尿量监测仪《毕业论文》.docx

上海医疗器械高等专科学校毕业论文尿量监测仪姓 名： 潘守诚 系 部： 医疗器械系 专 业： 检测技术及应用 班 级： 12检测 指导教师： 张东衡 完成日期 2015年5月23日- 尿量监测仪摘 要针对目前临床上依赖人工测量尿量的现状，设计了一种自动尿量监测系统。系统由流量传感器、MSP430f149单片机、 人机交互模块、液晶模块、时钟模块以及存储模块等组成。尿液经导尿管流过流量传感器时，尿量信号被单片机捕获， 经过数据处理，配合时钟模块，将当前时刻的尿量显示在液晶屏上，同时存储数据以供查询。实验证明，本系统工作稳定，测量准确，实时性好，满足临床尿量监测要求。关键词：尿量；自动监测；流量传感器；单片机Automatic Urine Monitoring System An automatic urine monitoring system is presented to replace manual operation. The system is composed of the flow sensor, MSP430f149 single chip microcomputer, human-computer interaction module, LCD module, clock module and memory module. The signal of urine volume is captured when the urine flows through the flow sensor and then displayed on the LCD after data processing. The experiment results suggest that the design of the monitor provides a high stability, accurate measurement and good real-time, and meets the demand of the clinical application.【Key words 】 urine volume, automatic monitoring, flow sensor, single chip microcomputer引言尿量是监测患者多种指标中的一项重要内容，是 反映肾脏血流灌注水平的最直接最敏感的生理指标。 特别是对于休克、心脏手术、大面积烧伤及肾功能不全等病人，每小时尿量的监测非常重要，它能够及时 反映人体有效循环血量及肾脏功能1。目前，临床上大多采用一次性储尿袋来收集并测量尿量，测量结果 由人工目测尿袋刻度获得，存在着实际尿量与测得尿 量的严重不符、误差较大的问题，不能客观真实地显 示尿量，因而也影响了病情的估计与治疗。而现有的国外自动尿量监测仪产品，价格昂贵，在国内难以推广。因此，需要探索一种低成本，可实时精确测量尿量的监测系统。系统总体设计系统总体设计源于张东衡老师的基于光电传感器的尿量监测仪。本文设计的自动尿量监测仪系统原理框图如图1 所示。系统主要由尿液收集与检测系统和单片机处理系统两部分组成。前者由集尿管，一次性尿液收集袋，红外检测装置组成，而后者由微处理器MCU，液晶显示屏，键盘输入，数据储存单元和串口通信部分组成。本文则针对该系统对于液体体积测量误差较大的情况，参考基于MSP430单片机的光电尿量监测做出改进，在原有的红外传感器上的基础上增加了霍尔流量传感器，时钟模块。以期更加精准，实时的反应病人的情况。一 硬件设计2流量传感器的设计如图2所示为流量传感器的机构图，流量的测量采用液滴计数和连续测量相结合的方式，以实现不同情况下（尿量少量，大量，超大量）尿量的测量。液滴计数及连续测量分别采用红外光电计数器和霍尔流量传感器实现。当病人尿量较少时，霍尔流量传感器不工作，尿量通过红外光电液滴计数的方式测量；当病人尿量很大时，霍尔流量传感器工作，尿量测量由二者共同完成。这样既保证了测量的准确度，又保证了测量的实时性。2.1 红外光电计数器 智能医疗仪器的理想存储介质。本设计中，通过红外光电计数器采用一对红外光电对管，发射管 MSP430F149的P3.0-P3.3口以SPI总线接口方式对SD发射红外光，接收管接收红外光，流过接收管的电流 与其接收到的红外光成正比，通过电阻后形成与接收 光量成比例的电压信号，并与比较器另一端的参考电 压进行比较，形成高低电平。当尿滴通过光路时， 接收端发生电压变化，光信号转化成脉冲信号被单片机捕获。2.2 霍尔流量传感器霍尔流量传感器的工作原理是霍尔元件的霍尔效 应：在霍尔元件上通以与磁场方向正交的直流电流， 当流体通过涡流推动磁性转子转动，从而使霍尔元件 输出与流体流速相关的脉冲信号3，即脉冲数与尿量 大小成正比。本文选取的是OKD-HZ/W41C（插管式）型 霍尔流量传感器，最小测量流量大小为0.15 L/min。3. 单片机处理系统3.1 微处理器微处理器主要完成按键响应，参数显示，声光报警信号的输出和与PC机的通信等。单片机采用MSP430F149实现尿量信号的捕获、实时时钟的获取、数据处理与存储，以及人机交互等功能。3.2时钟模块时钟模块是重要的辅助模块，自动尿量监测仪需要记录病人某一时刻的尿量，因此需要实时获取当前时间。本设计采用美国DALLAS公司推出的专用时钟芯片DS1302来实现，其双电源供电（主电源和备用 电源）模式，可通过软件设置备用电源充电方式，这样在下次开机时仍然可以确保获取当前准确的时间。3.3 数据存储单元 数据存储单元用来存放各个时段的排尿量，床位号，患者ID号，监控时间上下限，监控排尿量上下限等。系统在进行参数设定后，即保存到相应的存储单元。若未设定，系统在初始化的时候，把上次设定值作为默认参数值。数据存储单元E2PROM2选用具有12C总线的AT24C16。12C总线是两线式串行总线，用于连接微控制器以及外围设备。器件由SDA（串行数据线）和SCL（串行数据行）和SCL（串行时钟线）两根线传送信息，占用电路板空间小，减少了芯片管脚的数量，降低了电路成本。3.4液晶模块液晶显示屏提供了一个人机交互界面。通过液晶 显示屏可以选择病人类型、设置系统时间、测量间隔 期、报警值，并可以查询历史尿量，显示尿量曲线。 液晶控制芯片选用ILI9320，具有5.6英寸显示面积。二 软件系统设计系统软件是在IAR Embedded Workbench for MSP430 V5.3版本环境中进行编写与调试的。软件系 统由尿液测量程序和基于液晶的GUI界面设计6两大 部分组成。其中，系统软件流程如图4所示，主要包 括：系统初始化（系统时钟初始化、时钟模块初始 化、存储模块初始化）、参数设置（选择病人类型， 设置间隔期、时钟以及报警值）、数据存储、数据查询等功能。液晶的GUI界面设计主要包括病人类型选择界面、参数设置界面、总尿量显示界面、尿流率显示界面以及若干查询界面。三 实验结果实验之前对传感器进行标定，确定每滴液体的大 小以及霍尔流量传感器脉冲数与流量的对应关系，本 设计中传感器的标定使用水作为标定的液体。标定 时，用量筒依次量取指定体积的水，让水在重力作用 下分别通过两个传感器，记录数据，拟合曲线，获取 与尿液体积和尿流速的相关系数。设计的流量传感器 标定结果为：每滴液体体积为0.094 5 mL，霍尔流量 传感器脉冲数与流量的关系为：Q=0.294 5N，其中 Q为流量，N为脉冲数。3.1 模拟实验模拟实验采用与获取相关系数实验相同的方法进行，将量筒读数分别与单独使用红外光电液滴传感器和霍尔流量传感器测得的系统测量值比较，对仪器性能进行验证。仅使用液滴传感器时，即模拟在尿速较低的情况下的实验数据如下表1所示。从测量误差上可以看到，测量误差均小于5%，有的情况下可小于1%，表明在尿速较为缓慢时（临床调查可以发现绝大部分尿量监测属于此类情况），测量是很精确的。表1 模拟低流量下的实验数据考虑流量较大的情况下，模拟试验中，通过控制出水口处的流量开关来控制水流的大小，测量的数据如表2所示。可以发现，大于300 mL的情况下误差都维持在 一个稳定的水平（5%），而在小于300 mL时，随着 尿量的增多，误差也趋向于减小，表明连续流量传感 器使用在尿量较大时，整个系统的测量更为准确，这 与本文的设计初衷是符合的。而在小流量时，仅使用液滴传感器即符合要求。3.3临床实验5 总结本系统利用低功耗单片机MSP430配合时钟模 块、液晶模块等实时监测尿量，实现了尿量自动监测的功能。设计中的流量传感器采用液滴计数和连续测量相结合的方式，实现了不同情况下（少量，大量，超大量）尿量的测量。系统功能完善，结构紧凑，测量准确，实时性好，满足临床要求。参考文献1张春桂, 许敏昭, 李培珍. 新型尿量监测装置的研制与应用J. 广西医学, 2009, 31(7): 950-951.2马剑锋, 王丽, 马絮飞. 生理液滴红外光电自动计数装置的设计 与实现J. 实验技术与管理, 2006, 23(5): 53-55.3胡小泊, 翟浩, 安稷. 基于霍尔效应的低成本简易流量计J. 科技 创新导报, 2012, 04: 47.4张海峰, 任爱锋, 仝欣, 等. 基于MSP430的心电采集系统J. 电子 科技, 2011, 24(10): 80-83.5SanDisk Corporation. Manual of SanDisk secure digital (SD) card productEB/OL. 2004. .6Texas Instruments. MSP430x1xx family users guide. EB/OL. 2006. /lit/ug/slau049f/slau049f.pdf.7石曦, 杨宇航, 陈伟宁. 基于AT89C52单片机的光电尿量监测系 统的设计J. 中国医疗设备, 2012, 27(01): 25-27. 谢 辞短短几月的实习期，并不能多说什么，当年进入医疗器械时并没有太多心思在这里，只是在落榜后补填的一个志愿，而经过了这两年的学习，我还是没有学到什么，只是略懂了一些医疗器械知识的皮毛，真正投身于社会时感到了书到用时方恨少的情景。外面的世界并没有想象中那么残酷，也没有理想中那样的善良，越是深入就越感到其中的深奥难以捉摸，但当时也想清楚没有选择专升本就是想要尽快的进入行业中，这样才能走的更远更长，身在医疗器械行业中深感缘分与荣幸，同时也有惴惴不安之感，在今后的路上坚持的走下去，感谢老师的栽培，更感谢母校这几年来的哺育以及引用文献所作者，对于医疗器械这个行业所付出的，点点滴滴。寥寥数字，以表真心。参考文献1中国超声仪器行业市场调查及投资前景咨询报告 凯博信咨 2013(01)2宇哲、李宇、郭志嵘.超声市场调查 中国医疗2013(01)3全国高职高专医疗器械类十二五医用超声诊断仪器应用与维