石曦，楊宇航，陳偉寧

1.泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備部，天津 300457；2.鏡湖醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，澳門 999078

基于AT89C52單片機(jī)的光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

石曦1，楊宇航1，陳偉寧2

1.泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備部，天津 300457；2.鏡湖醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，澳門 999078

本研究為解決傳統(tǒng)手術(shù)中患者尿量監(jiān)測過程中存在的問題。以AT89C52單片機(jī)為核心，輔以必要的外部檢測、顯示、操作、存儲和報(bào)警電路，設(shè)計(jì)一種智能光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程中患者尿液的實(shí)時(shí)檢測和顯示，同時(shí)在出現(xiàn)異常情況下以報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)做出正確的處理。

光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)；尿量監(jiān)測；AT89C52單片機(jī)；光電傳感器

患者尿量是評價(jià)循環(huán)血容量、心功能狀態(tài)及微循環(huán)灌注的有效指標(biāo)之一。手術(shù)期間，患者尿量可綜合反映圍手術(shù)期患者液體及電解質(zhì)管理狀態(tài)、主要臟器功能情況和圍術(shù)期器官灌注狀態(tài)，也是手術(shù)期間監(jiān)測腎功能的主要指標(biāo)[1]?，F(xiàn)今，尿量監(jiān)測方法主要是通過插入尿管，收集尿液，以肉眼觀察來判斷尿液流出速度及尿量多少，該方法雖簡便，但需要反復(fù)觀察，過多占用工作人員精力，特別是在急癥、患者血流動力不穩(wěn)定或患者需有較大體位變動時(shí)不易及時(shí)觀察尿量變化情況，以致易延誤病情判定。另外，手術(shù)醫(yī)師因工作位置的原因，手術(shù)期間經(jīng)常不能直接觀察尿量情況。通過基于AT89C52單片機(jī)[2]的光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行尿量監(jiān)測[3]，采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將患者排尿情況轉(zhuǎn)化為聲信號，同時(shí)在液晶屏上輸出顯示，從而使手術(shù)醫(yī)師可迅速直觀地了解患者的尿量，對判斷循環(huán)狀態(tài)的動態(tài)變化、有效監(jiān)測腎功能，增加圍術(shù)期患者安全度，減少術(shù)后并發(fā)癥有重要的臨床意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由單片機(jī)、光電探頭及信號處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊、聲音報(bào)警模塊與通信接口模塊組成（圖1）。

光電探頭用于檢測尿滴，測得微弱信號經(jīng)信號處理模塊處理，然后經(jīng)單片機(jī)外設(shè)端口輸入；按鍵模塊用于初始值設(shè)定和控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)；顯示模塊用于顯示尿滴速率、總尿滴數(shù)及總尿量；聲音報(bào)警模塊用于尿滴提示和提醒更換尿液收集瓶；通信模塊用于與外部系統(tǒng)通信，也可以通過該模塊實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電探頭及信號處理模塊

光電探頭[4]是整個(gè)尿量監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，其設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到術(shù)中患者的排尿特點(diǎn)。正常人的排尿過程是由于膀胱的充脹，經(jīng)傳入神經(jīng)到達(dá)脊髓腰骶部排尿反射的初級中樞，然后經(jīng)傳出神經(jīng)，引起膀胱壁的逼尿肌強(qiáng)烈收縮，外括約肌放松，會陰部肌肉松弛，導(dǎo)致尿排出體外的。因此，尿液會在膀胱內(nèi)壓及逼尿肌收縮壓下形成涓流，此時(shí)采用計(jì)算尿滴數(shù)的方法來計(jì)算尿量是不現(xiàn)實(shí)的。但是術(shù)中的患者由于麻醉的作用，中樞神經(jīng)受到抑制，不能控制逼尿肌收縮，自然排尿過程不能實(shí)現(xiàn)，必須在其尿道中置入導(dǎo)尿管，使膀胱經(jīng)導(dǎo)尿管完全開放，膀胱內(nèi)無尿液儲存，膀胱內(nèi)壓及逼尿肌收縮壓消失，腎代謝出的尿液在重力作用下隨即經(jīng)導(dǎo)尿管排出，尿量很小，通過導(dǎo)尿管排出時(shí)，不會形成涓流。根據(jù)體外循環(huán)期間對患者尿量的評估標(biāo)準(zhǔn)，尿量為1mL/kg/h，即說明患者腎代謝功能正常，以70kg的成人計(jì)算，尿量為70mL/h，即0.02mL/s，而輸液器在重力作用下，其每滴液滴容量為0.05mL，也就是說每2.5s才會產(chǎn)生1滴尿滴?；谏鲜龇治?，尿量監(jiān)測系統(tǒng)可以采用計(jì)算尿滴數(shù)的方式來計(jì)算術(shù)中患者的排尿量。因此，光電探頭采用夾式設(shè)計(jì)，紅外對管ST168的發(fā)射管和接收管分別置于探頭夾子的兩側(cè)，將輸液器連接到導(dǎo)尿管的出口， 然后將探頭夾子夾在輸液器的滴壺上，當(dāng)有尿液從導(dǎo)尿管滴入滴壺時(shí)，從紅外對管的發(fā)射管和接收管之間通過的尿滴會對紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的散射作用，導(dǎo)致接收光強(qiáng)的較大改變，接受管接收到的信號送至信號處理模塊。信號處理模塊對此信號進(jìn)行放大，并經(jīng)過施密特觸發(fā)器對信號進(jìn)行整形，然后送單片機(jī)的P3.2口（外部中斷0），單片機(jī)根據(jù)輸入脈沖數(shù)進(jìn)行尿滴計(jì)數(shù)。光電探頭及信號處理模塊具體電路，見圖2。

圖2 光電探頭及信號處理模塊電路

2.2 聲音報(bào)警模塊

聲音報(bào)警模塊由直流蜂鳴器、限流電阻（1kΩ）、1個(gè)PNP三極管S9012組成[5]（圖3）。該電路連接到單片機(jī)的P3.7口。當(dāng)單片機(jī)中斷口檢測到有尿滴中斷時(shí)，即從P3.7口輸出一定頻率的脈沖，蜂鳴器就發(fā)出響聲，提示尿滴通過。在此情況下，手術(shù)醫(yī)生通過聲音的快、慢就可以判斷患者排尿情況。同時(shí)，還可以通過軟件設(shè)定時(shí)間域值。如果超過該時(shí)長未檢測到尿滴，單片機(jī)通過P3.7口輸出一高頻脈沖，蜂鳴器發(fā)出高頻警報(bào)音，提示醫(yī)生注意患者已長時(shí)間未排尿。另外，可以設(shè)定總尿量值，這個(gè)值大約是尿液收集瓶的容量，當(dāng)總尿量達(dá)到此值時(shí)，單片機(jī)從P3.7口輸出另一高頻脈沖，蜂鳴器發(fā)出另一頻率的警報(bào)音，提示護(hù)士更換尿液收集瓶。

圖3 聲音報(bào)警模塊電路

2.3 其他模塊

按鍵模塊主要包括系統(tǒng)復(fù)位鍵、尿滴容量設(shè)定鍵和運(yùn)行/暫停鍵。尿滴容量設(shè)定鍵用于設(shè)定每滴尿量的容量以便計(jì)算總尿量；運(yùn)行/暫停鍵用于控制尿滴計(jì)數(shù)的開始和停止。

顯示模塊用于顯示尿滴滴速、總尿滴數(shù)及總尿量等信息。

通信接口模塊與外部集中控制系統(tǒng)[6-7]通信，將集中監(jiān)控系統(tǒng)置于護(hù)士站，可以實(shí)現(xiàn)對各手術(shù)間患者的排尿情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和紀(jì)錄。由于集中監(jiān)控系統(tǒng)是另外一套復(fù)雜系統(tǒng)，所以本文不再細(xì)述。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C51匯編語言設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)模塊化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按鍵掃描子程序、各鍵值處理子程序、中斷掃描程序、計(jì)數(shù)及計(jì)算子程序、聲音提示及報(bào)警子程序、液晶顯示子程序和存儲子程序，系統(tǒng)軟件流程，見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 主控系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，先對光電探頭及信號處理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后采用89C52單片機(jī)開發(fā)板編寫軟件，模擬運(yùn)行成功后對硬件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作印刷電路板并對器件進(jìn)行組裝，組裝后的尿量檢測系統(tǒng)，尿量檢測系統(tǒng)，見圖5。

圖5 尿量監(jiān)測系統(tǒng)硬件圖

組裝完成后對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試。為保證測試結(jié)果的精確性，采用尿液進(jìn)行模擬測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，尿滴檢測、聲音提示和報(bào)警功能都能實(shí)現(xiàn)。在對尿量測精度進(jìn)行模擬測試時(shí)，觀察對尿量測量精度產(chǎn)生影響的各種因素。經(jīng)分析，對系統(tǒng)測量精度產(chǎn)生影響的因素僅有尿液滴速。因此，選擇1000mL尿液作為被測對象，使其在不同速度下通過光電尿量監(jiān)測裝置，測試結(jié)果，見表1。對測量結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，測量誤差與尿滴速度幾乎成線性關(guān)系，速度越快，誤差越大。在3滴/s時(shí)，誤差為-5.8%，這個(gè)速度對于一個(gè)70kg的成人來說，相當(dāng)于kg/h的排尿量為7.71mL，這個(gè)排尿量對于術(shù)中患者來說已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值了，若再測量更快的速度則沒有實(shí)際意義。而誤差在±6%以內(nèi)這個(gè)精度完全能滿足術(shù)中患者尿量監(jiān)測的要求。

表1 1000mL尿液在不同滴速下尿量監(jiān)測裝置對的模擬測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的術(shù)中患者排尿情況監(jiān)測是醫(yī)生通過口頭詢問護(hù)士，而護(hù)士則需要在手術(shù)床下進(jìn)行人工計(jì)時(shí)數(shù)數(shù)來判斷患者尿量。這種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，缺乏實(shí)時(shí)性和動態(tài)性?；贏T89C52單片機(jī)的光電尿量監(jiān)測系統(tǒng)，具有尿滴實(shí)時(shí)自動檢測、提示、顯示、報(bào)警和存儲等功能；成本低廉、操作簡便，是對傳統(tǒng)尿量監(jiān)測的一種革新，未來可以廣泛應(yīng)用于各級醫(yī)院。

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[2] 張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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Design of Urine Volume Monitoring System Based on AT89C52

SHI Xi1, YANG Yu-hang1,CHEN Wei-ning2
1. Medical Equipment Department,TEDA International Cardiovascular Hospital, Tianjin 300457, China; 2.Medical Equipment Department, Kiang Wu Hospital, Macao 999078, China

For solving the problems in traditional urine output monitoring in operations, we designed an intelligent photoelectric urine output monitoring system with the core of AT89C52 SCM, and necessary external detector, display, operation, storage and alarm electro circuits, to achieving the real-time detecting and display of urine volume in operation, and remind the doctors and nurses in any risks.

urine output monitoring system; urine output monitoring; AT89C52 SCM; photoelectric sensor

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.007

1674-1633(2012)01-0025-03

2011-08-15

2011-09-11

作者郵箱：hillshi@126.com