尿流率计质量失控会对临床应用造成隐患, 现提出一种基于数字信号处理器(DSP)和齿轮泵的尿流率计校准装置的设计方案并研究其可行性。根据研究方案, 由DSP和齿轮泵等器件构建流量测试系统并进行实验, 分析系统的稳定性、重复性和线性度。测试实验结果表明, 该系统可产生稳定的、重复测量精度高、不同速率的水流, 同时可校准具有临床意义的9~50 mL/s范围内的尿流率, 系统流量误差小于1%, 符合校准装置的技术要求, 说明基于DSP和齿轮泵的尿流率计校准装置的研究方案是可行的。
引用本文： 袁青, 姬军, 高佳硕, 王莉新, 肖宏. 基于数字信号处理器和齿轮泵的尿流率计校准装置的可行性研究. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(4): 707-711. doi: 10.7507/1001-5515.20160116 复制
0 引言
尿流率是单位时间内经尿道排出的尿量，其物理量单位通常用mL/s表示。尿流率的测定是泌尿外科对排尿功能障碍疾病使用最广泛、极具应用价值的筛查手段[1-2]，是中华医学会泌尿外科分会推荐的良性前列腺增生(benign prostatic hyperplasia, BPH)必备检查项目，常用于下尿路梗阻患者的初步检测[1, 3]。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。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，造成严重的医疗后果，开展尿流率计校准研究显得尤为急迫和重要。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[4-6]，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[7]。因此对尿流率计进行定期校准是获得准确尿动力学结果的重要保证，研究适用于尿流率计的校准装置，能通过有效的技术依据判断尿流率计的应用质量，将校准建立在专业计量器具和定量检测的基础上，具有重要的临床应用价值。
1 校准装置的研究方案
1.1 校准原理
尿流率的测定过程非常简单，当患者出现排尿感时对准尿流率计上的集尿容器排尿，测量装置就会不断检测尿量的增加并计算出瞬时对应的尿流率，从而输出尿流率曲线。
校准装置对尿流率计进行校准的原理框图如图 1所示，根据人体尿流设计一条流量曲线，让水流入校准装置并使之精确输出符合尿流变化规律的水流，将该形态的水流作为尿流率计的输入，比较输出的尿流率曲线和设计的流量曲线之间的差异，从而对尿流率计进行校准。
图1
校准装置的原理框图
Figure1.
Functional block diagram of the calibration device
校准装置采用的流体是水，而尿流率计是通过单位时间内尿液的重量计算对应的尿流率，尿液与水的密度不一致，会对测量结果造成影响，故需对校准装置输出的流量进行校正补偿。
设水的密度为ρ1，尿液的密度为ρ2，令ρ2/ρ1=k，流量补偿因子为C。尿比重是指在4 ℃时尿液与同体积纯水重量之比，可表示为尿液与水的相对密度k，若尿比重是一固定常数，则流量补偿因子C=1/k。单位时间内校准装置输出流率Q1时，输出水的体积为V，对应水的质量为m；此时流入尿流率计水的体积也为V，尿流率计测量所得重量也为m，流率测量值为Q2，则有：
| $ Q1 = V;Q2 = m/\rho 2 = \rho 1 \cdot V/\rho 2 = 1/k \cdot V $ |
人体尿比重的参考范围是1.003～1.030，将流率Q1乘以补偿因子C后与Q2计算流率的误差，经计算发现当C=1/1.016 5时，流率误差小，使用水作为检测介质带来的误差最大为1.33%，小于GUP以及指南中尿流信号的最大误差5%，能满足临床尿流率检测精度的要求。
1.2 方案设计
在尿流率测定中，尿流率曲线主要包括最大尿流率、平均尿流率、排尿量等信息。其中最大尿流率作为判断下尿路梗阻的可靠指标，是尿流率曲线中最具价值的报告值，当其小于10 mL/s时提示膀胱出口梗阻[8-9]。指南建议尿流率的测量范围是0～50 mL/s，不同性别、年龄测试者在最小排量时最大尿流率下限的最小值为9 mL/s，结合临床判断病变的最大尿流率的参考值，将尿流率的校准范围设置为9～50 mL/s。同时指南指出尿流率分辨率最高为0.5 mL/s, 则校准装置的误差应小于1%。
方案拟以数字信号处理器(digital signal processor，DSP)为核心, 由数字模拟转换器(digital to analog converter, DAC)、电机、齿轮泵等器件构成流量校准装置，系统框图如图 2所示。在DSP控制下，DAC输出高精度电压驱动电机转动，由于齿轮泵每转一圈泵出液体体积恒定，通过改变电机的转速以改变齿轮泵输出的流量，使装置能够根据设定流量输出高精度稳定流量的水流。
图2
系统框图
Figure2.
Block diagram of system
方案选用意大利Fluid-o-Tech公司的FG213齿轮泵一体机，它集成了直流无刷电机、齿轮泵和控制器，精度高、可靠性强，常用于计量流体。齿轮泵每转泵出液体体积经计量为0.9 mL，则校准装置输出的流量Q与电机转速S的关系式为：
| $ Q = S \times 0.9/60 $ |
电机控制电压U与转速S线性对应，存在如下关系：
| $ U = 1/1000 \times S = 60/1000 \times S1 $ |
式中Q单位为mL/s，S为每分钟转速(revolutions per minute，RPM)，S1为每秒转速(r/s)。电压为0.3～5 V时，转速为300～5 000 RPM，只需提供电源电压与控制电压即可驱动齿轮泵高精度运转，并反馈输出脉冲信号以计算电机转速。系统产生50 mL/s的流量时，理论转速为3 333 RPM，对应电压为3.33 V，在包含最大流量对应电压的基础上选择0.3～3.5 V的电压范围进行测试，此时理论流率为4.5～52.5 mL/s。
尿流率计的最高分辨率为0.5 mL/s，要求齿轮泵每秒的转速为：(0.5÷0.9) r/s=(5/9) r/s
如式(3)所示，所给电机控制电压的精度u为:
| $ u = \left( {60/1000} \right) \times \left( {5/9} \right)V = 1/30V = 0.03V $ |
故选择电压精度高于0.03 V的DAC对电机电压进行控制。DAC采用Analog Devices公司的AD5060，它是一款低功耗，单通道16位缓存电压输出DAC，电压精度约为1 mV，可输出0～4.096 V的精确电压，满足0.3～3.5 V的控制电压范围。选用的OMAPL138为Texas Instruments公司浮、定点兼容DSP，主频可达456 MHz，为高精度浮点运算的实时处理提供了保证，具有丰富的外设资源，能满足系统对数据采集精度、传输时效性以及处理能力的需求[12]。
1.3 方案可行性分析
校准装置产生稳定的、重复测量精度高、不同速率水流的可行性包括以下三个方面：①校准装置能输出稳定的流量，由于系统产生的流量与电机转速成正比，则同一控制电压下电机对应转速相同。②校准装置具有良好的重复性，同一电压下，重复测量多次，电机对应转速值无明显差异。③控制电压与转速成正比，转速与系统流量成正比，改变控制电压即可改变系统输出流量的值。
2 实验
由DSP、DAC、齿轮泵一体机、上位机等构建流量测试系统，上位机通过串口将控制电压发送至DSP，在DSP控制下，DAC输出高精度电压至电机，驱动齿轮泵带动水流运转，然后DSP检测电机反馈脉冲信号并计算其转速，最后通过串口将数据实时传送至上位机[10-13]。根据实验结果是否满足校准装置的技术要求，判断方案的可行性。
2.1 稳定性实验
让电机在不同电压下稳定工作，拟合电机的时间-转速曲线，依次计算电机稳定后的平均转速、转速的极差、标准差等参数，分析不同电压下电机对应转速的稳定性，研究装置的稳定性。
2.2 重复性实验
参照《JJF-1033-2008计量标准考核规范》中的重复性测量实验，在相同条件下，对电机转速进行10次独立重复测量，然后计算10次结果的平均值以及平均值与各次结果的最大偏差，分析各次测量结果是否具有明显差异，研究装置的重复性。
2.3 控制电压与流量关系实验
测量0.3～3.5 V范围内电机对应的转速值，重复测量5次并取平均值，然后分析控制电压与流量的关系。
3 实验结果与分析
3.1 稳定性实验结果与分析
如图 3所示，为电机的时间-转速图，横轴表示时间，纵轴表示转速。
图3
电机的时间-转速曲线图
Figure3.
Time-speed diagram of motor
实验中将电机转速趋于稳定前的时间段定义为变化态，稳定后的时间段定义为稳态。各控制电压对应的时间-转速曲线如图 3所示，不同电压下，电机从启动到转速趋于稳定的曲线具有相似的变化规律，可分为变化态和稳态两部分。随着电压的增加，对应的转速也随之增加。由3.0 V电压对应的时间-转速曲线可知，电机在3.0 V电压下，经加速后转速趋于稳定。
各电压对应流率下，电机进入稳态后实时转速的平均值、极差、标准差以及实时转速与平均转速的最大偏差如表 1所示。
表1
各电压对应流率下平均转速值、极差、标准差以及最大偏差
Table1.
Average speed value, range, standard deviation and maximum deviation corresponding to the flow of each voltage
由于系统产生的流量与转速成正比，故流量的误差即为转速的误差。如表 1所示，随着电压的增大，电机进入稳态后实时转速的极差、标准差会逐渐增大，控制电压为3.5 V时达到最大，此时转速偏离平均值的程度最大。3.5 V时实时转速的最大偏差小于1%，说明方案误差小于1%，故可用平均转速作为各电压对应的转速值，同一电压下，电机对应转速值相同，系统输出流量是稳定的。
3.2 重复性实验结果与分析
不同电压下重复测量转速的结果如表 2所示，随着电压的增加，平均转速也随之增长，不同电压下重复测量对应转速的平均值与各次测量值之间最大误差的变化是非线性的。在本次实验中，当电压为3.0 V时，得到最大误差0.068%，远小于转速的最大误差1%，说明在相同电压下，重复测量多次，电机对应转速值无明显差异，系统输出流量无明显差异，重复性好。
表2
不同电压下重复测量结果
Table2.
Repeated measurement results under different voltages
3.3 控制电压与流量关系实验结果与分析
电机控制电压与对应转速的拟合曲线如图 4所示。
图4
控制电压与对应转速的拟合直线
Figure4.
Fitting line between control voltage and reference speed of the motor
电机控制电压与对应转速的拟合直线为：
| $ S = 1016 \times U + 3.604 $ |
式中S为电机的转速(单位：RPM)，U为对应的控制电压(单位：V)。其中误差平方和为140.4，均方根为2.128，确定系数(表示纵轴变量对横轴变量的解释能力)为1，说明拟合直线的拟合度高，电机的控制电压与转速存在一一对应的线性关系。
将式(5)代入式(2)可得装置输出流量与电机控制电压关系为：
| $ Q = 15.24 \times U + 0.05406 $ |
系统流量与电压的线性关系如图 5所示。
图5
系统流量与控制电压的拟合直线
Figure5.
Fitting line between control voltage and system flow
如图 5所示，测试系统通过设置不同的控制电压可产生不同速率的水流。将电压上下限代入式(6)得实际流率范围为4.63～53.39 mL/s，乘以校准因子后流率范围变为4.55～52.52 mL/s，可校准9～50 mL/s范围内的尿流率。每组测量值与拟合直线误差小，最大偏差为0.75%，同时也说明系统具有良好的稳定性与重复性，可以保证系统稳定工作在要求范围内。
4 结论
本文研究设计的测试系统可产生稳定的、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9～50 mL/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。本文为尿流率计的校准研究提供了一种新思路和解决办法，具有一定的临床与实践意义。
0 引言
尿流率是单位时间内经尿道排出的尿量，其物理量单位通常用mL/s表示。尿流率的测定是泌尿外科对排尿功能障碍疾病使用最广泛、极具应用价值的筛查手段[1-2]，是中华医学会泌尿外科分会推荐的良性前列腺增生(benign prostatic hyperplasia, BPH)必备检查项目，常用于下尿路梗阻患者的初步检测[1, 3]。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。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，造成严重的医疗后果，开展尿流率计校准研究显得尤为急迫和重要。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[4-6]，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[7]。因此对尿流率计进行定期校准是获得准确尿动力学结果的重要保证，研究适用于尿流率计的校准装置，能通过有效的技术依据判断尿流率计的应用质量，将校准建立在专业计量器具和定量检测的基础上，具有重要的临床应用价值。
1 校准装置的研究方案
1.1 校准原理
尿流率的测定过程非常简单，当患者出现排尿感时对准尿流率计上的集尿容器排尿，测量装置就会不断检测尿量的增加并计算出瞬时对应的尿流率，从而输出尿流率曲线。
校准装置对尿流率计进行校准的原理框图如图 1所示，根据人体尿流设计一条流量曲线，让水流入校准装置并使之精确输出符合尿流变化规律的水流，将该形态的水流作为尿流率计的输入，比较输出的尿流率曲线和设计的流量曲线之间的差异，从而对尿流率计进行校准。
图1
校准装置的原理框图
Figure1.
Functional block diagram of the calibration device
校准装置采用的流体是水，而尿流率计是通过单位时间内尿液的重量计算对应的尿流率，尿液与水的密度不一致，会对测量结果造成影响，故需对校准装置输出的流量进行校正补偿。
设水的密度为ρ1，尿液的密度为ρ2，令ρ2/ρ1=k，流量补偿因子为C。尿比重是指在4 ℃时尿液与同体积纯水重量之比，可表示为尿液与水的相对密度k，若尿比重是一固定常数，则流量补偿因子C=1/k。单位时间内校准装置输出流率Q1时，输出水的体积为V，对应水的质量为m；此时流入尿流率计水的体积也为V，尿流率计测量所得重量也为m，流率测量值为Q2，则有：
| $ Q1 = V;Q2 = m/\rho 2 = \rho 1 \cdot V/\rho 2 = 1/k \cdot V $ |
人体尿比重的参考范围是1.003～1.030，将流率Q1乘以补偿因子C后与Q2计算流率的误差，经计算发现当C=1/1.016 5时，流率误差小，使用水作为检测介质带来的误差最大为1.33%，小于GUP以及指南中尿流信号的最大误差5%，能满足临床尿流率检测精度的要求。
1.2 方案设计
在尿流率测定中，尿流率曲线主要包括最大尿流率、平均尿流率、排尿量等信息。其中最大尿流率作为判断下尿路梗阻的可靠指标，是尿流率曲线中最具价值的报告值，当其小于10 mL/s时提示膀胱出口梗阻[8-9]。指南建议尿流率的测量范围是0～50 mL/s，不同性别、年龄测试者在最小排量时最大尿流率下限的最小值为9 mL/s，结合临床判断病变的最大尿流率的参考值，将尿流率的校准范围设置为9～50 mL/s。同时指南指出尿流率分辨率最高为0.5 mL/s, 则校准装置的误差应小于1%。
方案拟以数字信号处理器(digital signal processor，DSP)为核心, 由数字模拟转换器(digital to analog converter, DAC)、电机、齿轮泵等器件构成流量校准装置，系统框图如图 2所示。在DSP控制下，DAC输出高精度电压驱动电机转动，由于齿轮泵每转一圈泵出液体体积恒定，通过改变电机的转速以改变齿轮泵输出的流量，使装置能够根据设定流量输出高精度稳定流量的水流。
图2
系统框图
Figure2.
Block diagram of system
方案选用意大利Fluid-o-Tech公司的FG213齿轮泵一体机，它集成了直流无刷电机、齿轮泵和控制器，精度高、可靠性强，常用于计量流体。齿轮泵每转泵出液体体积经计量为0.9 mL，则校准装置输出的流量Q与电机转速S的关系式为：
| $ Q = S \times 0.9/60 $ |
电机控制电压U与转速S线性对应，存在如下关系：
| $ U = 1/1000 \times S = 60/1000 \times S1 $ |
式中Q单位为mL/s，S为每分钟转速(revolutions per minute，RPM)，S1为每秒转速(r/s)。电压为0.3～5 V时，转速为300～5 000 RPM，只需提供电源电压与控制电压即可驱动齿轮泵高精度运转，并反馈输出脉冲信号以计算电机转速。系统产生50 mL/s的流量时，理论转速为3 333 RPM，对应电压为3.33 V，在包含最大流量对应电压的基础上选择0.3～3.5 V的电压范围进行测试，此时理论流率为4.5～52.5 mL/s。
尿流率计的最高分辨率为0.5 mL/s，要求齿轮泵每秒的转速为：(0.5÷0.9) r/s=(5/9) r/s
如式(3)所示，所给电机控制电压的精度u为:
| $ u = \left( {60/1000} \right) \times \left( {5/9} \right)V = 1/30V = 0.03V $ |
故选择电压精度高于0.03 V的DAC对电机电压进行控制。DAC采用Analog Devices公司的AD5060，它是一款低功耗，单通道16位缓存电压输出DAC，电压精度约为1 mV，可输出0～4.096 V的精确电压，满足0.3～3.5 V的控制电压范围。选用的OMAPL138为Texas Instruments公司浮、定点兼容DSP，主频可达456 MHz，为高精度浮点运算的实时处理提供了保证，具有丰富的外设资源，能满足系统对数据采集精度、传输时效性以及处理能力的需求[12]。
1.3 方案可行性分析
校准装置产生稳定的、重复测量精度高、不同速率水流的可行性包括以下三个方面：①校准装置能输出稳定的流量，由于系统产生的流量与电机转速成正比，则同一控制电压下电机对应转速相同。②校准装置具有良好的重复性，同一电压下，重复测量多次，电机对应转速值无明显差异。③控制电压与转速成正比，转速与系统流量成正比，改变控制电压即可改变系统输出流量的值。
2 实验
由DSP、DAC、齿轮泵一体机、上位机等构建流量测试系统，上位机通过串口将控制电压发送至DSP，在DSP控制下，DAC输出高精度电压至电机，驱动齿轮泵带动水流运转，然后DSP检测电机反馈脉冲信号并计算其转速，最后通过串口将数据实时传送至上位机[10-13]。根据实验结果是否满足校准装置的技术要求，判断方案的可行性。
2.1 稳定性实验
让电机在不同电压下稳定工作，拟合电机的时间-转速曲线，依次计算电机稳定后的平均转速、转速的极差、标准差等参数，分析不同电压下电机对应转速的稳定性，研究装置的稳定性。
2.2 重复性实验
参照《JJF-1033-2008计量标准考核规范》中的重复性测量实验，在相同条件下，对电机转速进行10次独立重复测量，然后计算10次结果的平均值以及平均值与各次结果的最大偏差，分析各次测量结果是否具有明显差异，研究装置的重复性。
2.3 控制电压与流量关系实验
测量0.3～3.5 V范围内电机对应的转速值，重复测量5次并取平均值，然后分析控制电压与流量的关系。
3 实验结果与分析
3.1 稳定性实验结果与分析
如图 3所示，为电机的时间-转速图，横轴表示时间，纵轴表示转速。
图3
电机的时间-转速曲线图
Figure3.
Time-speed diagram of motor
实验中将电机转速趋于稳定前的时间段定义为变化态，稳定后的时间段定义为稳态。各控制电压对应的时间-转速曲线如图 3所示，不同电压下，电机从启动到转速趋于稳定的曲线具有相似的变化规律，可分为变化态和稳态两部分。随着电压的增加，对应的转速也随之增加。由3.0 V电压对应的时间-转速曲线可知，电机在3.0 V电压下，经加速后转速趋于稳定。
各电压对应流率下，电机进入稳态后实时转速的平均值、极差、标准差以及实时转速与平均转速的最大偏差如表 1所示。
表1
各电压对应流率下平均转速值、极差、标准差以及最大偏差
Table1.
Average speed value, range, standard deviation and maximum deviation corresponding to the flow of each voltage
由于系统产生的流量与转速成正比，故流量的误差即为转速的误差。如表 1所示，随着电压的增大，电机进入稳态后实时转速的极差、标准差会逐渐增大，控制电压为3.5 V时达到最大，此时转速偏离平均值的程度最大。3.5 V时实时转速的最大偏差小于1%，说明方案误差小于1%，故可用平均转速作为各电压对应的转速值，同一电压下，电机对应转速值相同，系统输出流量是稳定的。
3.2 重复性实验结果与分析
不同电压下重复测量转速的结果如表 2所示，随着电压的增加，平均转速也随之增长，不同电压下重复测量对应转速的平均值与各次测量值之间最大误差的变化是非线性的。在本次实验中，当电压为3.0 V时，得到最大误差0.068%，远小于转速的最大误差1%，说明在相同电压下，重复测量多次，电机对应转速值无明显差异，系统输出流量无明显差异，重复性好。
表2
不同电压下重复测量结果
Table2.
Repeated measurement results under different voltages
3.3 控制电压与流量关系实验结果与分析
电机控制电压与对应转速的拟合曲线如图 4所示。
图4
控制电压与对应转速的拟合直线
Figure4.
Fitting line between control voltage and reference speed of the motor
电机控制电压与对应转速的拟合直线为：
| $ S = 1016 \times U + 3.604 $ |
式中S为电机的转速(单位：RPM)，U为对应的控制电压(单位：V)。其中误差平方和为140.4，均方根为2.128，确定系数(表示纵轴变量对横轴变量的解释能力)为1，说明拟合直线的拟合度高，电机的控制电压与转速存在一一对应的线性关系。
将式(5)代入式(2)可得装置输出流量与电机控制电压关系为：
| $ Q = 15.24 \times U + 0.05406 $ |
系统流量与电压的线性关系如图 5所示。
图5
系统流量与控制电压的拟合直线
Figure5.
Fitting line between control voltage and system flow
如图 5所示，测试系统通过设置不同的控制电压可产生不同速率的水流。将电压上下限代入式(6)得实际流率范围为4.63～53.39 mL/s，乘以校准因子后流率范围变为4.55～52.52 mL/s，可校准9～50 mL/s范围内的尿流率。每组测量值与拟合直线误差小，最大偏差为0.75%，同时也说明系统具有良好的稳定性与重复性，可以保证系统稳定工作在要求范围内。
4 结论
本文研究设计的测试系统可产生稳定的、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9～50 mL/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。本文为尿流率计的校准研究提供了一种新思路和解决办法，具有一定的临床与实践意义。
