本文提出了一種便攜式尿流率儀數據采集系統的初步設計。該系統采用雙孔懸臂梁式壓力傳感器,采集到的數據經ATmega644PA單片機,實現AD轉換,并對數據進行相關的處理,得到重量—時間的對應關系,以及尿流量和尿流率兩條曲線。在對該設備尿流量測量精度方面,通過Origin 8.0數據分析軟件,對采集過程中落點和高度兩個因素進行分析,以顯示設備測試的準確性。該設計特點是成本低,采集數據速度快,實時性好,精確度高。
引用本文： 蔣耀軍, 葛斌, 嚴榮國, 阮宏宇. 便攜式尿流率儀數據采集與測量精度的研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 69-75. doi: 10.7507/1001-5515.20140014 復制
引言
尿流率是單位時間內排出的尿量，通常以mL/s作為單位。尿流率測定是泌尿外科有關排尿功能障礙的使用最廣泛、極具應用價值的篩查工具[1]，是中華醫學會泌尿外科分會推薦的BPH(Benign Prostate Hyperplasia)的必備檢查項目，具有臨床應用價值，通常用于下尿路梗阻患者的初步檢測[2]。目前市場上常見的尿流率儀產品主要有兩種類型：標準電腦型和便攜式機型。標準電腦型主要用于醫院臨床檢查，傳感器的信號直接由尿杯中送入電腦中進行分析處理，再經串口連接打印機，打印測試報告，盡管功能齊全，檢測精確，但是只能在醫院固定場所內檢測；現有的便攜式機型可以將設備移動到患者處進行檢測，適合家用、下鄉義診等場合，整機可以收縮放置在普通的公文包之中，但是這種機型市場上的產品功能比較單一，只能打印出簡單的測試報告。近年來伴隨著泌尿外科的發展需求以及人口老齡化等諸多因素，傳統的尿流率檢查方法的缺點日益顯現，社區醫療及家庭健康保健也需要更便捷化的檢查設備[3]。
本文所述的便攜式尿流率儀，采用高精度壓力傳感器，采集到的實時數據傳送到ATmega644PA單片機中的AD轉換模塊進行處理，校正后得到重量-時間的對應關系。尿流率測定的主要指標有最大尿流率、平均尿流率、排尿總量和排尿時間等9個指標，經過對尿流率曲線和各項參數的分析，可以對尿路功能障礙做出正確的診斷，并對治療效果做出客觀評價[4]。
1 尿流率儀工作原理及技術要求
目前，從技術層面上，尿流率的測定原理有四種：體積-時間測定法；空氣置換法；轉盤式；重量-時間法。體積-時間測定法是通過一定時間間隔內排出尿液的體積計算尿流率，不能完全反應真正尿流狀態；空氣置換法的原理是使尿液逐步置換容器內的空氣，并通過測量空氣排出速率計算尿流率，由于這種方法對儀器的氣密性有一定的要求，加之所設計便攜式尿流率儀對于便攜性有一定要求，使用環境比較多變，因此數據采集裝置結構不便過于復雜；轉盤式的原理是讓尿液流入一個勻速旋轉的轉盤里，尿液重量增加了轉盤的惰性，為保持轉盤勻速轉動，必須隨著尿流速率的變化而增加電流。通過電流變化計算出尿流率，不適合應用于便攜式尿流率儀設計中；重量-時間法是通過測量收集的尿液重量或測量收集器底部的靜水壓，輸出信號與收集到尿液重量成比例，因而可推算出尿液體積，同時算出隨時間變化的尿流率。此種方法是目前比較常用的一種方法，尿杯結構比較簡單，尿杯下只需固定稱重壓電片傳感器，通過信號放大電路將傳感器信號送至單片機處理即可。部件重量輕，易于攜帶。故本設計采用此種測定方法。
另外，本設計在技術要求上有一定的標準。
(1) 使用單相50 Hz 220 V 交流電源。在儀器插入電源插座前，請檢查使用的電源是否與此相符。否則將損壞儀器或不能正常工作；
(2) 使用保險絲的規格為T100 mA L250 V Φ 520 mm。更換時只能使用相同的規格；
(3) 傳感器只能防止少量液體的溢出。如果進入水中或大量的水沖入，都將損壞傳感器；
(4) 整個儀器不能作消毒滅菌處理，只能使用中性清潔劑對表面做擦抹清潔處理，并需防止水進入儀器內部；
(5) 為保證儀器得到正確的測量結果，儀器需做定期校核；
(6) 儀器使用環境：溫度：10~40 ℃；相對濕度：45%~75%；無腐蝕性氣體。搬移時應小心輕放。長期不使用，應清潔處理后放置在原包裝盒內，貯存在-40~40 ℃、相對濕度≤85%、無腐蝕性氣體的通風良好的室內。
2 硬件平臺
便攜式尿流率儀采用ATmega644PA單片機為主控芯片，由壓力傳感器和信號放大電路組成的數據采集系統、鍵盤輸入和液晶顯示輸出、IIC總線電路、異步串行口通信電路等組成。系統硬件框圖如圖 1所示。
圖1
系統硬件框圖
Figure1.
The flow chart of system hardware
ATmega644PA單片機使用12 M外部晶振，提供設備需要的運算速度。該設備擁有2 K的片內EEPROM以及64 K的片內Flash存儲器，但由于需要存儲患者信息以及測試結果，空間不夠，因此在IIC總線上再外擴三個EEPROM，同時外接一個時鐘芯片，也可以為用戶提供時間顯示信息。顯示屏采用集成了ST7920中文字型點陣驅動控制器的LCD12864液晶屏[5]，能夠通過SPI串行外設接口與單片機進行控制。熱敏打印機和上位機部分都是通過異步串行口進行通信，由于ATmega644PA只提供一對異步串行口引腳，需要通過一個二選一芯片(74HC4053)來進行模式通道選擇。
該尿流率儀輸入部分由一個4×5的矩陣鍵盤完成。電源模塊部分選用的是12 V開關電源，通過LM2576降壓模塊為單片機提供5 V電壓支持，同時12 V直接為傳感器放大電路供電。
ATmega644PA單片機內部集成有一個10位逐次比較ADC電路。因此，使用AVR可以非常方便地處理輸入的模擬信號量。ATmega644PA的ADC與一個8通道模擬多路選擇器連接，能夠對以PortA作為ADC輸入引腳的8路單端模擬輸入電壓進行采樣，輸入通道的選擇由單片機內部ADMUX多工選擇寄存器控制。傳感器的差分電壓轉換為0~5 V電壓，使用ADC0通道(PA0引腳)單路電壓輸入采樣。參考電壓源選擇外部參考電壓(5 V)，在AREF引腳和地之間外加一個0.1 μF的濾波電容以提高參考電壓的抗噪性。在模擬電壓源AVCC與數字電壓源VCC之間連接一個100 μH電感用于抑制模擬噪聲，同時使用ATmega644PA自帶的ADC噪聲抑制器來降低CPU的干擾噪聲[6]。
2.1 壓力傳感器
電阻應變式壓力傳感器是把電阻應變片粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成電橋而將力(重量)轉換成電信號的轉換元件[7]。電阻應變式壓力傳感器主要由兩部分組成。一部分是彈性敏感元件，利用它把被測的重量轉換為彈性體的應變量；另一部分是電阻應變片，它作為變換元件將彈性體的應變同步轉換為電阻值的變化。傳感器中的彈性元件感受物體的重力并將其轉化為應變片的電阻變化，再利用交流全橋測量原理得到一定大小的輸出電壓，通過電路輸出電壓和標準重量的線性關系，建立具體的數學模型，將電壓(V)轉換為質量(kg)，即可實現對物品質量的稱重。
2.2 電阻應變片的工作原理
電阻應變片的工作原理是基于它的應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發生變化。金屬導體的應變效應用應變靈敏系數K來描述，即
| $K=\frac{dr}{r}/\frac{dl}{l}=1+2\mu +\frac{d\rho }{\rho }/\varepsilon ,$ |
式中μ為泊松比，為金屬導體晶格結構的比例系數，為橫截面積相對變化量，為長度相對變化量，ε為應變，等于。
對于金屬材料，電阻的相對變化主要由前兩項決定，即以導體的尺寸效應為主，壓阻效應為輔。本設計中我們選用鋁合金材料，所以應變靈敏系數K是有公式中的前兩項決定的[8]。根據上述特點，用應變片測量應變或應力時，被測對象在外力作用下產生微小機械變形，應變片隨之發生相同的形變，其電阻值也發生相應的變化。通過測量應變片電阻值變化量ΔR，可得被測對象的應變值，則應力σ為
| $\sigma =E\varepsilon ,$ |
式中E為試件材料的彈性模量。
由此可知，應力σ正比于應變ε，而試件應變正比于電阻值的變化，所以應力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應變片測量應變的基本原理。
2.3 應變片測量電路
由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化轉換為電壓或電流的變化，需要有測量電阻變化的專用測量電路。目前應變片的測量電橋多為直流供電。為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋，在試件上安裝四個工作應變片，兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。圖 2為直流供電的測量電橋(全橋)原理圖，其中第一臂為電阻應變片，由應變引起的電阻變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4 ，當ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4 時，電橋的電壓靈敏度最大，此時有：
| ${{U}_{0}}=U\frac{\Delta {{R}_{1}}}{{{R}_{1}}}$ |
圖2
測量電橋原理圖
Figure2.
Principle schematic of measuring bridge
采用差動電橋可以消除非線性誤差，且具有溫度補償作用，故本設計電阻應變式壓力傳感器選用直流供電應變全橋。
2.4 電阻應變式壓力傳感器彈性元件結構
為了改善懸臂梁的特性，在提高動態特性的同時也增加靈敏度，將梁做成各種形狀，以改變其應力分布并增強剛度，雙孔梁就是其中有代表性的一種。雙孔梁的結構如圖 3所示，在板狀梁上有兩個孔，在梁的端部有集中力作用時，孔內承受彎曲變形。將應變片粘貼在孔的內壁，應變片處于相反的應力區內，當R1和R4的變形為拉伸時，R2和R3為壓縮變形，四個應變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好[9]。
圖3
雙孔梁結構
Figure3.
Structure of two-hole beam
施加在雙孔平行梁任何位置的載荷可以簡化為作用于梁端部的力F及一個力偶M。
| $\begin{align} & {{\varepsilon }_{1}}=\frac{F{{L}_{2}}+M}{EW},{{\varepsilon }_{2}}=\frac{F{{L}_{1}}+M}{EW} \\ & {{\varepsilon }_{3}}=-\frac{F{{L}_{2}}+M}{EW},{{\varepsilon }_{4}}=-\frac{F{{L}_{1}}+M}{EW} \\ \end{align}$ |
式中為抗彎斷面系數,ε1、ε2、ε3和ε4是應變片R1、R2、R3和R4的應變量，E為楊氏模量。 差動電橋輸出：，可見載荷的位置不影響輸出。
根據雙孔懸臂梁壓力傳感器的特點，本文采集數據就采用雙孔懸臂梁壓力傳感器，另外在電路中接單路測力放大器放大，轉換為單片機能夠接收到的0~5 V電壓，送入單片機進行AD轉換。所選傳感器的測量范圍為0~5 kg，精度為±0.02%F.S，靈敏度1.0 mV/V，激勵電壓為5~12 V直流電。單路測力放大器內置有源低通濾波器，具有精度高、線性度好及輸出電壓范圍可控的優點。
3 軟件設計
便攜式尿流率儀軟件設計包括三部分：鍵盤輸入程序、傳感器數據采樣程序以及外圍設備(LCD顯示屏、熱敏打印機)控制程序。在傳感器數據采樣過程中，根據鍵盤和LCD顯示屏步驟的提示，當顯示“開始測試”時，進入傳感器數據采樣程序。數據采樣程序通過定時中斷啟動ADC進行傳感器采樣。為了使所采集到的數據穩定，測試開始前，以5 ms間隔連續采集20個數據，去掉第一個采樣數據取后19個數據，然后再去除最大最小值，計算平均值作為記錄的第一個采樣值，作為判斷是否有尿液注入尿杯的初值。數據處理過程如圖 4所示，直線表示最終得到的平均值，劃叉的代表被排除的數據。從而消除尿液沖擊尿杯容器所帶來的影響，減小測量過程中的誤差。程序中采用T/C0比較匹配輸出信號作為中斷源，每20 ms中斷一次，中斷10次后開始進入測試，耗時200 ms；在測試過程中，每隔5 ms采集10個點均值化處理得到當前點，耗時50 ms。每250 ms記錄一次平均值。測試開始前首先進行零點標定，根據零點設定啟動閾值。當采樣值超過啟動閾值時，認為有尿液排入，進行采樣數據收集，將所采樣數據按順序存入相關數組，從而得到尿液重量與時間軸的對應關系。測試完成后計算尿流率等相關參數并擬合尿流量及尿流率曲線，傳輸給熱敏打印機打印，并由EEPROM或上位機ACCESS數據庫存儲。尿流量數據采集程序流程圖如圖 5所示，定時器T/C0中斷服務程序如圖 6所示。
圖4
開始測試判斷點處理過程
Figure4.
Process about the judgement of the beginning test
圖5
尿流量數據采集程序流程圖
Figure5.
Flow chart of the data collection
圖6
定時器T/C0中斷服務程序
Figure6.
The interrupt service routine of the timer T/C0
4 實驗結果與測量精度分析
4.1 AD轉換值校正
試驗中用水代替尿液，經AD轉換后的數字量并不等于實際的排入尿杯的水量，兩者存在一定的線性關系[10]。表 1 為0~500 mL水量進行定點標定，所得的電壓值和轉換后所得的值，如表 1所示。
表1
水量標定
Table1.
Water calibration
表 1為三次0~500 mL水量定點標定所得到的轉換值，可以看出通過AD轉換所得的轉換值與所倒入的水量是成一定線性關系的。
根據線性度計算公式：
| $r=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{\left( {{X}_{i}}-\bar{X} \right)\left( {{Y}_{i}}-\bar{Y} \right)}}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{X}_{i}}-\bar{X} \right)}^{2}}\centerdot \sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{Y}_{i}}-\bar{Y} \right)}^{2}}}}}}$ |
計算可得水量與轉換值的線性關系度|r|=0.99。經過計算可得，轉換值與倒入水量的線性關系為：水量≈(水量轉換值-空載轉換值)×2+20。
4.2 水量測定比較
在整個實驗過程中，以同樣的速率向尿杯中注水300 mL。選取注水落點位置和注水高度兩個參考因素作為樣本的選擇原則[11]。注水落點位置有兩種：一是尿杯器壁；二是接近傳感器的尿杯底部。在尿杯器壁上沿四周均勻選取，標記位置1、2、3、4；在接近傳感器的尿杯底部的落點，選取距尿杯底部上方分別為10、20、30、40和50 cm，標記為位置5、6、7、8、9。在各個位置上分別測量10次，記錄數據。采用Origin 8.0數據分析軟件，使用最小二乘法來擬合標準值和測量值進行比較，如圖 7所示；對比不同落點、不同高度后，選取兩組平均值相差較大的落點位置和高度，即位置4(落點沿器壁標記4)和位置9(落點中間50 cm高度)進行相關性分析，如圖 8、9所示，結果表明，決定系數R2很接近1，說明測量值和標準值的相關性較強。
圖7
不同落點、不同高度標準值和測量值比較
Figure7.
Comparison of the standard value and the measured value about different drop point and height
圖8
位置4相關性分析
Figure8.
Correlation analysis of the position 4
圖9
位置9相關性分析
Figure9.
Correlation analysis of the position 10
實驗結果表明，在整個測試過程中，落點的位置和距離尿杯底部的高度，對該設備測量的結果影響很小，所以，在患者的測試過程中，尿液的落點和尿液的高度對傳感器的沖擊，該設備的測量精度都可以達到所需要求。當然，在尿液采集過程中，盡量建議患者沿器壁流到尿杯，這樣誤差會更小，測試效果會更佳。
4.3 尿流率儀的應用結果對比
選取若干患者進行了對比試驗。首先使用上海新華醫院現有尿流率儀進行測試，打印結果如圖 10所示。診斷結果為：該曲線上升快而下降慢，排尿時間延長，曲線平坦，平均尿流率和最大尿流率近似，為典型的梗阻曲線[12]。最大尿流率為16.8 mL/s，平均尿流率為11 mL/s，排尿總量為434 mL。
圖10
醫院現有尿流率儀測量結果
Figure10.
Measured result of existing portable uroflowmeter
為驗證本設計測試的準確性，對同一患者，使用本設計尿流率儀進行測試，打印結果如圖 11所示，診斷結果為：最大尿流率為16.5 mL/s，平均尿流率為10.8 mL/s，排尿總量為440 mL。測量結果和醫院現有尿流率計相同。說明本設計尿流率儀可以提供臨床診斷，有臨床使用價值。
圖11
本設計尿流率儀的測量結果
Figure11.
Measured result of uroflowmeter in this paper
5 結論與展望
本設計是一種集鍵盤輸入，LCD顯示設備于一體的便攜式尿流率儀。采用了低成本、低功耗、高性能的嵌入式單片機系統，增加了液晶顯示屏，可交互的操作界面；增加了鍵盤輸入設備，在現有基礎上豐富其功能，改良其設計，讓其更人性化。
便攜式尿流率的數據采樣精確度高，尿液的落點和高度造成的誤差很小，對臨床上的診斷有很好的參考價值。本設計單片機主控板還預留了藍牙模塊的接口[13]，以隔離醫生和受測人員，避免尷尬。這為日后儀器的改進和升級預留了空間。
引言
尿流率是單位時間內排出的尿量，通常以mL/s作為單位。尿流率測定是泌尿外科有關排尿功能障礙的使用最廣泛、極具應用價值的篩查工具[1]，是中華醫學會泌尿外科分會推薦的BPH(Benign Prostate Hyperplasia)的必備檢查項目，具有臨床應用價值，通常用于下尿路梗阻患者的初步檢測[2]。目前市場上常見的尿流率儀產品主要有兩種類型：標準電腦型和便攜式機型。標準電腦型主要用于醫院臨床檢查，傳感器的信號直接由尿杯中送入電腦中進行分析處理，再經串口連接打印機，打印測試報告，盡管功能齊全，檢測精確，但是只能在醫院固定場所內檢測；現有的便攜式機型可以將設備移動到患者處進行檢測，適合家用、下鄉義診等場合，整機可以收縮放置在普通的公文包之中，但是這種機型市場上的產品功能比較單一，只能打印出簡單的測試報告。近年來伴隨著泌尿外科的發展需求以及人口老齡化等諸多因素，傳統的尿流率檢查方法的缺點日益顯現，社區醫療及家庭健康保健也需要更便捷化的檢查設備[3]。
本文所述的便攜式尿流率儀，采用高精度壓力傳感器，采集到的實時數據傳送到ATmega644PA單片機中的AD轉換模塊進行處理，校正后得到重量-時間的對應關系。尿流率測定的主要指標有最大尿流率、平均尿流率、排尿總量和排尿時間等9個指標，經過對尿流率曲線和各項參數的分析，可以對尿路功能障礙做出正確的診斷，并對治療效果做出客觀評價[4]。
1 尿流率儀工作原理及技術要求
目前，從技術層面上，尿流率的測定原理有四種：體積-時間測定法；空氣置換法；轉盤式；重量-時間法。體積-時間測定法是通過一定時間間隔內排出尿液的體積計算尿流率，不能完全反應真正尿流狀態；空氣置換法的原理是使尿液逐步置換容器內的空氣，并通過測量空氣排出速率計算尿流率，由于這種方法對儀器的氣密性有一定的要求，加之所設計便攜式尿流率儀對于便攜性有一定要求，使用環境比較多變，因此數據采集裝置結構不便過于復雜；轉盤式的原理是讓尿液流入一個勻速旋轉的轉盤里，尿液重量增加了轉盤的惰性，為保持轉盤勻速轉動，必須隨著尿流速率的變化而增加電流。通過電流變化計算出尿流率，不適合應用于便攜式尿流率儀設計中；重量-時間法是通過測量收集的尿液重量或測量收集器底部的靜水壓，輸出信號與收集到尿液重量成比例，因而可推算出尿液體積，同時算出隨時間變化的尿流率。此種方法是目前比較常用的一種方法，尿杯結構比較簡單，尿杯下只需固定稱重壓電片傳感器，通過信號放大電路將傳感器信號送至單片機處理即可。部件重量輕，易于攜帶。故本設計采用此種測定方法。
另外，本設計在技術要求上有一定的標準。
(1) 使用單相50 Hz 220 V 交流電源。在儀器插入電源插座前，請檢查使用的電源是否與此相符。否則將損壞儀器或不能正常工作；
(2) 使用保險絲的規格為T100 mA L250 V Φ 520 mm。更換時只能使用相同的規格；
(3) 傳感器只能防止少量液體的溢出。如果進入水中或大量的水沖入，都將損壞傳感器；
(4) 整個儀器不能作消毒滅菌處理，只能使用中性清潔劑對表面做擦抹清潔處理，并需防止水進入儀器內部；
(5) 為保證儀器得到正確的測量結果，儀器需做定期校核；
(6) 儀器使用環境：溫度：10~40 ℃；相對濕度：45%~75%；無腐蝕性氣體。搬移時應小心輕放。長期不使用，應清潔處理后放置在原包裝盒內，貯存在-40~40 ℃、相對濕度≤85%、無腐蝕性氣體的通風良好的室內。
2 硬件平臺
便攜式尿流率儀采用ATmega644PA單片機為主控芯片，由壓力傳感器和信號放大電路組成的數據采集系統、鍵盤輸入和液晶顯示輸出、IIC總線電路、異步串行口通信電路等組成。系統硬件框圖如圖 1所示。
圖1
系統硬件框圖
Figure1.
The flow chart of system hardware
ATmega644PA單片機使用12 M外部晶振，提供設備需要的運算速度。該設備擁有2 K的片內EEPROM以及64 K的片內Flash存儲器，但由于需要存儲患者信息以及測試結果，空間不夠，因此在IIC總線上再外擴三個EEPROM，同時外接一個時鐘芯片，也可以為用戶提供時間顯示信息。顯示屏采用集成了ST7920中文字型點陣驅動控制器的LCD12864液晶屏[5]，能夠通過SPI串行外設接口與單片機進行控制。熱敏打印機和上位機部分都是通過異步串行口進行通信，由于ATmega644PA只提供一對異步串行口引腳，需要通過一個二選一芯片(74HC4053)來進行模式通道選擇。
該尿流率儀輸入部分由一個4×5的矩陣鍵盤完成。電源模塊部分選用的是12 V開關電源，通過LM2576降壓模塊為單片機提供5 V電壓支持，同時12 V直接為傳感器放大電路供電。
ATmega644PA單片機內部集成有一個10位逐次比較ADC電路。因此，使用AVR可以非常方便地處理輸入的模擬信號量。ATmega644PA的ADC與一個8通道模擬多路選擇器連接，能夠對以PortA作為ADC輸入引腳的8路單端模擬輸入電壓進行采樣，輸入通道的選擇由單片機內部ADMUX多工選擇寄存器控制。傳感器的差分電壓轉換為0~5 V電壓，使用ADC0通道(PA0引腳)單路電壓輸入采樣。參考電壓源選擇外部參考電壓(5 V)，在AREF引腳和地之間外加一個0.1 μF的濾波電容以提高參考電壓的抗噪性。在模擬電壓源AVCC與數字電壓源VCC之間連接一個100 μH電感用于抑制模擬噪聲，同時使用ATmega644PA自帶的ADC噪聲抑制器來降低CPU的干擾噪聲[6]。
2.1 壓力傳感器
電阻應變式壓力傳感器是把電阻應變片粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式組成電橋而將力(重量)轉換成電信號的轉換元件[7]。電阻應變式壓力傳感器主要由兩部分組成。一部分是彈性敏感元件，利用它把被測的重量轉換為彈性體的應變量；另一部分是電阻應變片，它作為變換元件將彈性體的應變同步轉換為電阻值的變化。傳感器中的彈性元件感受物體的重力并將其轉化為應變片的電阻變化，再利用交流全橋測量原理得到一定大小的輸出電壓，通過電路輸出電壓和標準重量的線性關系，建立具體的數學模型，將電壓(V)轉換為質量(kg)，即可實現對物品質量的稱重。
2.2 電阻應變片的工作原理
電阻應變片的工作原理是基于它的應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發生變化。金屬導體的應變效應用應變靈敏系數K來描述，即
| $K=\frac{dr}{r}/\frac{dl}{l}=1+2\mu +\frac{d\rho }{\rho }/\varepsilon ,$ |
式中μ為泊松比，為金屬導體晶格結構的比例系數，為橫截面積相對變化量，為長度相對變化量，ε為應變，等于。
對于金屬材料，電阻的相對變化主要由前兩項決定，即以導體的尺寸效應為主，壓阻效應為輔。本設計中我們選用鋁合金材料，所以應變靈敏系數K是有公式中的前兩項決定的[8]。根據上述特點，用應變片測量應變或應力時，被測對象在外力作用下產生微小機械變形，應變片隨之發生相同的形變，其電阻值也發生相應的變化。通過測量應變片電阻值變化量ΔR，可得被測對象的應變值，則應力σ為
| $\sigma =E\varepsilon ,$ |
式中E為試件材料的彈性模量。
由此可知，應力σ正比于應變ε，而試件應變正比于電阻值的變化，所以應力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應變片測量應變的基本原理。
2.3 應變片測量電路
由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化轉換為電壓或電流的變化，需要有測量電阻變化的專用測量電路。目前應變片的測量電橋多為直流供電。為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋，在試件上安裝四個工作應變片，兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。圖 2為直流供電的測量電橋(全橋)原理圖，其中第一臂為電阻應變片，由應變引起的電阻變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4 ，當ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4 時，電橋的電壓靈敏度最大，此時有：
| ${{U}_{0}}=U\frac{\Delta {{R}_{1}}}{{{R}_{1}}}$ |
圖2
測量電橋原理圖
Figure2.
Principle schematic of measuring bridge
采用差動電橋可以消除非線性誤差，且具有溫度補償作用，故本設計電阻應變式壓力傳感器選用直流供電應變全橋。
2.4 電阻應變式壓力傳感器彈性元件結構
為了改善懸臂梁的特性，在提高動態特性的同時也增加靈敏度，將梁做成各種形狀，以改變其應力分布并增強剛度，雙孔梁就是其中有代表性的一種。雙孔梁的結構如圖 3所示，在板狀梁上有兩個孔，在梁的端部有集中力作用時，孔內承受彎曲變形。將應變片粘貼在孔的內壁，應變片處于相反的應力區內，當R1和R4的變形為拉伸時，R2和R3為壓縮變形，四個應變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好[9]。
圖3
雙孔梁結構
Figure3.
Structure of two-hole beam
施加在雙孔平行梁任何位置的載荷可以簡化為作用于梁端部的力F及一個力偶M。
| $\begin{align} & {{\varepsilon }_{1}}=\frac{F{{L}_{2}}+M}{EW},{{\varepsilon }_{2}}=\frac{F{{L}_{1}}+M}{EW} \\ & {{\varepsilon }_{3}}=-\frac{F{{L}_{2}}+M}{EW},{{\varepsilon }_{4}}=-\frac{F{{L}_{1}}+M}{EW} \\ \end{align}$ |
式中為抗彎斷面系數,ε1、ε2、ε3和ε4是應變片R1、R2、R3和R4的應變量，E為楊氏模量。 差動電橋輸出：，可見載荷的位置不影響輸出。
根據雙孔懸臂梁壓力傳感器的特點，本文采集數據就采用雙孔懸臂梁壓力傳感器，另外在電路中接單路測力放大器放大，轉換為單片機能夠接收到的0~5 V電壓，送入單片機進行AD轉換。所選傳感器的測量范圍為0~5 kg，精度為±0.02%F.S，靈敏度1.0 mV/V，激勵電壓為5~12 V直流電。單路測力放大器內置有源低通濾波器，具有精度高、線性度好及輸出電壓范圍可控的優點。
3 軟件設計
便攜式尿流率儀軟件設計包括三部分：鍵盤輸入程序、傳感器數據采樣程序以及外圍設備(LCD顯示屏、熱敏打印機)控制程序。在傳感器數據采樣過程中，根據鍵盤和LCD顯示屏步驟的提示，當顯示“開始測試”時，進入傳感器數據采樣程序。數據采樣程序通過定時中斷啟動ADC進行傳感器采樣。為了使所采集到的數據穩定，測試開始前，以5 ms間隔連續采集20個數據，去掉第一個采樣數據取后19個數據，然后再去除最大最小值，計算平均值作為記錄的第一個采樣值，作為判斷是否有尿液注入尿杯的初值。數據處理過程如圖 4所示，直線表示最終得到的平均值，劃叉的代表被排除的數據。從而消除尿液沖擊尿杯容器所帶來的影響，減小測量過程中的誤差。程序中采用T/C0比較匹配輸出信號作為中斷源，每20 ms中斷一次，中斷10次后開始進入測試，耗時200 ms；在測試過程中，每隔5 ms采集10個點均值化處理得到當前點，耗時50 ms。每250 ms記錄一次平均值。測試開始前首先進行零點標定，根據零點設定啟動閾值。當采樣值超過啟動閾值時，認為有尿液排入，進行采樣數據收集，將所采樣數據按順序存入相關數組，從而得到尿液重量與時間軸的對應關系。測試完成后計算尿流率等相關參數并擬合尿流量及尿流率曲線，傳輸給熱敏打印機打印，并由EEPROM或上位機ACCESS數據庫存儲。尿流量數據采集程序流程圖如圖 5所示，定時器T/C0中斷服務程序如圖 6所示。
圖4
開始測試判斷點處理過程
Figure4.
Process about the judgement of the beginning test
圖5
尿流量數據采集程序流程圖
Figure5.
Flow chart of the data collection
圖6
定時器T/C0中斷服務程序
Figure6.
The interrupt service routine of the timer T/C0
4 實驗結果與測量精度分析
4.1 AD轉換值校正
試驗中用水代替尿液，經AD轉換后的數字量并不等于實際的排入尿杯的水量，兩者存在一定的線性關系[10]。表 1 為0~500 mL水量進行定點標定，所得的電壓值和轉換后所得的值，如表 1所示。
表1
水量標定
Table1.
Water calibration
表 1為三次0~500 mL水量定點標定所得到的轉換值，可以看出通過AD轉換所得的轉換值與所倒入的水量是成一定線性關系的。
根據線性度計算公式：
| $r=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{\left( {{X}_{i}}-\bar{X} \right)\left( {{Y}_{i}}-\bar{Y} \right)}}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{X}_{i}}-\bar{X} \right)}^{2}}\centerdot \sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{Y}_{i}}-\bar{Y} \right)}^{2}}}}}}$ |
計算可得水量與轉換值的線性關系度|r|=0.99。經過計算可得，轉換值與倒入水量的線性關系為：水量≈(水量轉換值-空載轉換值)×2+20。
4.2 水量測定比較
在整個實驗過程中，以同樣的速率向尿杯中注水300 mL。選取注水落點位置和注水高度兩個參考因素作為樣本的選擇原則[11]。注水落點位置有兩種：一是尿杯器壁；二是接近傳感器的尿杯底部。在尿杯器壁上沿四周均勻選取，標記位置1、2、3、4；在接近傳感器的尿杯底部的落點，選取距尿杯底部上方分別為10、20、30、40和50 cm，標記為位置5、6、7、8、9。在各個位置上分別測量10次，記錄數據。采用Origin 8.0數據分析軟件，使用最小二乘法來擬合標準值和測量值進行比較，如圖 7所示；對比不同落點、不同高度后，選取兩組平均值相差較大的落點位置和高度，即位置4(落點沿器壁標記4)和位置9(落點中間50 cm高度)進行相關性分析，如圖 8、9所示，結果表明，決定系數R2很接近1，說明測量值和標準值的相關性較強。
圖7
不同落點、不同高度標準值和測量值比較
Figure7.
Comparison of the standard value and the measured value about different drop point and height
圖8
位置4相關性分析
Figure8.
Correlation analysis of the position 4
圖9
位置9相關性分析
Figure9.
Correlation analysis of the position 10
實驗結果表明，在整個測試過程中，落點的位置和距離尿杯底部的高度，對該設備測量的結果影響很小，所以，在患者的測試過程中，尿液的落點和尿液的高度對傳感器的沖擊，該設備的測量精度都可以達到所需要求。當然，在尿液采集過程中，盡量建議患者沿器壁流到尿杯，這樣誤差會更小，測試效果會更佳。
4.3 尿流率儀的應用結果對比
選取若干患者進行了對比試驗。首先使用上海新華醫院現有尿流率儀進行測試，打印結果如圖 10所示。診斷結果為：該曲線上升快而下降慢，排尿時間延長，曲線平坦，平均尿流率和最大尿流率近似，為典型的梗阻曲線[12]。最大尿流率為16.8 mL/s，平均尿流率為11 mL/s，排尿總量為434 mL。
圖10
醫院現有尿流率儀測量結果
Figure10.
Measured result of existing portable uroflowmeter
為驗證本設計測試的準確性，對同一患者，使用本設計尿流率儀進行測試，打印結果如圖 11所示，診斷結果為：最大尿流率為16.5 mL/s，平均尿流率為10.8 mL/s，排尿總量為440 mL。測量結果和醫院現有尿流率計相同。說明本設計尿流率儀可以提供臨床診斷，有臨床使用價值。
圖11
本設計尿流率儀的測量結果
Figure11.
Measured result of uroflowmeter in this paper
5 結論與展望
本設計是一種集鍵盤輸入，LCD顯示設備于一體的便攜式尿流率儀。采用了低成本、低功耗、高性能的嵌入式單片機系統，增加了液晶顯示屏，可交互的操作界面；增加了鍵盤輸入設備，在現有基礎上豐富其功能，改良其設計，讓其更人性化。
便攜式尿流率的數據采樣精確度高，尿液的落點和高度造成的誤差很小，對臨床上的診斷有很好的參考價值。本設計單片機主控板還預留了藍牙模塊的接口[13]，以隔離醫生和受測人員，避免尷尬。這為日后儀器的改進和升級預留了空間。
