尿液監(jiān)測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時申請No. 61/794,917的優(yōu)先權(quán)，該 申請通過引用整個地并入到本申請中。
【背景技術(shù)】
[0002] 當有必要在一時間段期間從置管的患者收集尿液時，排尿容器或袋常被用在醫(yī)院 和衛(wèi)生保健設(shè)施中。這些容器/袋允許患者保持臥床，而不必被移動以使用浴室或便盆。排 尿系統(tǒng)可以包括導(dǎo)管（例如，弗利導(dǎo)管）、收集容器/袋（例如，由聚合材料或PVC膜制成的 袋）以及將弗利導(dǎo)管連接到收集容器/袋的管道。在操作中，首先對患者進行置管，然后通 過一段長度的管道將導(dǎo)管連接到排放容器/袋。尿液排放通過導(dǎo)管、管道，然后最終排放到 收集容器/袋。尿液可以僅由于重力而被從導(dǎo)管移至收集袋中。平均來說，1小時生成大約 80_90mL的尿液。
[0003] 對于患者護理可能重要的是跟蹤患者生成的尿液的流率和容積。尿液流率或容積 的不規(guī)則性可以向臨床醫(yī)生發(fā)出信號示意患者正在遭受某些問題。在一些情況下，尿液容 積通過在尿液收集容器/袋被充滿之后移除尿液收集容器/袋、然后測量收集后的容積來 跟蹤，但是這未能在排尿期間跟蹤容積和流率，并且可能延遲問題的檢測。某些自動化尿液 輸出感測裝置依賴于超聲脈沖回聲傳感器來檢測流體水平和計算尿液流量。然而，脈沖回 聲超聲測量遭遇到某些限制，包括它們相對昂貴以及具有受計量器角度限制的精度。
[0004] 排尿系統(tǒng)的另一個可能的問題是，當尿液水平到達排放孔時，可能聚集在導(dǎo)管和/ 或其他管道的排放腔內(nèi)，而不是連續(xù)地流動。導(dǎo)管材料（例如，硅膠）的表面張力可能引起 或促使聚集，并且阻止連續(xù)流動。當該聚集發(fā)生時，難以（如果不是不可能的話）得到流率 的精確測量。例如，尿液的初始流動可能因聚集而延遲，從而阻止初始流動的精確測量。此 外，聚集可能導(dǎo)致在表面張力被克服之前形成的流體團。當導(dǎo)致的流體團的量被釋放時，它 可能引起測量誤差，并且可能超出附接的流量計的能力。另一個潛在缺點是，聚集可能使殘 留的流體"倒退"在膀胱中，并且使殘留的流體留在排放腔中，這可以導(dǎo)致衛(wèi)生狀況和健康 問題。
[0005] 本公開涉及用于監(jiān)測/測量流體容積、流率和其他參數(shù)的低成本、高分辨率流體 監(jiān)測裝置和系統(tǒng)。所公開的裝置和系統(tǒng)可以用作尿液監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，或者可以在各種應(yīng) 用中被用來監(jiān)測其他流體。此外，本公開涉及改進通過所述系統(tǒng)的流體流動、從而改進測量 并且?guī)椭乐共幌胍牧黧w余留在所述系統(tǒng)中的方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本文中描述了包括被相信提供優(yōu)于現(xiàn)有的流體/尿液計量器的優(yōu)點的特征的流 體/尿液監(jiān)測裝置和系統(tǒng)。本公開的可靠的低成本流體（例如，尿液）監(jiān)測裝置和/或系 統(tǒng)包括但不限于基于電容的測量系統(tǒng)、基于壓力的測量系統(tǒng)、基于重量的測量系統(tǒng)（例如， 測力單元或應(yīng)變計系統(tǒng)）和/或其他測量系統(tǒng)。
[0007] 在一個實施方案中，基于電容的測量原理被用來測量尿液輸出。該實施方案提供 高分辨率、低成本電子容積和流率尿液計量器和記錄器。該實施方案實現(xiàn)對于任意大小或 形狀的袋/容器指示容積和計算流率的自主的便宜的電路。該實施方案的一些益處包括縮 短所花費的護理者時間，包括通過消除手動記錄這些關(guān)鍵參數(shù)的需要。此外，該實施方案幫 助消除與讀取測量相關(guān)聯(lián)的人為誤差。為了測量尿液的容積、流率、組成等，設(shè)計了具有可 變電容率的電容傳感器的靈敏探頭。
[0008] 在一個實施方案中，一種流體監(jiān)測系統(tǒng)包括容器和電容傳感器，容器用于收集流 體，電容傳感器附接到容器，并且被配置為充當隨著流體收集在容器中感測流體的物理性 質(zhì)的電容器。流體監(jiān)測系統(tǒng)還包括微控制器，其被編程為基于從電容傳感器接收的數(shù)據(jù) (例如，電容傳感器的電容的測量），隨著流體收集在容器中計算流體的容積。電容的測量 /數(shù)據(jù)可以使用振蕩器、CVD、橋式方法、基于電荷的方法和/或CSM方法間接地從電容傳感 器測量。微控制器可以包括軟件，其被編程為將容積與唯一標識符一起發(fā)送以區(qū)分所述流 體監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的容積和其他監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。
[0009] 電容傳感器可以具有僅由兩個平行電極形成的大致共面電極結(jié)構(gòu)或叉指電極結(jié) 構(gòu)。這些電極結(jié)構(gòu)可以由容器的外表面上的導(dǎo)電墨水形成。
[0010] 流體監(jiān)測系統(tǒng)還可以包括參考電容器和補償電容器，參考電容器被配置為測量空 氣的介電性質(zhì)，補償電容器被配置為測量流體的介電性質(zhì)，微控制器被編程為基于從參考 電容器和補償電容器接收的數(shù)據(jù)連續(xù)地估計流體的介電常數(shù)，從而促使對正被測量的流體 的組成和/或電導(dǎo)率的變化進行自動補償。流體監(jiān)測系統(tǒng)可以包括用于將測量（包括容積 和流率）發(fā)送到單獨的裝置（例如，計算機、監(jiān)測器、智能電話等）的無線收發(fā)器。
[0011] 在一個實施方案中，一種測量流體容積的方法包括：提供尿液監(jiān)測裝置，所述尿液 監(jiān)測裝置包括容器、電容傳感器和微控制器，容器用于收集流體，電容傳感器附接到容器， 并且被配置為充當感測流體的物理性質(zhì)的電容器，微控制器被編程為使用來自電容傳感器 的數(shù)據(jù)來隨著流體收集在容器中計算流體的容積和/或流率。所述方法還包括基于來自電 容傳感器的數(shù)據(jù)，隨著流體收集在容器中計算流體的容積。來自電容傳感器的被測數(shù)據(jù)表 示電容傳感器的電容，基于表示電容傳感器的電容的被測數(shù)據(jù)來計算容積。表示電容傳感 器的電容的被測數(shù)據(jù)可以從振蕩器的變化頻率、或者通過使用CVD、橋式方法、基于電荷的 方法和/或GSM方法間接地測量。
[0012] 所述方法還可以涉及在計算流體的容積之前計算電容傳感器的基本（base)電 容，以使得特別是由于液體而導(dǎo)致的電容變化可以被識別，并且容積可以被更精確地計算。 基本電容可以被設(shè)置為零，所以只有流體的電容被測量。
[0013] 在一個實施方案中，提供了一種用于測量攜帶導(dǎo)尿管的患者的尿液生成的高分辨 率、低成本管線式流量計裝置。流量計提供即時流體流量讀數(shù)，而不在排放腔內(nèi)聚集或創(chuàng)建 障礙。該實施方案還提供了一種用于計算、測量、存儲和顯示尿液流率的自動的低功率裝 置。
[0014] 在一個實施方案中，流量計包括殼體和電容傳感器，殼體包括穿過所述殼體的流 體通道，電容傳感器在殼體的內(nèi)部，充當隨著流體通過流體通道感測流體的物理性質(zhì)的電 容器。流量計還包括微控制器，其被編程為基于來自電容傳感器的測量，隨著流體通過流體 通道計算流體的容積。流量計還可以包括用于將被測/被計算數(shù)據(jù)（包括容積和流率）發(fā) 送到單獨的裝置（例如，計算機、監(jiān)測器、智能電話等）的無線收發(fā)器。流量計的電容傳感 器可以具有圍繞流體通道設(shè)置的同軸電極結(jié)構(gòu)，或者具有包括兩個半圓板的電極結(jié)構(gòu)，流 體通道設(shè)置在兩個半圓板之間。流量計還可以包括形成在流體通道的內(nèi)表面上的超疏水微 結(jié)構(gòu)的圖案化表面。
[0015] 在一個實施方案中，所述系統(tǒng)的管道/導(dǎo)管的腔體被用表面活性劑覆蓋或處理以 減少膀胱和排放腔內(nèi)的不想要的流體并且防止聚集。該實施方案提供不在排放腔/膀胱內(nèi) 聚集的即時流體流動以克服由排放腔引入的任何表面張力。
[0016] 在一個實施方案中，所述系統(tǒng)的管道/導(dǎo)管等的腔體被形成有超疏水圖案化表面 以減少膀胱和排放腔內(nèi)的不想要的流體并且防止聚集。該實施方案提供不在排放腔/膀胱 內(nèi)聚集的即時流體流動以克服由排放腔引入的任何表面張力。
[0017] 在一個實施方案中，一種尿液監(jiān)測系統(tǒng)包括容器、印刷電子電阻式傳感器和微控 制器，容器用于收集尿液，印刷電子電阻式傳感器附接到容器的內(nèi)表面，并且被配置為隨著 尿液收集在容器中測量尿液的物理性質(zhì)，微控制器被編程為基于來自印刷電子電阻式傳感 器的測量，隨著尿液收集在容器中計算尿液的容積。
[0018] 在一個實施方案中，一種尿液監(jiān)測系統(tǒng)包括容器、力感測電阻器、支撐和測量組件 (容器從所述支撐和測量組件懸掛）和微控制器，容器用于收集尿液，力感測電阻器被配置 為提供指示隨著尿液收集在容器中尿液的容積的測量值，支撐和測量組件包括設(shè)置在力感 測電阻器的正上方并且與力感測電阻器接觸的接觸物體，微控制器被編程為基于來自力感 測電阻器的測量值，隨著尿液收集在容器中計算尿液的容積。
【附圖說明】
[0019] 可以參照附圖更好地理解所公開的系統(tǒng)和方法。附圖中的組件不一定按比例縮 放。
[0020] 圖1示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)的前視圖。
[0021] 圖2示出圖1的基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)的后視圖。
[0022] 圖3示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有在柔性收集袋上的兩個 邊緣場、平行帶/板電極。
[0023] 圖4示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有在剛性吹塑收集容器上 的兩個邊緣場、平行帶/板電極。
[0024]圖5示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有在柔性收集袋上的兩個 邊緣場、叉指電極結(jié)構(gòu)。
[0025] 圖6示出示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有在柔性收集袋上的 兩個邊緣場、準叉指電極結(jié)構(gòu)。
[0026]圖7示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有其中電極附接到剛性流 體收集容器的相對面對的壁的平行板電極結(jié)構(gòu)。
[0027] 圖8A示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有其中電極附接到相對面 對的剛性壁的平行板電極結(jié)構(gòu)，其他壁是柔性的且可擴張的。
[0028] 圖8B示出圖8A的基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0029] 圖9示出基于電容的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)，其具有其中電極設(shè)置在剛性流 體收集容器內(nèi)的平行板電極結(jié)構(gòu)。
[0030] 圖10A示出與弗利導(dǎo)管一致地布置的管線式（inline)流量計的形式的基于電容 的流體測量或監(jiān)測裝置/系統(tǒng)。
[0031] 圖10B示出作為半圓形平行板電容傳感器的圖10A的管線式流量計的截面圖。
[0032] 圖10C示出作為同軸電容傳感器的圖10A的管線式流量計的截面圖。
[0033] 圖11示出同軸環(huán)式電容器。
[0034] 圖12示出張弛振蕩器（relaxationoscillator)內(nèi)部微控制器。
[0035] 圖13示出張弛振蕩器施密特觸發(fā)器。
[0036] 圖14示出用于測量電容的電容式分壓器技術(shù)。
[0037] 圖15示出測量電容的橋式AC激勵方法。
[0038] 圖16示出用于測量電容的電荷轉(zhuǎn)移方法。
[0039] 圖17示出微芯片微控制器內(nèi)部電容式感測模塊。
[0040] 圖18示出電容式感測模塊框圖。
[0041 ] 圖19示出坐置在粗糙超疏水圖案化表面的頂部的液滴。
[0042] 圖20示出形成在導(dǎo)管/管道（沒有按比例縮放）的內(nèi)表面的一部分上的超疏水 微結(jié)構(gòu)圖案化表面。
[0043] 圖21示出實現(xiàn)印刷電子電阻式傳感器的液體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)。
[0044] 圖22示出實現(xiàn)印刷電子電阻式傳感器的可靠的低成本液體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)的簡 化電路圖。
[0045] 圖23示出實現(xiàn)印刷電子電阻式傳感器的液體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)的硬件的簡化框 圖。
[0046] 圖24示出實現(xiàn)力感測電阻器（FSR)的液體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)。
[0047] 圖25示出力感測電阻器（FSR)的組件中的一些。
[0048] 圖26示出用于保持力感測電阻器（FSR)傳感器接觸區(qū)域不變并且防止彎曲的機 械夾具的設(shè)計。
[0049] 圖27示出實現(xiàn)力感測電阻器（FSR)的流體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)的簡化電路圖。
[0050] 雖然本發(fā)明易于有各種修改和替代形式，但是其特定實施方案在附圖中作為實施 例示出，并且在本文中進行詳細描述。然而，應(yīng)理解，本文中對特定實施方案的描述并非意 圖使本發(fā)明限于所公開的特定形式，而是相反，本發(fā)明覆蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同和替代。
【具體實施方式】
[0051] 描述并示出某些實施方案的以下描述和附圖被安排為以非限制的方式展示根據(jù) 本公開的各方面和特征的可靠的低成本流體（例如，尿液）監(jiān)測設(shè)備和/或系統(tǒng)（包括用 于測量容積和流率）的幾個可能的配置。所公開的裝置和系統(tǒng)可以用作尿液監(jiān)測裝置/系 統(tǒng)，或者可以在各種應(yīng)用中被用來監(jiān)測其他流體。此外，本公開涉及改進通過所述系統(tǒng)的流 體流動、從而改進測量并且防止不想要的流體余留在系統(tǒng)中的方式。
[0052] 如本文中所使用的，術(shù)語"準確性"是指測量和真實或正確值之間的正確性（例 如，一致性）的度量。雖然準確性是指測量和真實值之間的一致性，但是它沒有告訴你所使 用的儀器的質(zhì)量。"誤差"是指測量和真實或接受值之間的不一致性。"精度"是精確性的 度量，是指測量的可重復(fù)性。"分辨率"是指在輸出處生成可檢測變化所必需的、輸入的最小 變化。"換能器"是指如通過塞貝克效應(yīng)熱電偶將熱能轉(zhuǎn)換為電能中那樣在兩個系統(tǒng)之間傳 送能量的裝置。如本文（包括權(quán)利要求書）中所使用的詞語"包含"、"具有"應(yīng)具有與詞語 "包括"相同的意義。
[0053] 本公開的可靠的低成本流體（例如，尿液）監(jiān)測裝置和/或系統(tǒng)包括但不限于基 于電容的測量系統(tǒng)、基于壓力的測量系統(tǒng)、基于重量的換能器測量系統(tǒng)（例如，測力單元或 應(yīng)變計系統(tǒng)）、和/或其他低成本、高分辨率測量系統(tǒng)。
[0054] 基于電容的測量系統(tǒng)
[0055] 圖1和圖2分別示出基于電容的流體測量裝置/系統(tǒng)的形式的高分辨率、低成本 流體監(jiān)測裝置或系統(tǒng)的前視圖和后視圖。圖1和圖2中所示的裝置/系統(tǒng)是基于電容的流 體測量裝置/系統(tǒng)的示例。雖然圖1和圖2的裝置/系統(tǒng)在本文中一般被稱為尿液監(jiān)測系 統(tǒng)或尿液計量器2,但是所公開的一般原理和特征可以被應(yīng)用于基于電容的流體測量/監(jiān) 測裝置和/或系統(tǒng)的多種形式和應(yīng)用，并且可以被用來監(jiān)測除了尿液之外的流體。
[0056] 智能尿液計量器2使用電容傳感器6,其使用基于電容的測量原理進行操作。電容 傳感器6表現(xiàn)得像一個電容器，容器中的流體/尿液的量作用于該電容器上，該電容器的電 容受所存在的流體/液體的時間相關(guān)量的影響。流體/尿液既充當電導(dǎo)體，又充當電介質(zhì)， 電容被用作被電氣地區(qū)分的被充容積函數(shù)的指示。容積的變化也隨著時間而被跟蹤以監(jiān)測 流率。因此，電容傳感器6可以測量容積和流率。
[0057] -般地，電容器由至少兩個電極（例如，導(dǎo)電板）構(gòu)成。電極可以由被稱為電介質(zhì) 的物質(zhì)隔開或受該物質(zhì)的影響。電容是電容器在給定電壓下可以保持的電荷量的度量。電 容以法拉（F)為單元進行測量，并且它可以以每伏特庫倫為單位被定義為：電容 ￥ 率是物質(zhì)的物理性質(zhì)，在電容器的設(shè)計和構(gòu)造中是重要的。真空（也被稱為自由空間）的 電容率大約等于8. 85pF/m。材料/物質(zhì)的介電常數(shù)K或相對電容率是材料/物質(zhì)的電容率 與自由空間的電容率的比率。換句