本文關鍵詞：基于DSP和齒輪泵的尿流率計校準裝置的研究

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【摘要】：研究背景尿流率是單位時間內經尿道排出的尿量,通常以毫升每秒作為單位。尿流率的測定是泌尿外科對于排尿功能障礙疾病使用最廣泛、極具應用價值的篩查手段,是中華醫(yī)學會泌尿外科分會推薦的BPH(Benign Prostatic Hyperplasia良性前列腺增生)的必備檢查項目,常用于下尿路梗阻患者的初步檢測,具有重要的臨床應用價值。尿流率測定的設備是尿流率計,目前國內外尚缺少與尿流率計相關的校準規(guī)范或檢測標準,校準操作主要依靠設備自帶的校準程序,但當設備自身傳感器出現(xiàn)偏差時,自校準的可信度達不到計量校準的要求,導致尿流率計在臨床應用存在較大隱患。國際尿控協(xié)會制訂的《尿動力學技術規(guī)范》(good urodynamic practices, GUP)以及我國《尿動力學檢查操作指南(2010版)》(以下簡稱指南)均要求對尿流率計每周進行一次校準,但推薦方法較為粗糙,僅用燒杯模擬測試方法進行校正,只能粗略估計設備的可靠性,校準方法存在較大誤差且未給出詳盡的操作細節(jié)。尿流率計檢測誤差較大時,會影響醫(yī)生對患者儲尿和排尿相關癥狀的判斷,進而影響臨床診斷的判定和治療方案的制訂,造成嚴重的臨床影響,因此對尿流率計進行科學校準是獲得準確尿動力學結果的重要保證,開展相應尿流率計校準研究顯得尤為急迫和重要。研究目的本課題的目的是通過研制尿流率計校準裝置,從而對尿流率計進行科學校準,將其校準過程細節(jié)化,能夠通過有效的技術依據(jù)來判斷尿流率計的應用質量,使尿流率計的校準建立在專業(yè)計量器具和定量檢測的基礎上,使校準過程準確、可靠,為尿流率計的校準提供一種新方法。研究方案本課題的研究方案是：首先根據(jù)人體的排尿過程設計一條流率曲線,使設計的曲線包含最大尿流率、排尿量等尿流率曲線的關鍵信息；然后使尿流率計校準裝置精確輸出符合該變化規(guī)律的水流；最后將校準裝置輸出的水流作為尿流率計的輸入,經尿流率計測量后,比較其輸出的尿流率曲線和輸入曲線之間的差異,從而對尿流率計進行校準。研究內容和過程通過分析尿流率曲線并結合指南中尿流率的參考值,將尿流率的校準范圍設置為9～50ml/s。同時指南指出尿流率分辨率最高為0.5ml/s,最大測量值為50ml/s,則校準裝置的誤差應小于1%。由于齒輪泵具有每轉一圈泵出液體體積恒定的特性,其輸出的流量與轉速成正比,擬用電機驅動齒輪泵運轉從而輸出不同的流量。在DSP控制下,由DAC輸出高精度電壓驅動電機轉動,通過改變電機的轉速改變齒輪泵輸出的流量,使其能夠根據(jù)設定的轉速輸出高精度穩(wěn)定流量的水流。校準裝置以DSP為核心,主要由轉速控制模塊、流量產生模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊構成。在DSP控制下,轉速控制模塊按照構建的目標流率曲線輸出對應的高精度電壓至流量產生模塊,使電機驅動齒輪泵帶動水流運轉,從而產生符合目標流率曲線變化規(guī)律的水流。電機的反饋脈沖信號直接送入處理器的IO引腳,經計算處理后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至PC進行分析。微處理器選用TI公司的DSP和ARM雙核微處理器OMAPL138,主要控制DAC輸出高精度電壓,通過串口實現(xiàn)DSP和PC的通訊,同時對電機的反饋脈沖進行計算處理,滿足校準系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集精度、傳輸?shù)臅r效性以及數(shù)據(jù)處理能力方面的要求。流量產生模塊選用意大利Fluid-o-Tech公司的FG213齒輪泵一體機,齒輪泵每轉一圈泵出液體為0.9m1,當控制電壓為0.3-5V,轉速范圍為300-5000RPM,此時對應理論流率為4.5-52.5mL/s,滿足9～50mL/s的尿流率校準范圍,同時可反饋輸出0-5V直流電壓脈沖信號供DSP計算電機的實時轉速。數(shù)模轉換器選用AD公司的AD5060,參考電壓由基準源芯片ADR444BRZ提供,可輸出0-4.096V的精確電壓,通過采用16位的DA芯片對電機的控制電壓精度進行控制,從而使校準裝置對尿流率的分辨率小于0.5m1/s。校準裝置的軟件設計主要包括脈沖采集模塊、DAC輸出電壓模塊、計算處理模塊以及串口通訊模塊。其中DAC輸出電壓模塊按照預設曲線輸出控制電壓至電機,齒輪泵開始運轉,此時脈沖采集模塊采集送入DSP IO管腳的電機反饋脈沖,用于計算處理模塊計算其對應的流率值以及積分值,最后串口通訊模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳送至PC,用于實驗結果的比較。測試實驗(1)尿流率計校準裝置作為校準工具應滿足以下條件：首先在同一條件下,裝置產生的流量是穩(wěn)定的；其次相同條件下,重復測試多次,其結果無明顯差異；最后通過改變條件,系統(tǒng)可產生不同速率的水流。以DSP為核心,由DAC,齒輪泵一體機等器件構建流量測試系統(tǒng),驗證三者協(xié)同工作使系統(tǒng)產生穩(wěn)定的、重復測量精度高、不同速率水流的能力,對方案可行性的三個方面進行分析。(2)依據(jù)《尿動力學檢查操作指南(2010版)》和相關文獻,設計一條符合人體排尿過程的流率曲線,根據(jù)尿流率曲線中包含的關鍵信息,取尿流率與時間的對應點用MATLAB軟件進行尿流率目標曲線的擬合,最后根據(jù)相關關系式,換算成DA轉換器需要輸出的電壓與時間的關系曲線,比較DAC理論與實際輸出的電壓曲線是否具有差異。(3)DAC將設計的電壓曲線輸出至齒輪泵一體機,然后對串口接收到的數(shù)據(jù)進行處理,用MATLAB軟件畫出實際以及理論的尿流率曲線圖,并計算兩者的最大尿流率,排尿量以及各自與理論值的偏差,多次測量進行觀察,比較實際與理論流率曲線的差異。(4)利用校準裝置對LABORIE和MMS兩臺尿流率計進行臨床實驗,每次實驗包括直線校準和曲線校準兩個部分。直線校準是指給定一個電壓,使校準裝置輸出穩(wěn)定的水流并對尿流率計進行測量,觀察兩者輸出的流率曲線是否具有相似的變化規(guī)律,并判斷總流量、流率時間以及平均流率指標的準確性。曲線校準是指按照設計的流率曲線對尿流率計進行測量,檢測其輸出的尿流率曲線是否符合預期的變化規(guī)律,并判斷最大尿流率、排尿量、達峰時間等指標的準確性。結果與討論(1)由驗證實驗可知,研究方案構建的校準系統(tǒng)可產生穩(wěn)定的、重復精度高、不同速率的水流,同時系統(tǒng)誤差小于1%,可校準具有臨床意義的9～50ml/s范圍內的尿流率,說明測試系統(tǒng)用于構建尿流率計校準裝置的方案是可行的。(2)用示波器觀察DAC的實際輸出電壓曲線,用MATLAB軟件擬合出理論的電壓輸出曲線,觀察可知DAC的實際和理論輸出電壓曲線形態(tài)一致,曲線持續(xù)時間相等,最高點電壓相等,達最高電壓點時對應時間相等,故DAC的理論輸出電壓曲線與實際輸出電壓曲線具有一致性。(3)由實驗結果可知,實際的流率輸出曲線與理論曲線變化趨勢一致,經過多次重復測量,實際最大尿流率和排尿量與理論值相近,最大尿流率的最大誤差為0.40%,排尿量的最大誤差為0.90%,均不超過1%的誤差范圍,說明曲線設計合理,校準裝置可穩(wěn)定輸出該變化形式的水流。(4)由實驗結果可知,由于校準裝置出水口的落點、高度對尿流率計稱重系統(tǒng)的沖擊、尿流率計檢測到尿流開始存在延遲等各種因素影響,使得尿流時間、達峰時間以及平均流率不可控,存在誤差偏大現(xiàn)象。但本文設計的模擬人體排尿過程的校準方法可以檢測出尿流率的變化規(guī)律,并對尿流率曲線中最具參考價值的最大尿流率以及排尿量進行校準,說明校準方法與裝置達到了設計要求。通過對尿流率計的最大尿流率和排尿量進行測量并判斷誤差范圍,可知LABORIE尿流率計處于質量失控狀態(tài),MMS尿流率計性能良好,能通過有效的技術依據(jù)判斷尿流率計的應用質量,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。研究不足與展望首先系統(tǒng)的集成度還不夠高,體積笨重,不易搬動。特別是齒輪泵部分,為了防止電機在運轉過程中由于振動對校準實驗產生影響,將電機固定在一塊厚重的電木板上,使得校準裝置整體不易搬動,裝置的便攜性有待提高。其次由于時間倉促以及實驗條件所限,裝置的校準實驗只涉及到了稱重式尿流率計,在后續(xù)實驗中應該擴大實驗的范圍,進一步提高裝置的適用性。第三,設計的校準裝置采用了PC機,數(shù)據(jù)分析采用了MATLAB方式,在實際使用中有些過于笨重,在后續(xù)開發(fā)中可以直接采用嵌入式系統(tǒng)方式來實現(xiàn),從而提高裝置的適用性。第四,校準裝置中齒輪泵輸出的流量沒有經過任何處理,可能會有脈動等現(xiàn)象,對實驗結果產生一定的影響,故后期需對校準裝置出水口進行穩(wěn)壓處理。
【關鍵詞】：尿流率計 尿流率曲線 最大尿流率 尿流量 校準
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-18
• 第1章 緒論18-24
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 尿流率檢查19
• 1.3 尿流率曲線意義19-21
• 1.4 研究現(xiàn)狀21-22
• 1.5 尿動力分析儀的校準22-23
• 1.6 論文結構安排23-24
• 第2章 研究方案的設計與可行性分析24-34
• 2.1 研究方案的設計24-28
• 2.1.1 校準裝置的技術要求24-25
• 2.1.2 校準裝置的方案設計25-27
• 2.1.3 測試實驗與方案的聯(lián)系27-28
• 2.2 驗證方案的測試系統(tǒng)28-29
• 2.3 實驗方法29-30
• 2.3.1 轉速穩(wěn)定性實驗29
• 2.3.2 轉速重復性實驗29-30
• 2.3.3 控制電壓與基準轉速關系實驗30
• 2.4 實驗結果與分析30-33
• 2.4.1 轉速穩(wěn)定性實驗結果與分析30-32
• 2.4.2 轉速重復性實驗結果與分析32
• 2.4.3 電機控制電壓與基準轉速關系實驗結果與分析32-33
• 2.4.4 結論33
• 本章小結33-34
• 第3章 尿流率計校準裝置的硬件設計34-43
• 3.1 DSP芯片的選擇與介紹35-36
• 3.2 流量產生模塊36-38
• 3.3 轉速控制模塊38-40
• 3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊40-41
• 3.5 電源模塊41-42
• 本章小結42-43
• 第4章 目標尿流率曲線的設計與輸出43-51
• 4.1 目標尿流率曲線的設計43-44
• 4.2 目標尿流率曲線的輸出44-50
• 4.2.1 目標電壓曲線的輸出實驗44-48
• 4.2.2 目標尿流率曲線輸出實驗48-50
• 本章小結50-51
• 第5章 尿流率計校準裝置的軟件設計51-56
• 5.1 CCS軟件平臺51-55
• 5.1.1 脈沖采集模塊52
• 5.1.2 DAC輸出電壓模塊52-53
• 5.1.3 計算處理模塊53-54
• 5.1.4 串口通訊模塊54-55
• 5.2 PC端的數(shù)據(jù)分析模塊55
• 本章小結55-56
• 第6章 校準實驗與結果分析56-68
• 6.1 校準實驗56-59
• 6.1.1 直線校準實驗過程58
• 6.1.2 曲線校準實驗過程58
• 6.1.3 流量校準系數(shù)58-59
• 6.2 LABORIE尿流率計實驗結果與分析59-64
• 6.2.1 LABORIE尿流率計直線校準結果與分析59-62
• 6.2.2 LABORIE尿流率計曲線校準結果與分析62-64
• 6.3 MMS尿流率計實驗結果與分析64-67
• 6.3.1 MMS尿流率計直線校準結果與分析64-65
• 6.3.2 MMS尿流率計曲線校準結果與分析65-67
• 6.4 實驗結論67-68
• 第7章 課題總結與展望68-70
• 7.1 工作總結68-69
• 7.2 工作不足與展望69-70
• 參考文獻70-75
• 攻讀碩士學位期間學術成果情況75-76
• 致謝76-77

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