基于醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)的便攜式肺功能測試儀的設(shè)計

【作　者】何易晨，楊波，熊仕奇，李慶

成都信息工程大學(xué) 物理場生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點實驗室，成都市，610225

0　引言

近年來我國很多城市的霧霾越來越嚴重，吸入有害的顆?；驓怏w過多以及吸煙容易患上非限制性通氣功能障礙和限制性通氣功能障礙等呼吸系統(tǒng)的疾病[1]。目前，慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD）在國內(nèi)的各城市發(fā)病率高達5%～13%[2]。美國相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，每年大約有10萬美國人口死于COPD，居于美國人口死亡原因的第4位[3]。現(xiàn)在醫(yī)院判定肺功能檢測指標主要是通過COPD的金標準。它是通過診斷人體氣流受阻的重要參考，對肺功能的診斷、疾病進展、預(yù)后及治療反應(yīng)都有重要的意義[4]。呼氣容量與時間的特性曲線參數(shù)，對小氣道氣流阻塞有很高的敏感性，對探索慢性支氣管炎、支氣管哮喘等類似的慢性阻塞性的早期診斷有重要的臨床意義[5]。

鑒于目前的環(huán)境形勢以及國內(nèi)患有肺部疾病的人群在不斷的增加，家用物聯(lián)網(wǎng)肺功能檢測儀的意義越來越大。這種便攜式的肺功能測試儀可以讓患者在家就可以做簡單的肺部測試，同時醫(yī)生可以得到測試的結(jié)果，這樣就可以達到醫(yī)生給患者遠程診斷的效果。它不僅可以改變國外儀器壟斷的狀況，也能促進醫(yī)院對基層肺功能調(diào)查的開展。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

該設(shè)計的結(jié)構(gòu)中呼氣氣流流經(jīng)呼氣管道（圖1），在呼氣管道的一側(cè)有一個直徑為2 mm的小孔。壓力傳感器感應(yīng)到氣流快速流過管道產(chǎn)生的壓力，從而檢測出壓力變化的過程。在出氣口的虛線為呼氣管道中加高 2 mm的增壓環(huán)，如圖2所示，其作用是阻擋氣流的流動，增加呼氣時管道中的壓力。其他部分有一鍵開機按鈕，電源指示燈、藍牙指示燈、充電管理指示燈等。

由圖1可以看出該設(shè)計的體積較小，很適合作為便攜式設(shè)備。圖2中的增壓環(huán)在呼氣管道的尾部有高約2 mm的凸起。

圖1　氣流流經(jīng)管道示意圖Fig.1 Pipeline schematic of the air fl ow

圖2　氣流導(dǎo)管底部示意圖Fig.2 The bottom schematic of the air duct

便攜式肺功能測試儀主要檢測單次最大呼氣量（FVC）和最大呼氣流速（PEF）。當(dāng)一定容量氣體通過管道，在管道內(nèi)形成氣壓P(t)，瞬時氣流速度Vs(t)。在圖1中小孔處是壓力測試點，可以實時檢測壓力值P(t)。則呼出的氣體容量為：

其中，V是氣體體積，Ss是呼氣管道的橫截面積，T是氣流通過時間。k0是基礎(chǔ)偏移量，考慮在氣流小于氣壓傳感器的分辨率，即當(dāng)氣壓P(t)=0時，有一個氣體流速的補償值。上述公式可轉(zhuǎn)換為：

一般△t為采樣時間，該文采用2 ms，為實時測量值。當(dāng)確定f(x)，k值后，啟動一次測量，即可計算出V值，即單次最大吹氣量（FVC）和最大氣流速度（PEF）。考慮到便攜設(shè)備CPU處理數(shù)據(jù)能力有限，該文采用測試標定得到的Vs-P流速壓力對應(yīng)表擬合出f(x)放入程序中。主控芯片采集到實時的P(t)值，通過這個f(x)查表方式進行數(shù)據(jù)處理，從而得到實時的Vs(t)值，最后通過公式（2）計算出呼氣參數(shù)值。

2　硬件系統(tǒng)的設(shè)計

2.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個系統(tǒng)主要由氣壓傳感器、放大電路、單片機控制模塊、充電管理模塊、藍牙4.0模塊、Android終端等構(gòu)成。人體呼氣的壓力變化被氣壓傳感器采集并轉(zhuǎn)換成電信號再由單片機的ADC模塊處理，得到的數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳輸?shù)紸ndroid平臺實時顯示。用戶或者醫(yī)生可以直觀地了解患者的基本情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The system structure diagram

2.2　信號調(diào)理電路模塊原理

硬件電路中的壓力采集模塊采用US9011-030N氣壓傳感器模塊輸出的是微弱的模擬信號，信號調(diào)理電路采用三級放大電路。前置級采用高共模抑制比的儀用放大器AD620抑制氣壓信號中的共模干擾信號，同時對信號實現(xiàn)5倍放大。然后在后級再實現(xiàn)10倍的信號放大。氣壓信號通過50倍的放大處理后輸入單片機的ADC_0管腳。信號調(diào)理硬件原理圖如圖4所示。

圖4　信號調(diào)理硬件原理圖Fig.4 The hardware of the signal conditioning schematic diagram

2.3　主控與藍牙電路模塊原理

主控模塊為STC15w404as，主要利用自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊完成接收傳感器發(fā)送過來的模擬信號，然后用AD模塊以500 Hz的頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該文使用的是8位AD轉(zhuǎn)換分辨率。藍牙模塊是以廣播的形式向外發(fā)送數(shù)據(jù)，與主控芯片的UART速度一致。圖5為主控芯片與微信藍牙模塊的原理圖。

圖5　主控芯片與藍牙模塊硬件原理圖Fig.5 The hardware schematic diagram of the master control chip and Bluetooth module

3　軟件設(shè)計

3.1　下位機軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用單片機C語言編寫，使用Keil4軟件平臺。整個主控芯片的軟件系統(tǒng)流程圖如圖6所示，程序的關(guān)鍵點在于如何判斷患者開始呼氣的起始點。

圖6　主控芯片軟件系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 The program fl ow chart of the main control chip software system

由于硬件器件存在一個直流偏量，所以主控芯片會在系統(tǒng)每次采集呼氣值前就要采集硬件電壓偏量的壓力值，然后在計算呼氣值時減去這個偏量?？紤]到不同患者的情況，整個系統(tǒng)設(shè)計的呼氣時間設(shè)定為10 s。

3.2　Android端軟件設(shè)計

該文的Android端的軟件設(shè)計是基于Java語言編寫，采用傳統(tǒng)藍牙4.0傳輸數(shù)據(jù)。在Android端的界面主要由藍牙掃描控件、圖形顯示窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口組成，如圖7所示。當(dāng)有藍牙通過透傳的方式傳輸數(shù)據(jù)到Android端時，APP接收到數(shù)據(jù)經(jīng)過解析后再把有效數(shù)據(jù)提取出來，在Java程序中經(jīng)過算法處理后通過掃描的方式繪圖。系統(tǒng)的呼氣時間到10 s，呼氣的計算值就顯示在數(shù)據(jù)窗口，該數(shù)據(jù)可以作為醫(yī)生對患者肺部機能的評估。

圖7　Android端呼氣結(jié)果圖Fig.7 Exhale results diagram of the Android system

4　肺功能參數(shù)算法設(shè)計

4.1　算法原理設(shè)計

FVC的計算是利用分段流量的積分思想，其表達式為：

其中FVCk為每間隔△t時間采集到的單位氣體體積，這里的FVCk是通過下式計算得到。

其中Vs是通過查表的方式得到。

通過式(3)和式(4)即可求得呼氣容量FVC。對于另一個參數(shù)PEF是取比較得到的Vs中最大的值，而參數(shù)FEV1是累加前一秒的FVC值得到，進而得到FEV1/FVC的百分比。

4.2　插值處理

采集出來的呼氣值只是壓力值。因此，首先在中國測試技術(shù)研究院利用其自制的標準的儀器測定標準的流速與壓力對應(yīng)的標稱值。然后在每次呼氣過程中利用得到的壓力值去查表就能得到對應(yīng)的流速值，最后利用這個流速值求得氣體容量。在中國測試技術(shù)研究院是把定量氣體以1.7 L/s至9.5 L/s且間隔0.3 L/s分別測出對應(yīng)壓力值，從而得到壓力與流速對應(yīng)的曲線關(guān)系如圖8所示。

這里，測得的壓力值與流速值都擴大了100倍，以便在后面的計算中提高精度。由建立的壓力與流速的關(guān)系表可以得到如下的計算方法：

P1是Pnow介于兩個壓力值之間的較小的那個值，P2是Pnow介于兩個壓力值之間的較大的那個值。Vs1是P1對應(yīng)的流速值，Vs2是P2對應(yīng)的流速值。

圖8　壓力-流速曲線圖Fig.8 The curve diagram between pressure and fl ow velocity

5　肺功能測試結(jié)果與誤差分析

征集了5名受試者（其中3名男性、2名女性）在醫(yī)院專業(yè)醫(yī)師的指導(dǎo)下用中國測試技術(shù)研究院的標準肺功能測試儀測試了各自的FVC、PEF、FEV1與FEV1/FVC的實測值，然后用本文中的便攜式肺功能測試儀測試相應(yīng)的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1　5例受試者使用醫(yī)院儀器與便攜式肺功能測試儀的結(jié)果比較Tab.1 The result between 5 cases received hospital instrument and portable lung function test instrument

由表1可以看出，所測得的肺功能參數(shù)FVC、FEV1、PEF的測量誤差都在都在5%以內(nèi)，能夠滿足臨床以及家庭測試的應(yīng)用要求。

6　結(jié)束語

目前已經(jīng)制作完成了硬件電路并調(diào)試通過，軟件編寫及調(diào)試，3D打印的外殼等結(jié)構(gòu)，總體情況是樣機基本完成。該儀器小巧方便，不僅適合臨床應(yīng)用而且也適用于家庭用戶自主測試以及基層巡診等場合，具有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)的研究可以深入到把采集的數(shù)據(jù)存儲在后臺服務(wù)器，以便查看患者的恢復(fù)情況。并且可以通過APP遠程傳輸?shù)结t(yī)院和醫(yī)生，實現(xiàn)了遠程監(jiān)護和健康管理。

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