持续膀胱冲洗自动化传感器的标定*_自动化应用杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部|论文发表

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持续膀胱冲洗自动化传感器的标定*

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摘要：

丁爱明,女,(1970- ),本科学历，副主任护师。南通市第一人民医院外科，从事外科临床护理及护理管理工作。 DOI∶ 10.3969/ [First-author’s address] The Second Affiliated Hospital of Nantong University, Nantong , China. 前列腺增生是老年男性中的常见病，经尿道前列腺电切术是目前治疗良性前列腺增生症的最主要措施[1]。术中出血是前列腺切除术较常见、也是最严重的并发症之一，术后常规持续膀胱冲洗用于稀释引流出膀胱内的血液，避免在膀胱内形成血凝块后堵塞导尿管而诱发膀胱痉挛[2-4]。膀胱冲洗的效果直接影响患者的术后康复，快速膀胱冲洗能够提高冲洗效果，冲洗相对彻底。但冲洗速度过快，可刺激膀胱交感神经兴奋，使儿茶酚胺类物质释放增多，造成心率加快、血压升高及呼吸加速，同时还可刺激膀胱逼尿肌，引起膀胱痉挛，速度越快，膀胱痉挛的发生率也越高，甚至加重膀胱出血，而且易造成低体温和医疗资源的浪费[5]。但慢速冲洗的效果相对较差，速度过慢，达不到冲洗的目的，血液易凝固成块堵塞引流管，造成膀胱充盈和刺激膀胱收缩导致痉挛[6-7]。而膀胱痉挛又加重出血，两者互为因果关系，形成恶性循环[8]。为此，本研究自行设计出数字化自动膀胱冲洗控制系统，可根据检测到的引流液的颜色变化自动调节冲洗速度。 1　数字化自动膀胱冲洗控制系统数字化自动膀胱冲洗系统由引流液颜色检测模块、冲洗液速度调节模块及计算机微处理器3部分组成。数字化自动膀胱冲洗控制系统结构如图1所示。图1　数字化自动膀胱冲洗系统结构图 1.1　引流液的颜色检测模块引流液颜色检测模块由光和(或)频率传感器以及光源组成，一个全光谱白色发光二极管(light emitting diode，LED)发出一组白光照射在比色皿上，此时光和(或)频率传感器得到的是随引流液颜色变化的红绿蓝(RGB)数字量。计算机微处理器根据颜色的数字量控制电子调节装置中的步进电机来调节冲洗的速度，达到自动膀胱冲洗之目的。 1.2　冲洗液速度调节模块冲洗液速度调节模块是由调节阀、步进电机和冲洗液速度传感器组成，计算机微处理器根据光和(或)频率传感器得到的颜色数字量自动计算出冲洗速度与冲洗液速度传感器得到的速度进行比较，然后启动调节阀和步进电机重新调节冲洗液速度。数字化自动膀胱冲洗系统是自动控制系统，自动控制是在无人直接参与的情况下采用控制装置使被控对象的某些物理量在一定精度范围内按照给定的运行规律变化。自动控制系统的基本结构是由输入比较环节、控制器、执行器、控制对象及测量变送5个部分组成。膀胱冲洗系统自动控制管道内的冲洗液(被控对象)的流动速度(被控量)在一个合适的数值上，显然对膀胱冲洗的速度的要求(控制量的大小)如何确定是本系统的关键，后续的流速自动控制部分则是为了保证冲洗速度达到控制要求，保持系统稳定(如图2所示)。图2　自动控制系统原理框图 2　持续膀胱冲洗控制量的确定膀胱冲洗速度的控制量是本系统的关键，也是本研究的重点——彩色光和(或)频率传感器测量值与膀胱冲洗速度的标定。 2.1　彩色光和(或)频率传感器原理数字化彩色光和(或)频率传感器内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流和(或)频率转换器，输出为占空比50%的方波，且输出频率与光强度成线性关系。可编程彩色光和(或)频率转换器将红、绿和蓝滤波器集成在单芯片上，因此无需ADC就可实现每彩色信道10位以上的分辨率。芯片内含一个交叉连接的8×8光电二极管阵列，其中每16个二极管提供一种色彩类型，共有红、蓝、绿和清除全部光信息4种类型，可最大限度地降低入射光幅射的不均匀性。所有同颜色的16个光电二极管都是并联连接。当选定一个颜色滤波器时，只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，可得到红色光的光强；同理，选择其他的滤波器，可得到蓝色光和绿色光的光强，通过其3个值可分析投射到传感器上的光的颜色。工作时通过可编程的引脚来动态选择色彩，本系统选择红色滤波器。彩色光和(或)频率转换器直接输出投射在转换器上光的红色成份数字量，能够克服模拟方法的各种累计误差，增加精确度和简化光学电路。 2.2　传感器的标定以传感器输出的红色成份数字量为输入x，要求的冲洗速度为输出y对传感器进行标定，即确定该输入与输出之间数学关系y=f(x)(如图3所示)。临床上的实践以及田仁娣等[9]制作引流液比色卡的使用方法表明，上述y=f(x)关系或多或少地存在非线性问题。通常的关系曲线如图3中的红色线所示，可用多项式代数方程表示(公式1)：式中y为输出量；x为输入量；a0为零点输出；a1为理论灵敏度；a2、a3、…、an为非线性项系数。各项系数不同，决定了曲线的具体形式。图3　传感器标定输入输出关系图在实际使用中为了标定和数据处理方便，希望得到线性关系，在非线性的方次不高、输入量变化范围较小时，可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段。使传感器标定线性化，所采用的直线称为拟合直线，如图3中的蓝色线，其多项式代数方程表示为(公式2)：本研究采用二点定标法，即先找到引流液颜色的红色成份的数字量的最大值Xmax，此Xmax对应最大滴速为Y2(如140滴/min)，Xmax即为X2[9]。同理，找到红色成份的数字量的最小值Xmin，其对应的最小滴速为Y1(如30滴／min)，Xmin即为X1。可求出直线方程(公式3)：式中K为y=a0+a1x中的a1。同时，可用以下方法求出直线方程y=a0+a1x的a0和a1(公式4、公式5)：将(4)式减(5)式可求出a1，a0可用a1代入求出。得到了直线方程，下面的冲洗速度完全由电脑自动控制，滴速可以根据引流液颜色的红色成份的数字量自动调节，其范围从Y1-Y2步进变化[10]。值得指出的是，不同的患者临床上Y1、Y2值是存在差异的，为此在实际使用中可通过人机界面设置这两个数值，从而实现了针对实际病情，灵活施疗的目的。 3　讨论在临床中根据引流液的颜色主观判断调节控制冲洗的速度，随意性大，操作的同质性差，在冲洗的效果及并发症的预防上差异性明显[11]。田仁娣等[9]制作引流液比色卡，为医护人员判断冲洗引流液的颜色作了初步探索，但并未完全排除主观因素，仍需医护人员频繁巡视。本系统可适时有效地控制速度，最大程度的减少膀胱冲洗并发症的发生，同时可以减少医护人员的工作量[12]。通过对彩色光和(或)频率传感器测量值与膀胱冲洗速度的标定——根据引流液的颜色，自动判断出血量，然后确定冲洗速度，借助于微处理器—步进电机组成的流速自动控制环节[13]。本研究给出的数字化自动膀胱冲洗系统实现了持续监测膀胱冲洗自动化，是利用现代检测技术与临床结合的成功范例，利用非接触检测技术(光电技术)，有效地揭示出膀胱冲洗过程中的有关物理量(引流液中血液成份)，替代肉眼观察判断有否出血现象，并据此自动调节冲洗速度。自动膀胱冲洗系统可对早期出血现象进行识别并报警，减少膀胱痉挛、堵管的发生率，避免不良事件的发生；同时可缩短护士的护理时间，节约人力资源，降低医疗费用。该系统操作方便，可将护士从频繁的巡视工作中解放出来[14-15]。 4　结语目前，该技术已获得中国发明专利授权，并在南通市第一人民医院临床上得到应用，实现了将颜色由过去凭经验、主观判断调节的定性管理变为定量，实现了颜色数字化、速度标准化控制的科学管理，获得了医护人员、病员及家属的好评，值得临床推广应用。