本文關(guān)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(nèi)經(jīng)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(yīng)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(yīng)用價值。尿流率測定的設(shè)備是尿流率計,目前國內(nèi)外尚缺少與尿流率計相關(guān)的校準規(guī)范或檢測標準,校準操作主要依靠設(shè)備自帶的校準程序,但當設(shè)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(dǎo)致尿流率計在臨床應(yīng)用存在較大隱患。國際尿控協(xié)會制訂的《尿動力學技術(shù)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(shè)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(guān)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(jié)果的重要保證,開展相應(yīng)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(shù)依據(jù)來判斷尿流率計的應(yīng)用質(zhì)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(chǔ)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(shè)計一條流率曲線,使設(shè)計的曲線包含最大尿流率、排尿量等尿流率曲線的關(guān)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(jīng)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(nèi)容和過程通過分析尿流率曲線并結(jié)合指南中尿流率的參考值,將尿流率的校準范圍設(shè)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(yīng)小于1%。由于齒輪泵具有每轉(zhuǎn)一圈泵出液體體積恒定的特性,其輸出的流量與轉(zhuǎn)速成正比,擬用電機驅(qū)動齒輪泵運轉(zhuǎn)從而輸出不同的流量。在DSP控制下,由DAC輸出高精度電壓驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,通過改變電機的轉(zhuǎn)速改變齒輪泵輸出的流量,使其能夠根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制模塊、流量產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊構(gòu)成。在DSP控制下,轉(zhuǎn)速控制模塊按照構(gòu)建的目標流率曲線輸出對應(yīng)的高精度電壓至流量產(chǎn)生模塊,使電機驅(qū)動齒輪泵帶動水流運轉(zhuǎn),從而產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)一圈泵出液體為0.9m1,當控制電壓為0.3-5V,轉(zhuǎn)速范圍為300-5000RPM,此時對應(yīng)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(zhuǎn)速。數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)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(yù)設(shè)曲線輸出控制電壓至電機,齒輪泵開始運轉(zhuǎn),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(yīng)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(jié)果的比較。測試實驗(1)尿流率計校準裝置作為校準工具應(yīng)滿足以下條件：首先在同一條件下,裝置產(chǎn)生的流量是穩(wěn)定的；其次相同條件下,重復(fù)測試多次,其結(jié)果無明顯差異；最后通過改變條件,系統(tǒng)可產(chǎn)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(gòu)建流量測試系統(tǒng),驗證三者協(xié)同工作使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的、重復(fù)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(guān)文獻,設(shè)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(guān)鍵信息,取尿流率與時間的對應(yīng)點用MATLAB軟件進行尿流率目標曲線的擬合,最后根據(jù)相關(guān)關(guān)系式,換算成DA轉(zhuǎn)換器需要輸出的電壓與時間的關(guān)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(shè)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(shè)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(yù)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(jié)果與討論(1)由驗證實驗可知,研究方案構(gòu)建的校準系統(tǒng)可產(chǎn)生穩(wěn)定的、重復(fù)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(nèi)的尿流率,說明測試系統(tǒng)用于構(gòu)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(yīng)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(jié)果可知,實際的流率輸出曲線與理論曲線變化趨勢一致,經(jīng)過多次重復(fù)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(shè)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(jié)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(shè)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(shè)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(zhì)量失控狀態(tài),MMS尿流率計性能良好,能通過有效的技術(shù)依據(jù)判斷尿流率計的應(yīng)用質(zhì)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(zhuǎn)過程中由于振動對校準實驗產(chǎn)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(yīng)該擴大實驗的范圍,進一步提高裝置的適用性。第三,設(shè)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(jīng)過任何處理,可能會有脈動等現(xiàn)象,對實驗結(jié)果產(chǎn)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(guān)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(jié)構(gòu)安排23-24
• 第2章 研究方案的設(shè)計與可行性分析24-34
• 2.1 研究方案的設(shè)計24-28
• 2.1.1 校準裝置的技術(shù)要求24-25
• 2.1.2 校準裝置的方案設(shè)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(zhuǎn)速穩(wěn)定性實驗29
• 2.3.2 轉(zhuǎn)速重復(fù)性實驗29-30
• 2.3.3 控制電壓與基準轉(zhuǎn)速關(guān)系實驗30
• 2.4 實驗結(jié)果與分析30-33
• 2.4.1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性實驗結(jié)果與分析30-32
• 2.4.2 轉(zhuǎn)速重復(fù)性實驗結(jié)果與分析32
• 2.4.3 電機控制電壓與基準轉(zhuǎn)速關(guān)系實驗結(jié)果與分析32-33
• 2.4.4 結(jié)論33
• 本章小結(jié)33-34
• 第3章 尿流率計校準裝置的硬件設(shè)計34-43
• 3.1 DSP芯片的選擇與介紹35-36
• 3.2 流量產(chǎn)生模塊36-38
• 3.3 轉(zhuǎn)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(jié)42-43
• 第4章 目標尿流率曲線的設(shè)計與輸出43-51
• 4.1 目標尿流率曲線的設(shè)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(jié)50-51
• 第5章 尿流率計校準裝置的軟件設(shè)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(jié)55-56
• 第6章 校準實驗與結(jié)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(jié)果與分析59-64
• 6.2.1 LABORIE尿流率計直線校準結(jié)果與分析59-62
• 6.2.2 LABORIE尿流率計曲線校準結(jié)果與分析62-64
• 6.3 MMS尿流率計實驗結(jié)果與分析64-67
• 6.3.1 MMS尿流率計直線校準結(jié)果與分析64-65
• 6.3.2 MMS尿流率計曲線校準結(jié)果與分析65-67
• 6.4 實驗結(jié)論67-68
• 第7章 課題總結(jié)與展望68-70
• 7.1 工作總結(jié)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(shù)成果情況75-76
• 致謝76-77

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本文編號：911536