尿液监测系统和方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请No. 61/794,917的优先权，该 申请通过引用整个地并入到本申请中。
【背景技术】
[0002] 当有必要在一时间段期间从置管的患者收集尿液时，排尿容器或袋常被用在医院 和卫生保健设施中。这些容器/袋允许患者保持卧床，而不必被移动以使用浴室或便盆。排 尿系统可以包括导管（例如，弗利导管）、收集容器/袋（例如，由聚合材料或PVC膜制成的 袋）以及将弗利导管连接到收集容器/袋的管道。在操作中，首先对患者进行置管，然后通 过一段长度的管道将导管连接到排放容器/袋。尿液排放通过导管、管道，然后最终排放到 收集容器/袋。尿液可以仅由于重力而被从导管移至收集袋中。平均来说，1小时生成大约 80_90mL的尿液。
[0003] 对于患者护理可能重要的是跟踪患者生成的尿液的流率和容积。尿液流率或容积 的不规则性可以向临床医生发出信号示意患者正在遭受某些问题。在一些情况下，尿液容 积通过在尿液收集容器/袋被充满之后移除尿液收集容器/袋、然后测量收集后的容积来 跟踪，但是这未能在排尿期间跟踪容积和流率，并且可能延迟问题的检测。某些自动化尿液 输出感测装置依赖于超声脉冲回声传感器来检测流体水平和计算尿液流量。然而，脉冲回 声超声测量遭遇到某些限制，包括它们相对昂贵以及具有受计量器角度限制的精度。
[0004] 排尿系统的另一个可能的问题是，当尿液水平到达排放孔时，可能聚集在导管和/ 或其他管道的排放腔内，而不是连续地流动。导管材料（例如，硅胶）的表面张力可能引起 或促使聚集，并且阻止连续流动。当该聚集发生时，难以（如果不是不可能的话）得到流率 的精确测量。例如，尿液的初始流动可能因聚集而延迟，从而阻止初始流动的精确测量。此 外，聚集可能导致在表面张力被克服之前形成的流体团。当导致的流体团的量被释放时，它 可能引起测量误差，并且可能超出附接的流量计的能力。另一个潜在缺点是，聚集可能使残 留的流体"倒退"在膀胱中，并且使残留的流体留在排放腔中，这可以导致卫生状况和健康 问题。
[0005] 本公开涉及用于监测/测量流体容积、流率和其他参数的低成本、高分辨率流体 监测装置和系统。所公开的装置和系统可以用作尿液监测装置/系统，或者可以在各种应 用中被用来监测其他流体。此外，本公开涉及改进通过所述系统的流体流动、从而改进测量 并且帮助防止不想要的流体余留在所述系统中的方式。
【发明内容】
[0006] 本文中描述了包括被相信提供优于现有的流体/尿液计量器的优点的特征的流 体/尿液监测装置和系统。本公开的可靠的低成本流体（例如，尿液）监测装置和/或系 统包括但不限于基于电容的测量系统、基于压力的测量系统、基于重量的测量系统（例如， 测力单元或应变计系统）和/或其他测量系统。
[0007] 在一个实施方案中，基于电容的测量原理被用来测量尿液输出。该实施方案提供 高分辨率、低成本电子容积和流率尿液计量器和记录器。该实施方案实现对于任意大小或 形状的袋/容器指示容积和计算流率的自主的便宜的电路。该实施方案的一些益处包括缩 短所花费的护理者时间，包括通过消除手动记录这些关键参数的需要。此外，该实施方案帮 助消除与读取测量相关联的人为误差。为了测量尿液的容积、流率、组成等，设计了具有可 变电容率的电容传感器的灵敏探头。
[0008] 在一个实施方案中，一种流体监测系统包括容器和电容传感器，容器用于收集流 体，电容传感器附接到容器，并且被配置为充当随着流体收集在容器中感测流体的物理性 质的电容器。流体监测系统还包括微控制器，其被编程为基于从电容传感器接收的数据 (例如，电容传感器的电容的测量），随着流体收集在容器中计算流体的容积。电容的测量 /数据可以使用振荡器、CVD、桥式方法、基于电荷的方法和/或CSM方法间接地从电容传感 器测量。微控制器可以包括软件，其被编程为将容积与唯一标识符一起发送以区分所述流 体监测系统发送的容积和其他监测系统发送的数据。
[0009] 电容传感器可以具有仅由两个平行电极形成的大致共面电极结构或叉指电极结 构。这些电极结构可以由容器的外表面上的导电墨水形成。
[0010] 流体监测系统还可以包括参考电容器和补偿电容器，参考电容器被配置为测量空 气的介电性质，补偿电容器被配置为测量流体的介电性质，微控制器被编程为基于从参考 电容器和补偿电容器接收的数据连续地估计流体的介电常数，从而促使对正被测量的流体 的组成和/或电导率的变化进行自动补偿。流体监测系统可以包括用于将测量（包括容积 和流率）发送到单独的装置（例如，计算机、监测器、智能电话等）的无线收发器。
[0011] 在一个实施方案中，一种测量流体容积的方法包括：提供尿液监测装置，所述尿液 监测装置包括容器、电容传感器和微控制器，容器用于收集流体，电容传感器附接到容器， 并且被配置为充当感测流体的物理性质的电容器，微控制器被编程为使用来自电容传感器 的数据来随着流体收集在容器中计算流体的容积和/或流率。所述方法还包括基于来自电 容传感器的数据，随着流体收集在容器中计算流体的容积。来自电容传感器的被测数据表 示电容传感器的电容，基于表示电容传感器的电容的被测数据来计算容积。表示电容传感 器的电容的被测数据可以从振荡器的变化频率、或者通过使用CVD、桥式方法、基于电荷的 方法和/或GSM方法间接地测量。
[0012] 所述方法还可以涉及在计算流体的容积之前计算电容传感器的基本（base)电 容，以使得特别是由于液体而导致的电容变化可以被识别，并且容积可以被更精确地计算。 基本电容可以被设置为零，所以只有流体的电容被测量。
[0013] 在一个实施方案中，提供了一种用于测量携带导尿管的患者的尿液生成的高分辨 率、低成本管线式流量计装置。流量计提供即时流体流量读数，而不在排放腔内聚集或创建 障碍。该实施方案还提供了一种用于计算、测量、存储和显示尿液流率的自动的低功率装 置。
[0014] 在一个实施方案中，流量计包括壳体和电容传感器，壳体包括穿过所述壳体的流 体通道，电容传感器在壳体的内部，充当随着流体通过流体通道感测流体的物理性质的电 容器。流量计还包括微控制器，其被编程为基于来自电容传感器的测量，随着流体通过流体 通道计算流体的容积。流量计还可以包括用于将被测/被计算数据（包括容积和流率）发 送到单独的装置（例如，计算机、监测器、智能电话等）的无线收发器。流量计的电容传感 器可以具有围绕流体通道设置的同轴电极结构，或者具有包括两个半圆板的电极结构，流 体通道设置在两个半圆板之间。流量计还可以包括形成在流体通道的内表面上的超疏水微 结构的图案化表面。
[0015] 在一个实施方案中，所述系统的管道/导管的腔体被用表面活性剂覆盖或处理以 减少膀胱和排放腔内的不想要的流体并且防止聚集。该实施方案提供不在排放腔/膀胱内 聚集的即时流体流动以克服由排放腔引入的任何表面张力。
[0016] 在一个实施方案中，所述系统的管道/导管等的腔体被形成有超疏水图案化表面 以减少膀胱和排放腔内的不想要的流体并且防止聚集。该实施方案提供不在排放腔/膀胱 内聚集的即时流体流动以克服由排放腔引入的任何表面张力。
[0017] 在一个实施方案中，一种尿液监测系统包括容器、印刷电子电阻式传感器和微控 制器，容器用于收集尿液，印刷电子电阻式传感器附接到容器的内表面，并且被配置为随着 尿液收集在容器中测量尿液的物理性质，微控制器被编程为基于来自印刷电子电阻式传感 器的测量，随着尿液收集在容器中计算尿液的容积。
[0018] 在一个实施方案中，一种尿液监测系统包括容器、力感测电阻器、支撑和测量组件 (容器从所述支撑和测量组件悬挂）和微控制器，容器用于收集尿液，力感测电阻器被配置 为提供指示随着尿液收集在容器中尿液的容积的测量值，支撑和测量组件包括设置在力感 测电阻器的正上方并且与力感测电阻器接触的接触物体，微控制器被编程为基于来自力感 测电阻器的测量值，随着尿液收集在容器中计算尿液的容积。
【附图说明】
[0019] 可以参照附图更好地理解所公开的系统和方法。附图中的组件不一定按比例缩 放。
[0020] 图1示出基于电容的流体测量或监测装置/系统的前视图。
[0021] 图2示出图1的基于电容的流体测量或监测装置/系统的后视图。
[0022] 图3示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有在柔性收集袋上的两个 边缘场、平行带/板电极。
[0023] 图4示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有在刚性吹塑收集容器上 的两个边缘场、平行带/板电极。
[0024]图5示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有在柔性收集袋上的两个 边缘场、叉指电极结构。
[0025] 图6示出示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有在柔性收集袋上的 两个边缘场、准叉指电极结构。
[0026]图7示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有其中电极附接到刚性流 体收集容器的相对面对的壁的平行板电极结构。
[0027] 图8A示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有其中电极附接到相对面 对的刚性壁的平行板电极结构，其他壁是柔性的且可扩张的。
[0028] 图8B示出图8A的基于电容的流体测量或监测装置/系统的侧视图。
[0029] 图9示出基于电容的流体测量或监测装置/系统，其具有其中电极设置在刚性流 体收集容器内的平行板电极结构。
[0030] 图10A示出与弗利导管一致地布置的管线式（inline)流量计的形式的基于电容 的流体测量或监测装置/系统。
[0031] 图10B示出作为半圆形平行板电容传感器的图10A的管线式流量计的截面图。
[0032] 图10C示出作为同轴电容传感器的图10A的管线式流量计的截面图。
[0033] 图11示出同轴环式电容器。
[0034] 图12示出张弛振荡器（relaxationoscillator)内部微控制器。
[0035] 图13示出张弛振荡器施密特触发器。
[0036] 图14示出用于测量电容的电容式分压器技术。
[0037] 图15示出测量电容的桥式AC激励方法。
[0038] 图16示出用于测量电容的电荷转移方法。
[0039] 图17示出微芯片微控制器内部电容式感测模块。
[0040] 图18示出电容式感测模块框图。
[0041 ] 图19示出坐置在粗糙超疏水图案化表面的顶部的液滴。
[0042] 图20示出形成在导管/管道（没有按比例缩放）的内表面的一部分上的超疏水 微结构图案化表面。
[0043] 图21示出实现印刷电子电阻式传感器的液体监测装置或系统。
[0044] 图22示出实现印刷电子电阻式传感器的可靠的低成本液体监测装置或系统的简 化电路图。
[0045] 图23示出实现印刷电子电阻式传感器的液体监测装置或系统的硬件的简化框 图。
[0046] 图24示出实现力感测电阻器（FSR)的液体监测装置或系统。
[0047] 图25示出力感测电阻器（FSR)的组件中的一些。
[0048] 图26示出用于保持力感测电阻器（FSR)传感器接触区域不变并且防止弯曲的机 械夹具的设计。
[0049] 图27示出实现力感测电阻器（FSR)的流体监测装置或系统的简化电路图。
[0050] 虽然本发明易于有各种修改和替代形式，但是其特定实施方案在附图中作为实施 例示出，并且在本文中进行详细描述。然而，应理解，本文中对特定实施方案的描述并非意 图使本发明限于所公开的特定形式，而是相反，本发明覆盖落在由所附权利要求限定的本 发明的精神和范围内的所有修改、等同和替代。
【具体实施方式】
[0051] 描述并示出某些实施方案的以下描述和附图被安排为以非限制的方式展示根据 本公开的各方面和特征的可靠的低成本流体（例如，尿液）监测设备和/或系统（包括用 于测量容积和流率）的几个可能的配置。所公开的装置和系统可以用作尿液监测装置/系 统，或者可以在各种应用中被用来监测其他流体。此外，本公开涉及改进通过所述系统的流 体流动、从而改进测量并且防止不想要的流体余留在系统中的方式。
[0052] 如本文中所使用的，术语"准确性"是指测量和真实或正确值之间的正确性（例 如，一致性）的度量。虽然准确性是指测量和真实值之间的一致性，但是它没有告诉你所使 用的仪器的质量。"误差"是指测量和真实或接受值之间的不一致性。"精度"是精确性的 度量，是指测量的可重复性。"分辨率"是指在输出处生成可检测变化所必需的、输入的最小 变化。"换能器"是指如通过塞贝克效应热电偶将热能转换为电能中那样在两个系统之间传 送能量的装置。如本文（包括权利要求书）中所使用的词语"包含"、"具有"应具有与词语 "包括"相同的意义。
[0053] 本公开的可靠的低成本流体（例如，尿液）监测装置和/或系统包括但不限于基 于电容的测量系统、基于压力的测量系统、基于重量的换能器测量系统（例如，测力单元或 应变计系统）、和/或其他低成本、高分辨率测量系统。
[0054] 基于电容的测量系统
[0055] 图1和图2分别示出基于电容的流体测量装置/系统的形式的高分辨率、低成本 流体监测装置或系统的前视图和后视图。图1和图2中所示的装置/系统是基于电容的流 体测量装置/系统的示例。虽然图1和图2的装置/系统在本文中一般被称为尿液监测系 统或尿液计量器2,但是所公开的一般原理和特征可以被应用于基于电容的流体测量/监 测装置和/或系统的多种形式和应用，并且可以被用来监测除了尿液之外的流体。
[0056] 智能尿液计量器2使用电容传感器6,其使用基于电容的测量原理进行操作。电容 传感器6表现得像一个电容器，容器中的流体/尿液的量作用于该电容器上，该电容器的电 容受所存在的流体/液体的时间相关量的影响。流体/尿液既充当电导体，又充当电介质， 电容被用作被电气地区分的被充容积函数的指示。容积的变化也随着时间而被跟踪以监测 流率。因此，电容传感器6可以测量容积和流率。
[0057] -般地，电容器由至少两个电极（例如，导电板）构成。电极可以由被称为电介质 的物质隔开或受该物质的影响。电容是电容器在给定电压下可以保持的电荷量的度量。电 容以法拉（F)为单元进行测量，并且它可以以每伏特库伦为单位被定义为：电容 ￥ 率是物质的物理性质，在电容器的设计和构造中是重要的。真空（也被称为自由空间）的 电容率大约等于8. 85pF/m。材料/物质的介电常数K或相对电容率是材料/物质的电容率 与自由空间的电容率的比率。换句