一种尿流动力学检测分析方法

专利名称：一种尿流动力学检测分析方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗检测方法，特别是一种尿流动力学检测分析方法。
背景技术：
尿流动力学是现代医学、生物流体力学、生物流变学的交叉学科，广泛应用于尿路 梗阻、尿失禁和其他尿路功能障碍等诸多疾病的基础研究、诊断、治疗和疗效评价，与泌尿 外科、妇产科、儿科、内分泌科、神经内科、肛肠科等专业密切相关。目前，常规尿流动力学直接测量的指标是膀胱和直肠内压力、尿流率、尿量。最常 用的是有创尿流动力学检查方法插入测压管直接测量膀胱内的压力变化，同时测定尿流 率；恒速牵引恒流灌注的测压管测量尿道各段压力分布情况；利用AG、PQ图进行分析，诊断 疾病。此方法最大限度保证了测量结果与真实情况的拟合度，但检查是在非生理状态下进 行，有可能产生假阳性结果，而且侵入性的检查增加患者痛苦以及感染的机率。除了力学分析外，还有学者从能量的角度进行研究，如排尿过程能量消耗方程 F=9. 79 X IO-2P-L 25X 10_3Q2+9. 8H。由Bernolli粘性液体微元流速方程推导而来的排尿过 程能量消耗方程，取膀胱出口、尿道外口为研究平面，流速的计算是用尿流率除以尿道外口 的横截面(标准的尿道外口横截面积)。但我们知道Bernolli方程反映的是液流中机械能 和其他形式的能量(主要是代表能量损失的热能)间的守恒与转化关系，应用条件是①定 常流动的不可压缩流体，微元流管的形状不随时间而改变；②质量力只有重力，两过水断面 间除了水头损失以外，总流没有能量的输入或输出；③所选取的两过水断面必须是缓变流 断面，但两过水断面间可以是急变流；④总流的流量沿程不变。从希尔定律可以知道，不同 膀胱容量的排尿压力是不同的，也就是说有能量的输入并随时间改变；尿液排泄是以尿道 为运动的边界，尿道的形状会随着时间在排尿过程中发生改变，尿流运动是非定常的，尿流 动力学问题是流体运动与边界变形运动的耦合，适合使用反映液流与边界上作用力之间关 系的动量方程。因此，如果直接将Bernolli粘性液体微元流速方程应用于下尿路尿流动力 学的研究，舍弃其他影响因素，将不能准确反映真实的情况。文献报道了基于光电原理的尿滴分光仪(Drop spectrometer)，调制的光线通过 水平缝隙，再被聚焦到检测的二极管上，消失的光与尿滴通过光幕的阴影有关。高速摄影机 观察可见尿线是由尿滴组成，通过检测脉冲的变化，可以确定每一滴尿液的时间和体积。这 项技术可以检测有无梗阻但不能有效判断接近膀胱的梗阻。类似的还有利用CCD作为检测 光线变化的发明。现有技术中，美国专利第5，377，101号，公开了一种用计算机分析尿流率曲线的 方法，将检测的尿流率曲线与标准曲线对比，判断是否有异常。T9tl——排90%尿量的时间， 在尿流率曲线上取5%—95%区间测量。Qm9q——90%尿量的平均尿流率。Tdese——下降曲线 的时间，从最大尿流率开始到95%尿量的时间。W/dt40——评价膀胱在40ml时的收缩速 度。该方法不能充分描述数量相关、复杂、非线性的流体系统，阻力因素有括约肌、前列腺和 远端尿道，而且膀胱和尿道有蠕变性。因为压力和尿流率都是非线性的，所以这种方法还是不能鉴别逼尿肌无力、前列腺增生、尿道狭窄。现有技术中，文献公开了一种基于流体力学测压管原理的套状尿管检查方法和器 械，用阴茎套装的尿管套于阴茎上，夹闭出口后测压管压力上升，当尿流不动时充满尿道的 尿液可作为尿管测量膀胱内的压力。虽然不用插入测压管，但仍有逆行感染的可能。此方 法不能观察尿流全部过程，而且阴茎套的材料特性难以完全一致，检测结果可重复性差。现有技术中，美国专利第5，807，278和5，823，972号，公开了一种利用测血压原理 测量排尿期的压力，将幼儿的血压计袖套套在阴茎上充气，当患者开始排尿后慢慢放气。阴 茎套充气试验排尿开始后以一定的速率对阴茎套充气。阴茎压迫和放松排尿时握紧阴 茎切断尿流3秒，放松时储存在尿道的尿液建立起伏的尿流率。对比尿流率起伏的大小可 以很好地预测流出道的梗阻。充气是会引起阴茎疼痛，而且测量结果受袖套放置位置、大 小、形状和材料特性影响，标准化困难。文献报道通过多普勒估计尿道内的尿流速度。在一小组病例中，发现与侵入性检 查有很好的拟合度，如前列腺梗阻和交界部位(通过速度和流率计算)，尿道前列腺部和膜 部的速率。但实验是在流速大于2ml/s的玻璃管道中检测到的结果，而且处理过程复杂。文献报道利用尿液通过尿道前列腺部时变成紊流产生声音，在会阴部记录声学特 征评价梗阻的程度。在用阴茎套建立的梗阻模型中，发现不同的梗阻程度有不同的声谱。这 种方法对检查环境要求高，数据处理复杂，而且放置在会阴部的探头压迫尿道海绵体，影响 测量结果。文献报道通过测量膀胱的重量和厚度预测男性的梗阻。在膀胱容量为250ml时经 腹B超检测逼尿肌厚度，预测流出道梗阻。此方法不能鉴别广泛小樑、憩室形成，膀胱壁增 厚，膀胱收缩无力的病例。现有技术中，文献公开了一种近红外光谱法检查方法在患者耻骨上放置探头，通 过红外线探知逼尿肌血红蛋白的变化来推测膀胱压力的变化。此仪器价格贵，临床使用效 果有待观察。

发明内容
为了克服现有技术使用时，有创检查方法易引起患者疼痛或感染，无创检查方法 不准确、价格贵等不足，本发明提供一种尿流动力学检测分析方法，测量流出尿道外口的尿 液质量、速度，根据拓扑学原理建立膀胱弹性元模型、尿道模型，利用能量守恒定律、流体动 量方程分析膀胱收缩功能、尿道阻力情况，适用于下尿路症状患者检查以及手术、药物疗效 的评价。本发明为解决其问题所采用的技术方案是 一种尿流动力学检测分析方法，包括以下步骤
(1)建立膀胱的弹性元模型将排尿前膀胱内的尿液拓扑成一个球体，膀胱逼尿肌和腹 压的作用看成弹性元的作用，弹性元的模量可随时间、空间改变，根据弹性元模型确定弹性 元长度Z与膀胱尿量a的函数Z =F(a)以及收缩长度ΔΖ与尿流率Q、膀胱尿量a的函数 ΔΖ= ξ (Q, a)；
(2)建立尿道模型将尿道视为水平放置的管道，其长度、横截面积随时间发生瞬间改 变，尿液在尿道模型中动量、能量的改变等于尿道对尿液的作用；(3)保持前尿道与重力方向垂直，记录和测量排尿数据，该排尿数据包括排尿原点位 置、排尿高度力、不同时间点t,.上排出尿液的重量Hii、水平位移d,.，计算排尿参数，该排尿参 数包括不同时间点t,.上的尿流率Qi、尿流速度Vim、单位时间排出尿液的动能Ei和尿道模型 横截面积Si ；
(4)根据收缩长度ΔΖ与尿流率Q、膀胱尿量a的函数ΔΖ=ξ(Q, a)计算弹性元的收缩 长度△&，并进一步计算弹性元的收缩速度^和收缩加速度，以弹性元的最大收缩加速 度评价逼尿肌收缩功能；
(5)通过尿道模型横截面积Si判断尿道阻力情况，通过最大横截面积判断尿道有 无梗阻。本发明的有益效果是本发明通过外部测量和数学分析的方法对患者尿道的梗阻 情况以及逼尿肌的收缩功能进行评价，其可以完全克服传统有创尿流动力学检查方法对患 者所造成的痛苦以及感染的可能，整个分析过程都可以在计算机的帮助下自动进行，其结 果清晰明了，便于临床记忆和使用，应用此方法所制成的装置结构简单，维护方便，从而降 低医疗费用。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 图1为膀胱出口梗阻男性患者的尿流率图2为膀胱出口梗阻男性患者的逼尿肌收缩加速度曲线图； 图3为逼尿肌力正常的下尿路梗阻男性患者的最大收缩加速度的频数直方图； 图4为本发明最大动能——收缩长度分析方法的流程方框图； 图5为本发明逼尿肌收缩加速度、尿道横截面积分析方法的流程方框图。
具体实施例方式参照图4和图5，本发明的一种尿流动力学检测分析方法，包括以下步骤
(1)建立膀胱的弹性元模型以逼尿肌为研究对象，生物流变学研究表明膀胱逼尿肌 有自发收缩能力，无法将张力分解为被动张力、主动张力，逼尿肌弹性元的模量是纤维长 度的函数，在给定长度下又是时间的函数，可完全松弛至应力为零，且在静息态下不存在 单一的状态，因此不适合使用Hill模型进行研究，而影像尿流动力学显示排尿过程中，在 合适尿量下膀胱呈球形，因此可以根据拓扑学将排尿前膀胱内的尿液拓扑成一个球体，膀 胱逼尿肌和腹压的作用看成弹性元的作用，弹性元的模量可随时间、空间改变，根据弹性 元模型确定弹性元长度Z与膀胱尿量a的函数Z =F(a)以及收缩长度ΔΖ与尿流率Q、 膀胱尿量a的函数ΔΖ=ξ (Q，a)，一般地，球体的体积等于膀胱尿量a，弹性元的初始长度 Zi等于以球体中心为圆心的周长，相当于膀胱一周逼尿肌纤维的长度，球体体积变化就是 尿流率Q，根据上述关系可以根据拓扑函数建立弹性元长度Z与膀胱尿量a的函数，为L =F (a) =2* (Ji2^a)1/3 ^ 8. 36084644*aV3，而收缩长度ΔZ与尿流率Q、膀胱尿量a的函数为 ΔΖ=ξ (Q, a) = Q/{[a1/3+(a-Q) “3]2 — a"3* (a — Q) 1/3}；
(2)建立尿道模型将尿道视为水平放置的管道，其长度、横截面积随时间发生瞬间改 变，尿液在尿道模型中动量、能量的改变等于尿道对尿液的作用，生物流变学研究表明尿道具有弹性滞后、应力松弛、蠕变和Boltzmarm叠加的特点，不同部位的尿道腔横截面积不相 等，而且排尿过程中，尿道腔随时间、尿流动能发生非线性的变化，表现为阻力随时间的非 线性改变，当时间无穷小时，阻力只有一个值，那么，可以根据能量守恒定律，建立产生相同 阻力的水平管道模型，推导出尿道模型横截面积Si的计算方法为尿流率除以尿流速度，Si =QjZvu-J ；
(3)保持前尿道与重力方向垂直，记录和测量排尿数据，该排尿数据包括排尿原点位 置、排尿高度力、不同时间点、上排出尿液的重量Hli、水平位移d,.，计算排尿参数，该排尿参 数包括不同时间点t,.上的尿流率Qi、尿流速度^Vi、单位时间排出尿液的动能Ei和尿道模 型横截面积Si，其中某时间点上的尿流率Qi可以通过计算(πι,-π^)/求得，尿流速 度、的计算公式为^Vi=CliA，t的大小与排尿高度直接相关，t=(2A/>)1/2，单位时间排出 尿液的动能Ei=Oni-Hw) 5，尿道模型横截面积Si=QiZV,.,当然，除了上述所提到 的排尿数据和排尿参数外，本发明还可以进一步对其他数据和参数进行记录和计算，例如 总排尿时间、总尿流时间、平均尿流率、残余尿量(可于排尿完成后通过B超进行测量)、平均 尿流速度、膀胱最大收缩速度及时间、总输出功率、平均输出功率、最大输出功率及时间、最 大功率加速度、总动量、总动能等等，此外，根据上述得到的各种数据和参数还可以进一步 制成尿流率曲线、尿流速度曲线、弹性元收缩速度曲线、输出功率曲线、动量曲线、尿道模型 横截面积曲线等等，通过与正常范围曲线的对比进行后续的分析研究；
(4)根据收缩长度ΔΖ与尿流率Q、膀胱尿量a的函数ΔΖ=ξ(Q, a)计算弹性元 的收缩长度△&，并进一步计算弹性元的收缩速度Ki和收缩加速度，其中收缩速度 VriM-Mi^/ (t-t^ )，收缩加速度 _尸(&-、7)/ (t厂t^ )，以弹性元的最大收缩加 速度评价逼尿肌收缩功能，弹性元的最大收缩加速度的计算方法为作时间_收 缩速度图，取从排尿开始至出现最大尿流速度、最大尿流率和最大尿道模型横截面积的时 间段，用回归的方法计算收缩速度的斜率，以该斜率作为最大收缩加速度，逼尿肌收缩 功能的评价方法为将最大收缩加速度与同年龄组的正常值进行比较，若在正常值范围内， 则判断逼尿肌收缩功能正常；若小于正常值，则判断逼尿肌收缩功能有受损可能性，需要进 一步进行检查；
(5)通过尿道模型横截面积Si判断尿道阻力情况，通过最大横截面积判断尿道有 无梗阻，由于尿道具有弹性滞后、应力松弛的特点，也可取2 3个相连的横截面积最大值 的平均值作为最大横截面积S_，尿道有无梗阻的判断方法为
①将最大横截面积与同年龄组的正常值进行比较，若在正常范围内，则判断尿道无梗 阻，计算最大尿道半径，进入⑤，若小于正常值，则判断尿道出现梗阻，并进入②；
②绘制时间_尿道横截面积变化曲线，若曲线波幅大，则判断逼尿肌_括约肌失协调或 者其他干扰因素；
③判断时间-尿道横截面积变化曲线是否出现长平直段是，则判断为缩窄性梗阻； 否，则判断为压迫性梗阻；
④计算最大理论尿道半径；
⑤输出结果。 上述测量过程中水平位移d,.的测量可以采用多种不同的方法，其中一种较优的测 量方法为
7①读取排尿的落点图像数据图片；
②将采用的每一帧图片与上一帧图片对比，落点图像重合则忽略；
③如有区别，记录时间点，然后采用最大方差阈值法进行图像二值化，再进行边界搜 索，计算落点；
④根据排尿原点位置为圆心的同心圆系统标定，计算出原点位置与落点位置的水平位移毛。为了更好地根据所测量的数据对膀胱收缩功能、尿道阻力情况进行分析，本发明 还优选包括于步骤(5)之后的下列步骤
(6)取单位时间排出尿液的动能最大值Eirax，判断排尿时是否出现腹压变化判断腹压 没有变化时，上述动能最大值作为最大动能；判断腹压出现变化时，上述动能最大值减去腹 压做功值后作为最大动能，是否出现腹压变化的判断方法为将收缩加速度绝对值与 正常值比较，如收缩加速度aw绝对值在开始时间Ttl和结束时间和Tend的时长都为 IS左右)以外的时间段大于正常值的超过2个，且出现于尿流率Qi的最大值之前，在排 除人为干扰或仪器赝象的情况下，可判断为出现腹压变化；
(7)以最大动能及对应的收缩长度AZi绘制最大动能-收缩长度图，根据最大动能-收 缩长度图判断逼尿肌肌力、梗阻等级。考虑到出现腹压变化会对分析结果产生较大的影响，为了避免分析结果不准确， 实际应用时优先选择没有出现腹压变化的数据进行分析计算。上述分析步骤中所用到的收缩加速度Stw绝对值的正常值以及最大收缩加速度 ad_max的正常值都通过统计的方式得出，下面以最大收缩加速度ad_max为例进行说明，如图3 所示，为逼尿肌力正常的下尿路梗阻男性患者的最大收缩加速度的频数直方图，其样本为 361例，通过对直方图的数据进行统计可以得出其最大收缩加速度-0. 0022 0. 104，算术 均数0. 013160665士0. 0124720779，中位数0. 01016，实际应用时，通过检测数据与上述统 计结果进行比较即可判断和分析。下面以一具体实施例对本发明的检测分析方法进行说明
检查对象为一名60岁的膀胱出口梗阻男性患者，检查时采用以下步骤进行
(1)保持前尿道与重力方向垂直(女性患者取半坡卧位，男性患者取立位)；
(2)通电，系统初始化，粘贴腹部电极或安置直肠测压管(调零)；
(3)按开始按钮，患者自行排尿；
(3)系统按一定的频率同时采集尿液质量、水平位移图像，经缓存区传入电脑；
(4)结束排尿后，按结束按钮，标定一次排尿过程；
(5)B超测剩余尿量，输入数据；
(6)人工或微机计算、分析；
(7)输出结果、图表、结论。检查所得的图表如图1、图2所示。图1是尿流率图。图形显示曲线正常，尿量为343ml，最大尿流率超过20ml/s。 仅从此图判断，患者排尿正常，但残余尿量达1000ml。这是由于膀胱过度扩张，被动张力起 主导作用，出现正常的尿流率。图2可见逼尿肌收缩加速比除了开始的3s其余的均小于0. 2，与排尿过程未见腹压波动相吻合，加速度曲线的非线性反映了逼尿肌活动的非线性特征。膀胱尿量1343ml，用 回归方法计算收缩速度的回归方程斜率一逼尿肌最大收缩加速度是0. 45%，这一数值大大 小于最大收缩加速度的统计中位数0.01016，表明该患者存在膀胱收缩功能受损情况，建议 进行进一步诊治。 本发明的临床检测分析结果的准确度如下表所示
权利要求
一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于包括以下步骤(1)建立膀胱的弹性元模型将排尿前膀胱内的尿液拓扑成一个球体，膀胱逼尿肌和腹压的作用看成弹性元的作用，弹性元的模量可随时间、空间改变，根据弹性元模型确定弹性元长度L与膀胱尿量a的函数L = F (a)以及收缩长度ΔL与尿流率Q、膀胱尿量a的函数ΔL=ξ(Q,a)；(2)建立尿道模型将尿道视为水平放置的管道，其长度、横截面积随时间发生瞬间改变，尿液在尿道模型中动量、能量的改变等于尿道对尿液的作用；(3)保持前尿道与重力方向垂直，记录和测量排尿数据，该排尿数据包括排尿原点位置、排尿高度h、不同时间点ti上排出尿液的重量mi、水平位移di，计算排尿参数，该排尿参数包括不同时间点ti上的尿流率Qi、尿流速度vu i、单位时间排出尿液的动能Ei和尿道模型横截面积Si；(4)根据收缩长度ΔL与尿流率Q、膀胱尿量a的函数ΔL=ξ(Q,a)计算弹性元的收缩长度ΔLi，并进一步计算弹性元的收缩速度vi和收缩加速度ad i，以弹性元的最大收缩加速度ad max评价逼尿肌收缩功能；(5)通过尿道模型横截面积Si判断尿道阻力情况，通过最大横截面积Smax判断尿道有无梗阻。
2.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于还包括于步骤 (5)之后的下列步骤(6)取单位时间排出尿液的动能最大值Eirax，判断排尿时是否出现腹压变化判断腹压 没有变化时，上述动能最大值作为最大动能；判断腹压出现变化时，上述动能最大值减去腹 压做功值后作为最大动能；(7)以最大动能及对应的收缩长度AZi绘制最大动能-收缩长度图，根据最大动能-收 缩长度图判断逼尿肌肌力、梗阻等级。
3.根据权利要求2所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于是否出现腹压变 化的判断方法为将收缩加速度绝对值与正常值比较，如收缩加速度绝对值在开始 时间Ttl和结束时间Tend以外的时间段大于正常值的超过2个，且出现于尿流率Qi的最大值之前，在排除人为干扰或仪器赝象的情况下，可判断为出现腹压变化。
4.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于弹性元长度Z与 膀胱尿量 a 的函数为 Z =F (a) =2* (π 2*a)1/3 ^ 8. 36084644*a"3。
5.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于收缩长度ΔΖ与 尿流率 Q、膀胱尿量 a 的函数为 ΔΖ=ξ (Q, a)= Q /{[a1/3+(a - Q) 1/3]2 - a1/3*(a - Q) V3}。
6.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于水平位移d,.的测 量方法为①读取排尿的落点图像数据图片；②将采用的每一帧图片与上一帧图片对比，落点图像重合则忽略；③如有区别，记录时间点，然后采用最大方差阈值法进行图像二值化，再进行边界搜 索，计算落点；④根据排尿原点位置为圆心的同心圆系统标定，计算出原点位置与落点位置的水平位移礼。
7.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特 征在于尿道模型横截面积Si的计算方法为尿流率除以尿流速度，
8.根据权利要求1所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于弹性元的最大收 缩加速度ad_max的计算方法为作时间_收缩速度图，取从排尿开始至出现最大尿流速度、最 大尿流率和最大尿道模型横截面积的时间段，用回归的方法计算收缩速度的斜率，以该斜 率作为最大收缩加速度ad_max。
9.根据权利要求1或8所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于所述逼尿肌 收缩功能的评价方法为将最大收缩加速度与同年龄组的正常值进行比较，若在正常值范 围内，则判断逼尿肌收缩功能正常；若小于正常值，则判断逼尿肌收缩功能有受损可能性， 需要进一步进行检查。
10.根据权利要求1或7所述的一种尿流动力学检测分析方法，其特征在于所述尿道有 无梗阻的判断方法为①将最大横截面积与同年龄组的正常值进行比较，若在正常范围内，则判断尿道无梗 阻，计算最大尿道半径，进入⑤，若小于正常值，则判断尿道出现梗阻，并进入②；②绘制时间_尿道横截面积变化曲线，若曲线波幅大，则判断逼尿肌_括约肌失协调或 者其他干扰因素；③判断时间-尿道横截面积变化曲线是否出现长平直段是，则判断为缩窄性梗阻； 否，则判断为压迫性梗阻；④计算最大理论尿道半径；⑤输出结果。
全文摘要
本发明公开了一种尿流动力学检测分析方法，包括以下步骤建立膀胱的弹性元模型；建立尿道模型；保持前尿道与重力方向垂直，记录和测量排尿数据，计算排尿参数；计算弹性元的收缩长度，并进一步计算弹性元的收缩速度和收缩加速度，以弹性元的最大收缩加速度评价逼尿肌收缩功能；通过尿道模型横截面积判断尿道阻力情况，通过最大横截面积判断尿道有无梗阻。本发明可以完全克服传统有创尿流动力学检查方法对患者所造成的痛苦以及感染的可能，整个分析过程都可以在计算机的帮助下自动进行，其结果清晰明了，便于临床记忆和使用，应用此方法所制成的装置结构简单，维护方便，从而降低医疗费用。
文档编号A61B5/20GK101933812SQ20101027182
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月16日
发明者宋波, 邓惠南, 陈祎, 陈虎 申请人:邓惠南;陈虎