CN117159027A - 一种膀胱充盈度测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗电子技术领域，具体为一种膀胱充盈度测量的装置及方法。本发明装置包含超声换能器、超声激励模块、信号采集模块、计算处理模块和用户提示模块等；其中超声激励模块包含通道选通开关和超声脉冲产生电路，选通开关用于控制换能器阵元与激励模块、信号采集模块之间的连接，脉冲产生电路用于产生激励信号；信号采集模块对超声回波信号进行放大、滤波、模数转换等处理；计算处理模块通过特定的算法计算膀胱前壁表面的曲率特征，并根据曲率特征变化来测量膀胱充盈度；膀胱充盈度的测量结果最终通过用户提示模块以用户可接受的方式呈现出来。该装置分为集成式和分离式两种，可根据不同的使用人群和不同的应用场景进行灵活配置。

Description

一种膀胱充盈度测量的装置及方法

技术领域

本发明属于医疗电子技术领域，具体涉及一种膀胱充盈度测量的装置及方法。

背景技术

儿童遗尿症，俗称“尿床”，在临床上指5周岁以上孩子夜间不能从睡眠中醒来而发生无意识的排尿。据ICCS(国际小儿尿控协会)统计资料表明，遗尿症儿童的患病率非常高，约16％的5岁儿童和10％的7岁儿童患有遗尿症，并且有2-3％左右的患儿会一直持续到成年。

去氨加压素和遗尿报警器是儿童夜遗尿的临床一线治疗方法，可有效治愈大部分的儿童单症状性夜遗尿。跟药物疗法相比，遗尿报警器以无毒副作用、低复发率和无药物依赖性等优点，更受到医生和患儿家长的青睐。

在众多基于不同技术的遗尿报警器中，超声可以以非侵入式的方式检测到位于腹腔深处的膀胱变化，且无电离辐射作用，具有较高的安全性成为一种普遍应用于膀胱检测的手段。为测量膀胱充盈度，如专利CN202110127230.4，通过高分辨率超声探头阵列将采集到超声信号转换成精细的B超图像，再通过复杂的图像处理算法拟合出膀胱的三维模型来计算膀胱体积。这种方法往往可以获得相对较高的精度，但需要采用高端的超声探头、复杂的信号处理系统和大量的计算资源。因此这种方法并不适用于穿戴式产品。也有如专利CN202111055300.6，通过几个工作在A超模式的单阵元超声换能器获得膀胱前后壁的位置和来自后壁的回波幅值信息，再通过特定算法计算膀胱体积。A超系统结构相对简单，但为获得高信噪比膀胱后壁回波信号，往往采用较高的超声激励脉冲。高压电路会增加系统的功耗，若设计或使用不当还会对人体产生一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提出一种功耗底、使用方便、安全性好的膀胱充盈度测量的装置及方法。

本发明提出的膀胱充盈度测量装置，是一种低压可穿戴式超声系统，通过检测膀胱前壁曲率半径来测量膀胱的充盈程度。该装置包括：超声激励模块111，超声换能器112，信号采集模块113，计算处理模块122，用户提示模块123；其使用形态可分为两种：

形态一，是传感测量与计算显示分离模式；传感测量部分由超声激励模块111，超声换能器112，信号采集模块113集合组成，称为本地传感装置101，使用时本地传感装置101贴附在使用者腹部；计算显示部分包括计算处理模块122、用户提示模块123，作为远端数据接收及处理装置102；本地传感装置101还包括数据发送模块114；远端数据接收及处理装置102还包括数据接收模块121；用于实现本地传感装置101与远端数据接收及处理装置102之间通信和数据传输；

该形态可以将膀胱测量数据传输到与使用者存在一定物理距离的监护人(例如婴幼儿的父母或护工)或医务工作者；

形态二，是整体集成模式，即由超声激励模块111，超声换能器112，信号采集模块113，计算处理模块122，用户提示模块123集成在一起；使用时贴附在使用者腹部；

该形态适合可自主做出本地响应的使用者，例如青少年和成年使用者。

本发明中：

所述超声换能器112，由至少3个及以上单阵元超声换能器组成的一维或二维多阵元阵列；用于向人体发射超声信号，并接收人体内反射的回波信号，并转换成电信号，送至信号采集模块113做进一步处理；典型超声信号频率在1-5MHz之间。使用时，超声换能器整体被贴附在被测对象的腹部，在外部激励下发出超声信号，在被测对象体内反射的回波信号被超声换能器接收并转换成电信号。本发明仅需检测膀胱前壁回波信号，因此检测深度浅，换能器所需激励电信号较小，且超声信号在体内传播时受人体组织衰减影响较小。

所述超声激励模块111，包含通道选通开关和超声脉冲产生电路；其中，通道选通开关用于控制超声换能器112阵元与超声激励模块111、信号采集模块113之间的连接；超声脉冲产生电路用于产生激励信号；激励信号的形式包括有：低于人体安全电压的低压单脉冲、低压连续脉冲或幅值小于人体安全电压的调频、调相的编码信号；编码信号通过一个匹配滤波器或非匹配滤波器实现脉冲压缩，以提高回波信号的信噪比。

所述信号采集模块113，包含有滤波器、小信号放大器和模数转换器；超声回波信号通过滤波器将与超声信号频率不同的噪声信号滤除，再通过小信号放大器电路将回波放大，最后将放大后的模拟信号输入至模数转换电路，以产生数字信号。

所述计算处理模块122，负责通过特定算法计算出当前膀胱前壁的曲率特征。膀胱在不同充盈状态下的几何形态如图2所示，根据膀胱前壁的曲率特征变化可测量膀胱充盈度。描述膀胱前壁曲率特征的指标包括但不限于各个换能器阵元与膀胱前壁形成的夹角θ、曲率半径r、平均曲率半径r_avg等，如图3所示。

所述用户提示模块123，当根据膀胱表面曲率计算出的膀胱充盈度达到预设阈值时，自动发出声、光、震动等提示信息，提醒被测对象排尿或提醒被测对象的监护人或医务工作者采取相应的措施。

所述数据发送模块114，负责将数字化的回波信号通过蓝牙、WiFi、移动网络通信(如4G/5G等)等形式发送至远端数据接收及处理装置102；本地传感装置101只负责采集信号，而功耗更高的信号分析和数据计算等功能则在计算能力更强大且对功耗不敏感的远端数据接收及处理装置102中完成。

所述数据接收模块121，负责接收由数据发送模块114发出的数字化回波信号，进一步由计算处理模块122计算处理、用户提示模块123判断和发出提示信息。

本发明提供测量膀胱充盈程度的方法，如图4所示，具体步骤为：

步骤S1,初始化系统；在形态一中，由远端数据接收及处理装置102向本地传感装置101发出“开始检测”的指令，从而启动检测流程；在形态二中，通过启动传感计算一体化装置103上的开关，开始检测流程；

步骤S2，传感装置启动检测流程；超声换能器112中的各个阵元依次被激励产生超声信号；超声信号发出后，所有阵元均开始采集回波信号；

步骤S3，传感装置接收到回波后，随即通过信号采集模块113对信号进行滤波、放大和模数转换等处理；在形态一中，处理后的回波信号通过数据发送模块114传递至远端数据接收及处理装置102，在形态二中，回波信号则直接传递至本地的计算处理模块122；

步骤S4，根据收到的回波信号计算膀胱前壁的曲率；具体计算流程如下：

编号为i的阵元发出的超声信号，经过膀胱壁反射后产生的回波被所有的阵元接收到；比较各个阵元接收到的回波最大幅值；假设最大幅值出现在编号为j的阵元，编号i与编号j的阵元在x方向的间隔为阵元间固定距离dx_i-j；根据编号i收到的回波可以计算得出膀胱壁到编号i阵元在z方向上的距离dz_i，如图3所示，可以通过时间飞行方法(time offlight)、或根据回波幅值和衰减系数计算声波传输距离等方法求得；以时间飞行方法为例，

其中，v为超声在人体组织中的传播速度，t_i,0为超声激励模块111通过编号为i的阵元发射脉冲的时刻，t_i,1为信号采集模块113通过编号为i的阵元检测到前壁信号的时刻；

以此方法计算出各个阵元正对的膀胱局部表面的夹角θ_i，其中i∈[1,N],N为超声换能器112阵列的单阵元的总数；夹角θ可作为表征膀胱充盈度的指标，随着膀胱充盈度的增加，取决于超声换能阵元i正对膀胱前壁的具体位置，θ_i呈现或增大或减小的单调性变化；利用相邻两个阵元的夹角之差|θ_i+1-θ_i|和相邻两个阵元间距dx可以根据以下公式计算出当前表面的曲率半径r_i

随着膀胱充盈度的增加，固定位置所对应膀胱表面曲率半径呈现增加或减小的单调性变化

将各个阵元计算得到的曲率半径组成一个用于表征当前膀胱表面曲率的矩阵[r₁,…r_N]；该矩阵可通过数学分析或机器学习的方法成为表征膀胱充盈度的特征；这里举例采用将各个阵元测得的曲率半径之和进行平均的方法来获得平均曲率半径r_avg，并以此表征膀胱充盈度；

步骤S5，如远程终端检测到膀胱前壁的曲率特征达到预设阈值，则发出排尿提示信息。

本发明提供测量膀胱充盈程度装置，采用多阵元的超声换能器阵列，换能器工作在A超模式，结构简单，很容易实现穿戴。并且仅通过检测膀胱前壁曲率半径变化来测量膀胱充盈程度，无需像其他超声系统那样检测到位于人体腹腔深处的膀胱后壁。因此，仅需采用低压超声系统即可实现，大大提高装置的安全性，并降低装置功耗。

附图说明

图1为本发明装置构架框图。

图2为膀胱不同充盈度条件下的前壁曲率变化图。

图3为换能器阵元收发及测夹角的原理图。

图4为检测系统工作流程图。

图5为实验条件下膀胱前壁的平均曲率半径随膀胱充盈的变化。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整清晰的描述，显然，所描述的实施例只能作为本发明的一个代表实施例，而不是全部的实施例。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。

图1为本发明装置的系统构架框图。该装置包括：超声激励模块111，超声换能器112，信号采集模块113，计算处理模块122，用户提示模块123；其使用形态有整体集成模式和传感测量与计算显示分离模式。此处以整体集成模式为例。

超声换能器112，采用10个超声换能器阵元组成的一维阵列。换能器阵元尺寸选择1平方厘米的方形PZT压电陶瓷片。各个阵元被组装在柔性线路板，以保证换能器被紧密贴附在被测对象的腹部。各个阵元之间间隔1毫米间隙。

超声激励模块111，包含有通道选通开关和超声脉冲产生电路。选通开关采用具有低导通阻抗的电子开关芯片。在超声信号发射通路和信号接收通道分别设有通道选通开关，以实现发射接收时控制各个不同的阵元选通。为了提高安全性，本例采用低压(幅值为10V)编码信号，编码形式为13位巴克码，巴克码的每个码元由正弦波构成。正弦波的中心频率为2MHz。回波信号采用匹配滤波器实现脉冲压缩，以提高回波信号的信噪比。

信号采集模块113，包含有滤波器、小信号放大器和模数转换器。超声回波信号通过滤波电路将与超声信号频率不同的噪声信号滤除，再通过放大器电路将回波放大，最后将放大后的模拟信号输入至模数转换电路产生数字信号。

计算处理模块122，会根据收到的回波信号计算出当前膀胱前壁的曲率特征。根据曲率特征的变化测量出膀胱的充盈程度，当充盈程度达到预设阈值时，系统会通过用户提示模块123发出震动、声、光等提示被测对象进行排尿。图2显示了膀胱充盈变化时，其轮廓变化的趋势。在膀胱容积上升过程中，膀胱前壁轮廓因膀胱中尿液的聚集而从近似半球逐渐变得平坦，表面曲率单调下降。

本发明提供的测量膀胱充盈程度的方法，如图4所示，具体步骤为：

步骤S1,初始化系统；通过启动本地传感计算一体化装置103上的开关，开始检测流程；

步骤S2，传感装置开始启动检测流程；超声换能器阵列112中的各个阵元依次被激励产生超声信号；超声信号发出后，所有阵元均开始采集回波信号；

步骤S3，传感装置接收到回波后，随即通过信号采集模块113对信号进行滤波、放大和模数转换等处理；经过处理后的回波信号传递至本地的计算处理模块214；

步骤S4，根据收到的回波信号计算膀胱前壁的曲率半径；具体计算流程如下：

编号为i的阵元发出的超声信号，经过膀胱壁反射后产生的回波被所有的阵元接收到；比较各个阵元接收到的回波最大幅值；假设最大幅值出现在编号为j的阵元，编号i与编号j的阵元在x方向的间隔为阵元间固定距离dx_i-j；根据编号i收到的回波可以计算得出膀胱壁到编号i阵元在z方向上的距离dz_i，如图3所示，此例中采用时间飞行方法(time offlight)计算：

其中v为超声在人体组织中的传播速度1450米/秒，t_i,0为超声激励模块111通过编号为i的阵元发射脉冲的时刻，t_i,1为信号采集模块113通过编号为i的阵元检测到前壁信号的时刻；

以上述公式计算出各个阵元正对的膀胱局部表面的夹角θ_i，其中i∈[1,N]；利用相邻两个阵元的夹角之差|θ_i+1-θ_i|和相邻两个阵元间距dx可以根据以下公式计算出当前表面的曲率半径r_i

将各个阵元计算得到的曲率半径组成一个用于表征当前膀胱表面曲率的矩阵[r₁,…r₁₀]；采用将各个阵元测得的曲率半径之和进行平均的方法来获得平均曲率半径r_avg，并以此表征膀胱充盈度；

步骤S5，如远程终端检测到膀胱前壁的曲率特征达到预设阈值，通过用户提示模块123以声、光、震动等形式向使用者发出排尿提示信息。

具体进行了模拟实验。设置一个充满水的水箱系统，固定一个橡胶材质的气球来模拟人体膀胱。通过水箱外部的一个慢速蠕动泵以5毫升/分钟的流速向气球内注入盐水模拟人体膀胱充盈过程。水箱外壁贴附超声换能器阵列112，且换能器位于气球的正前方。采用本发明所述的方法，检测气球体积从100毫升充盈至300毫升，气球前壁平均曲率半径随体积的变化如图5所示。当膀胱体积小于100毫升时，膀胱往往位于耻骨后方，无法被超声系统检测到。因此，当超声系统无法检测到来自膀胱的有效回波信号时，可以判断当前膀胱体积较小，故无需发出遗尿提示信息；当膀胱体积大于100毫升时，超声系统可以检测到膀胱回波，并可以连续记录到膀胱前壁的平均曲率半径随着充盈度增加而单调增长。当平均曲率半径超过预设阈值时，即可触发排尿预警。

在使用者首次使用该设备时，系统会连续记录膀胱前壁的变化而不发出排尿提示信息。训练阶段完成之后，系统自动根据膀胱变化记录设定报警的阈值。训练完成以后，系统按照上述的流程工作，实现遗尿预警功能。

Claims (4)

1.一种膀胱充盈度测量装置，其特征在于，是一种低压可穿戴式超声系统，通过检测膀胱前壁曲率半径来测量膀胱的充盈程度；该装置包括：超声激励模块(111)，超声换能器(112)，信号采集模块(113)，计算处理模块(122)，用户提示模块(123)；其使用形态分为两种：

形态一，是传感测量与计算显示分离模式；传感测量部分由超声激励模块(111)、超声换能器(112)和信号采集模块(113)集合组成，称为本地传感装置(101)，使用时本地传感装置(101)贴附在使用者腹部；计算显示部分包括计算处理模块(122)、用户提示模块(123)，作为远端数据接收及处理装置(102)；

本地传感装置(101)还包括数据发送模块(114)；远端数据接收及处理装置(102)还包括数据接收模块(121)；用于实现本地传感装置(101)与远端数据接收及处理装置(102)之间通信和数据传输；

形态二，是整体集成模式，即由超声激励模块(111)、超声换能器(112)、信号采集模块(113)、计算处理模块(122)、用户提示模块(123)集成在一起；使用时贴附在使用者腹部。

2.根据权利要求1所述的膀胱充盈度测量装置，其特征在于：

所述超声换能器(112)，由至少3个及以上单阵元超声换能器组成的一维或二维多阵元阵列；用于向人体膀胱前壁发射超声信号，接收膀胱前壁反射的回波信号，并转换成电信号，送至信号采集模块(113)做进一步处理；超声信号频率在1-5MHz之间；

所述超声激励模块(111)，包含通道选通开关和超声脉冲产生电路；其中，通道选通开关用于控制超声换能器(112)阵元与超声激励模块(111)、信号采集模块(113)之间的连接；超声脉冲产生电路用于产生激励信号；激励信号的形式包括：低于人体安全电压的低压单脉冲、低压连续脉冲或幅值小于人体安全电压的调频、调相的编码信号；编码信号通过一个匹配滤波器或非匹配滤波器实现脉冲压缩，以提高回波信号的信噪比；

所述信号采集模块(113)，包含有滤波器、信号放大器和模数转换器；超声回波信号通过滤波器将与超声信号频率不同的噪声信号滤除，再通过信号放大器电路将回波放大，最后将放大后的模拟信号输入至模数转换电路，以产生数字信号；

所述计算处理模块(122)，负责通过特定算法计算出当前膀胱前壁的曲率特征，根据膀胱前壁的曲率特征变化测量膀胱充盈度；

所述用户提示模块(123)，当根据膀胱表面曲率计算出的膀胱充盈度达到预设阈值时，自动发出声、光或震动提示信息；

所述数据发送模块(114)，负责将数字化的回波信号通过蓝牙、WiFi或移动网络通信形式发送至远端数据接收及处理装置(102)；

所述数据接收模块(121)，负责接收由数据发送模块(114)发出的数字化回波信号，进一步由计算处理模块(122)计算处理、用户提示模块(123)判断和发出提示信息。

3.根据权利要求2所述的膀胱充盈度测量装置，其特征在于，所述计算处理模块(122)通过特定算法计算出当前膀胱前壁的曲率特征，根据膀胱前壁的曲率特征变化测量膀胱充盈度，具体流程如下：

用时间飞行方法计算超声换能器(112)阵列中编号为i的阵元在z方向上的距离dz_i：

其中，v为超声在人体组织中的传播速度，t_i,0为超声激励模块(111)通过编号为i的阵元发射脉冲的时刻，t_i,1为信号采集模块(113)通过编号为i的阵元检测到前壁信号的时刻；

计算各个阵元正对的膀胱局部表面的夹角θ_i：

其中，i∈[1,N]，N为超声换能器(112)阵列的单阵元的总数；利用相邻两个阵元的夹角之差|θ_i+1-θ_i|和相邻两个阵元间距dx，根据以下公式计算出当前表面的曲率半径r_i

将各个阵元计算得到的曲率半径组成一个用于表征当前膀胱表面曲率的矩阵[r₁,…r_N]；该矩阵通过数学分析或机器学习的方法成为表征膀胱充盈度的特征；具体采用将各个阵元测得的曲率半径之和进行平均的方法来获得平均曲率半径r_avg，并以此表征膀胱充盈度：

4.一种如权利要求1-3之一所述膀胱充盈度测量装置的膀胱充盈度测量方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤S1,初始化系统；在形态一中，由远端数据接收及处理装置(102)向本地传感装置(101)发出开始检测的指令，从而启动检测流程；在形态二中，通过启动传感计算一体化装置(103)上的开关，开始检测流程；

步骤S2，传感装置启动检测流程；超声换能器(112)中的各个阵元依次被激励产生超声信号；超声信号发出后，所有阵元均开始采集回波信号；

步骤S3，传感装置接收到回波后，随即通过信号采集模块(113)对信号进行滤波、放大和模数转换等处理；在形态一中，处理后的回波信号通过数据发送模块(114)传递至远端数据接收及处理装置(102)，在形态二中，回波信号则直接传递至本地的计算处理模块(122)；

步骤S4，根据收到的回波信号计算膀胱前壁的曲率；具体计算流程如下：

编号为i的阵元发出的超声信号，经过膀胱壁反射后产生的回波被所有的阵元接收到；比较各个阵元接收到的回波最大幅值；假设最大幅值出现在编号为j的阵元，编号i与编号j的阵元在x方向的间隔为阵元间固定距离dx_i-j；根据编号i收到的回波计算得出膀胱壁到编号i阵元在z方向上的距离dz_i，采用时间飞行方法计算：

其中，v为超声在人体组织中的传播速度，t_i,0为超声激励模块(111)通过编号为i的阵元发射脉冲的时刻，t_i,1为信号采集模块(113)通过编号为i的阵元检测到前壁信号的时刻；各个阵元正对的膀胱局部表面的夹角θ_i为：

其中，i∈[1,N]，N为超声换能器(112)阵列的单阵元的总数；夹角θ作为表征膀胱充盈度的指标，随着膀胱充盈度的增加，取决于超声换能阵元i正对膀胱前壁的具体位置，θ_i呈现或增大或减小的单调性变化；利用相邻两个阵元的夹角之差|θ_i+1-θ_i|和相邻两个阵元间距dx根据以下公式计算出当前表面的曲率半径r_i：

将各个阵元计算得到的曲率半径组成一个用于表征当前膀胱表面曲率的矩阵[r₁,…r_N]；该矩阵通过数学分析或机器学习的方法成为表征膀胱充盈度的特征；具体采用将各个阵元测得的曲率半径之和进行平均的方法来获得平均曲率半径r_avg，并以此表征膀胱充盈度：

步骤S5，如远程终端检测到膀胱前壁的曲率特征达到预设阈值，则发出排尿提示信息。