基于時差法超聲波肺功能儀的研究與應(yīng)用

楊俊成，李巧君

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機工程系，河南南陽473000)

1 引 言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)［1］是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎或肺氣腫，可進一步發(fā)展為肺心病或呼吸衰竭的常見慢性疾病。由于其患病人數(shù)多、死亡率高、社會經(jīng)濟負(fù)擔(dān)重，已成為世界性的公共衛(wèi)生問題。在我國COPD同樣是嚴(yán)重的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，鐘南山［2］對我國7個地區(qū)的成年人群進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)40歲以上人群COPD的患病率為8．2%。鮑俊等［3］在合肥的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)COPD患病率為6．7%，其中COPD患者中輕度患者占76．7%，輕度無癥狀者43%。有研究表明［4］在我國COPD漏診率高達70%。COPD早期可無任何臨床癥狀，待出現(xiàn)明顯咳嗽、咳痰、呼吸困難等癥狀時肺功能已經(jīng)受到損害，因此COPD的早期診斷至關(guān)重要。基于時差法超聲波肺功能儀通過對患者的肺活量(VC)、用力肺活量(FVC)、每分鐘最大通氣量(MVV)和每分鐘通氣量(MV)這四個方面的檢測能夠早期診斷出COPD，成為該領(lǐng)域的一個研究熱點。

目前市場上的肺功能儀［5－6］有日本美能肺功能檢測儀AS－507，采用熱絲式流速傳感器，流量范圍為0～14 L/s，精度是3%或者50 ml的誤差，需要線性校正，對氣體成分敏感，不耐用且價錢昂貴。德國康訊肺功能儀、日本的捷斯特HI－105肺功能采用的是壓差式流速傳感器，需要溫度和壓力補償，受干擾因素多，呼吸阻力大，很難全面清洗且容易堵塞。

肺功能儀利用超聲波測量氣體流量的方法［7－8］大致可分為四種:頻差法、相差法、多普勒法和時差法。頻差法精度高，受溫度影響小，但對噪音、環(huán)境敏感，工作不穩(wěn)定;相差法檢測原理簡單，精度較高，但易受環(huán)境影響;多普勒法測量在實際應(yīng)用較少，因為精度受到散射體和溫度變化的影響。

時差法的基本原理［9］是聲波在流體中傳播時，傳播距離相同但有不同的傳播時間，逆流方向聲波傳播速度會減小，順流方向則會增大。利用傳播時間之差與被測流體流速的關(guān)系求取流速，流速乘以管路截面積就是流量。時差法測量精度高，受溫度、環(huán)境影響小，基于難度和可實現(xiàn)性兩方面因素的考慮，目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣的氣體超聲波流量［10－11］采用時差法來實現(xiàn)。時差法具有如下特點:

(1)精度提高比較困難。由于超聲波在氣體中的傳播效率比較低，信號衰減比較大，并且超聲波的頻率高，噪聲大，信噪比難提高，而且肺功能儀的管徑非常小，精度提高比較困難。

(2)時間差要求比較精確。為了保證測量的下限范圍，超聲波順流和逆流的時間差測量的分辨率需到ns級，這個時間差的測量相當(dāng)困難。

以30 mm管徑，換能器夾角45°，聲速340 m/s，K=1 為例

其中:Q瞬是瞬間流量;D是管徑的直徑;K為動力因子。

要將 Q瞬測到 0．05 L/s，(t12－t21)的分辨率至少要到 0．05/1．362 μs，即 36．7 ns。

2 基于時差法的超聲波肺功能儀

肺功能的檢測對基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)都具有重要的意義，但超聲波［12－13］在氣體中的傳播效率比較低，頻率高，噪聲大，信噪比難提高，因此對它的有效提取方法需要很高的要求。本文針對目前臨床提出的對精度和時間差要求比較高的情況下，采用高性能的處理器和時間芯片，選擇適當(dāng)?shù)膭恿W(xué)因子，提出用閥值法和自動增益放大電路來提高信號的穩(wěn)定性和檢測的精確性。

本文所使用的肺功能儀使用了如下的技術(shù):

(1)采用基于 ARM Cortex－M內(nèi)核的STM32F103ZE為處理器，時鐘頻率可達72 MHz，采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC－GP21作為計時芯片，計時精度可達45 ps，而且在TDC－GP21內(nèi)部高度集成化。利用其可實現(xiàn)500 ns～4 ms的時間計時，外部只需晶振和電容設(shè)計出高精度的時間測量系統(tǒng)，能滿足系統(tǒng)對時間精度的要求。

(2)動力學(xué)因子K的選擇。超聲波順流從傳感器2傳送到傳感器1，則被流體流速加快為:

超聲波逆流從傳感器1傳送到傳感器2，則被流體流速減慢為:

式(1)－式(2)并整理，得:

因為測量得到的順、逆向上的傳播時間t12，t21包含了換能器、電纜、電路等產(chǎn)生的固有電聲延時r12，r21，須扣除其影響，所以式(3)可以改寫為:

由于兩路超聲波的電路基本一致，r12=r21，并且t12和t21的數(shù)量級為幾百μs，r12和r21的數(shù)量級為幾ns，所以理論上可以忽略r12和r21的影響。

由于管壁的摩擦黏滯作用使流體在管道載面上存在著流速分布，對于在中心線上的單通道超聲波流量計，其測量的流速v實際上是管道截面內(nèi)直徑上的線平均速度，而測量流量需要的是管道內(nèi)截面的面平均流速vm，它們并不相等。當(dāng)雷諾數(shù)大于4 000時，流體呈紊流狀態(tài)，線平均流速與面平均流速之間的關(guān)系存在一動力學(xué)因子K，即:

管路的直徑為D，從而可得瞬時體積流量:

式(3)代入式(6)得:

只需測量出t21和t12就可以求出流量Q瞬，在連續(xù)測量中，只要逐次將測得的Q瞬值對時間積分，就可得到任意時間段內(nèi)的累積流量Q累。根據(jù)實際的需要，采樣頻率設(shè)在50～250 Hz，即最快每4 ms測量一次t12和t21。

(3)利用閥值過零檢測法來確定超聲波形的到達時刻。首先在上電初始化時，STM32會分別控制上下游超聲波探頭發(fā)射接收，然后逐步增加電壓比較器的閾值并測量這個時候的回波時間，由此方法可以找到超聲波回波的最合適閾值。想要準(zhǔn)確地測試超聲波信號在氣體的傳播時間，就要準(zhǔn)確地捕捉到超聲波接收信號到達的時刻，根據(jù)超聲波換能器的固有頻率，為防止干擾設(shè)置一閥值，當(dāng)接收信號到達閥值電壓后的第一個過零點設(shè)為信號到達的時刻。

(4)自動增益技術(shù)。在實際測量流量的過程中，因為超聲波回波會隨著氣體流速增加，幅值會衰減，所以需要程控放大器(根據(jù)峰值監(jiān)測電路反饋的峰值電壓來調(diào)整放大倍數(shù))，結(jié)合動態(tài)閾值算法來完成整個流量量程的測量。

3 實驗結(jié)果

3.1 FVC 數(shù)據(jù)測試

FVC是被測試者用力呼氣時所能呼出的最大氣量。當(dāng)受試者沒有呼氣到最后時，F(xiàn)VC容量曲線會變得很小，F(xiàn)EV1．0/FVC的測量值總是會被高估(FEV1．0%肺活量的一秒率=第一秒的用力肺活量容積占總用力肺活量的比率)，如圖1所示。

圖1 FVC實驗結(jié)果圖Fig．1 Experiments figure of FVC

被測試者是否存在COPD的一個判定標(biāo)準(zhǔn)是FEV1．0/FVC＜70%。但是在上述情況下是不能進行正確的COPD階段分類根據(jù)測試結(jié)果繪制曲線。根據(jù)測得的時間差來算出瞬時流量，對瞬時流量積分得出氣體體積，根據(jù)流量與時間的關(guān)系，體積與時間的關(guān)系，流量與體積的關(guān)系可以畫出VC，MV，MVV三個測試項目的曲線并求出相應(yīng)的參數(shù)。從圖1不難看出，本文所提出的方法能高效地計算出FEV1．0/FVC的值，從而進一步判定COPD的存在。

3.2 VC 數(shù)據(jù)測試

當(dāng)確認(rèn)最大吸氣水平和最大呼氣水平容量曲線不再改變后(平臺期)有2 s的平臺期，呼氣和吸氣是均恒的。

3.3 MV/MVV 數(shù)據(jù)測試

演算處理是根據(jù)結(jié)尾點的通氣容量進行的，回到測試數(shù)據(jù)窗口，并且顯示測量結(jié)果，如圖2所示。

圖2 MVV/MV測試畫面圖Fig．2 Test figure of MVV/MV

4 總 結(jié)

本文根據(jù)超聲波測量氣體的方法，研究超聲波測量氣體的基本原理和方法。依據(jù)超聲波的處理方法和臨床檢測標(biāo)準(zhǔn)，為了便于觀察信號的時域圖、頻域圖、時頻分布圖和定量指標(biāo)相關(guān)率與信噪比，采用圖形化編程語言Labview建立信號處理系統(tǒng)，并搭建了以STM32和TDC－GP21為核心的硬件電路，用增益放大電路來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后實驗結(jié)果表明該方法的可行性。。

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