基于DSP和齿轮泵的尿流率计校准装置的研究

发布时间：2017-09-24 13:02

  本文关键词：基于DSP和齿轮泵的尿流率计校准装置的研究

  更多相关文章： 尿流率计 尿流率曲线 最大尿流率 尿流量 校准

【摘要】：研究背景尿流率是单位时间内经尿道排出的尿量,通常以毫升每秒作为单位。尿流率的测定是泌尿外科对于排尿功能障碍疾病使用最广泛、极具应用价值的筛查手段,是中华医学会泌尿外科分会推荐的BPH(Benign Prostatic Hyperplasia良性前列腺增生)的必备检查项目,常用于下尿路梗阻患者的初步检测,具有重要的临床应用价值。尿流率测定的设备是尿流率计,目前国内外尚缺少与尿流率计相关的校准规范或检测标准,校准操作主要依靠设备自带的校准程序,但当设备自身传感器出现偏差时,自校准的可信度达不到计量校准的要求,导致尿流率计在临床应用存在较大隐患。国际尿控协会制订的《尿动力学技术规范》(good urodynamic practices, GUP)以及我国《尿动力学检查操作指南(2010版)》(以下简称指南)均要求对尿流率计每周进行一次校准,但推荐方法较为粗糙,仅用烧杯模拟测试方法进行校正,只能粗略估计设备的可靠性,校准方法存在较大误差且未给出详尽的操作细节。尿流率计检测误差较大时,会影响医生对患者储尿和排尿相关症状的判断,进而影响临床诊断的判定和治疗方案的制订,造成严重的临床影响,因此对尿流率计进行科学校准是获得准确尿动力学结果的重要保证,开展相应尿流率计校准研究显得尤为急迫和重要。研究目的本课题的目的是通过研制尿流率计校准装置,从而对尿流率计进行科学校准,将其校准过程细节化,能够通过有效的技术依据来判断尿流率计的应用质量,使尿流率计的校准建立在专业计量器具和定量检测的基础上,使校准过程准确、可靠,为尿流率计的校准提供一种新方法。研究方案本课题的研究方案是：首先根据人体的排尿过程设计一条流率曲线,使设计的曲线包含最大尿流率、排尿量等尿流率曲线的关键信息；然后使尿流率计校准装置精确输出符合该变化规律的水流；最后将校准装置输出的水流作为尿流率计的输入,经尿流率计测量后,比较其输出的尿流率曲线和输入曲线之间的差异,从而对尿流率计进行校准。研究内容和过程通过分析尿流率曲线并结合指南中尿流率的参考值,将尿流率的校准范围设置为9～50ml/s。同时指南指出尿流率分辨率最高为0.5ml/s,最大测量值为50ml/s,则校准装置的误差应小于1%。由于齿轮泵具有每转一圈泵出液体体积恒定的特性,其输出的流量与转速成正比,拟用电机驱动齿轮泵运转从而输出不同的流量。在DSP控制下,由DAC输出高精度电压驱动电机转动,通过改变电机的转速改变齿轮泵输出的流量,使其能够根据设定的转速输出高精度稳定流量的水流。校准装置以DSP为核心,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。在DSP控制下,转速控制模块按照构建的目标流率曲线输出对应的高精度电压至流量产生模块,使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规律的水流。电机的反馈脉冲信号直接送入处理器的IO引脚,经计算处理后通过数据传输模块传送至PC进行分析。微处理器选用TI公司的DSP和ARM双核微处理器OMAPL138,主要控制DAC输出高精度电压,通过串口实现DSP和PC的通讯,同时对电机的反馈脉冲进行计算处理,满足校准系统对数据的采集精度、传输的时效性以及数据处理能力方面的要求。流量产生模块选用意大利Fluid-o-Tech公司的FG213齿轮泵一体机,齿轮泵每转一圈泵出液体为0.9m1,当控制电压为0.3-5V,转速范围为300-5000RPM,此时对应理论流率为4.5-52.5mL/s,满足9～50mL/s的尿流率校准范围,同时可反馈输出0-5V直流电压脉冲信号供DSP计算电机的实时转速。数模转换器选用AD公司的AD5060,参考电压由基准源芯片ADR444BRZ提供,可输出0-4.096V的精确电压,通过采用16位的DA芯片对电机的控制电压精度进行控制,从而使校准装置对尿流率的分辨率小于0.5m1/s。校准装置的软件设计主要包括脉冲采集模块、DAC输出电压模块、计算处理模块以及串口通讯模块。其中DAC输出电压模块按照预设曲线输出控制电压至电机,齿轮泵开始运转,此时脉冲采集模块采集送入DSP IO管脚的电机反馈脉冲,用于计算处理模块计算其对应的流率值以及积分值,最后串口通讯模块将处理后的数据传送至PC,用于实验结果的比较。测试实验(1)尿流率计校准装置作为校准工具应满足以下条件：首先在同一条件下,装置产生的流量是稳定的；其次相同条件下,重复测试多次,其结果无明显差异；最后通过改变条件,系统可产生不同速率的水流。以DSP为核心,由DAC,齿轮泵一体机等器件构建流量测试系统,验证三者协同工作使系统产生稳定的、重复测量精度高、不同速率水流的能力,对方案可行性的三个方面进行分析。(2)依据《尿动力学检查操作指南(2010版)》和相关文献,设计一条符合人体排尿过程的流率曲线,根据尿流率曲线中包含的关键信息,取尿流率与时间的对应点用MATLAB软件进行尿流率目标曲线的拟合,最后根据相关关系式,换算成DA转换器需要输出的电压与时间的关系曲线,比较DAC理论与实际输出的电压曲线是否具有差异。(3)DAC将设计的电压曲线输出至齿轮泵一体机,然后对串口接收到的数据进行处理,用MATLAB软件画出实际以及理论的尿流率曲线图,并计算两者的最大尿流率,排尿量以及各自与理论值的偏差,多次测量进行观察,比较实际与理论流率曲线的差异。(4)利用校准装置对LABORIE和MMS两台尿流率计进行临床实验,每次实验包括直线校准和曲线校准两个部分。直线校准是指给定一个电压,使校准装置输出稳定的水流并对尿流率计进行测量,观察两者输出的流率曲线是否具有相似的变化规律,并判断总流量、流率时间以及平均流率指标的准确性。曲线校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,并判断最大尿流率、排尿量、达峰时间等指标的准确性。结果与讨论(1)由验证实验可知,研究方案构建的校准系统可产生稳定的、重复精度高、不同速率的水流,同时系统误差小于1%,可校准具有临床意义的9～50ml/s范围内的尿流率,说明测试系统用于构建尿流率计校准装置的方案是可行的。(2)用示波器观察DAC的实际输出电压曲线,用MATLAB软件拟合出理论的电压输出曲线,观察可知DAC的实际和理论输出电压曲线形态一致,曲线持续时间相等,最高点电压相等,达最高电压点时对应时间相等,故DAC的理论输出电压曲线与实际输出电压曲线具有一致性。(3)由实验结果可知,实际的流率输出曲线与理论曲线变化趋势一致,经过多次重复测量,实际最大尿流率和排尿量与理论值相近,最大尿流率的最大误差为0.40%,排尿量的最大误差为0.90%,均不超过1%的误差范围,说明曲线设计合理,校准装置可稳定输出该变化形式的水流。(4)由实验结果可知,由于校准装置出水口的落点、高度对尿流率计称重系统的冲击、尿流率计检测到尿流开始存在延迟等各种因素影响,使得尿流时间、达峰时间以及平均流率不可控,存在误差偏大现象。但本文设计的模拟人体排尿过程的校准方法可以检测出尿流率的变化规律,并对尿流率曲线中最具参考价值的最大尿流率以及排尿量进行校准,说明校准方法与装置达到了设计要求。通过对尿流率计的最大尿流率和排尿量进行测量并判断误差范围,可知LABORIE尿流率计处于质量失控状态,MMS尿流率计性能良好,能通过有效的技术依据判断尿流率计的应用质量,系统稳定可靠。研究不足与展望首先系统的集成度还不够高,体积笨重,不易搬动。特别是齿轮泵部分,为了防止电机在运转过程中由于振动对校准实验产生影响,将电机固定在一块厚重的电木板上,使得校准装置整体不易搬动,装置的便携性有待提高。其次由于时间仓促以及实验条件所限,装置的校准实验只涉及到了称重式尿流率计,在后续实验中应该扩大实验的范围,进一步提高装置的适用性。第三,设计的校准装置采用了PC机,数据分析采用了MATLAB方式,在实际使用中有些过于笨重,在后续开发中可以直接采用嵌入式系统方式来实现,从而提高装置的适用性。第四,校准装置中齿轮泵输出的流量没有经过任何处理,可能会有脉动等现象,对实验结果产生一定的影响,故后期需对校准装置出水口进行稳压处理。
【关键词】：尿流率计 尿流率曲线 最大尿流率 尿流量 校准
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-18
• 第1章 绪论18-24
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 尿流率检查19
• 1.3 尿流率曲线意义19-21
• 1.4 研究现状21-22
• 1.5 尿动力分析仪的校准22-23
• 1.6 论文结构安排23-24
• 第2章 研究方案的设计与可行性分析24-34
• 2.1 研究方案的设计24-28
• 2.1.1 校准装置的技术要求24-25
• 2.1.2 校准装置的方案设计25-27
• 2.1.3 测试实验与方案的联系27-28
• 2.2 验证方案的测试系统28-29
• 2.3 实验方法29-30
• 2.3.1 转速稳定性实验29
• 2.3.2 转速重复性实验29-30
• 2.3.3 控制电压与基准转速关系实验30
• 2.4 实验结果与分析30-33
• 2.4.1 转速稳定性实验结果与分析30-32
• 2.4.2 转速重复性实验结果与分析32
• 2.4.3 电机控制电压与基准转速关系实验结果与分析32-33
• 2.4.4 结论33
• 本章小结33-34
• 第3章 尿流率计校准装置的硬件设计34-43
• 3.1 DSP芯片的选择与介绍35-36
• 3.2 流量产生模块36-38
• 3.3 转速控制模块38-40
• 3.4 数据传输模块40-41
• 3.5 电源模块41-42
• 本章小结42-43
• 第4章 目标尿流率曲线的设计与输出43-51
• 4.1 目标尿流率曲线的设计43-44
• 4.2 目标尿流率曲线的输出44-50
• 4.2.1 目标电压曲线的输出实验44-48
• 4.2.2 目标尿流率曲线输出实验48-50
• 本章小结50-51
• 第5章 尿流率计校准装置的软件设计51-56
• 5.1 CCS软件平台51-55
• 5.1.1 脉冲采集模块52
• 5.1.2 DAC输出电压模块52-53
• 5.1.3 计算处理模块53-54
• 5.1.4 串口通讯模块54-55
• 5.2 PC端的数据分析模块55
• 本章小结55-56
• 第6章 校准实验与结果分析56-68
• 6.1 校准实验56-59
• 6.1.1 直线校准实验过程58
• 6.1.2 曲线校准实验过程58
• 6.1.3 流量校准系数58-59
• 6.2 LABORIE尿流率计实验结果与分析59-64
• 6.2.1 LABORIE尿流率计直线校准结果与分析59-62
• 6.2.2 LABORIE尿流率计曲线校准结果与分析62-64
• 6.3 MMS尿流率计实验结果与分析64-67
• 6.3.1 MMS尿流率计直线校准结果与分析64-65
• 6.3.2 MMS尿流率计曲线校准结果与分析65-67
• 6.4 实验结论67-68
• 第7章 课题总结与展望68-70
• 7.1 工作总结68-69
• 7.2 工作不足与展望69-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间学术成果情况75-76
• 致谢76-77

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