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超声膀胱容量测定仪测定算法的研究和实现
朱钢 1，周山宏 1，刘春梅 2
1电子科技大学医疗器械研究室，成都（610054）
2西南科技大学信息工程学院，绵阳（621010）
摘 要：分析了现有的可以实现超声膀胱容量测量的算法的缺点，具体介绍了改进的算法和
基于该算法基础上研制的便携式膀胱容量测定仪，并且具有实时显示和打印功能，该测定仪
采用了较简单的超声回波处理电路。实际测试表明，这种算法和设计方法高效可行。
关键词：超声，膀胱容量，单片机，电路
由于缺乏一个导尿标准及测试膀胱容量、残余尿量的有效手段，严重影响了医护人员对
患者膀胱状态的监测和诊断，特别是术后膀胱功能的评估。同时医院中传统给患者导尿的方
法是依靠患者的储尿感觉和医护人员的经验来进行，导致了大量的导尿机会，进而增加了医
源性泌尿系统感染的发生率，对患者来说频繁插导管也增加了痛苦，尤其是小儿患者的痛苦。
另外，很多老年人有夜间尿多的现象，有可能是膀胱肌肉萎缩导致尿液的容量的减少，如果
对膀胱容量可以进行实时简易的测定，就能更早地检测出膀胱肌肉是否有萎缩现象，从而及
时进行相应的治疗。所以测定膀胱容量和残余尿量不但可以评价膀胱的生理机能，而且可以
在患者治疗膀胱疾病过程中及时给出疗效评价。本设计即是基于此目的研发的一种便携式、
实时显示并具有打印功能的非侵入式超声膀胱容量测定仪。
1. 容量测定算法的实现
椭球体积公式法
== 3213
4 rrrV π
6
abcπ ，膀胱近似为一椭球， cba ,, 分别为膀胱的三个直径，此方法关
键是求三个直径，即 A超深度，横切面最大面直径，纵切面最大面直径。
按照第二种方法 A 超深度相对容易测量，两个直径不能直接测量，但可以利用余弦定
理公式： θcos2222 ⋅⋅⋅−+= OBOAOBOAAB 求得直径 AB，见图 1(a)，其中 OA与 OB
是从发射源到切面上半圆最远处两点的距离，θ为 OA与 OB间的夹角。因为 OA和 OB值
是根据超声信号在膀胱后壁上反射的回波来测量的，但由于超声信号在膀胱壁上有反射同时
有折射，在实际测量时，越接近 OA和 OB的扫描线折射越强，反射信号越弱，受探头发射
功率的影响，很难测到实际的 OA和 OB值，得到的 OA和 OB值可能是图 1(a)中靠近中间
的 OE和 OF值，这样也会影响θ值大小，最终导致容量测量结果准确度不高。
图 1 超声发射扫描示意图
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改进的算法
== 3213
4 rrrV π 1 16 4 42( )( )( ) ( ) ( )
16
ab ac S h S vabc
a a
π π ππ
π= ≈ ， ( )S h 是横切面最大面
面积， ( )S v 是纵切面最大面面积，a是 A超深度，此方法关键是求 ( )S h 和 ( )S v ，结合本
设计实现方法可用微元法求面积，避免了求横切面和纵切面最大面直径[1]。超声信号测量膀
胱具体实现方法为：超声发射探头采用单阵元机械扇扫式，工作频率为 ，最大探测
深度设计为 20cm，探头的扇扫角度设计为 90°，与同步电机和步进电机组装在一起，单片
机通过 8255 控制探头内的同步电机和步进电机的驱动，同步电机的驱动脉冲周期为 5Hz，
由于仅在换能器摆动的正程发射超声，所以单片机每隔 1/（2× 5× 64）≈ 给出一个发
射脉冲，从而得到 64条扫描线，为了保证步进电机工作的平稳性，其步距角设计为 °，
即四步旋转 90°。在完整扫描一个面中等间隔发射 64 次超声脉冲，程序设定每条扫描线上
等间距采集 200个数据点（点间距为 1mm），由于超声碰到膀胱壁会有强回波信号返回，设
定一个阈值电平，按电平判定方法，若未扫描到膀胱，反射信号较弱，该条线的 200个数据
全为 0，图 2为扫描到膀胱得到的某条线上数据：
由于干扰信号影响，可能会造成单个尖峰脉冲，导致单个高电平“1”形成，所以算法中
先将单个“1”置“0”，排除掉干扰信号的影响，然后从第一个数据到最后一连串“1”的第一个“1”
之间的 0，1个数总和即为从探头源到膀胱后壁之间的距离（如上共计 41个，即为 41 mm），
两个“1”之间 “0” 的个数计为膀胱的深度值，（如上单个的“1” 置“0”后两个“1”之间“0”的个
数共 25个，则可知该条线测得膀胱的深度为 25 mm）。测量时将超声探头置于耻骨联合上方，
见图 1（d）,然后启动探头中的同步电机和步进电机，进行横切面扇扫得 64条扫描线的数据，
计算 64 条线所测到的膀胱深度，没扫描到膀胱则深度为 0，采用“中心判决法”，若左边 32
条线和右边 32条线扫描到膀胱的条数不相等，显示偏左或偏右的位置（如图 1（b）显示偏
左）,根据显示左右（横向）移动探头，使扫描到膀胱的左右条数相等，则显示在中心位置
（如图 1（c）），此时探头位于膀胱某个横切面的横向轴线上方，但这个扫描到的横切面不
一定是最大横切面，根据椭球形状知探头是位于最大纵切面上面，将探头转动 90°进行纵切
面扇扫得到 64条扫描线数据，同横切面判别方法相同可以很快将探头置于最大纵切面的纵
向轴线上方，储存扫描最大纵切面的 64条线数据，得到各条线所扫描到的膀胱深度值，没
扫描到的计 0，设最左边的 OA到最右边 OB测得的膀胱深度记为 1a ， 2a ....... 1j ka + − ，比较
第 31、32和 33条线的深度值，最大数即可认为是 A超深度值，
此时 ( )S h =
2
1 2 2 3 2 1 1 1
2
( ) ( ) ( ) [ ( )]
j k
j k j k i j k
i
a a h a a h a a h a a a h
+ −
+ − + − + −
=
+ + + + ⋅⋅⋅⋅⋅ ⋅ + + = + +∑ �
参数 h可用余弦定理公式：
0000000010000111000000000000000000000000011110000……0000000000 (0，1个数共计 200个)
图 2 采集某条扫描线的数据
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2 2 2
12 cosh OP OQ OP OQ θ= + − ⋅ ⋅ ⋅ 得到， 0 01 9 0 1 .4 36 3θ = ≈ ，见图 1(a)，
P，Q两点分别是第 32 和 33条线膀胱内深度的中心点。OP、OQ值也很容易得到。用此方
法即使测到的 OA和 OB值是靠中间的 OE和 OF值，因为对其它参数没影响，且靠近边缘
的膀胱容量相对很小，所以测到的面积误差也会很小。测得 ( )S h 后，此时可知探头是位于
最大横切面的上面，探头再转动 90°同纵切面扫描方法和计算方法相同得到 ( )S v ，则很容易
计算出膀胱容量。实验中采用气球做实验，在气球中灌一定量的水，用此方法测气球容量，
测量值和实际值偏差很小，基本上在 10%以内。
2. 超声膀胱容量测定仪系统设计
超声膀胱容量测定仪选用 PHILIPS P89C668型单片机控制，该单片机含有 8K RAM，
64K FLASH，按每个地址存放 8 个点的数据，8K RAM 足以满足所采集的 64 条扫描线共
12800个数据的储存，设计中有较多的图形显示均通过查表方式实现，64K 的 FLASH也足
以存放较大量的主程序[2]。本系统外围电路主要由超声发射部分、接收部分和人机界面三部
分组成。系统硬件框架图如图 3所示。
图 3 系统硬件框架图
超声发射模块设计
由于探头工作频率为 ，得单片机 口要通过 74LS221进行脉冲展宽到 200ns
来控制超声信号的发射，见图 4，场效应管 IRF840作为开关元件，Q1、Q2起驱动作用，关
断期间，C1由电源 E经电阻 R1、R4充电到+125V，在同步脉冲加至 Q3的栅极时，管子导
通，C1经过探头 T和 L1放电，将能量传给换能器，换能器谐振，发射超声衰减振荡脉冲，
R0 用来调节衰减振荡的阻尼时间，R0 越小，衰减越快，发射的脉冲越窄，能量也越小，E
越大，超声发射功率越大，在本设计中选用+125V，D1、D2 用于防止噪声对后级处理的影
响，同时还可以防止接收时小信号向 Q3的分流[3]。
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图 4 超声发射部分
超声接收模块设计
超声回波经动态滤波、预放、带通滤波、时间增益补偿（TGC）放大电路，再经过限幅
检波和比较电路模块，最后经 FIFO将数据传入单片机进行处理。如图 5所示，接收的信号
先经过 D3、D4（起钳位作用）将回波信号幅度压低，然后进入动态滤波部分，这部分主要
由 L2、C6、C7、变容二极管 D6、D7 组成，其 LC回路的共振频率及其 Q值随探测深度而
改变，使得近场中心频率较高，远场中心频率较低。在回波信号进入 TGC补偿模块前要经
过预放和带通滤波器，因超声回波频带很宽，带通设定为 ,采用 LMH6224M
进行设计。由于超声在人体软组织中的平均传播速度为 1540m/s，对于 20cm的探测深度，
发射一次超声波到完成 20cm深度回波的接收共需 260µs，且回波的衰减随深度的增加而增
加，则要通过 74LS221进行脉冲展宽到 260µs来产生一个斜声信号对超声回波进行 TGC补偿
放大，虚线框内为产生 260µs斜声信号的电路，在 TGC补偿模块中通过放大器对回波信号
进行信号补偿，本设计中采用 AD600AR芯片，然后信号经过限幅检波和比较电路，比较电
路采用 LM311N 电压比较器，将限幅检波后的回波信号和某一阈值电压进行比较，高于该
阈值电压便输出高电平“1”，低于该阈值电压便输出低电平“0”，省去了常规超声回波信号处
理中的对数压缩和 A/D转换，从而简化了电路[4]。最后信号进入 FIFO，由于每条扫描线要
等间距采集 200个数据点，且需在 260µs内完成，即每隔 µs采集一个点，单片机直接从
比较电路读取数据则晶振需要几十兆以上，这样会给 PCB 板的设计与实现带来很大困难，
电路中采用 FIFO解决了这一矛盾，FIFO选用 IDT 7201（512×9），工作在半满状态，可以
对 FIFO设定写时序，这里用 555定时器设定一周期为 µs的矩形波进行写操作，在矩形
波作用下快速写入回波信号，半满标志位HF接单片机的 口（ 1INT ），每当写入 256
个数据时即让单片机产生中断，存入的数据则可以用一种相对较慢的速度读进单片机，读取
前 200个数据后清空 FIFO以备下次存取。
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图 5 超声接收部分
人机界面部分设计
键盘处理采用中断方式，共有 4个键：复位键、性别键、打印键和扫描键。液晶显示器
选用 ＂单色点阵图形液晶显示器，点阵数为 320×240，点大小为 ×，蓝/白 CCFL
背光，控制板主芯片为 EPSON SED1335，用于显示测量值、A超波形、性别标识、B超示
意图及其他相关信息。微型打印机采用 WD-ANH 型热敏微型打印机，通过 8255 扩展与单
片机相连，该打印机控制简单，可以实现各种字符、图形、曲线、甚至汉字的打印[5]。
软件设计
图 4 主程序流程图
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3. 结论
本文在现有可以实现超声膀胱容量测量的算法上进行改进，研究和实现了一种基于改进
算法基础上的膀胱容量测定仪，该仪器能较准确、迅速、无创地测量和显示容量、A超深度，
此外，体积轻巧、操作简便还可以通过微型打印机打印测试数据，实现了小型化和智能化。
参考文献
[1] N. K. Kristiansen、J. C. Djurhuus、H. Nygaard: ‘Design and evaluation of an ultrasound-based bladder
volume monitor’, Medical & Biological Engineering & Computing 2004, Vol. 42: P 762-769.
[2] 张毅钢，彭喜元，姜守达等. 新编MSC—51单片机应用设计. 哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社. 2004.
[3] 冯若. 超声手册. 南京.南京大学出版社.1999: P725~858.
[4] 万明习等. 医学超声学原理与技术. 西安交通大学出版社. 1992年 10月第 1版.
[5] 李维讠是 ， 郭强. 液晶显示应用技术. 北京：电子工业出版社.2002: P448~501.
Research of Ultrasonic Bladder Volume Measuring
Algorithm and Realization of Ultrasonic Bladder Volume Scanner
Zhugang1, Zhou Shanhong1, Liu Chunmei2
1 School of Life Science and Technology, UEST of China, Chengdu (610054)
2 Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan (621010)
Abstract
The shortcoming of the existing ultrasonic bladder volume scanner measuring algorithm is
present an improved algorithm particularly as well as the realization of a type of portable
and intelligent ultrasonic bladder volume scanner, The instrument can print data and display data
real-timely. Using a simple circuit of ultrasonic echo process, the system can measure volume
accurately.
Keywords：Ultrasonic, Bladder Volume, MCU, Circuit
