藍(lán)牙肺功能儀的設(shè)計(jì)

梁銳 姚楷南 鄧英強(qiáng) 陳建民

[摘要] 目的 設(shè)計(jì)研發(fā)一種可以檢測(cè)常用肺功能參數(shù)的藍(lán)牙便攜式設(shè)備。 方法 采用單片機(jī)為主控模塊采集、處理高精度壓敏電阻數(shù)據(jù)，通過定標(biāo)參數(shù)、線性插值的方法來計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試藍(lán)牙肺功能儀的標(biāo)準(zhǔn)呼吸模擬器誤差和實(shí)際測(cè)量誤差。 結(jié)果 藍(lán)牙肺功能儀設(shè)計(jì)成功，可以監(jiān)測(cè)用力呼氣容量（FVC）、峰值呼氣流速、一秒用力呼氣容積（FEV1）以及FEV1/FVC值。儀器符合要求且與耶格肺功能測(cè)試儀比較，6名受試者通過藍(lán)牙肺功能儀測(cè)得的測(cè)量誤差都在5%以內(nèi)。 結(jié)論 該設(shè)備小巧方便，能夠滿足臨床以及家庭測(cè)試的應(yīng)用要求。

[關(guān)鍵詞] 肺功能儀;Android平臺(tái);藍(lán)牙4.0;便攜

[中圖分類號(hào)] R473.3? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1673-7210（2020）01（c）-0008-05

Design of bluetooth lung function instrument

LIANG Rui? YAO Kainan? DENG Yingqiang? CHEN Jianmin

1.Department of Pediatrics， the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangdong Province， Guangzhou? ?510405， China; 2.Department of Pulmonary Diseases， Shenzhen Bao′an Hospital of Traditional Chinese Medicine， Guangdong Province， Shenzhen? ?518101， China; 3.Department of Research and Development， Guangzhou Changhu Medical Devices Co. Ltd， Guangdong Province， Guangzhou? ?510000， China

[Abstract] Objective To design and develop a bluetooth portable device which can detect common lung function parameters. Methods The data of high precision varistor were collected and processed by single chip microcomputer. And the test data were calculated by calibration parameters and linear interpolation. Standard breathing simulator error and actual measurement error for testing bluetooth lung function meter. Results The bluetooth lung function instrument was designed successfully， which could monitor forced vital capacity （FVC）， peak expiratory flow， forced expiratory volume in one second （FEV1） and FEV1/FVC. The requirement was met by the bluetooth pulmonary function. Compared with the yeger pulmonary function tester， the measuring error by the bluetooth pulmonary function tester of six subjects were all within 5%. Conclusion The device is small and convenient， and can meet the application requirements of clinical and home tests.

[Key words] Lung functional instrument; Android platform; Bluetooth 4.0; Portable

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)已有學(xué)者提出健康管理的概念[1]，是指最終以實(shí)現(xiàn)全人全程全方位的健康管理[2]。世界衛(wèi)生組織（WHO）提出，慢性病將對(duì)人群健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。在我國(guó)，近年來慢性病導(dǎo)致的死亡和疾病負(fù)擔(dān)分別占全國(guó)的85%和70%，已成為重大的公共衛(wèi)生問題[4]。調(diào)查顯示[5]，全國(guó)僅有11.8%的疾控機(jī)構(gòu)專職慢性病防控人數(shù)≥5%。國(guó)外研究顯示[6]，健康管理軟件干預(yù)慢性病可改善其癥狀和疾病預(yù)后。截至2013年，全美已有52%的醫(yī)院提供各種方式的遠(yuǎn)程醫(yī)療，另有10%的醫(yī)院準(zhǔn)備提供遠(yuǎn)程醫(yī)療[7]。支氣管哮喘是兒童常見的慢性呼吸道疾病之一，消耗著巨大的醫(yī)療衛(wèi)生資源[8]。2011年支氣管哮喘全球防治倡議（GINA）委員會(huì)報(bào)道稱全球已有約3億的哮喘患者，且患病率仍在上升，發(fā)展中國(guó)家尤為明顯;而在不同年齡的人群中，兒童哮喘的患病率上升最為明顯[9]。1990年及2000年兩次全國(guó)規(guī)模兒童哮喘患病率調(diào)查比較提示[10]，10年期間我國(guó)兒童哮喘兩年現(xiàn)患病率上升了54.0%。2013年全國(guó)兒科哮喘協(xié)作組進(jìn)行的第三次中國(guó)城市兒童哮喘流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示[11]，我國(guó)城市0～14歲兒童哮喘兩年現(xiàn)患病率較10年前增加。

兒童哮喘的管理需要一系列的配合，其中評(píng)估和監(jiān)測(cè)哮喘的嚴(yán)重程度[12]，離不開肺功能數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。為了更好地監(jiān)測(cè)兒童肺功能數(shù)據(jù)，本課題組研發(fā)出一個(gè)基于藍(lán)牙肺功能儀的兒童哮喘管理工具，該儀器小巧方便，適合臨床應(yīng)用、家庭用戶自主測(cè)試，可準(zhǔn)確測(cè)量用力呼氣容量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）、峰值呼氣流速（peak expiratory flow，PEF）、一秒用力呼氣容積（forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1）以及FEV1/FVC值。同時(shí)，檢測(cè)的參數(shù)通過無線傳輸模塊上傳至智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)高效、便捷、準(zhǔn)確的兒童哮喘慢病管理。

1 方法

1.1 藍(lán)牙肺功能儀整體結(jié)構(gòu)及原理

1.1.1 原理? 固定氣流流通管道中氣流作用在彈片上的壓力與流速的線性關(guān)系測(cè)定流量。

1.1.2 結(jié)構(gòu)? 在吹氣通道上裝有彈片，彈片上貼有一壓敏電阻。氣流經(jīng)過固定結(jié)構(gòu)的氣流通道時(shí)，彈片會(huì)產(chǎn)生形變，壓敏電阻將彈片的形變信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，流速越快，彈片形變?cè)酱?，電信?hào)越強(qiáng)。見圖1。

1.2 藍(lán)牙肺功能儀硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件框架? 硬件由流速（壓力）傳感器、AD信號(hào)采樣處理電路、STM32控制模塊、LCD顯示模塊、LED指示燈、蜂鳴器、電源管理電路、藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP及云服務(wù)器組成。見圖2。

1.2.2 傳感器信號(hào)采集電路模塊原理? 傳感器采用高精度的半橋壓敏電阻，信號(hào)采集處理采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器JHM1102。JHM1102對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行高精度放大和14-bit精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，STM32主控芯片通過單線接口連接JHM1102，每隔10 ms讀取一次瞬時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。見圖3。

1.2.3 藍(lán)牙數(shù)據(jù)透?jìng)髂K? 主控芯片與微信藍(lán)牙模塊測(cè)量時(shí)，STM32主控每10 ms讀取一次傳感器數(shù)值，經(jīng)過校準(zhǔn)數(shù)組的修正計(jì)算后得出Vs（t），再通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)透?jìng)鞯绞謾C(jī)APP端。藍(lán)牙模塊采用TI公司的低功耗藍(lán)牙4.0芯片CC2541。見圖4。

1.3 藍(lán)牙肺功能儀軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 嵌入式軟件框架? 嵌入式軟件程序的關(guān)鍵在于如何判斷患者吹氣的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳到Android端。見圖5。

1.3.2 Android端軟件設(shè)計(jì)? Android端軟件設(shè)計(jì)是基于Java語言編寫，采用傳統(tǒng)藍(lán)牙4.0傳輸數(shù)據(jù)。在Android端實(shí)時(shí)顯示吹氣曲線，快速獲取氣流量峰值（PEF）、FVC、FEV1、FEV3、FEV6、FEV1/FVC等指標(biāo)，協(xié)助醫(yī)生判斷患者的病情;同時(shí)也可以查看患者的肺功能指標(biāo)記錄、趨勢(shì)歷史，為診斷提供參考依據(jù)。見圖6。

1.3.3 Android端軟件測(cè)試流程? Android端界面主要由藍(lán)牙掃描控件、圖形顯示窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口組成。將藍(lán)牙肺功能儀與Android端連接，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid端時(shí)，APP接收到數(shù)據(jù)經(jīng)過智能分析、掃描繪圖后顯示各個(gè)指標(biāo)、容量和流量曲線。見圖7。

1.4 肺功能參數(shù)算法設(shè)計(jì)

儀器每隔10 ms采集一次數(shù)據(jù)為瞬時(shí)體積流量Q瞬，逐次將測(cè)得的Q瞬值對(duì)時(shí)間積分，就可得到任意時(shí)間段內(nèi)的累積流量V。PEF取最大Q瞬值;FVC指吹氣過程將測(cè)得的Q瞬值對(duì)應(yīng)的時(shí)間積分;FEV1指吹氣前1秒內(nèi)將測(cè)得的Q瞬值對(duì)時(shí)間積分;采樣時(shí)間為10 ms，故1 s內(nèi)有100個(gè)采樣數(shù)據(jù)，n = 60。見圖8。

1.5 儀器算法與校準(zhǔn)

儀器出廠前需校準(zhǔn)。通過標(biāo)準(zhǔn)氣筒輸出設(shè)定流速的氣體，此時(shí)讀到的傳感器的值就對(duì)應(yīng)修正為設(shè)定的流速值，每隔30 lpm修正一個(gè)值。

1.6 誤差分析

1.6.1 標(biāo)準(zhǔn)呼吸模擬器誤差測(cè)試? 標(biāo)準(zhǔn)呼吸模擬器誤差由華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心廣東省計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“計(jì)量局”）測(cè)試。

1.6.2 實(shí)際測(cè)量誤差測(cè)試? 本研究共征集6名受試者，其中男3名，女3名;平均年齡（24.83±2.54）歲;平均身高（166.75±5.84）cm;平均體重（54.42±6.64）kg。在廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院專業(yè)醫(yī)師的指導(dǎo)下比較耶格肺功能測(cè)試儀（德國(guó)耶格公司，型號(hào)：V-781332）和藍(lán)牙肺功能測(cè)試儀測(cè)試的FVC、PEF、FEV1與FEV1/FVC的測(cè)量誤差值。

2 結(jié)果

2.1 藍(lán)牙肺功能儀設(shè)計(jì)結(jié)果

藍(lán)牙肺功能儀設(shè)計(jì)成功，可以用于監(jiān)測(cè)FVC、PEF、FEV1以及FEV1/FVC。同時(shí)，檢測(cè)參數(shù)可以通過無線傳輸模塊上傳至智能移動(dòng)終端。該儀器與手機(jī)端APP連接后，手機(jī)端界面能清晰地顯示呼氣的容積-時(shí)間曲線和各參數(shù)值。

2.2 藍(lán)牙肺功能測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)呼吸模擬器誤差檢測(cè)結(jié)果? 經(jīng)計(jì)量局測(cè)量后，儀器符合要求。見圖9。

2.2.2 實(shí)際測(cè)量誤差結(jié)果? 與耶格肺功能測(cè)試儀比較，藍(lán)牙肺功能測(cè)試儀測(cè)得的FVC、FEV1、PEF、FEV1/FVC的測(cè)量誤差都在5%以內(nèi)。見表1。

3 討論

傳統(tǒng)肺功能監(jiān)測(cè)主要是通過醫(yī)院大型的肺功能儀器進(jìn)行，依從性差[13-15]、難以實(shí)時(shí)監(jiān)控[16-17]、費(fèi)用高[18]、難以完成哮喘的家庭管理[19-20]。目前臨床中也有應(yīng)用各種便攜式的峰流速儀進(jìn)行肺功能監(jiān)測(cè)，取得一定的臨床效果[21-23]，但其只能檢測(cè)PEF，無法檢測(cè)FVC、FEV1等重要的肺功能數(shù)據(jù)，難以較完整地完成肺功能的測(cè)定及評(píng)估?；谀壳皟和芾憩F(xiàn)狀的不足以及肺功能監(jiān)測(cè)過程中遇到的問題，本課題組研發(fā)出一個(gè)基于藍(lán)牙肺功能儀的兒童哮喘管理工具，目前樣機(jī)基本完成，已完成硬件電路并調(diào)試通過、軟件編寫及調(diào)試、3D打印外殼等結(jié)構(gòu)制作。該儀器小巧方便，不僅適合臨床應(yīng)用，也適用于家庭用戶自主測(cè)試以及基層巡診等場(chǎng)合，具有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)研究可通過微信服務(wù)號(hào)開發(fā)平臺(tái)，采用HTML5技術(shù)規(guī)范開發(fā)微信患者服務(wù)端和微信醫(yī)生管理端;通過java spring mvc、mybatis、thymeleaf、ehcache、shiro等技術(shù)框架聯(lián)合開發(fā)后臺(tái)云服務(wù)器端存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)。這樣增加的微信患者服務(wù)端、微信醫(yī)生管理端及存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的后臺(tái)云服務(wù)器端配合藍(lán)牙肺功能儀可組成一個(gè)集系統(tǒng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、便攜化，集疾病預(yù)防、診療、隨訪、健康宣教于一體的哮喘管理平臺(tái)。

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（收稿日期：2019-10-21? 本文編輯：劉明玉）

[基金項(xiàng)目] 廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目（B2017069）。