一种医用非接触、无感知尿量自动监测装置及方法

1.本发明涉及医疗器械领域，具体来说涉及一种尿量自动监测装置及方法。


背景技术：

2.截至2021年，我国尿毒症患者超过300万，慢性肾病患者更是超过1.2亿，尿量是反应肾脏灌注及肾功能情况的关键指标之一，也是急性肾功能损伤早期鉴别的重要生理指标。对于数量如此庞大的病患群体，我们亟需一种有效的病情监测方法及系统，实现尿量的精确化测量不仅对于掌握患者病情、调整治疗方案、判断病情发展和预后。
3.电容是用于描述导体间电场的物理量，电容传感器可以直接用于测量或感应多种类型的物质或物理量的变化，例如物体运动及物质化学成分等。除此之外还可以用于间接测量或感应其他能够转换或转化为运动变化、介电常量等变化的物质或物理特性，如压力、加速度以及液位等。电容传感器技术广泛应用于机械自动化、微型机器人、微机电系统等领域。特别是对于微小量及缓慢变化的物理量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测尤为适宜。
4.现如今，在各个医疗场所中普遍采取使用尿壶收集尿液、肉眼读数的方式收集病人的尿量信息。具体操作过程为将尿壶垂直放置，待液体上表面与地面平行且保持稳定时，使用肉眼观察尿壶外壁的刻度进行读数。这种方法的操作过程复杂、耗时长，且读数带有较大误差，不利于尿量的精确统计。尤其是患者人数较多时，操作过程更加容易出错，还可能导致数据的漏记、错记。并且考虑到医务人员的工作量，很难做到逐小时、逐分钟甚至实时记录尿量数据，造成尿量信息记录不全面。此外，由于尿壶一般放置于低处，在操作过程中有尿液撒漏的风险。
5.近年来，有关尿量自动监测方面的研究越来越多，但因为存在或多或少的缺点而导致其应用并不广泛。这里将已公开的技术分为3类：
6.1、滴数测量法：如图1所示，滴数测量法的主要思路是使用量筒标定出尿滴所对应的毫升数，通过流速调节阀将患者排出的尿流转变成尿滴后进行计数，即可求出尿流量。其中计数部分传感器又可分为光电式、声音式、图像式、电极式和声光式。该方法存在问题有(1)当患者尿流量达到一定程度时，流入测量装置的尿量会大于流出装置的尿量，导致尿液的积压，达不到实时监测效果，严重的甚至会影响患者正常排尿。(2)尿液的成分会随着药物服用和肾功能变化而变化，导致尿液的黏滞性变化，进而导致尿滴平均体积的变化，测量误差随着时间累积。
7.2、质量检测法：如图2所示，质量测量法通过测量患者排出尿液的质量，再根据尿液密度换算成体积。该方法存在问题有(1)测量过程中要保持尿液容器绝对垂直，但在实际使用中很难做道这一点。(2)称重时易受到尿管位置影响。由于尿管会摆动而影响测量效果，在实际使用时通常会用尿管固定夹固定尿管，但这又会导致卧床患者行动受限，例如无法自由翻转身体。容器满时，需要对其进行排空，这个过程中又会导致管路位置变化，造成测量误差。(3)同滴数测量法一样，尿液密度也会随着药物服用和肾功能变化而变化，导致
尿量测量误差。
8.3、对射测量法：如图3所示，这里以光电传感器为例。在固定容积的容器一定刻度上放置一对发射/接收传感器，一端发射红外线，另一端使用光敏电阻检测红外线强度，当尿液液面达到一定高度时，发射器和接收器之间的尿液阻断红外线，从而检测尿液体积。该方法存在问题有(1)由于传感器的位置间隔，测得的尿量也是离散的，无法测量连续的尿量变化情况。(2)测量精度取决于传感器的数量，要提高测量精度就必须增加更多的传感器。


技术实现要素：

9.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种医用非接触、无感知尿量自动监测装置及方法。
10.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
11.一种医用非接触、无感知尿量自动监测装置，包括尿液容器、尿量传感电极、环境参比电极、尿液参比电极和组合电路；所述尿量传感电极、环境参比电极与尿液参比电极贴合于所述尿液容器外壁，所述尿量传感电极与所述环境参比电极、尿液参比电极相对布置，所述环境参比电极的下边沿与尿液所允许的最高水位线重合，所述尿液参比电极的下边沿与所述尿液容器的下边沿重合，所述组合电路安装在所述尿液容器的内侧底部，包括电容传感电路、电源管理电路、加速度传感电路、数据上传电路和微处理器，所述电容传感电路有三个输入端，分别连接尿量传感电极、环境参比电极和尿液参比电极，获取各电极的工作信息并生成电容数据，所述电容传感电路的输出端连接至微处理器的输入端，向所述微处理器传输生成的电容数据，所述电源管理电路提供组合电路的工作电压，所述加速度传感电路连接所述微处理器，感知用户施加于本装置的动作，将动作信息传输给所述微处理器，所述微处理器根据动作信息切换各电路的工作状态，所述数据上传电路连接所述微处理器，所述微处理器通过数据上传电路将工作信息传输给外部使用人员。
12.优选地，所述尿量传感电极、环境参比电极和尿液参比电极均采用柔性pcb制作，表面铺设铜箔，采用电镀工艺。
13.优选地，所述尿量传感电极的面积不大于所贴合于的尿液容器的横截面积，环境参比电极和尿液参比电极为面积相同并小于尿量传感电极面积的电极。优选地，所述电源管理电路包括有线充电接口、无线充电线圈、无线充电接收芯片、锂电池电源管理芯片、锂电池、锂电池电量计和线性稳压器，有线充电接口的输出端连接锂电池电源管理芯片的输入端，无线充电接收芯片通过无线充电线圈与外部无线充电发射端耦合，无线充电接收芯片的输出端连接锂电池电源管理芯片的输入端，锂电池电源管理芯片的输出端连接至锂电池，对锂电池进行充电，锂电池的输出端连接至锂电池电量计的输入端和线性稳压器的输入端，锂电池电量计测量锂电池的剩余电量，并反馈给所述微处理器，线性稳压器向组合电路输出合适的工作电压。优选地，所述有线充电接口使用dc5.5*2.1型、micro usb型或type-c型。优选地，所述加速度传感电路设有三轴加速度传感器，通过三轴加速度传感器对这三轴上加速度矢量大小的读取和加速度矢量大小保持时间的计算，得出该装置的运动姿态。
14.优选地，所述自动检测装置还设有配套使用的云服务器和手机app；测量装置测量用户的尿量数据，并将数据上传至云服务器；云服务器接收测量装置的数据并储存，供手机
app访问数据；手机app下载云服务器的数据并显示在手机界面上。
15.一种基于医用非接触、无感知尿量自动监测装置的自动监测方法，具体包括用尿量传感电极作为尿量电容信号采集单元，用环境参比电极和尿液参比电极作为基准电容值，当尿液容器中的尿量发生改变，会引起尿量传感电极和环境参比电极、尿量传感电极与尿液参比电极间的介电常数ε发生改变，从而使得极板间电容值改变，微处理器通过电容传感电路读取极板间的电容值；数字电容转换芯片作为电容传感电路的核心部分基于iic协议通信并采用emi架构；
16.电容传感电路将每个输入端极板上电容值等效成一个数字电容值datax，当尿液进入到尿液容器后，在数字电容转换芯片内部发生简谐变化产生一个谐振频率，通过公式(1)计算将谐振频率转化成一个等效的数字电容值datax：
[0017][0018]
式中，datax表示数字电容值，无量纲；f
sensorx
表示数字电容转换芯片内部的固有频率，f
ref
表示参考频率；
[0019]
设尿量传感电极计算所得数字电容值为dlev、尿液容器空载时的尿量传感电极计算所得数字电容值为dlev(0)、环境参比电极计算所得数字电容值为denv、尿液参比电极计算所得数字电容值为dliq,尿量l由公式(2)可得：
[0020][0021]
此处的尿量l为无量纲值，与实际尿量v有一一对应关系，通过非线性回归算法得出一个v与l之间的函数关系式v＝f(l)；
[0022]
函数关系f的计算方法具体为：
[0023]
向尿液容器中缓慢注入体积为v的被测液体，记录由公式(2)计算所得的尿量l；将液体体积v与尿量l输入matlab数据分析软件进行非线性回归，即可得到实际尿量v与尿量l之间的函数关系f；将此函数关系输入微处理器，即能计算出尿量l对应的实际尿量v。
[0024]
优选地，根据现有的医学评价标准，通过统计24小时的尿量，将尿量分为无尿、少尿、偏少、正常和偏多五个级别，其中将大于等于0ml小于100ml设为无尿，将大于等于100ml小于400ml设为少尿，将大于等于400ml小于1000ml设为偏少，将大于等于1000ml小于2000ml设为正常，将大于等于2000ml设为偏多。
[0025]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0026]
相比传统的测量方案，本方案在结构简单、测量精度高的前提下，实现了尿量数据的实时高精度非接触式测量。
[0027]
本方案采用柔性pcb作为电容器极板，在使用时紧密贴附于尿液容器壁外侧，可以有效消除空气对系统的测量影响。
[0028]
加入运动感知单元，灵活切换电路工作状态，实现了本装置的长续航和低学习成本。
附图说明
[0029]
图1是现有技术中滴数测量法示意图；
[0030]
图2是现有技术中质量测量法示意图；
[0031]
图3是现有技术中光电测量法示意图；
[0032]
图4是本发明网络通信框图；
[0033]
图5是本发明结构示意图；其中尿液容器1、尿量传感电极2、环境参比电极3、尿液参比电极4、组合电路5；
[0034]
图6是本发明中柔性电极实物图；
[0035]
图7是电源管理电路框图；
[0036]
图8是三维物体运动矢量示意图。
具体实施方式
[0037]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0038]
本发明包括测量装置、云服务器和手机app三部分。测量装置用于测量用户的尿量数据，并将数据上传至云服务器。云服务器用于接收测量装置的数据并储存，供手机app访问数据。手机app下载云服务器的数据并显示在手机界面上。这三部分的示意图如图4所示。
[0039]
结合图5至图6所示，公开一种医用非接触无感知尿量测量装置。主要部分包括尿液容器1、尿量传感电极2、环境参比电极3、尿液参比电极4、电路5。
[0040]
尿液容器1为顶部敞口、底部封闭的杯状物，也可为顶部带有尿液入口、底部带有尿液出口的袋状容器。
[0041]
尿量传感电极2、环境参比电极3、尿液参比电极4采用柔性pcb制作，表面铺设铜箔，具体可采用腐蚀或者电镀工艺。极板一端带有金属导线接口，通过金属导线与电路5相连。电极贴合于尿液容器外壁，可用胶水固定。尿量传感电极的面积不大于所贴合于的尿液容器的横截面积，环境参比电极和尿液参比电极为面积相同并小于尿量传感电极面积的电极。如图5所示。尿量传感电极2与环境参比电极3、尿液参比电极4相对布置。环境参比电极3的下边沿与尿液所能达到的最高水位线重合，尿液参比电极4的下边沿与尿液容器1的下边沿重合。
[0042]
需要说明的是，电容器极板采用柔性pcb制作，在保证测量精度的前提下有效地消除了极板间空气和尿液容器外壁形状不规则带来的测量误差。
[0043]
电路5位于尿液容器1底部，主要包含电容传感电路、电源管理电路、加速度传感电路、数据上传电路和微处理器。电容传感电路有三个输入端，分别连接三个电极。电容传感电路的输出端连接至微处理器的输入端，用于微处理器接收电容传感电路生成的电容数据。电源管理电路负责装置内部锂电池的有线、无线充电，并为系统提供合适的工作电压。加速度传感电路主要包含一个三轴加速度传感器。数据上传电路具有无线网络通信的功能。微处理器负责将电容数据进行尿量的拟合计算，并控制系统运行。
[0044]
基于上述实施例所公开的医用非接触式、无感知尿量自动监测方法和系统，可采用平行板电容器法来进行液体体积的测量，即：用尿量传感电极作为尿量电容信号采集单元，用环境参比电极和尿液参比电极作为基准电容值。尿液容器中的尿量发生改变，会引起尿量传感电极与环境参比电极、尿量传感电极与尿液参比电极间的介电常数ε发生改变，从而使得极板间电容值改变。微处理器通过电容传感电路读取极板间的电容值。数字电容转换芯片作为电容传感电路的核心部分，可基于iic协议通信，并采用emi架构
(electromagnetic interference，抗电磁干扰架构)。此类芯片具有功耗低、多通道的特点，同时还具有良好的抗电磁干扰性能，即使在高噪声环境下也能保持稳定的性能，已被广泛用于工业和商业领域。
[0045]
电容传感电路将每个输入端极板上电容值等效成一个数字电容值datax，当尿液进入到尿液容器后，在数字电容转换芯片内部发生简谐变化产生一个谐振频率，通过公式(1)计算将谐振频率转化成一个等效的数字电容值datax：
[0046][0047]
式中，datax表示数字电容值，无量纲；f
sensorx
表示数字电容转换芯片内部的固有频率，f
ref
表示参考频率；
[0048]
设尿量传感电极计算所得数字电容值为dlev、尿液容器空载时的尿量传感电极计算所得数字电容值为dlev(0)、环境参比电极计算所得数字电容值为denv、尿液参比电极计算所得数字电容值为dliq,尿量l由公式(2)可得：
[0049][0050]
此处的尿量l为无量纲值，与实际尿量v有严格的一一对应关系，可通过非线性回归算法得出一个v与l之间的函数关系式v＝f(l)。下面给出计算函数关系f的一般方法。
[0051]
向尿液容器中缓慢注入体积为v的被测液体，记录由公式2计算所得的尿量l。将液体体积v与尿量l输入matlab等数据分析软件进行非线性回归，即可得到实际尿量v与尿量l之间的函数关系f。将此函数关系输入微处理器，即可计算出尿量l对应的实际尿量v。
[0052]
电源管理电路包含有线充电接口、无线充电线圈、无线充电接收芯片、锂电池电源管理芯片、锂电池、锂电池电量计和线性稳压器。本发明可使用有线和无线两种外部电源输入方式。有线充电接口可使用dc5.5*2.1型、micro usb型或type-c型，接口的输出端连接锂电池电源管理芯片的输入端。无线充电接收芯片通过无线充电线圈与外部无线充电发射端耦合实现电源的无线输入，无线充电接收芯片的输出端连接锂电池电源管理芯片的输入端。锂电池电源管理芯片负责接收有线和无线的电源输入，输出端连接至锂电池，负责对锂电池进行充电。锂电池的输出端连接至锂电池电量计的输入端和线性稳压器的输入端。锂电池电量计用于测量锂电池的剩余电量，并反馈给主控。线性稳压器为系统提供合适的工作电压。电源管理电路框图如图7所示。
[0053]
加速度传感电路主要包含一个三轴加速度传感器，用于感知用户施加于本装置的各种动作，将数据传回主控，由主控分析数据并切换电路的工作状态，使电路工作于待机状态和测量状态。图8为三维物体运动矢量示意图。结合图7，此部分的具体实现原理为：在三维空间中物体的运动都可以分解为x、y、z三轴上的加速度矢量的矢量和。通过三轴加速度传感器对这三轴上加速度矢量大小的读取和加速度矢量大小保持时间的计算，即可得出该物体的运动姿态。例如，当物体垂直向上运动时，z轴加速度矢量会在t秒内大于1。主控通过连续读取z轴上加速度，并计算加速度大于1的时间t，与主控内设定的触发阈值t做比较，若t》t，则判定发明被用户向上提起，主控控制电路进入测量状态。例如，当物体垂直向下运动时，z轴加速度矢量会在t秒内小于1。主控通过连续读取z轴上加速度，并计算加速度小于1的时间t，与主控内设定的触发阈值t做比较，若t》t，则判定发明被用户放下，主控控制电路
进入待机状态。这样做的好处是，加入了三轴加速度传感器，用户可以像使用传统尿壶一样使用本发明，降低学习成本。电路不同工作状态的切换也有益于延长本发明的电路工作时间。
[0054]
本作品通过数据上传电路实现数据的云端上传功能。数据上传电路通过连接无线网络，将测量数据发送至服务器2。数据上传电路由主控控制，待上传的测量数据由主控通过uart接口传输至数据测量电路。数据上传使用http协议，数据存储在服务器2的数据库中。
[0055]
本发明附带有手机app，可以在手机app3实现试试数据的读取、统计，对尿量进行精细化管理。app采用kotlin或java编写，使用http协议与服务器通信、下载测量数据。根据现有的医学评价标准，通过统计24小时的尿量，分为无尿(0ml～100ml)、少尿(100ml～400ml)、偏少(400ml～1000ml)、正常(1000ml～2000ml)、偏多(》2000ml)五个级别。app还带有在线诊疗的功能，可以在线与医生分析病情。
[0056]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。