CN117017258A - 一种腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗监测技术领域，具体为一种腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统。本发明系统包括硬件和软件两部分；硬件包括微控制器、蓝牙通信芯片、压力传感器、模数转换器以及电源管理芯片，实现腹内压的持续监测和无线发送；软件集成于电脑端的应用程序中，包括图形用户界面、降噪算法和特征提取算法，实现数据记录、数据分析降噪和特征提取；本发明系统能对处于任意体姿的患者进行长时间、高精度、持续性的腹内压测量，并将数据无线传输到电脑端，为病患和医务工作者提供详实的腹内压数据，为临床治疗提供多种及时有效的信息。本发明系统适用于多样化的腹膜透析场景；可以排除干扰因素对腹内压的影响；显著降低监测过程中感染风险。

Description

一种腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统

技术领域

本发明属于医疗监测量技术领域，具体涉及腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统。

背景技术

腹膜透析是一种针对终末期肾脏病患者的肾脏替代治疗手段，主要原理是利用腹膜的半透膜特性来人工地代替肾脏完成其一部分工作，如清除体内代谢产物、毒性物质以及多余水分等。

腹内压是指腹部封闭腔隙内稳定状态下的压力，会随着呼吸和腹膜阻力发生变化。每个人的腹内压并不是完全一样的，而会受其BMI指数、腹腔容积、身体姿势等多种因素影响。

在腹膜透析期间，由于需要向腹腔内注入透析液，腹内压会随之上升，而其大小对腹膜透析的效果以及安全性有着很大的影响。腹内压过大可能导致一系列并发症，如嗜睡、呼吸障碍、透析液泄漏、疝气、胸水、胃食管反流和肠内性腹腔炎等。而如果腹内压过小，将会显著降低透析效果和超滤的能力，减少溶质清除程度。因此，在腹膜透析的过程中对腹内压进行测量是十分有必要的。

现有的临床腹内压测量方法包括间接测压法和直接测压法。间接测压法是通过测量直肠、胃、膀胱等器官内的压力来间接测量腹内压的方法。一般将膀胱间接测压法看作间接测量腹内压的“金标准”，具体为：使病人平躺，将引流管与导尿管连接，排空膀胱，之后向膀胱内注入50mL生理盐水，将引流管连接水压计，以耻骨联合为零平面测量液柱高度，以此作为腹内压。

直接测压法是通过在腹腔内放置一根导管连通水压计直接测量腹内压的方法，具体为：使病人平躺，以腋窝中线为零平面，将连通腹部的导管连接到水压计，记录液柱高度并将其作为腹内压。直接测压法相较于间接测压法有更高的准确性，但也因为植入导管存在更大的创伤和感染风险。

对于腹膜透析病人而言，他们需要在腹部植入置留管方便透析，所以一般采用直接测压法来测量其腹内压。但传统的直接测压法有如下缺点：限制了患者的活动，且只能测量患者平静状态下的数据，而这与活动状态的数据相比是偏小的；患者的呼吸会导致液柱产生1-2cm的波动，无法测量准确的腹内压；只能单次读数，不能持续性的获得数据；会使患者的体液接触到外界空气，有感染风险。

目前已有许多腹内压测量的相关专利，CN106573097B的专利申请公开了一种确定腹内压和腹腔排空状态的设备，包括泵、压力测量装置和泵控制单元。此发明应用于腹膜透析结束时确认病患是否充分排出透析液。在测量时设备会通过泵注入100mL左右的透析液，并在注入前后各测量一次透析液中的压力，若两次压力差值较大，则判断注入前腹腔已排空，认定排空时的透析液中压力为腹内压。然而该方法仅支持测量，无法完全考虑到测量时呼吸造成的腹内压波动。

CN105559769B的专利申请公开了一种间接测量腹内压的方法及装置，包括导尿管、尿液量测量装置、膀胱压测量装置等。此方法会先通过导尿管排空患者膀胱，然后记录在固定时间内患者排出尿液的重量，以此计算出患者产生尿液的速度。之后关闭导尿管，并依据速度计算患者膀胱内何时累积到50mL尿液。累积完成后，将导尿管连通压力传感器测量膀胱压，将其作为腹内压。从测量产尿速度开始进行多次重复，以得到准确的膀胱压以及腹内压。然而该方法不能持续测量，也无法在任意膀胱压下测量腹内压，仅能测量膀胱压在单个状态下的腹内压，存在较大误差。且该方法对于自身产尿速度不满足测量要求的患者还是要采用主动输液的方式进行测量。

CN111657911A的专利申请公开了一种间接腹内压测量方法，主要用于难以平卧的重症患者的腹内压监测。测量时选定患者的髂嵴腋中线为测压点，预先注入25ml生理盐水到膀胱，患者保持15度卧姿，测量此时的膀胱压作为腹内压。然而该方法不能持续测量，且测量时患者体位受限。此外，该方法虽然一定程度上提高了传统膀胱间接测压法的舒适度，但是仍未完全解决间接测压法需要向膀胱注入生理盐水，有进气和漏气风险的缺点。

CN114145729A的专利申请公开了一种腹内压监测系统，包括传感单元、信号处理单元、LED显示屏和HIS系统。传感单元由柔性基底层、介电层、柔性压电式传感器、活性层和柔性电池组成。测量时将传感器贴在监测对象腹部，传感器就可以实时采集腹内压数据并通过蓝牙发出。信号处理单元将接收数据并对其进行整形和数字滤波，得到的腹内压信号可以显示在LED屏幕上并上传至HIS系统。然而此系统未给出完善的腹内压测量关系式，无法判断体外测量腹内压的准确性。

CN110840430B的专利申请公开了一种腹内压数据处理方法，能够排除使用间接测量法时采集到的不准确腹内压数据。首先获得数个腹内压数据后，将其递增排列，再按照预设差值B将数据分为数个连续的段，每段内的数据与此段第一个数的差值都小于预设差值B，且每一段的数据量都大于预设选段条件D，最后选取数据量最大的段，取其平均值作为最终的腹内压输出值。该方法排除了剧烈波动数值对最终腹内压输出值的影响，然而，瞬时大幅度变化对于腹内压测量也是具有参考价值的，可以将其用作剧烈腹内压波动的监测及预警，这是该方法不能实现的。

上述专利大都只能实现对腹内压的单次测量，并将测得的数据看作一段时间内的腹内压数值，忽略了腹内压的连续变化，从而缺失了对更多腹内压相关生理信息的记录，如静态腹内压数值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅度等。而在腹膜透析中，连续监测腹内压还能获得更多有益于透析处方设置的生理信息。例如通过监测静态腹内压的变化趋势，可以在一定程度上计算出当前的超滤量。超滤量是腹膜透析患者的重要临床观察指标，通过它可以更好的掌握患者腹膜透析的完成度，以此来调整透析处方，实现更好的透析效果。

发明内容

为克服现有针对腹膜透析患者的腹内压测量方法的不足，本发明提供一种无线实时腹内压连续监测系统，以实现数据记录、腹内压的实时显示、静态腹内压的实时计算以及剧烈腹内压波动的监测预警。

本发明提供的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其结构如图1所示，包括硬件和软件两部分；所述硬件部分包括微控制器、蓝牙通信芯片、压力传感器、模数转换器以及电源管理芯片，实现腹内压的持续监测和无线发送；所述软件部分集成于一个电脑端的应用程序中，包括图形用户界面、降噪算法和特征提取算法，实现数据记录、数据分析降噪和特征提取；其中：

所述压力传感器，用于采集患者在留腹状态下的腹内压；并将患者腹内压转化为一对模拟差分信号输出；差分信号输出到模数转换器转换为数字信号；微控制器使用I2C协议从模数转换器读取当前腹内压数据，完成数据采集；

所述微控制器，通过串口将采集的腹内压数据传送到蓝牙通信芯片；蓝牙通信芯片采用低功耗蓝牙协议，将数据无线传输到电脑端的应用程序，完成数据无线发送；

所述应用程序，通过低功耗蓝牙协议与硬件部分进行连接，接收腹内压数据，并按时间顺序将每一个腹内压数据及各自的时间戳保存在文本文件中；同时应用程序将接收到的腹内压数据实时显示在用户图形界面的坐标轴中；具体地，其横坐标为时间，单位为秒，精度为0.001秒；纵坐标为腹内压，单位为厘米水柱，精度为0.01厘米水柱；

所述蓝牙通信芯片，通过其中的蓝牙协议，无线接收压力传感器采集的患者的腹内压数据，并无线发送至电脑端的应用程序中。

所述应用程序，根据采集到的腹内压数据，降噪算法和特征提取算法，进行数据分析降噪以及特征提取，具体流程为：

(1)使用小波变换方法对接收到的腹内压信号进行降噪处理，去除呼吸带来的腹内压波动以及高斯白噪声；所述小波变换降噪的基本原理如图2所示：首先选定一个小波基，通过小波变换将信号转化为一组尺度系数和一组细节系数；再进行多级小波变换，依次对上一级小波变换得到的尺度系数进行小波变换；然后选定一个阈值对所有小波系数进行筛选，小于阈值的小波系数用0替换，大于阈值的小波系数保持原值；系数筛选完成后，逐级进行小波逆变换，得到降噪后的信号；

(2)使用奇异谱分析对降噪后的信号进行分解，来求取近似于线性的静态腹内压信号；所述奇异谱分析的基本原理包括嵌入、分解、分组和重构四个部分；

所述奇异谱分析的嵌入部分，其特征在于，将输入的一维时间序列[x₁,x₂,…,x_N]重构为矩阵：

其中，L＝N/2，X为原时间序列的轨迹矩阵；

所述奇异谱分析的分解部分，对轨迹矩阵X进行奇异值分解，将X分解为如下形式：

X＝U∑V^T #(2)

其中，U和V均为单位正交阵，满足UU^T＝I,VV^T＝I，分别由左奇异向量和右奇异向量组成；∑仅在对角线上有值，且为从大到小排列的奇异值，奇异值数量应等于L，对应于L个信号分量；

所述奇异谱分析的分组部分，是将轨迹矩阵经奇异值分解后得到的L个信号分量划分为不同的集合，每一个集合对应一个原始信号的组成成分，所有集合合并即为原信号；

所述奇异谱分析的重构部分，选定一个分组后的集合，将其按奇异值从大到小的顺序组成一个矩阵，对矩阵进行对角线平均，重构为一维时间序列，得到此集合对应的信号分量；

(3)提取出静态腹内压信号后，据此设定一个阈值，对降噪后的腹内压信号进行判断，超过阈值即认定为发生一次剧烈腹内压波动，实现对剧烈腹内压波动频率及幅度的监测。

本发明系统中，所述压力传感器采用无菌且防水的压电电阻硅基压力传感器，能将患者腹内压转化为一对模拟差分信号输出。

本发明系统中，数据采集的范围为一个大气压附近-68厘米水柱到+408厘米水柱，精度为0.27厘米水柱到17厘米水柱可调，采样率为3Hz到240Hz可调。

本发明系统中，对于接收到的腹内压源数据或进行过数据分析后的数据，应用程序会将其显示在用户图形界面的坐标轴或文本框中，便于查看。

本发明系统，能够测得多种生理数据，包括但不局限于当前即时腹内压、单位时间内平均腹内压值、静态腹内压值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅值等。

本发明系统，对病患进行连续且高精度的腹内压监测，可以获得在一段时间内的连续腹内压数据。连续腹内压数据可以实现对超滤量的预测，有助于改善腹膜透析效果；同时也可以实现对腹腔间室综合征的诊疗。

本发明提供的无线实时腹内压连续监测系统，具体操作流程为：

S1，数据采集：使用无菌且防水的压力传感器采集患者在留腹状态下的腹内压；

S2，数据无线发送：将采集到的腹内压数据通过低功耗蓝牙通信芯片中的协议无线发送到电脑端的应用程序；

S3，数据接收及显示：应用程序将接收到的腹内压数据存储在电脑端，并通过用户图形界面实时显示出来；

S4，数据处理：根据采集到的腹内压数据，运用降噪算法和特征提取算法，进行数据分析降噪以及特征提取。

本发明提供的监测系统为全封闭连接，可显著减小病患感染风险。同时，由于全封闭连接，监测系统不会接触到大气，采集到的压力数值是当地大气压加上腹内压。所述监测系统会自动采集当地大气压数值并减去，传输正确的腹内压数值。

本发明系统能对处于任意体姿(包括但不限于站姿、坐姿、卧姿)的患者进行长时间、高精度、持续性的腹内压测量，并能将数据无线传输到电脑端，为病患和医务工作者提供详实的腹内压数据，如当前即时腹内压、单位时间内平均腹内压值、静态腹内压值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅值等，为临床治疗提供多种及时有效的信息。监测系统能够精准还原出静态腹内压变化趋势，并对剧烈腹内压波动进行监测预警。

本发明的优点包括但不局限于：

(1)对使用者的姿态没有要求，适用于多样化的腹膜透析场景；

(2)支持实时且连续的测量，从而可以捕捉到快速的腹内压变化场景，例如咳嗽、打喷嚏、进食等；

(3)所采用的智能算法可以有效滤除呼吸、吞咽、排气等干扰因素对腹内压的影响；

(4)为病患和医务工作者提供多样化的数据，例如当前腹内压、静态腹内压数值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅度等；

(5)全封闭连接的测量方法显著降低了感染风险。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为小波降噪算法的原理框图。

图3为本发明硬件部分的正面、侧面、背面结构。

图4为本发明实施过程中系统设置部分的连接框图。

图5为本发明实施过程中软件控制部分的用户图形界面构成。

图6为本发明的一个实施例的采集结果示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，进一步介绍本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性的劳动成果前提下所获得其他实施例，都隶属于本发明的保护范围。

本发明实施方式包含两个部分：系统设置部分和软件控制部分。

通过传感器采集、蓝牙无线传输、算法降噪和提取特征，实现对处于任意状态的患者进行长时间、高精度、持续性的腹内压测量，并实时显示患者腹内压变化曲线、静态腹内压数值、剧烈腹内压波动频率及幅度。

系统设置部分包括以下步骤：

步骤S1：将监测系统的压力传感器部分按图4所示的方式连入腹膜透析管路。压力传感器的一端通过医用导管与连通患者腹部的置留管相连接，另一端通过医用导管连接一个医用耐药三通阀。医用耐药三通阀的剩余两端一端接置于高处的腹透液袋，一端接置于低处的废液袋。当要打入透析液时，转动医用耐药三通阀，连通腹透液袋和患者腹部；当要进行测量时，转动医用耐药三通阀，封闭患者腹部与外部的连接；当要排出透析液时，转动医用耐药三通阀，连通患者腹部和废液袋。

步骤S2：监测系统的结构示意图如图3所示。患者开始腹膜透析治疗并按处方打入一定量的透析液后，打开监测系统电源。之后短按侧面的校准按钮，监测系统将自动测量当前环境的大气压强进行校准。校准完成后，监测系统将在校准按钮旁亮起一个蓝色指示灯作为标识，此时可以进行蓝牙连接。

软件控制部分包括以下步骤：

步骤S3：启动监测系统应用程序，用户图形界面的构成如图5所示，点击蓝牙连接开关，等待几秒钟，蓝牙连接开关下方的绿色指示灯亮起且监测系统正面的黄色指示灯常亮时表示连接成功。

步骤S4：点击数据接收开关，右侧的坐标区将实时显示患者当前腹内压变化曲线，如图6中的实线A所示。坐标区的横坐标为时间，单位为秒，精度为0.001秒；纵坐标为腹内压，单位为厘米水柱，精度为0.01厘米水柱。1厘米水柱约等于98帕，即0.001个大气压。

步骤S5：如图6所示，静态腹内压指的是其中的虚线B，剧烈腹内压波动指的是点1到点5附近的大幅尖峰。开始接收数据后，程序会自动调用算法计算并显示每一时刻的静态腹内压数值，单位为厘米水柱。此外，程序会持续记录每一次剧烈腹内压波动的发生时间(T1-T5)和幅值(A1-A5)，每分钟做一次汇总，得到剧烈腹内压波动频率，单位为次/分钟。

本发明的有益效果是：

1、对使用者的姿态没有要求，适用于多样化的腹膜透析场景；

2、支持实时且连续的测量，从而可以捕捉到快速的腹内压变化场景，例如咳嗽、打喷嚏等；

3、所采用的智能算法可以有效滤除呼吸等干扰因素对腹内压的影响；

4、为病患和医务工作者提供多样化的数据，例如当前即时腹内压、单位时间内平均腹内压值、静态腹内压值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅值等；

5、全封闭连接的测量方法显著降低了感染风险。

Claims (8)

1.一种腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，包括硬件和软件两部分；所述硬件部分包括微控制器、蓝牙通信芯片、压力传感器、模数转换器以及电源管理芯片，实现腹内压的持续监测和无线发送；所述软件部分集成于一个电脑端的应用程序中，包括图形用户界面、降噪算法和特征提取算法，实现数据记录、数据分析降噪和特征提取；其中：

所述压力传感器用于采集患者在留腹状态下的腹内压；并将患者腹内压转化为一对模拟差分信号输出；差分信号输出到模数转换器转换为数字信号；微控制器使用I2C协议从模数转换器读取当前腹内压数据，完成数据采集；

所述微控制器通过串口将采集的腹内压数据传送到蓝牙通信芯片；蓝牙通信芯片采用低功耗蓝牙协议，将数据无线传输到电脑端的应用程序，完成数据无线发送；

所述应用程序通过低功耗蓝牙协议与硬件部分进行连接，接收腹内压数据，并按时间顺序将每一个腹内压数据及各自的时间戳保存在文本文件中；同时应用程序将接收到的腹内压数据实时显示在用户图形界面的坐标轴中；

所述应用程序根据采集到的腹内压数据，运行降噪算法和特征提取算法，进行数据分析降噪以及特征提取。

2.根据权利要求1所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，所述应用程序根据采集到的腹内压数据，运行降噪算法和特征提取算法，进行数据分析降噪以及特征提取，具体流程为：

(1)使用小波变换方法对接收到的腹内压信号进行降噪处理，去除呼吸带来的腹内压波动以及高斯白噪声；其过程为：首先选定一个小波基，通过小波变换将信号转化为一组尺度系数和一组细节系数；再进行多级小波变换，依次对上一级小波变换得到的尺度系数进行小波变换；然后选定一个阈值对所有小波系数进行筛选，小于阈值的小波系数用0替换，大于阈值的小波系数保持原值；系数筛选完成后，逐级进行小波逆变换，得到降噪后的信号；

(2)使用奇异谱分析对降噪后的信号进行分解，求取近似于线性的静态腹内压信号；所述奇异谱分析包括嵌入、分解、分组和重构四个部分：其中：

所述奇异谱分析的嵌入，将输入的一维时间序列[x₁,x₂,…,x_N]重构为矩阵：

其中，L＝N/2，X为原时间序列的轨迹矩阵；

所述奇异谱分析的分解，对轨迹矩阵X进行奇异值分解，将X分解为如下形式：

X＝U∑V^T #(2)

其中，U和V均为单位正交阵，满足UU^T＝I,VV^T＝I，分别由左奇异向量和右奇异向量组成；∑仅在对角线上有值，且为从大到小排列的奇异值，奇异值数量应等于L，对应于L个信号分量；

所述奇异谱分析的分组，是将轨迹矩阵经奇异值分解后得到的L个信号分量划分为不同的集合，每一个集合对应一个原始信号的组成成分，所有集合合并即为原信号；

所述奇异谱分析的重构，选定一个分组后的集合，将其按奇异值从大到小的顺序组成一个矩阵，对矩阵进行对角线平均，重构为一维时间序列，得到此集合对应的信号分量；

(3)提取出静态腹内压信号后，据此设定一个阈值，对降噪后的腹内压信号进行判断，超过阈值即认定为发生一次剧烈腹内压波动，实现对剧烈腹内压波动频率及幅度的监测。

3.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，所述压力传感器采用无菌且防水的压电电阻硅基压力传感器。

4.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，数据采集的范围为一个大气压附近-68厘米水柱到+408厘米水柱，精度为0.27厘米水柱到17厘米水柱可调，采样率为3Hz到240Hz可调。

5.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，对于接收到的腹内压源数据或进行过数据分析后的数据，应用程序将其显示在用户图形界面的坐标轴或文本框中，便于查看。

6.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，所述腹内压数据，包括当前即时腹内压、单位时间内平均腹内压值、静态腹内压值、静态腹内压变化趋势、剧烈腹内压波动频率及幅值。

7.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，对病患进行连续且高精度的腹内压监测，获得在一段时间内的连续腹内压数据；连续腹内压数据用于实现对超滤量的预测，有助于改善腹膜透析效果；同时实现对腹腔间室综合征的诊疗。

8.根据权利要求2所述的腹膜透析用无线实时腹内压连续监测系统，其特征在于，具体操作流程为：

S1，数据采集：使用压力传感器采集患者在留腹状态下的腹内压；

S2，数据无线发送：将采集到的腹内压数据通过低功耗蓝牙通信芯片中的协议无线发送到电脑端的应用程序；

S3，数据接收及显示：应用程序将接收到的腹内压数据存储在电脑端，并通过用户图形界面实时显示出来；

S4，数据处理：根据采集到的腹内压数据，运用降噪算法和特征提取算法，进行数据分析降噪以及特征提取。