综述 | 尿流动力学检测仪器的历史、现状及展望

原文刊发于《现代泌尿外科杂志》

网络首发时间：2024-09-09

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摘 要

尿流动力学是研究尿液生成、储存和排空过程中涉及的生理学和生物力学参数的重要领域。本综述首先回顾了尿动力学的发展历程、阐述尿流动力学检测仪器的从早期的基础研究到现代先进设备的发展进步及引入我国的历史、接着详细介绍了主要尿流动力学仪器的作用原理、系统构成及其在临床中的应用现状，进一步指出当前仪器在技术上的不足并提出尿流动力学检测仪器的在核心测压传感器技术、舒适性和隐私性、工作数据传输与人工智能紧密结合等方向的发展趋势，以期为临床了解该领域的发展提供有价值的参考。

尿流动力学研究尿液生成、储存和排空过程中的生理学和生物力学参数，具有重要的临床和研究价值。随着人口老龄化程度加剧和相关疾病的增加，尿流动力学检测在泌尿系统疾病诊断中的作用越加重要。尿流动力学检测仪器的发展历程反映了医学和工程学的紧密结合，从早期的基础研究到现代精密设备的诞生，这一过程充满了技术突破与创新。

尿流动力学检测仪器种类繁多，包括压力流率测定、尿道压力测定、膀胱容量测定等，这些设备在尿流动力学研究和临床应用中发挥着不同的作用。早期的尿流动力学检测仪器主要依赖于简单的机械装置和手工记录方法，随着计算机技术和传感技术的进步，现代尿流动力学仪器已经发展成为高精度、高灵敏度的检测设备，能够实时监测和记录尿流动力学参数，为临床诊断提供可靠依据。

当前，尿流动力学检测在临床实践中的应用，涵盖了多种泌尿系统疾病的诊断和治疗，如压力性尿失禁、膀胱过度活动症、前列腺增生等。然而，尽管我国在该领域取得了一定进展，但在核心技术创新、设备国产化及多学科合作方面仍面临诸多挑战。技术的不足，如检测精度的提高、患者舒适度的改善等，都是亟待解决的问题。

本文旨在通过对尿流动力学检测仪器的历史、现状及未来发展的全面综述，为从事泌尿系统研究和临床诊治的专业人员提供参考，推动相关研究的发展，提高临床诊断和治疗的水平，最终造福广大患者。

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尿流动力学的任务及发展历程

下尿路症状（low urinary tract dysfunction，LUTD）涵盖储尿阶段、排尿阶段及排尿后可能出现的诸多症状，范围广泛。引起 LUTS 的疾病包括前列腺增生、各型尿失禁以及膀胱过度活动综合征等。调查表明，40岁以上人群LUTD极为常见，男性与女性的发病率分别为60.3%和 57.7%，并随年龄的增长有逐渐上升的趋势。上尿路排尿功能障碍通常由膀胱内部的过高压力引发，导致尿液逆流至输尿管乃至肾脏，涉及疾病包括严重的截瘫、多种中枢神经系统病变和盆腔手术引发的神经源性膀胱。上述疾病若未能及时诊断和干预，患者可能面临肾功能衰竭风险，严重威胁其生命安全。

尿流动力学的核心任务是深入探讨尿液的生成、储存和排空过程，揭示膀胱、尿道以及相关神经肌肉系统的生理学机制。在尿流动力学检查中，医生通过监测患者的膀胱压力、尿道压力、尿液流速、肌电等参数，可以全面地评估尿液排空过程。其对于涉及下尿路及上尿路排尿功能障碍疾病的临床诊断和治疗具有重要价值。尿流动力学检查的意义在于帮助医生全面地了解患者的排尿功能，为制定有效的个性化治疗方案提供参考依据。

尿流动力学的历史可以追溯到19世纪，早期的研究主要集中在描述尿液排空过程的生理学方面。随着生物医学工程学科的兴起，真正系统性的尿流动力学研究在20世纪逐渐发展起来。1953年 DAVIS医生正式提出“尿流动力学（Urodynamics）”这个名词，随后在1962年，DAVIS 和 ZIMSKIND 医生第1次在国际知名杂志《泌尿外科杂志》（Journal of Urology）上使用了尿流动力学这个名词，这标志着现代尿流动力学的形成和确立。从20世纪中叶起，尿流动力学检查逐渐成为诊断排尿功能障碍不可或缺的一部分，其在泌尿外科、妇产科、康复科、儿科、创伤外科、骨科、神经外科等领域均发挥重要的作用。

我国的尿流动力学起步较晚，整体上延续西方发达国家的研究体系，尽管目前我国的尿流动力学研究及临床实践已接近国外的普遍水平，但仍缺少具有明显创新性的重大突破。

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尿动力学仪器的发展及引入我国的历史

1972年，专业从事流体测量仪器的丹麦Dantec Dynamics 公司成功开发了世界上第1台现代化的尿流动力学分析仪，使尿流动力学的检测逐渐进入高效、便捷的阶段。到了1987年，国际尿控协会（Inter-nationnal Continence Society，ICS）对尿流动力学分析仪器的要求和参数指标提出了规范要求，使尿流动力学检测仪器的研发逐渐规范和统一。随后国外的尿流动力学检测仪器蓬勃发展，其中加拿大公司 Laborie 的仪器被大量引入国内。Laborie Aquarius 系列尿流动力学检测仪器是一种高度集成的便携式尿流动力学检测系统，Aquarius CT 是其中最先进的一个仪器系统，具有先进的盆底诊断技术。Aquarius 系列配备了先进的软件工作站，预装了其自主研发的 Laborie 系统，具有先进的数据采集和分析能力，符合 ICS 测试的全部协议，具有远程控制功能，配备无线触摸屏，可以使用遥控器进行操作。RediCADDY 尿流动力学检测仪器是新近研发的一种尿流动力学系统，其最大的特点是设计紧凑，便于携带，数据的传输采用了无线的方式，可以将主机的数据同步传输到电脑上，系统界面十分友好、简单，容易上手操作。此外，还有 EasyPro 4、Lumax Fiberoptic Cystometry 及 Morpheus Complex 等，都是近年来比较流行的尿流动力学检测系统，设备具备普遍的高度集成与便携性、主机交互界面的简单化，触屏交互成为主流，同时具备12~16个多通道同步检测，并可以通过系统内建的软件对测试结果进行一般性的初步判读。

国内从1980 年开始引进国外的尿流动力学检测仪器，由于设备昂贵，1990年国内仅有不到 50家医院购买了进口的尿流动力学检测仪器。为了突破国外的垄断，1990年首都医科大学和陆军军医大学西南医院联合研发了国产  SWIII 型尿流动力学检测仪器，随后西南医院又和成都维信电子科大新技术有限公司共同研发了 Nidoc970 型尿流动力仪，该仪器设定的检测参数设定与 ICS 匹配，可以完成一般尿流动力学检查的所有项目，获得了国家科技进步二等奖，是国内尿流动力学检测仪器发展的一个里程碑，目前已经升级到了 Nidoc970A 和 Nidoc970A 十等型号。截止2023年底，国内市场上的尿流动力学检测仪器主要有成都维信电子科大新技术有限公司的 Nidoc970 系列，北京万生人和科技有限公司的 OT-UD 系列，广州普东医疗设备股份有限公司的 Ndly 11B 系列，领汇医疗科技有限公司的 LUD4100 系列等，国产尿流动力学检测仪器目前已经可以满足基本的临床需求。

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尿流动力学检测仪器的作用原理及系统构成

尿流动力学检测仪器是基于流体力学和电生理学的基本原理，通过专门设计的仪器设备来定量分析尿路（包括膀胱、尿道及相关的盆底肌肉等）在储尿和排尿过程中的力学变化和神经控制功能，具体内容包括（图1），①压力测定：检查过程中，医生会在膀胱内插入1根测压导管，并通过连接的压力传感器监测膀胱内压（Pves）的变化。此外，还会从肛门插入直肠测压管以测量腹压（Pabd）。这些压力数据综合分析后能够反映实时的逼尿肌压力（腹压减去膀胱内压即为逼尿肌的压力），以及膀胱容量增加时逼尿肌的顺应性、膀胱颈和尿道的功能状态等。②尿液流率测定：在患者排尿阶段，尿流率计可以精确记录尿流的速度和总量，从而评估尿道阻力、尿道括约肌功能以及逼尿肌收缩能力。③生物电活动监测：某些高级尿流动力学检查还包括对下尿路相关肌肉的电生理活动进行监测，比如利用肌电图（electromyogram，EMG）记录逼尿肌和尿道外括约肌的电生理信号，以判断是否存在异常的神经控制问题。④动态功能测试：在膀胱充盈过程中，根据患者的主观感觉（如尿意、疼痛等），结合客观的压力和流速指标，评估膀胱的感觉阈值、膀胱容量、急迫性尿失禁等情况，同时通过咳嗽或改变体位观察是否出现漏尿现象，进一步了解控尿情况。

尿流动力学的数据获取及分析依赖于尿流动力学分析仪器，该仪器是一套复杂而精密的设备，由多个关键组件协同工作。ICS规定的常规尿流动力学分析仪器的构成包括：微处理系统（主机）、压力传感器、尿流率计、肌电单元、灌注系统、牵引系统、电极系统和系统控制软件等。

①微处理系统（主机）：负责控制整个系统的运作，包括用户界面，用于设定实验参数、控制仪器的运作、实时监测和记录检测过程中的数据，并具备数据分析和生成报告的功能。

②压力传感器：系统中关键的测量组件，通过多通道设计的精密压力传感器，实时测量膀胱内、尿道内和腹腔内等不同区域的压力信息。通过与其他尿流动力参数的同步检测，可以绘制出压力-尿流率-肌电曲线等重要结果，从而提供全面的尿流动力学数据。

③尿流率计：用于测量尿液排出的流速和尿量，生成尿流率曲线，反映尿液排空的速度和规律。有称重式和旋转式，称重式是目前应用最为广泛的类型。

④肌电单元：负责监测相关肌肉，尤其是盆底横纹括约肌的电活动。通过记录肌电信号，可以评估括约肌的协调性和功能状态。

⑤灌注系统：通过注人液体到膀胱，产生特定的膀胱容量，并可通过灌注系统模拟尿液充盈的生理过程，帮助评估膀胱的功能。可分为重力灌注方式和泵灌注方式，其中泵灌注方式具有流量反馈功能，并且可以方便设置流量流速，具有高度的自动化特点，是目前较为先进的系统普遍采用的灌注方式。

此外，进行尿动力学检查还需要尿动力检查床等专用设备，其应满足以下特点和要求：①舒适性和安全性：尿动力学检查床需要符合相关的医疗器械安全标准，并且提供舒适的检查体验，确保患者在检查过程中感觉舒适和安全；②可调节：尿动力学检查床通常需要具有多种可调节功能，包括床面高度、角度、坐垫位置等，以适应不同患者的身材和检查需求；③防水和易清洁：考虑到尿动力学检查过程中可能会涉及尿液等液体，床面需要防水设计，同时易于清洁和消毒，以确保卫生安全。

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目前应用的尿流动力学检测仪器存在的不足

目前，国外的尿流动力学检测仪器，较之国内的产品有其独特的优势：在功能上更加的完善，而且设计也更加的人性化，尤其是针对不同的患者群体，区分度也十分明显，正是这种对细节上的把握，使得国外的产品受到各个医院的青睐，市场占有率也更高。但是在一些方面国外的产品也存在不足，比如使用习惯，国外的设计是依据国外人员的习惯，我国的医护人员在操作过程中需要花时间和精力去学习其操作流程；另一方面，国内医院在使用国外购置的尿流动力学检测仪器也需要配套使用所需的设备，设备的升级和维护也比较麻烦。

儿童和成人的尿流动力学检测仪器的不同之处主要体现在以下3个方面：

①尺寸和适配性：儿童尿流动力学检测仪器通常需要考虑到儿童的生理特点，因此需要较细的测压管，设备需要具有一定的可调性从适应儿童采用灵活体位的需求。

②测量参数范围：儿童和成人的尿流动力学参数范围存在差异，例如尿流率、膀胱容量等指标可能会随着年龄和体格的变化而有所不同，因此儿童尿流动力学检查设备需要针对儿童特有的生理特点进行调整和校正。

③使测量过程得以顺利完成的特殊设计：儿童尿流动力学检查设备在使用过程中需要考虑到儿童的心理和生理特点，为保证舒适度和安全性，可能会采取一些特殊的措施和设计。

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目前尿流动力学检测仪器未来改进方向

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核心测压传感器技术的改进

测压传感器技术是尿流动力学检测仪器的核心技术。目前主流设备的测压传感器为水测压和气体测压，即先通过测压管中的水或者气体将人体内各种原始压力传导至换能器，再将压力值输入到计算机系统进行数据处理和分析。水测压的传导管路中可能存在气泡、打折、堵塞等，影响压力传导精确度，需要赝像分析和调整；应考虑导管尖端测压口和传感器间水平位置高度不同，该差异导致的静水压变化会引起测量误差。另外水测压易滋生细菌，导致泌尿系感染，需及时更换相关连接导管。空气测压导管尖端气囊的材料不同会导致气囊顺应性不同，测压导管气囊的充气量无统一标准，导管和传感器间存在空气泄露问题。与水测压相比，气体测压优势为：操作简单，一键式完成 ICS 置零标准操作，无需管路排气，无需校对患者体位与压力传感器高度位置；数据可靠，可以360°测量压力，没有气泡和压力差的影响，只要压力检测球囊插入到测压部位，打开气体测压传感开关，压力数据就会实时在工作站显示出来；测压球囊打开后，直径为5 mm，对测压部位刺激小，减轻患者不适感。

采用气体介质，测压管路和灌注管路完全隔离，只需单独更换测压导管即可，在简化操作的同时，既减少医疗费用的支出，又减小了感染并发症发生的概率。二者目前共同存在的缺点和不足主要有：①目前临床上使用的水测压管和气体测压管均为单点测压，在检测时域上仅能反映人体内单一部位的压力数据变化而无法对整个泌尿系统压力的协同性变化进行整体评估。如果需要对泌尿系统进行整体评估，则要重复对不同部位进行检测，操作过程耗时、耗力，且需要具有丰富临床经验的专业技术人员对零散的单个数据进行整合分析，才能拼凑出对于患者排尿情况的大致印象。因此所得出的临床诊断往往不精确，甚至错误，，对疾病的诊治造成极大困扰。②水测压和气体测压的测压管较粗，容易引起患者出现不适感和紧张情绪，使测压结果产生偏差。③当前针对上尿路排尿功能障碍的评估往往需要进行影像尿流动力学检测，其原理是将传统尿流动力学检测与同步X线膀胱造影相结合，检测神经源性膀胱患者在储尿过程中出现造影剂返流进入人输尿管时膀胱的安全容量，以预防尿液返流对肾脏造成危害。这种检测方式对于设备和场地的成本维护以及操作人员技术水平要求极高，导致我国少有大型综合医院开展该检查项目，这也是我国大量神经源性膀胱患者未能得到有效评估而导致肾脏功能损害，并因此耗费大量医疗资源的主要原因之一。此外出现肉眼可见的返流征象需要有大量的造影剂进入输尿管，此时实际的尿液返流早已发生，导致检查结果非常滞后，按照该检测结果进行处理的患者仍然有相当一部分会发生肾脏功能损害。由此可见影像尿流动力学检测尿液返流灵敏度较差，并非十分理想的检测手段。

目前较为先进的激光测压具备多点测压的能力，同时光纤导丝纤细，可以制成更细的测压管，一方面可以减轻患者的不适，另一方面也方便置人上尿路进行多点测压，同时避免了水测压容易混入空气的问题，是下一代测压设备的首选传感器技术之一。Laborie 公司以空气测压的技术路线为主，而国内企业均以水测压为主，唯一商用的激光测压尿流动力学设备由美国 CooperSurgical 公司生产（现已停产）。

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舒适性和隐私性的升级

良好的舒适性和隐私性对患者情绪和身体的放松具有重要意义，会显著提高检测结果的可信度。尽管目前的尿流动力学检测仪器在不断提高舒适性和隐私性，但显然并未达到理想的程度。从舒适性的角度来看，更纤细的测压传感器导管会带来更好的体验，如上所述，应用激光测压传感器导管可以改善这一问题。从隐私性的角度来看，封闭独立的环境具有更好的隐私性，可以通过安置独立狭小的测试仓的方式改善隐私性。

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工作数据的蓝牙传输及本地数据的远程传输结合人工智能判读报告

早期的机器可以通过内置的打印机将测试仪器产生的工作数据和图形打印出来供医生判读，或者通过有线连接的方式将数据导入电脑。随着蓝牙、华为星闪等短程无线技术的进步，可以将其应用在新的尿流动力学检测仪器上，这样对于仪器放置位置的选择会更自由，也有利于上述独立测试仓的改进。

此外，可以通过网络技术，将本地尿流动力学检测结果的原始数据发往云端，供远程的专家实时判读给出报告，可以弥补医学落后地区对结果判读不准确的不足。同时，也可以根据海量的云端数据及专家的判读结果，研发具备初步判读能力的人工智能判读系统，可以在专家审核前进行预判，对于常见的问题，给出快速准确的报告。

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总结与展望

尿流动力学的发展以及排尿功能障碍的准确诊断都依赖于尿流动力学检测仪器，因此不断探索和改进尿流动力学设备和系统在科研和临床上都具有重要的意义。目前尿流动力学检测设备系统研发的引领者仍然是 Laborie 公司等国外的大型企业，国内的研发更多的是跟随他们的脚步。因此，我们应采取多学科交叉探索的模式，充分整合医学、工程、计算机科学等多个学科的专业知识，以临床痛点和难点为导向，整合先进的传感技术、信号处理技术、人工智能和大数据技术，以高校和科研院所的研究人员为核心，结合政府和企业的支持，共同努力争取实现质的飞越，打造出具有中国特色和鲜明优势的尿流动力学检测仪器，推动相关领域的创新发展。