的密度，也叫尿比重)越小的就在尿液的上层，越大的就在尿液下层，同样的作用力，可能下层的已经沉淀到沉淀池底部了，但是上层的还未沉淀到U形沉淀池11底部，这样会导致上下层沉淀互相覆盖影响后期检测。通过对振动板18对细胞的作用力进行研究发现，可以通过机械波的频率解决上述问题。机械波发生器37产生的频率能够改变尿液中有形成分的沉淀速度，频率快，沉淀速度就快。鉴于尿液有形成分的相对密度不同，在机械波发生器37的控制面板3设置对应的初始频率f₀和频率梯度f，使尿液不同层的有形成分自上而下匀速沉淀，在上层由于距离机械波源近，则速度快，和下层有形成分能同时到达U沉淀池11内壳底部，避免有形成分互相覆盖，导致后期检测困难。由于尿液有形成分离振动板18的机械波源距离增加，有形成分受到向下的力减弱，因此，本发明通过增加机械波频率调节，使尿液有形成分能速度到达沉淀池底部，提高有形成分沉淀质量。

传统的尿液有形成分提取都利用离心机来获得，这与机械波提取尿液有形成分的原理完全不同，利用波能给尿液有形成分沉淀一个动力，机械波沉淀目前已经运用至污水处理等场景中，但是要将机械波运用到尿液中的微米级的细胞上，对机械波发生器的要求提高。本发明是利用控制电路板中ARM芯片产生频率可调的波电信号，经过电路结构模块能够转换为适合细胞级别的微弱的机械波振动。而且尿液有形成分的相对密度不同导致尿液沉淀存在分层沉淀导致在沉淀池底部互相覆盖导致沉淀检测难度增加，本发明利用距离波源越近，所受力越大弥补了尿液上层相对密度小的影响，使相对密度大的能够与上层相对密度较小的同时沉淀于沉淀池底部。机械波电信号是利用ARM芯片和变频器等电路结构产生需要的电信号。采用如图4所示的机械波发生器电信号的算法：在沉淀池底部设有PSD浓度传感器，在沉淀设备在工位一就位之后，反馈至控制单元，发生器会产生起始频率，振动板工作，但鉴于尿液不同成分和PSD浓度传感器反馈的信号，本发明结合机械波的作用规律设置合理的频率梯度，使位于沉淀池上部的尿液有形成分因为距离波源近则下降速度较快，底部相对密度大的下降速度就慢，二者在频率不断叠加的过程中，达到一个平面即沉淀池底部，避免了尿液有形成分不会因为达到沉淀池底部的时间不同造成了有形成分互相覆盖，影响后期检测。在起始频率的作用下，相对密度不同的尿液有形成分在尿液中的距离间隔减小，增加频率梯度使尿液有形成分能够同时到达沉淀池底部，底部设有的PSD浓度传感器要浓度达到设定值之后才会停止频率梯度的增加，从而实现沉淀的闭环回路控制，使沉淀速度可控，质量提高。

进一步的，所述送样口2处安装有送样导管，所述送样导管上安装有液位控制开关一。

进一步的，所述取样口处安装有引流导管二，引流导管二上设有液位控制开关二；所述引流导管一的下端从过孔一向下伸出；所述引流导管二的上端伸入至箱体1内部，下端伸出至箱体1的外部，引流管二的下端上安装有液位控制开关二。

进一步的，所述传送机构8包括传动辊和与传动辊传动配合的传送带；所述传送带上开设有过孔二。所述传送机构8还包括位移传感器一。

进一步的，所述可伸缩套管14为中空套管，其空腔用于信号线走线。可伸缩套管14上安装有用于检测可伸缩套管端部位置的位移传感器二。

如图4所示，本发明还包括一种上述基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置的沉淀方法，该方法包括以下步骤：

S1、需要被检测尿液人员起床之后需要采集晨尿，按照世界卫生组织尿沉渣检测标准要求，患者清晨起床第一次小便的中端尿液A ml，事先检测尿液PH值。按下U形沉淀池11位置开关的复位开关，U形沉淀池11复位至工位一9，从左侧放入干净的U形沉淀池11内壳，外壳43与内壳44用锁扣进行连接，拉开把手15，在倒入样本尿液过程中，通过U形沉淀池11内的液位传感器34实时检测U形沉淀池11内的液位，并将液位信息发送给控制单元。当样本尿液在U形沉淀池11内部容量达到B ml时，控制单元发送控制信号给液位控制开关一，使液位控制开关一关闭阀门，并产生警示信号提醒操作者停止加样。当液位控制开关一关闭时，停止向U形沉淀池11内倒入尿液样本，并关闭送样口2进行遮盖，防止尿液挥发气味散出。至此，尿液样本装样操作完成。其中，A和B均为自然数，且A不小于B。

S2、装样完毕后，按下位置控制开关，在传送机构8的驱动下，U形沉淀池11移动到工位二12，在振动板18表面安装干净的包胶膜32，按下振动板位置控制按钮，控制马达36转动，可伸缩套管14伸长，通过位移传感器确定可伸缩套管14伸长的长度，反馈至控制马达36。当振动板18和换能器17下移至U形沉淀池11上方目标高度时，控制马达36停转。在控制面板3设置机械波发生器机械波的频率、频率梯度，机械波发生器37产生对应的超声波电信号，通过电声转换器发出不同频率的机械波，机械波振幅的强弱直接调节振动板的角速度。振动板18的振动臂25利用压电效应向尿液表面发射机械波，并不断向下传播，加速尿液中的有形成分向下沉淀。振动臂25上方设置有角速度传感器，角速度传感器将角速度返回至控制单元，与目标角速度进行比较，存在差值则自动更改机械波发生器的参数，直到角速度目标值，通过对振动板18的角速度控制实现尿液沉淀的速度控制，机械波的参数发生改变，换能器17的电动势也随之改变，振动板18的调节臂28利用电动势差微调振动板18角速度。

S3、沉淀准备完毕时，鉴于尿液有形成分的相对密度不同，在机械波发生器37的控制面板3设置对应的初始频率f₀，和频率梯度f，使尿液不同层的有形成分自上而下匀速沉淀，在上层由于距离机械波源近，则速度快，和下层有形成分能同时到达沉淀池内壳底部，避免有形成分互相覆盖，导致后期检测困难。由于尿液有形成分离振动板的机械波源距离增加，有形成分受到向下的力减弱，因此，通过对机械波发生器37的机械波频率的频率进行控制，能够使尿液有形成分能速度到达沉淀池底部，提高有形成分沉淀质量，其中，f₀和f均为自然数,且f小于f₀。

首先，设在距离沉淀池底部d cm的液位开始沉淀，根据机械波在液体中的传播规律，此时设置机械波发生器37对应的频率为起始频率f₀，f₀₁＝k*d,单位Hz，沉淀时间为t_0,使上层尿液有形成分与下层尿液有形成分能逐渐到达同一液位，此时位于U形沉淀池11底部的PSD浓度传感器39检测尿液中该液面的浓度，若浓度未达到设定值，则机械波发生器37增加一个频率梯度f，沉淀时间不变，直至尿液底部浓度检测达到目标值。若沉淀所需的总时间不超过目标沉淀时间，至此尿沉渣完全沉淀于U形沉淀池11底部，机械波发生器37自动停止发出信号，换能器17、振动板18随之完全停止。鉴于尿液的尿比重因人而已，不同的有形成分沉淀速度与相对密度成正比，采用梯度频率进行加速沉淀，避免尿液中不同有形成分分层，使得所有有形成分都能均匀的铺在U形沉淀池底部上，并不破坏细胞、管型等的原始形态，提高了沉淀质量。

其次，将引流导管二与引流导管一对接，按下箱体1的控制面板3上的出料阀控制按钮7，液位控制开关二打开工位二12下方的尿沉渣控制阀，通过引流导管一41与引流导管二，尿液有形成分直接流出至检验容器。室温2小时或冷藏温度(2-8℃)6小时内完成检测。若沉淀次数大于设定次数，则终止实验，检查尿液样本的准确性，若沉淀时间超过目标沉淀时间，则记录下该尿液样本的编号，反馈给实验操作者。在现有技术中，是先将上层废料去除后，再取出所需的尿液有形成分，在这个过冲中，容易使尿液有形成分被污染，影响检测结果的准确性。本发明是在U形沉淀池的底部吸取尿液有形成分，避免尿液有形成分被污染，保证检测结果的准确性。

再次，按下振动板位置控制按钮5，控制马达36转动，可伸缩套管14缩短，带动换能器17和振动板18上升，离开U形沉淀池11，若在达到沉淀目标时间之前振动板18停止振动，说明沉淀失败，需停机检查。

S4、在沉淀完全之后，按下位置控制开关，在传送机构8的带动下，U形沉淀池11送至工位三13。对于工位三13处的U形沉淀池11，打开箱体1右侧的取料门16，直接将未沉淀的上层尿液和U形沉淀池的内壳44取出留存。对U形沉淀池内壳44和包胶膜进行替换，箱体1表面进行消毒、清洗，将U形沉淀池11放回传送机构上的工位，并按下位置控制开关，将U形沉淀池11复位至工位一，进行下一次尿液有形成分的提取。

S5、对检验容器中的尿液有形成分进行后处理。

本发明的工作原理为：

将合格定量的尿液样本放置在U形沉淀池的内壳中，机械波发生器选择频率、时间，换能器通过信号线传递的超波电信号产生机械振动并带动振动板的微振，连续的机械波从内壳中尿液样本的表面开始向下形成一个向下的力并不断迭加，使尿液样本中的有形成分向下沉淀在U形沉淀池内壳底部，在采集到合适浓度的尿沉渣后，使尿沉渣通过引流导管一和引流导管二流出至采样试管中，在U形沉淀池底部获得尿液有形成分沉淀层。沉淀完全之后，直接从底部导出尿液有形成分于样本收集容器中。取样完毕后，更换干净的包胶膜和U形沉淀池内壳，并使U形沉淀池复位至工位一，等待下一次检测。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：包括箱体以及安装在箱体内的U形沉淀池、振动机构和传送机构；

所述U形沉淀池包括外壳和嵌入安装在外壳内的内壳；所述外壳上开设有过孔一；所述内壳底部设有与内壳内部相通的引流导管一；所述引流导管一上安装有正压阀；

所述振动机构包括机械波发生器、可伸缩套管、换能器、振动板和控制马达；所述机械波发生器的输出端与换能器的输入端相连，换能器的输出端与振动板的驱动单元相连；所述可伸缩套管的一端与控制马达相连，另一端与换能器相连；所述振动板上设有包胶膜；所述振动板包括振动臂、驱动单元、调节臂、检测端子、调节端子、基部；所述驱动单元包括微型电机、振动电极和调节电极；所述振动臂、调节臂和微型电机均安装在基部上，调节臂通过调节电极与微型电机相连，振动臂通过振动电极与微型电机相连，检测端子安装在振动臂的顶部，调节端子安装在调节臂的顶部，所述包胶膜包裹在基部的外侧；

所述箱体内依次设有工位一、工位二和工位三；所述工位一处的箱体顶部设有送样口，工位二处的箱体底部设有取样口，工位三处的箱体侧壁上设有取料门；

该装置还包括控制单元和电源；所述控制单元的输入端与液位传感器、振动板的角速度传感器、传送机构中的位移传感器一和可伸缩套管上的位移传感器二的输出端相连；所述控制单元的输出端与液位控制开关一、液位控制开关二、机械波发生器的输入端相连；所述电源用于为机械波发生器、振动板、换能器、液位传感器、位移传感器一、位移传感器二、液位控制开关一、液位控制开关二、正压阀供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述工位一，用于将尿液样本放入至U形沉淀池中；所述振动机构安装在工位二上方，所述工位二，用于在装有尿液样本的U形沉淀池移动到该工位后，在控制马达的作用下，可伸缩套管长度变长，驱动换能器及振动板向下运动，使振动板上的包胶膜与U形沉淀池中的尿液样本相接触，在换能器及振动板的作用下，尿液样本中的有形成分沉淀，沉淀后的尿液有形成分从取样口流出；所述工位三，用于在装有尿液样本的U形沉淀池完成有形成分沉淀移动到该工位后，通过取料门对内壳进行更换。

3.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述机械波发生器包括带ARM芯片的控制电路板和与控制电路板信号连接的变频器。

4.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述包胶膜采用硅胶材质。

5.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述外壳内设有固定卡槽，所述内壳通过固定卡槽安装在外壳内；所述内壳底部设有支撑结构；所述引流导管一的上端穿过支撑结构后伸入至内壳的腔体内，下端穿过支撑结构及外壳上的过孔一后连接正压阀；所述内壳内安装有液位传感器和PSD液体浓度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述送样口处安装有送样导管，所述送样导管上安装有液位控制开关一。

7.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述取样口处安装有引流导管二，引流导管二上设有液位控制开关二；所述引流导管一的下端从过孔一向下伸出；所述引流导管二的上端伸入至箱体内部，下端伸出至箱体的外部，引流管二的下端上安装有液位控制开关二。

8.根据权利要求1所述的一种基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置，其特征在于：所述传送机构包括传动辊和与传动辊传动配合的传送带；所述传送带上开设有过孔二；所述传送机构还包括位移传感器一。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的基于机械波的尿液有形成分加速沉淀装置的沉淀方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、尿液样本获取

取患者早上起床后第一次小便的中段尿液A ml作为尿液样本，检测尿液样本的PH值；

S2、U形沉淀池装样

S21、传送机构工作，使U形沉淀池的外壳移动至工位一位置处，传送机构停止工作；

S22、将U形沉淀池的内壳安装到U形沉淀池的外壳中，将尿液样本通过送样口上的送样导管倒入到U形沉淀池的内壳内；

S23、在倒入尿液样本过程中，U形沉淀池内的液位传感器实时采集内壳内的尿液样本的液位信息，当尿液样本在U形沉淀池内部容量达到B ml时，液位控制开关一关闭，同时产生警示信号提醒操作者，停止向U形沉淀池内倒入尿液样本，关闭送样口，完成装样；

S3、U形沉淀池中的尿液样本有形成分沉淀

S31、传送机构工作，使U形沉淀池到达工位二，当U形沉淀池移动到工位二时，引流导管一的下端开口与引流导管二的上端开口对接；

S32、控制马达转动，可伸缩套管伸长，振动板及换能器下移至U形沉淀池上方且振动板上的包胶膜与U形沉淀池内尿液样本相接触时，控制马达停止转动；

S33、机械波发生器工作，设置机械波发生器产生的机械波的起始频率f₀和频率梯度f，机械波发生器产生对应的超声波电信号，该超声波信号通过位于可伸缩套管中的信号线传递至换能器来调节振动板的角速度，振动板的振动臂利用压电效应向尿液样本表面发射机械波，并不断向下传播，加速尿液中的有形成分向下沉淀；

S34、采用PSD液体浓度传感器实时检测U形沉淀池中的尿液样本设定位置处的浓度，若浓度未达到设定值，则通过频率梯度f调整机械波发生器的频率，每次频率梯度改变对应的沉淀时间不变，换能器及振动板继续工作，使U形沉淀池中的尿液样本有形成分继续沉淀，直至尿液样本的浓度检测值达到目标值；若沉淀所需的总时间不超过目标沉淀时间，至此尿液有形成分完全沉淀于U形沉淀池底部，机械波发生器停止工作，换能器和振动板随之停止工作；

S4、尿液有形成分取出

液位控制开关二打开，同时正压阀也打开，U形沉淀池中的尿液有形成分沿着引流导管一和引力导管二流出至检验容器；

S41、控制马达转动，可伸缩套管缩短，带动换能器和振动板上升，远离沉淀池；

S42、传送机构工作，使U形沉淀池移动至工位三；

S43、打开取料门，将未沉淀的上层尿液和U形沉淀池的内壳取出留存，更换上干净的U形沉淀池内壳和包胶膜，箱体表面进行消毒、清洗。

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