一种膀胱尿液容量监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及医疗器械的技术领域，更具体地，涉及一种膀胱尿液容量监测系统及其监测方法。

背景技术

临床上尿道狭窄、肿瘤等引起的下尿路梗阻，先天性畸形、损伤性病变、肿瘤与炎症病变等导致的膀胱逼尿肌无力、麻痹，均会造成膀胱过度膨胀，内压升高，致使尿流被迫溢出，由此诱发泌尿系统感染等并发症，严重影响病人的生活质量，甚至危害病人生命健康。病人如能够自身感知到膀胱尿液的变化，在膀胱尿液容量达到所能承受的最大容量前采取相应的辅助排尿措施，如间歇性导尿或刺激膀胱排尿等，可减轻病人的痛苦，改善病人的生存质量。

国内外关于膀胱尿液容量的监测研究众多，主要包括：（1）应用电阻抗法的膀胱容量测量系统。该系统主要由电极、发射器和接收器三部分组成。固定在膀胱壁上对立位的两电极间电阻随着膀胱内尿量的增多而增大，发射器把这种电阻变化的信号向体外的接收器发射，接收器检测出膀胱的尿量；（2）膀胱压力检测系统：主要由体外控制器部分和体内膀胱压力检测部分构成，体内压力检测模块由稳压电路、压力传感器等构成，体内压力检测依靠体外控制器进行无线供电。然而，前者检测结果受多种因素如尿液的传导性、环境温度、电极安放位置、膀胱血流量、电极周围发生纤维化、持续的电流对组织产生损害以及电极脱位的影响；后者由于未采用内置充电电池供电，无法使压力检测模块脱离外部供电电源实时检测膀胱尿量且所使用的压力传感器需要植入膀胱内部进行压力检测，与尿液接触，易造成感染。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种膀胱尿液容量监测系统及其监测方法，能够克服单个传感器因人体姿态变化引起的尿液位置变化造成测量不准确的弊端，且能够避免体内装置与膀胱内尿液直接接触导致的泌尿系统感染。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种膀胱尿液容量监测系统，包括信号连接的体内装置和体外装置，所述体内装置内置于外腹壁内，所述体外装置设于外腹壁外；所述膀胱外侧环绕有膀胱支架，所述膀胱支架固定于耻骨上，所述膀胱支架设有能够容纳尿道及输尿管穿过的通孔；所述体内装置包括内置于防水密封容器内的充电装置以及设于膀胱支架内侧的力监测装置，所述防水密封容器内还设有无线发射装置及用于实现模拟电压信号降噪、滤波和模数转化的控制器，所述无线发射装置连接于控制器的输出端，所述力监测装置及充电装置均连接于控制器的输入端；所述体外装置包括电能发射装置以及数据接收装置，所述电能发射装置与充电装置无线连接，所述数据接收装置与无线发射装置无线连接，所述数据接收装置连接有用于计算膀胱的尿液容量值的终端。

本发明的膀胱尿液容量监测系统，当膀胱内尿液缓慢增加时，力监测装置检测某一时刻作用于其上的力并产生相应的模拟电压信号，模拟电压信号传输至控制器；控制器对模拟电压信号进行降噪、滤波和模数转换处理，将得到的数字电压信号由无线发射装置从体内发送至体外的数据接收装置，数据接收装置将接收的数字电压信号传输至终端，经终端计算得到膀胱的尿液容量值。本发明设于体内的充电装置以及设于体外的电能发射装置形成供电系统，为整个监测系统提供电能，避免了经常更换体内内置电池的问题；且体内装置多置于密封防水容器内，避免了直接与体液接触，且避免了漏液的风险。

进一步地，所述力监测装置包括固定条以及若干环绕于固定条上的力传感器，所述固定条环绕于膀胱支架内侧，若干力传感器并联连接。多个力传感器分布布置，可克服植入单个力传感器因人体姿态变化引起的尿液位置变化而造成测量不准的弊病。

进一步地，所述电能发射装置包括顺次连接的高频电源、发射芯片以及发射线圈，所述发射线圈为由多匝导电金属线圈缠绕而成的盘状结构。高频电源、发射芯片以及发射线圈构成体外发射电路，为体内的充电电池充电。

进一步地，所述充电装置包括顺次通过导线串联连接的接收线圈、充电芯片以及充电电池，所述接收线圈为由多匝导电金属线圈缠绕而成的盘状结构，所述接收线圈与发射线圈磁连接。接收线圈、充电芯片以及充电电池构成体内可充电电源，为体内的监测电路提供电能。

进一步地，所述接收线圈与发射线圈之间的距离不大于90cm。由于接收线圈与发射线圈之间的磁场作用有距离限制，本发明两者之间的距离限定为90cm以下。需要说明的是，这只是作为本发明的优选，两者之间的距离可随着技术难题的攻破而相应增加。

进一步地，所述发射芯片设有用于指示充电电池是否满电的指示灯。当电能发射装置靠近充电装置为充电装置进行充电时，指示灯显示红色，表明充电电池处于充电状态；当充电电池充满电时，指示灯变绿；通过指示灯可观察充电电池是否处于缺电和饱电的状态，直观明了。

进一步地，所述膀胱支架为由医用合金材料制成的碗形网状结构，所述密封防水容器为由医用合金材料制成的密闭结构。膀胱支架和密封防水容器采用与人体生物性相容的合金制成，质量较轻，且无排异反应。

进一步地，所述终端创建有神经网络模型，所述神经网络模型包括顺次连接的输入层、隐层以及输出层，所述输入层的输入为力传感器产生的数字电压信号，所述输出层的输出为膀胱尿液容量值。采用神经网络计算膀胱尿液容量值，计算准确，且计算速度快。

本发明还提供了一种膀胱尿液容量监测系统的监测方法，包括以下步骤：

s1.创建神经网络模型并对神经网络模型进行离线训练；

s2.当膀胱内尿液缓慢增加时，各力传感器分别检测某一时刻作用于其上的力并产生相应的模拟电压信号，模拟电压信号传输至控制器；

s3.控制器对步骤s2中所述模拟电压信号进行降噪、滤波和模数转换处理，将得到的数字电压信号由无线发射装置从体内发送至体外的数据接收装置；

s4.数据接收装置将接收的数字电压信号传输至终端，终端将采集到的各个力传感器输出的电压信号转换为输入值；

s5.步骤s4中的输入值输入至步骤s1中经离线训练的神经网络模型中进行运算得到膀胱尿液容量值。

本发明的膀胱尿液容量监测方法，当膀胱内尿液缓慢增加时，各力传感器分别检测出膀胱某一时刻作用于其上的力并产生相应的模拟电压信号，控制器对模拟电压信号进行降噪、滤波和模数转换处理后，将得到的数字电压信号由无线发射装置从体内发送到体外的数据接收装置，无线发射装置将信号传输至终端。终端将采集到的各个力传感器输出的电压信号转换为输入值，输入神经网络模型，得到膀胱内尿液容量值。本发明结构简单，能够通过终端实时监测患者的膀胱尿液容量，为具有尿意感知功能障碍的患者带来生活便利。

优选地，步骤s1中对神经网络模型离线训练包括以下步骤：

s11.初始化所述神经网络模型的权值及偏置值；

s12.将某一时刻每个力传感器输出的数字电压信号值进行归一化处理后作为训练样本，并将训练样本输入到神经网络模型的输入层；

s13.进行神经网络训练，计算隐层和输出层神经单元的输出；

s14.计算步骤s13中输出层的输出值与膀胱尿液容量实测值的偏差，若满足设定偏差要求，则训练结束；若不满足偏差要求，则修正权值及偏置值后返回步骤s13继续训练。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明使得患者能够通过终端实时监测膀胱尿液容量值，为具有尿意感知功能障碍的患者带来生活便利。

（2）采用多个力传感器分布布置，克服植入单个传感器因人体姿态变化引起的尿液位置变化造成测量不准的弊病。

（3）体外的电能发射装置与体内的充电装置构成整个监测系统的供电系统，可反复充电为监测电路供电，避免了经常更换体内内置电池的问题。

（4）体内的充电装置、控制器及无线发射装置设置在防水密封容器内，不与膀胱尿液接触，可避免泌尿系统感染，也避免了漏液的风险。

（5）膀胱支架和密封防水容器采用与人体生物性相容的合金制成，质量较轻，且无排异反应。

附图说明

图1为膀胱尿液容量监测系统的结构示意图。

图2为膀胱尿液容量监测的原理图。

图3为神经网络模型的结构示意图。

图4为神经网络模型的训练流程图。

附图中：1-膀胱；2-耻骨；3-防水密封容器；4-接收线圈；5-充电芯片；6-充电电池；7-控制器；8-无线发射装置；9-导线；10-力传感器；11-尿道；12-固定条；13-输尿管；14-膀胱支架；15-发射线圈；16-指示灯；17-发射芯片；18-高频电源；19-数据接收装置；20-终端；21-外腹壁。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图3所示为本发明的膀胱尿液容量监测系统的实施例，包括信号连接的体内装置和体外装置，体内装置内置于外腹壁21内，体外装置设于外腹壁21外；膀胱1外侧环绕有膀胱支架14，膀胱支架14固定于耻骨2上，膀胱支架14设有能够容纳尿道11及输尿管13穿过的通孔；体内装置包括内置于防水密封容器3内的充电装置以及设于膀胱支架14内侧的力监测装置，防水密封容器3内还设有无线发射装置8及用于实现模拟电压信号降噪、滤波和模数转化的控制器7，无线发射装置8连接于控制器7的输出端，力监测装置及充电装置均连接于控制器7的输入端；体外装置包括电能发射装置以及数据接收装置，电能发射装置与充电装置无线连接，数据接收装置与无线发射装置无线连接，数据接收装置连接有用于计算膀胱的尿液容量值的终端20。本实施例的力监测装置包括固定条12以及n（n≥3）个环绕于固定条12上的力传感器10，固定条12环绕于膀胱支架14内侧，n个力传感器10并联连接，力传感器10与控制器7间连接有导线9。n个力传感器10分布布置，可克服植入单个力传感器因人体姿态变化引起的尿液位置变化而造成测量不准的弊病。

如图2所示，本实施例当膀胱内尿液缓慢增加时，力监测装置检测某一时刻作用于其上的力并产生相应的模拟电压信号，模拟电压信号传输至控制器7；控制器7对模拟电压信号进行降噪、滤波和模数转换处理，将得到的数字电压信号由无线发射装置8从体内发送至体外的数据接收装置19，数据接收装置19将接收的数字电压信号传输至终端20，经终端20计算得到膀胱的尿液容量值。

具体地，电能发射装置包括顺次连接的高频电源18、发射芯片17以及发射线圈15，发射线圈15为由多匝导电金属线圈缠绕而成的盘状结构。充电装置包括顺次通过导线串联连接的接收线圈4、充电芯片5以及充电电池6，接收线圈4为由多匝导电金属线圈缠绕而成的盘状结构，接收线圈4与发射线圈15磁连接。接收线圈4与发射线圈15之间的距离不大于90cm。其中，高频电源18、发射芯片17以及发射线圈15构成体外发射电路，为体内的充电电池充电；接收线圈4、充电芯片5以及充电电池6构成体内可充电电源，为体内的监测电路提供电能。另外，发射芯片17设有用于指示充电电池是否满电的指示灯。当电能发射装置靠近充电装置为充电装置进行充电时，指示灯16显示红色，表明充电电池6处于充电状态；当充电电池6充满电时，指示灯变绿。

本实施例中的膀胱支架14为由医用合金材料制成的碗形网状结构，密封防水容器为由医用合金材料制成的密闭结构，与人体生物相容性好，质量较轻，且无排异反应。

另外，如图3所示，本实施例中的终端20创建有神经网络模型，神经网络模型包括顺次连接的输入层、隐层以及输出层，输入层的输入为力传感器产生的数字电压信号，输出层的输出为膀胱尿液容量值。

实施例二

本实施例为膀胱尿液容量监测方法的实施例，包括以下步骤：

s1.创建神经网络模型并对神经网络模型进行离线训练；

s2.当膀胱内尿液缓慢增加时，各力传感器10分别检测某一时刻作用于其上的力并产生相应的模拟电压信号，模拟电压信号传输至控制器7；

s3.控制器7对步骤s2中模拟电压信号进行降噪、滤波和模数转换处理，将得到的数字电压信号由无线发射装置8从体内发送至体外的数据接收装置19；

s4.数据接收装置19将接收的数字电压信号传输至终端20，终端20将采集到的各个力传感器10输出的电压信号转换为输入值；

s5.步骤s4中的输入值输入至步骤s1中经离线训练的神经网络模型中进行运算得到膀胱内尿液容量值。

如图4所示，步骤s1中对神经网络模型离线训练包括以下步骤：

s11.初始化神经网络模型的权值及偏置值；

s12.将某一时刻每个力传感器输出的数字电压信号值进行归一化处理后作为训练样本，并将训练样本输入到神经网络模型的输入层；

s13.进行神经网络训练，计算隐层和输出层神经单元的输出；

s14.计算步骤s13中输出层的输出值与膀胱尿液容量实测值的偏差，若满足设定偏差要求，则训练结束；若不满足偏差要求，则修正权值及偏置值后返回步骤s13继续训练。

步骤s5中，膀胱尿液容量值的计算方法为：将某一时刻n个传感器采集到的n个电压值1、2、3……n经降噪、滤波和模数转换处理得到的数字电压信号作为经离线训练的神经网络模型的输入值，经离线训练的神经网络模型运算输出膀胱内尿液容量值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。