一种基于数字信号处理器和齿轮泵的尿流率计校准装置
姬军1,2，尹琳琳1，王莉新1,2，高佳硕1，肖宏1，袁青1,2
1.解放军第三〇五医院 医学工程科，北京 100017；2.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515
[摘 要]目的研究基于数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和齿轮泵的尿流率计校准装置。方法 采用电压控制齿轮泵输出标准流量水流。装置以DSP为核心，在DSP的控制下，让DA转换器输出高精度控制电压至电机，电机驱动齿轮泵带动水流运转。首先给定一个固定电压，检查装置能否输出稳定的水流，其次，拟合出标准的尿流率曲线，观察装置能否根据此流率曲线输出可变流率的水流。结果利用设计的装置对荷兰MMS尿流率计进行校准，结果显示MMS尿流率计输出的尿流率曲线结果与校准装置拟合出的曲线结果其变化规律相符，最大流率、流量误差均不超过5%，能够实现对尿流率计的校准。结论利用DSP和齿轮泵为主体构建尿流率计校准装置是可行的，满足校准尿流率计所需测量范围和分辨率的要求。
[关键词]尿流率计；数字信号处理器；齿轮泵；排尿量测量；最大尿流率测量
引言
尿流率测定是尿动力学检查中唯一非侵入性的、简单方便的检测患者下尿路症状的检查方法[1]。测定尿流率的设备是尿流率计，检测时只需要患者对准尿流率计的集尿容器进行正常的排尿过程，尿流率计即可根据集尿容器内尿液重量的增加计算出患者排尿的瞬时速率并输出尿流率曲线[2]，此曲线提供的数据包含很多患者排尿过程中的重要信息，如患者排尿过程的连续性、最大尿流率、尿量等[3]，这些信息为患者下尿路疾病的诊断提供重要的依据[4]。自20世纪80年代以来，尿流率计在国内的应用呈上升趋势。国际尿控协会制订的《尿动力学技术规范》以及我国《尿动力学检查操作指南》均要求对尿流率计每周校准一次，但是并没有给出详尽的操作细节[5]。目前国内外并没有专门的针对尿流率计的校准装置，也未出台尿流率计校准需遵循的技术规范，仪器的校准主要依靠设备自带的校准程序，无法使校准建立在专业计量器具和定量检测的基础上，致使此类设备长期处于质量失控状态[6]。因此研制一种尿流率计校准装置，对尿流率计进行定期、定量校准具有重要的临床意义。
1 设计原理
校准装置对尿流率计进行校准的原理，见图1。首先设计一条流率曲线Q(t)，使校准装置严格按照此曲线变化规律输水流。将此水流作为人体尿流输入尿流率计，并将尿流率计输出的尿流率曲线Y(t)与输入水流的流率曲线Q(t)比较，即可对尿流率计进行校准。
图1 尿流率计校准原理图
根据以上尿流率计校准原理，设计校准装置原理图，见图2。在数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）的控制下，DA转换器输出高精度的控制电压U(t)至电机，驱动齿轮泵带动水流运转，从而产生符合目标流率曲线变化形式的水流Q(t)。
图2 尿流率计校准装置设计原理框图
2 校准装置设计技术要求
尿流率计校准装置的设计要满足尿流率计测量范围、分辨率并结合临床要求。通过查找文献可知，具有临床意义的最小排尿量时最大尿流率下限值的最小值为9 mL/s[7-10]，《尿动力学检查操作指南（2010版）》（以下简称《指南》）指出尿流率的参考范围为0～50 mL/s[11]，故选定最小值9 mL/s作为尿流率计校准范围的下限值，将尿流率计校准范围设定为9～50 mL/s，校准装置的测量范围必须包含该区间。《指南》同时指出尿流率计的最高分辨率为0.5 mL/s[11]，故欲对尿流率计进行校准，装置的误差应＜1%。ICS技术报告推荐在临床检查中尿流信号的精确度低于相对于满刻度的±术报。在临床中一般要求每次的排尿量＞200 mL[12]。综合以上分析，尿流率计的校准装置需满足以下技术要求：尿流率的校准范围包含9～50 mL/s；流率分辨率＞0.5 mL/s；流量范围应＞200 mL。
3 目标流率曲线Q(t)的设计
正常的连续尿流率曲线，见图3。尿流率曲线主要包含最大尿流率、平均尿流率、达最大尿流率时间、尿流时间、排尿量等信息[3]。根据尿流率曲线中包含的信息，取尿流率与时间对应点用MATLAB软件进行尿流率目标曲线的拟合，拟合曲线中流率与时间的关系为：
设计目标流率曲线，见图4。其中Q为流率，单位为mL/s，t为排尿时间，单位为s，总流率时间为16 s。当t=10 s时，曲线的波峰即最大流率为Qmax=50 mL/s，包含尿流率计测量的最大值，且由图3和图4比较可知，设计的流率曲线与正常尿流率曲线形态基本一致，可应用此曲线对尿流率计进行校准。
图3 正常连续尿流率曲线
图4 设计的目标流率曲线
4 校准装置硬件设计
根据以上要求及原理，设计了以DSP为核心的校准装置，主要由转速控制模块、流量产生模块、数据传输模块以及电源模块构成，硬件原理，见图5。
图5 校准装置总体硬件框图
装置采用芯片型号为OMAPL138BZWT，其中作为核心的DSP核为TMS320C6748，能够满足系统的非实时多任务及实时高强度数据处理的应用需求[13]，满足低功耗、高性能的应用环境[14]。
流量产生模块由意大利Fluid-o-Tech公司的FG213一体机及其附属软管等组成。FG213齿轮泵一体机电路简单，控制电压U与转速S线性对应[15]，两者之间对应关系为：
其中U为控制电压，单位为V；S为每分钟转速，单位为rpm；SI为每秒转速，单位为rev/s。电机无极调速，每转一圈泵出液体体积是相同的，为每转0.9 mL，控制电压为0.3～5 V时，对应转速范围为300～5000 rpm ，对应流率范围为4.5～75 mL/s，满足校准装置流率范围的要求。
转速控制模块主要由数字模拟转换器（Digital to Analog Converter，DAC）芯片和基准源芯片构成。转速控制模块需要控制转速使其达到校准装置分辨率的要求。由于选用的齿轮泵每转泵出液体体积为0.9 mL，尿流率计的最低分辨率为0.5 mL/s，则要求齿轮泵每秒的转数为：（0.5 mL/s）/ （0.9 mL/rev）=5/9（rev/s）。由公式（2）计算可知，所给电机控制电压的精度至少应为
故至少需采用5位以上的DAC芯片对电机的控制电压进行控制，才能使校准装置的分辨率＜5 mL/s。本装置选用AD公司的nanoDAC系列产品AD5060的16位输出，满足校准装置的分辨率需求。
数据传输模块通过异步传输发送器协议实现装置与计算机的通讯，电源模块为整个装置提供所需直流稳压电流。
5 实验结果
用所设计的装置对荷兰MMS生产的PE10尿流率计进行校准，验证装置产生水流的能力。试验包括流率的直线校准和曲线较准两个部分，直线校准是指给定一个电压，使校准装置输出稳定的水流；曲线较准是指按照设计的流率曲线对尿流率计进行测量，检测其输出的尿流率曲线是否符合预期的变化规律。
5.1 直线校准结果与分析
0.653 V电压下PE10尿流率计测量输出的尿流率曲线和由MATLAB拟合出的校准装置输出的流率曲线，见图6。
由图6可知，0.653 V电压下校准装置输出的流率曲线与PE10尿流率计测量所得尿流率曲线由相似的变化规律，除上升和下降过程两者的流率均趋于一条直线，其他电压下校准装置和PE10尿流率计测量的流率曲线与图6类似。
实验共选取了10个流率点，对每个流率点重复进行3次测量，通过MATLAB软件处理DSP返回的数据，计算每次测量校准装置对应输出的结果，并与PE10尿流率计输出的结果进行比较，见表1。
由表1可知，在整个流率范围内，流量的误差都小于ICS技术报告规定的5%。但是由于尿流率计和校准装置计算流率时间算法的不同，两者计算的尿流时间有较大的差异，计算得出的尿流率差异也较大。
5.2 校准装置的曲线较准结果与分析
PE10尿流率计输出的流率曲线和通过MATLAB拟合出的校准装置输出的流率曲线，见图7。
图6 0.653V电压下校准装置拟合出的流率曲线（a）和PE10尿流率计输出的尿流率曲线（b）
图7 校准装置拟合出的流率曲线（a）和PE10尿流率计输出的流率曲线（b）
由图7可知，尿流率计输出的尿流率曲线随时间的增加，流率逐渐增大，达到最大值后流率开始减小，直至减为0，与设计的流率曲线具有相似的变化规律。
对尿流率计重复5次进行曲线校准，校准装置和PE10尿流率计测量的结果，见表2。
由表2可知，用校准装置对PE10尿流率计进行实验，尿流率曲线中最具参考价值的最大尿流率误差＜5%，排尿量误差＜1%，均未超出《指南》和ICS规定的5%。由于尿流率计和校准装置计算流率时间算法的不同，两者计算的尿流时间有较大的差异，本次试验中尿流时间误差最大为12.84%，达峰时间误差最大为14.98%。
表1 校准装置直线校准结果
表2 PE10尿流率计曲线较准结果
6 结论
由实验可知，本研究设计的尿流率计校准装置能够在给定电压下输出稳定的水流，也可以输出预设流率曲线的水流，且装置满足尿流率计校准范围及校准精度的需求。随着尿流率计在国内医院的广泛使用，尿流率计的质量控制受到越来越高的重视[16]，本研究设计的以DSP和齿轮泵为基础的尿流率计校准装置具有一定的实用价值，为尿流率计校准装置的研制提供了一种新的思路和方法,为下一步的实验打好基础。
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本文编辑 张丹妮
Uroflowmeter Calibration Device Based on Digital Signal Processor and Gear Pump
JI Jun1,2, YIN Lin-lin1, WANG Li-xin1,2, GAO Jia-shuo1, XIAO Hong1, YUAN Qing1,2
1. Department of Medical Engineering, the 305 Hospital of PLA, Beijing 100017, China; 2. College of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, China
Abstract：ObjectiveTo explore the system of uroflowmeter calibration devices based on Digital Signal Processor (DSP) and gear pump. Methods The proposed method used voltage control gear pump to output standard water flow. With DSP as the core，and under the control of DSP, the digital/analog converter outputted a high precision control voltage to the motor, and motor drived pump operation. First, fixed voltage was given to check if the device could output a stable water flow; second, fitted out a standard urinary flow rate curve and observe if the device could output variable flow rate of water according to the rate curve.ResultsBy using the designed device to calibrate uroflowmeter of the Netherlands Medical Measurement Systems, results of the urine flow rate curve output by Medical Measurement Systems uroflowmeter was consistent with that of calibration device fitting curve, and the maximum flow rate as well as the flow error were all less than 5%, which showed that our device could achieve calibration of urinary flow rate meter.ConclusionThe research scheme of uroflowmeter calibration device based on DSP and gear pump is feasible and can meet the requirement of measurement range and resolution of uroflowmeter calibration devices.
Key words：uroflowmeter; digital signal processor; gear pump; urine output measurement; maximum flow rate measurement
[中图分类号]TH789
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.009
[文章编号]1674-1633(2017)01-0034-04
收稿日期：2016-09-14
修回日期：2016-09-27
基金项目：军事医学计量科研专项课题（2012-JL1-016）。
通讯作者：姬军，副主任技师，主要研究方向为生物医学信号检测与处理、智能医疗仪器设计、医疗设备计量与质量控制等。