劉能鋒,龔科瑜,潘雅楠

　?。ü枮I工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055）

        摘要：目前臨床上對無法自主排尿病人的排尿護(hù)理通常采用間歇性導(dǎo)尿技術(shù)，該方法對醫(yī)護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高，且無法進(jìn)行排尿訓(xùn)練，護(hù)理不當(dāng)容易造成并發(fā)感染，影響患者康復(fù)。為了能更好地幫助病人進(jìn)行輔助排尿，設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制算法的排尿輔助護(hù)理儀，最后通過膀胱模擬實(shí)驗(yàn)裝置證明其控制效果。

　　關(guān)鍵詞：排尿輔助護(hù)理儀；殘余尿液控制；模擬膀胱實(shí)驗(yàn)

　　中圖分類號：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.028

　　引用格式：劉能鋒,龔科瑜,潘雅楠.一種排尿輔助護(hù)理儀設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（2）：93-95.

0引言

　　在臨床上，間歇導(dǎo)尿技術(shù)是治療脊髓損傷后幫助患者解決排尿功能障礙的一種有效措施。目前該技術(shù)主要由護(hù)理人員手動(dòng)操作，不僅工作量大，而且在間歇時(shí)間把握上往往要依靠經(jīng)驗(yàn)，對排尿情況無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄，操作過程掌握不當(dāng)容易引起病人尿路感染造成損傷，甚至?xí)?dǎo)致患者腎功能出現(xiàn)障礙。因此設(shè)計(jì)一種能自動(dòng)監(jiān)測膀胱尿量并進(jìn)行排尿的護(hù)理儀對該類患者的護(hù)理尤為重要［1］。

1設(shè)計(jì)方案

　　1.1設(shè)計(jì)要求

　　排尿輔助護(hù)理儀設(shè)計(jì)要求如下：

　?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測患者膀胱尿量，并按照設(shè)定要求進(jìn)行排尿；

　?。?）具備體位變化、呼吸周期、咳嗽等偵測功能；

　?。?）有必要的人機(jī)交互功能；

　?。?）具備一定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，便于醫(yī)生進(jìn)行跟蹤治療。

　　根據(jù)以上要求，排尿輔助護(hù)理儀的基本功能如圖1所示。

　　1.2設(shè)計(jì)方案

　　排尿輔助護(hù)理儀的基本原理是通過壓力傳感器監(jiān)測膀胱內(nèi)壓力，得到的壓力信號經(jīng)過放大電路調(diào)制到合適的電壓范圍，然后傳輸?shù)轿⑻幚砥?，判斷其排尿及排尿時(shí)間，并控制負(fù)壓吸引裝置把膀胱內(nèi)尿液排出體外，使尿液最終排到集尿袋中，護(hù)理儀的基本原理圖如圖2所示。

2關(guān)鍵硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1護(hù)理儀液路設(shè)計(jì)

　　由于要完成排尿功能，排尿輔助護(hù)理儀須合理設(shè)計(jì)液路連接。在排尿輔助護(hù)理儀的液路設(shè)計(jì)中，膀胱內(nèi)的尿液首先通過導(dǎo)尿管，然后通過連接接頭與護(hù)理儀進(jìn)行連接。在護(hù)理儀中設(shè)置有單向閥，單向閥的主要功能是避免在非排尿時(shí)間內(nèi)護(hù)理儀的內(nèi)部環(huán)境對人體的膀胱造成感染。其液路示意圖如圖3所示。

　　2.2負(fù)壓吸引模塊設(shè)計(jì)

　　人體排尿速率通常為5~30 ml/s。如果排尿速率太快會(huì)導(dǎo)致膀胱內(nèi)壓力下降太快，造成血液回流心臟不足，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致暈厥。因此要將負(fù)壓吸引泵的流量控制在合理范圍內(nèi)。本文選擇TIMEKA的TKWP2708作為負(fù)壓泵，該泵為氣液兩用泵，泵的電壓、流量、出水壓都能夠滿足新型排尿輔助護(hù)理儀的要求。在流量控制上，通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制L298N的H橋，從而實(shí)現(xiàn)流速控制。

　　2.3壓力監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

　　壓力監(jiān)測模塊是排尿輔助護(hù)理儀的核心模塊，主要包括了壓力傳感器的選擇與應(yīng)用、AD放大器的選擇與應(yīng)用等內(nèi)容。

　　2.3.1壓力傳感器的選擇與應(yīng)用

　　選擇壓力傳感器時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)［2］：（1）壓力傳感器的應(yīng)用環(huán)境：人體的尿液大多數(shù)是酸性，膀胱內(nèi)溫度小于40℃，同時(shí)要考慮壓力傳感器彈性膜的耐壓極限。（2）壓力傳感器量程：一般人的膀胱內(nèi)儲存尿量的最大值為300～400 mL，此時(shí)膀胱內(nèi)壓力大約增加到5~7 kPa,因此選擇壓力傳感器的最大工作量程應(yīng)與傳感器滿量程接近。（3）壓力傳感器的分辨率：由人體排尿壓為1.3~1.8 kPa，因此傳感器靈敏度至少為0.1 kPa。

　　綜合以上分析選擇應(yīng)用GZP系列壓力傳感器，該傳感器應(yīng)用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)測壓力值，耐腐蝕性。壓力量程為10 kPa，工作溫度為-40~+80℃，輸出典型值為40～70 mV。本文對選取的傳感器進(jìn)行了電壓壓強(qiáng)測試，其曲線圖如圖4所示,根據(jù)曲線圖測試結(jié)果，本文選擇的壓力傳感器的線性度良好，符合使用要求。

　　2.3.2放大器的選擇與應(yīng)用

　　壓力傳感器的輸出電壓范圍為0～70 mV，因此需要設(shè)計(jì)放大電路。這里選用集成單電源儀表放大器AD623，該放大器具有采集功耗比較低、采集數(shù)據(jù)的精度高的特點(diǎn)，護(hù)理儀傳感器和AD623的硬件電路連接圖如圖5所示。最后測試傳感器和AD放大器的線性輸出范圍。

　　2.4核心及其他模塊設(shè)計(jì)

　　MCU核心系統(tǒng)模塊主要是采用ATMEL公司的高性能低功耗ATmega88PA作為主控芯片，使用其中的ADC作為信號采集端口，PWM及I/O作為一些自動(dòng)控制的MCU能夠起到很好的處理作用。ATmega88PA比傳統(tǒng)的89C51單片機(jī)的I/O口的處理功能更加強(qiáng)大，同時(shí)AVR單片機(jī)內(nèi)部集成了最小系統(tǒng)，在使用時(shí)也比51單片機(jī)方便很多［3］。顯示部分，采用LCD1602作為顯示模塊顯示狀態(tài)。

　　為了方便用戶使用手機(jī)等移動(dòng)終端控制護(hù)理儀并實(shí)現(xiàn)信息交互，核心芯片通過串口與藍(lán)牙HC05模塊通信，藍(lán)牙HC-05模塊主控芯片為CSR公司開發(fā)的BC417，支持藍(lán)牙v2.0+EDR，支持全網(wǎng)全速藍(lán)牙操作，核心電壓為1.8 V，I/O電壓為1.8~3.6 V。

3軟件及算法設(shè)計(jì)

　　排尿輔助護(hù)理儀運(yùn)用ICCAVR進(jìn)行編程，并設(shè)計(jì)了模糊控制算法實(shí)現(xiàn)具體功能。

　　3.1壓力數(shù)據(jù)濾波算法

　　根據(jù)前人的研究分析可知人體膀胱內(nèi)壓力變化具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）不穩(wěn)定性：人體的膀胱內(nèi)系統(tǒng)是一個(gè)開放性的系統(tǒng)，其與人體其他部位以及人體外界有著緊密的聯(lián)系，人體的身體狀況變化以及人的精神狀態(tài)的變化都會(huì)使膀胱內(nèi)壓不穩(wěn)定。（2）干擾性：人的體位、腹內(nèi)壓以及逼尿肌收縮等都會(huì)引起膀胱內(nèi)壓的短暫的變化，這些都是影響膀胱內(nèi)壓監(jiān)測的干擾因素。（3）變化緩慢性：人體排尿整個(gè)過程中膀胱內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的速率比較緩慢，受人的飲水、身體狀況等因素影響，從儲尿到排尿的整個(gè)過程基本在2個(gè)小時(shí)以上。為保證采集的膀胱內(nèi)壓力信號數(shù)據(jù)的精確度，樣機(jī)中采用中值位濾波算法與算術(shù)平均濾波算法相結(jié)合的方法，對壓力信號進(jìn)行濾波處理，然后再作為新型排尿輔助護(hù)理儀的輸入，作為判斷排尿過程的主要標(biāo)志之一。采集信號以及濾波的整個(gè)過程如圖6所示。

　　3.2模糊護(hù)理儀設(shè)計(jì)

　　在模糊控制算法中，模糊控制護(hù)理儀是雙輸入單輸出模型，以壓力和壓力變化率為輸入。壓力輸入為呼吸周期的時(shí)間T內(nèi)壓力均值，以此避免由于呼吸頻率引起的壓力波峰到達(dá)排尿壓而出現(xiàn)的誤排尿。同時(shí)采取時(shí)間周期T內(nèi)的壓力波動(dòng)變化的波峰與波谷得到的壓力差的變化率作為護(hù)理儀的另一個(gè)輸入，這樣就可以避免由于人體的體位的變化、咳嗽等瞬間膀胱內(nèi)壓力增大的情況而造成的誤排尿。也就是只有當(dāng)在呼吸頻率周期內(nèi)的平均壓力以及最大的壓力變化率都符合人體膀胱排尿的設(shè)定值并能夠保持若干周期時(shí)才開始進(jìn)行排尿，護(hù)理儀的輸出為負(fù)壓吸引泵的工作時(shí)間t。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示［45］。

4模擬實(shí)驗(yàn)及分析

　　人體膀胱模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要基本原理是利用水管中水柱的高度來表示膀胱內(nèi)壓力及容量。由于人體內(nèi)膀胱壓力是隨著呼吸不斷變化的，因此用擺動(dòng)的水管中水柱高度變化頻率來模擬膀胱內(nèi)壓力隨著呼吸頻率不斷變化的規(guī)律。膀胱模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能完全模擬人體膀胱排尿的整個(gè)過程的生理變化，但是壓力及容量變化規(guī)律基本符合，所以可以較好地驗(yàn)證控制系統(tǒng)的控制效果。

　　在進(jìn)行膀胱模擬實(shí)驗(yàn)中，通過流量控制閥來控制水的流量，當(dāng)護(hù)理儀開始排尿時(shí)，及時(shí)關(guān)閉單向閥，同時(shí)通過鼎陽SHS806示波器來測得實(shí)驗(yàn)過程中壓力變化的數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后通過MATLAB繪出壓力隨時(shí)間變化的曲線，如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)代表膀胱模擬實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)量，縱坐標(biāo)代表的是膀胱模擬實(shí)驗(yàn)中壓力的大小。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，護(hù)理儀可以很好地判斷排尿控制的開始及結(jié)束時(shí)間，能夠達(dá)到既能自主導(dǎo)尿又能把殘余尿量控制到一定范圍的功能。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了新型排尿輔助護(hù)理儀，完成了新型排尿輔助護(hù)理儀的硬件設(shè)計(jì)和模糊算法的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)人體膀胱內(nèi)壓力及容量變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出膀胱模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。設(shè)計(jì)制作了模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了排尿輔助護(hù)理儀在模擬的膀胱設(shè)備環(huán)境下的工作效果。

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