強迫振蕩呼吸阻力監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

劉華珠 楊海勇，2

(1. 東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808;2. 華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510640)

醫(yī)療技術的發(fā)展和健康問題的日益突出，極大的促進了醫(yī)療器械的發(fā)展，尤其是對慢性呼吸疾病的醫(yī)療器械的研制。傳統(tǒng)的呼吸阻力監(jiān)測儀采用的是有創(chuàng)的方式，通過食道測壓囊管測量呼吸參數(shù)，結構上采用傳統(tǒng)的傳感器采集壓力和流量信號，需要外接前置放大電路和大型的數(shù)據(jù)采集儀，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀的串口發(fā)送到PC 上的數(shù)據(jù)分析軟件進行分析，存在設備貴、操作流程復雜、實時性不強等缺點［1］。

本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于強迫振蕩技術［2－5］(forced oscillation technique，F(xiàn)OT)的，F(xiàn)OT 是無創(chuàng)性評價呼吸系統(tǒng)力學特性的方法，具有簡便、客觀和實時的特點。其工作的原理是，通過直線音圈電機產(chǎn)生一個特定頻率(5 Hz)和振幅(臨床常用1、2 和3 cm H2O)的壓力振蕩，經(jīng)鼻施加在受試者的呼吸氣流之上，測量經(jīng)氣道及肺組織吸收并折射的振蕩壓力和振蕩流量，利用時域分析技術，計算振蕩壓力和流量的商即可獲得呼吸總阻抗(impedance，Zrs)，習慣上稱為呼吸阻力。

1 系統(tǒng)組成簡介

采集系統(tǒng)主要由STM32 片上資源、傳感器信號采集、ARM9 顯示、SD 存儲四大部分組成。系統(tǒng)硬件整體結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

本系統(tǒng)采用ST 公司基于Cortex－M3 內(nèi)核的STM32 作為控制核心，豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，同時大大降低了系統(tǒng)功耗。STM32 的12 位ADC 為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC1 兩通道采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結果以右對齊方式存儲在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。DMA 控制方式進行ADC 和內(nèi)存數(shù)據(jù)直接傳輸，減少CPU 的工作量，采用系統(tǒng)滴答定時器中斷設置采樣頻率F=100 Hz，即設置每隔10 ms 得到壓力和流量的ADC 轉(zhuǎn)換值。

2 傳感器信號采集模塊

此模塊由呼吸機、直線音圈電機(強迫振蕩發(fā)生器)、傳感器電路、低通濾波電路以及呼吸鼻罩五部分組成，傳感器采集模塊如圖2 所示。

圖2 傳感器信號采集模塊圖

呼吸機的作用是輔助或控制通氣，通過鼻罩與受試者連接，呼吸鼻罩上有個出氣半掩閥，避免了對振蕩壓力的分流。通過直線音圈電機產(chǎn)生一個頻率為5 Hz、振幅(1、2 和3 cm H2O)可調(diào)的壓力振蕩信號，通過振蕩裝置的觸摸屏控制進行設置。經(jīng)鼻施加在受試者的呼吸氣流之上，利用壓力傳感器與流量傳感器來測量經(jīng)氣道及肺組織吸收并折射的振蕩壓力與振蕩流量，并轉(zhuǎn)換為相應的電參量。壓力傳感器使用SM-5852-003-D-3 壓差式傳感器，它集成信號調(diào)節(jié)ASIC 技術，內(nèi)部集成放大、補償校正電路，其測量滿量程是0 ～0.30 PSI，電壓輸出0.50 ～4.5 V，與壓力成線性關系。流量傳感器選用矽翔公司生產(chǎn)的FS6022B，它是專為醫(yī)院便攜式呼吸機而設計的雙向氣體流量傳感器。內(nèi)部集成了差分放大、溫度補償電路，可檢測到的流量范圍是0 ～±150 SLPM，電壓輸出范圍為0 ～5 V，流量與電壓成線性關系。

3 濾波設計

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的濾波設計的框架是先通過硬件低通濾波預處理，數(shù)字軟件濾波再處理的方式達到消除信號的噪聲的目的［6］，其結構示意圖如圖3 所示。

圖3 濾波結構示意圖

3.1 硬件低通濾波設計與分析

強迫振蕩下的原始信號頻帶主要集中在0.3 ～5 Hz，因此可以分別在壓力傳感器與流量傳感器的輸出端設計一個低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)以濾除高頻干擾信號和50 Hz 的市電信號。其中壓力傳感器參照SIM 公司提供的電路圖在輸出端接一個一階RC 低通濾波電路;而流量傳感器在輸出端可接一個6 階開關電容巴特沃斯低通濾波芯片MF6-100 構成的低通電路，如圖4 所示。

圖4 MF6-100 低通濾波電路

其中一階低通RC 濾波電路的截止頻率:

巴特沃斯低通濾波電路中調(diào)節(jié)滑動變阻器使其電阻值R 為1.849 kΩ，根據(jù)文檔中提供的公式可求得其截止頻率為32 Hz，計算過程如下(VT+、VT－分別是施密特觸發(fā)器的正向和負向閾值):

典型值:

截止頻率

巴特沃斯低通濾波器的Matlab 幅頻曲線如圖5 所示。

圖5 巴特沃斯低通濾波器的幅頻曲線

圖6 采集系統(tǒng)的中值平均濾波算法流程

3.2 傳感器的數(shù)字濾波算法

數(shù)據(jù)的處理是整個采集系統(tǒng)成敗的關鍵，經(jīng)過硬件濾波的采集信號并不能很好的滿足信號處理的要求。針對本采集系統(tǒng)的采樣頻率F=100 Hz，采樣頻率并不是很高，本文借鑒常見的平均濾波和中值濾波各自的優(yōu)缺點［9］，將兩者綜合起來提出了中值平均濾波算法進行數(shù)字濾波，具體如下。

1)中值濾波算法:根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大偏小的情況，由此連續(xù)采集多個信號，進行排列比較，取中值作為采樣結果。

2)平均濾波算法:對于一個數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，計算平均值，以平均值作為采樣的結果。這種方法減少了隨機干擾的影響。但是樣本越多，靈敏度就有所降低。

3)中值平均濾波:對于一個數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，利用冒泡法進行從小到大排序，選取中間幾個數(shù)據(jù)進行取均值運算。這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣值進行平滑處理。在低速的采集系統(tǒng)中，能夠有效的削弱干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 數(shù)字濾波軟件流程設計

中值平均濾波數(shù)字算法在采集系統(tǒng)中實現(xiàn)，主要包括ADC、DMA、采樣點個數(shù)N、系統(tǒng)滴答定時器初始化，其流程如圖6 所示。

5 實驗結果分析

以采集系統(tǒng)的流量波形為例，經(jīng)過本系統(tǒng)低通硬件濾波和中值平均數(shù)字濾波之后，開啟振蕩裝置實驗記錄管道的流量波形如圖7 所示。

圖7 濾波之后的流量波形

通過波形分析，可見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將管道噪聲和高次諧波分量進行了有效的濾除，波形較好。

6 結語

通過實驗記錄結果證實，經(jīng)過硬件低通濾波和改進的中值平均濾波算法濾波之后的波形達到了采集系統(tǒng)的要求:波形失真度小，有效的濾除了噪聲、高次諧波干擾和市電噪聲，效果較好，證實了此種方法的有效性與準確性。

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