基于光纤传感器的尿液比重测量系统和测量方法与流程

本发明涉及尿液监测领域，具体来说，是连续监测尿液比重变化的基于光纤传感器的尿液比重测量系统和测量方法。

背景技术：

尿比重(又称为尿比密)反映的是单位容积尿中溶质的含量，其高低决定于尿中代谢物及其它成分的浓度，含这些物质越多，尿比重越大，含量越少，比重越低。正常成人的尿比重多在1.015～1.025之间(《肾科疑难问题解析》)。

尿比重用于估计肾脏的浓缩功能。浓缩尿液是肾脏最重要的功能之一。尿比重大于1.020的高比重尿提示肾灌注不足，但肾脏尚好，是为肾前性肾功能衰竭；相反，尿比重小于1.010的低比重尿则为肾性肾功能衰竭。(《ICU疑难问题解析》、第三节、泌尿系统监测)。据《全国临床检验操作规程(第4版)、P160-169》，尿量少且比重高，见于急性肾炎、高热、心功能不全和脱水等；尿量多且比重增加，见于糖尿病；尿比重低，见于慢性肾小球肾炎、肾功能不全和尿崩症等。

尿比重的临床测定方法有试带法、折射计法和比密计法(《全国临床检验操作规程(第4版)、P168》)。其中，试带法操作简便但精度不高(±0.005～±0.001)，是目前常用的方法之一，尿液干化学法分析仪可以用于测定尿液的比重，属于试带法，是一种自动或半自动的尿比重测定方法；折射计法属于光学方法，操作较为麻烦，主要用于区县医院等；比密法利用比重计进行测量，是目前精度较高的一种方法(精度可达±0.001～±0.0001)，但是操作起来较为麻烦，先主要用于科学研究和试验等。

专利文献201510616694.6公开了一种基于太赫兹光谱技术的检测尿液的方法。本发明提供了一种基于太赫兹光谱测量技术，利用体液在太赫兹辐射诱导下的色散变化区分不同肾病病人尿液中蛋白质的相对含量，该方法解决了衡量尿液状况的物理参数问题；而且不依赖化学试剂的辅助，减少了外在的化学污染，是一种纯物理的检测方法；方法操作简单，数据处理快速，结果准确。

现有的技术侧重于尿比重的单次测量，例如利用光学CCD相机的便携式尿比重测量仪、大型的全自动尿生化分析仪器等，都能够提供准确等尿比重信息，满足常规检查的需要。临床医学、尤其是在ICU医学中，患者的肾功能随时可能会出现异常并表现为尿比重的异常。ICU的特级或一级护理中明确指出，至少每隔一小时要测量一次患者的尿比重。

本发明基于以上原因，需要研发一种方法来实现连续监测尿比重，实时动态监测肾功能是否出现异常。

技术实现要素：

本发明基于以上原因，提出了一种来连续的动态监测尿比重的基于光纤传感器的尿液比重测量系统。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

基于光纤传感器的尿液比重测量系统，包括采集单元、信号处理单元、主控计算机、尿液通道、尿液导向管、用于控制尿液导向管通断的尿管控制阀、清洗通道、用于控制清洗通道通断的清洗控制阀，所述尿液通道前段内壁安装采集单元，所述采集单元通过导线连通信号处理单元，所述信号处理单元通过导线连通主控计算机；所述主控计算机分别连通尿管控制阀和清洗控制阀，所述尿液通道后段通过清洗控制阀连通清洗通道，所述尿液通道顶部通过尿管控制阀连通尿液导向管；所述尿液通道包括第一尿液通道、第二尿液通道和第三尿液通道，所述第一尿液通道和第三尿液通道通过第二尿液通道连通，形成排液腔，所述第二尿液通道高于第一尿液通道。

进一步限定，所述采集单元采用光纤传感器，所述采集单元被安装在第一尿液通道中，用于采集反射光谱。

进一步限定，所述信号处理单元在主控计算机的控制下周期性的获取反射光谱图像，通过计算得到折射率，并通过导线将折射率数据传送至主控计算机。

采用上述技术方案，实现本方案的第一个目的，利用法布里-帕罗(F-P)光纤传感器连续采集尿液反射光谱，控制CCD相机周期性的拍摄反射光谱图像；信号处理步骤：利用反射光谱条纹对比度和折射率的函数关系计算出尿液的折射率；尿比重换算步骤：利用尿液折射率和尿比重的函数关系计算出尿比重。

进一步限定，所述主控计算机有比重测量模式和冲洗模式两者选择模式；

当选择比重测量模式，主控计算机关闭清洗控制阀，打开尿管控制阀，尿液从尿液导向管进入到第一尿液通道，由于第一尿液通道低于尿管控制阀和第二尿液通路，当清洗控制阀关闭时，尿液会在第一尿液通道中保持一定时间的滞留并形成一定的液位，当液位高于采集单元的测量端时，反射光谱被传回信号处理单元进行数据处理得到尿液折射率，最终折射率被送至主控计算机；主控计算机将折射率换成比重；尿液最终通过第三尿液通路进入到尿盒或者其他集尿装置；

当选择冲洗模式，主控计算机关闭尿管控制阀，尿液不能从尿液导向管进入到第一尿液通路；此时，主控计算机打开清洗控制阀，清洗液从清洗通道依次通过清洗控制阀、采集单元、第一尿液通路、第二尿液通路和第三尿液通路，并最终进入到废水盒；由于尿管控制阀处于关闭状态，清洗液不会进入到尿液导向管。

采集步骤需要周期性的进行，24小时连续不断的监测患者的尿比重。为实现本方案的另一个目的，本发明提供了一套冲洗系统，在一个监测周期结束后，对传感器进行冲洗清洁，传感器清洁标准是不对下个监测周期的测量造成影响。在一个采集周期内，不需要对传感器进行清洗，利用尿液的流动性保障同一个患者的尿比重测量的实时性和准确性。

本发明还提供了一种基于光纤传感器的尿液比重测量方法，包括以下步骤，

S1，采集，利用光纤传感器周期性的进行反射光谱采集，采集周期设定为1Hz；

S2，信号处理，利用信号处理单元控制光源和CCD相机工作，当CCD相机获取一幅反射光谱图像，对光谱图像进行分析，将光谱图像和标准的光谱进行对比，得出当前时刻尿液的折射率，当尿液折射率发生变化时，反射光谱发生相应的变化，能够及时被采集步骤捕获；

S3，尿比重换算，利用反射光谱条纹对比度和折射率的函数关系计算出尿液的折射率；

S4，切换冲洗模式，首先进行清洗30秒钟，然后利用光纤传感器采集当前的反射光谱，并计算当前折射率；如果当前折射率和清洗液的折射率误差在控制范围以内，则视为清洗完成；否则进行下一次30秒钟的冲洗，直到满足前述条件。

优选的，S1，采集中，尿液通道的设计必须确保光纤传感器能浸入尿液中，尿液流动的方式只能是从第一尿液通道流向第三尿液通道。

优选的，S4，切换冲洗模式中，清洗光纤传感器时，需要关闭尿管控制阀，保证清洗液不能在尿液通道中逆向流动；清洗的判断标准是当前折射率和清洗液的折射率进行比较，两者之间的误差小于0.0001时，认为清洗达标。

优选的，所述光纤传感器的安装位置在清洗控制阀和尿管控制阀后30～50mm的范围，并且光纤传感器的测量端离尿液通道内壁空隙在1～2mm的范围。

优选的，所述光纤传感器的安装位置部分尿液通道需要比其他部分低10～30mm的范围。

本发明相比现有技术，本发明采用光纤传感器来实时连续测量尿液折射率，再利用主控计算机内置软件把折射率换算成为比重，具有结构简单、成本较低、测量结果可靠等特点。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1是本发明基于光纤传感器的尿液比重测量系统示意图；

图2是本发明基于光纤传感器的尿液比重测量方法(比重测量模式)示意图；

图3是本发明基于光纤传感器的尿液比重测量方法(冲洗模式)示意图。

清洗通道1，清洗控制阀2，尿液导向管3，第三导线4，尿管控制阀5，第四导线6，主控计算机7，信号处理单元9，第二尿液通道10，第三尿液通道11，第一尿液通道12，第一导线13，采集单元14。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，基于光纤传感器的尿液比重测量系统，包括采集单元14、信号处理单元9、主控计算机7、尿液通道、尿液导向管3、用于控制尿液导向管3通断的尿管控制阀5、清洗通道1、用于控制清洗通道1通断的清洗控制阀2，尿液通道前段内壁安装采集单元14，采集单元14通过第一导线13连通信号处理单元9，信号处理单元9通过第二导线8连通主控计算机7；主控计算机7分别通过第三导线4连通尿管控制阀5和第四导线6连通清洗控制阀2，尿液通道后段通过清洗控制阀2连通清洗通道1，尿液通道顶部通过尿管控制阀5连通尿液导向管3；尿液通道包括第一尿液通道12、第二尿液通道10和第三尿液通道11，第一尿液通道12和第三尿液通道11通过第二尿液通道10连通，形成排液腔，第二尿液通道10高于第一尿液通道12。

采集单元14采用光纤传感器，采集单元14被安装在第一尿液通道12中，用于采集反射光谱。

信号处理单元9在主控计算机7的控制下周期性的获取反射光谱图像，通过计算得到折射率，并通过第二导线8将折射率数据传送至主控计算机7。

需要指出的是，主控计算机7负责计算尿比重、控制比重测量和控制冲洗。

主控计算机7有比重测量模式和冲洗模式两者选择模式；

如图2所示，当选择比重测量模式，主控计算机7关闭清洗控制阀2，打开尿管控制阀5，尿液从尿液导向管3进入到第一尿液通道12，由于第一尿液通道12低于尿管控制阀5和第二尿液通路10，当清洗控制阀2关闭时，尿液会在第一尿液通道12中保持一定时间的滞留并形成一定的液位，当液位高于采集单元14的测量端时，反射光谱被传回信号处理单元9进行数据处理得到尿液折射率，最终折射率被送至主控计算机7；主控计算机7将折射率换成比重；尿液最终通过第三尿液通路11进入到尿盒或者其他集尿装置；

如图3所示，当选择冲洗模式，主控计算机7关闭尿管控制阀5，尿液不能从尿液导向管3进入到第一尿液通路12；此时，主控计算机7打开清洗控制阀2，清洗液从清洗通道1依次通过清洗控制阀2、采集单元14、第一尿液通路12、第二尿液通路10和第三尿液通路11，并最终进入到废水盒；由于尿管控制阀5处于关闭状态，清洗液不会进入到尿液导向管3。

基于光纤传感器的尿液比重测量方法，包括以下步骤，

S1，采集，利用光纤传感器周期性的进行反射光谱采集，采集周期设定为1Hz；

S2，信号处理，利用信号处理单元控制光源和CCD相机工作，当CCD相机获取一幅反射光谱图像，对光谱图像进行分析，将光谱图像和标准的光谱进行对比，得出当前时刻尿液的折射率，当尿液折射率发生变化时，反射光谱发生相应的变化，能够及时被采集步骤捕获；

需要指出的是，当CCD相机获取一副反射光谱图像后。首先判断该光谱图像是否有效，如果光谱图像出现明显不能识别的遮挡、模糊等，无法进入到下一步，视为该光谱无效。

S3，尿比重换算，利用反射光谱条纹对比度和折射率的函数关系计算出尿液的折射率；

S4，切换冲洗模式，首先进行清洗30秒钟，然后利用光纤传感器采集当前的反射光谱，并计算当前折射率；如果当前折射率和清洗液的折射率误差在控制范围以内，则视为清洗完成；否则进行下一次30秒钟的冲洗，直到满足前述条件。

使用纯净水作为清洗液的好处是其能很好的对管路和传感器进行冲洗，同时利用纯净水相对固定的(反射光谱)折射率作为冲洗是否达到要求的判断标准。

需要指出的时，清洗液不局限于纯净水，可以时能够对尿液及其尿垢起到很好去除作用的化学液体，也可以是某种特殊成分清洗液和纯净水的综合使用。

也有可能会出现清洗始终不达标的情况，当反复冲洗3次以上仍然不达标，系统应该给出警告，并改由人工进行信息。

S1，采集中，尿液通道的设计必须确保光纤传感器能浸入尿液中，尿液流动的方式只能是从第一尿液通道流向第三尿液通道。

S4，切换冲洗模式中，清洗光纤传感器时，需要关闭尿管控制阀，保证清洗液不能在尿液通道中逆向流动；清洗的判断标准是当前折射率和清洗液的折射率进行比较，两者之间的误差小于0.0001时，认为清洗达标。

光纤传感器的安装位置在清洗控制阀和尿管控制阀后30mm的范围，并且光纤传感器的测量端离尿液通道内壁空隙在1mm的范围。

光纤传感器的安装位置部分尿液通道需要比其他部分低10mm的范围。

以上对本发明提供的基于光纤传感器的尿液比重测量系统和测量方法进行了详细介绍。