多參數(shù)心肺功能運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

劉杰，葉繼倫,，袁懋結(jié)，文斌，竇可建

1 深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)部 生物醫(yī)學(xué)工程系,深圳市, 518060

2 深圳市生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳市, 518060

3 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳市, 518060

0 引言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)越分越細(xì)，造成在分析人體呼吸、循環(huán)、代謝等功能時(shí)，往往是孤立地去分析，忽視了各自的相互影響。整體論提出，人是一個(gè)不可分割的整體，各組織間相互協(xié)調(diào)、相互影響、無(wú)窮無(wú)盡地交織起來(lái)，組成一幅不可分割的連續(xù)動(dòng)態(tài)畫面，需要用整體的、聯(lián)系的、全面的觀點(diǎn)來(lái)理解[1-2]。然而心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是檢測(cè)人體整體功能最重要的方法，其是對(duì)受試者從靜息狀態(tài)、熱身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、再逐漸遞增功率至最大極限狀態(tài)，再逐漸降低功率恢復(fù)至靜息狀態(tài)過(guò)程中的氧氣、二氧化碳、血壓、心電圖、血氧飽和度、心率等指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確解讀，對(duì)人體進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，其對(duì)健康管理、疾病預(yù)防、診斷至關(guān)重要[3]。并且運(yùn)動(dòng)需要心肺整體反應(yīng)以滿足肌體運(yùn)動(dòng)增加的需氧量，心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是測(cè)定運(yùn)動(dòng)受限的基本方法。因此用在評(píng)價(jià)人體代謝和運(yùn)動(dòng)受限等方面有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)心肺研究起步很晚，目前僅南京瀚雅、深圳艾利特等公司有相關(guān)產(chǎn)品，并且是由南京瀚雅在2015年推出國(guó)內(nèi)第一套運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)，性能方面和國(guó)外的產(chǎn)品相比仍有較大差距，如心電圖方面的抗運(yùn)動(dòng)、心肺參數(shù)方面的豐富性以及準(zhǔn)確性。20世紀(jì)60年代，耶格已經(jīng)開始相關(guān)研究，起步最早。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍被德國(guó)耶格、德國(guó)康訊、瑞士席勒、意大利科時(shí)邁等公司牢牢占據(jù)[4]。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)降低我國(guó)醫(yī)療成本、推進(jìn)城鄉(xiāng)醫(yī)療普及具有重要意義。

傳統(tǒng)上對(duì)心功能診斷和肺功能診斷均是獨(dú)立的，忽視了整體整合生理學(xué)，并且都是靜態(tài)檢測(cè)，忽視了許多疾病在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)出現(xiàn)的一系列病理學(xué)改變[5]。我們?cè)O(shè)計(jì)一款運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)，其聯(lián)合心電圖、氧氣、二氧化碳、血壓、血氧、呼吸力學(xué)等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)情況下對(duì)心肺功能的聯(lián)合評(píng)價(jià)與診斷。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

我們?cè)O(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)不僅包含12導(dǎo)聯(lián)心電圖、氧氣、二氧化碳、血壓、血氧、呼吸力學(xué)6大生命體征指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)呼吸代謝及心功能評(píng)價(jià)，并可通過(guò)WiFi傳輸實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，在PC端的監(jiān)測(cè)界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波形的顯示和存儲(chǔ)。另外還配備了運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)評(píng)測(cè)軟件，可以對(duì)采集到的運(yùn)動(dòng)心肺數(shù)據(jù)進(jìn)行心肺功能分析與診斷。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 多參數(shù)運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Block diagram of multi-parameter exercise cardiopulmonary test system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F405IGT6芯片為主控芯片，系統(tǒng)主要由電源模塊、信號(hào)采集模塊、主控模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊5個(gè)部分組成。

2.1 電源模塊

系統(tǒng)分為模擬電源和數(shù)字電源，外部由可充電鋰電池供電，輸入電壓范圍為3.5～4.5 V。本系統(tǒng)采用LM2731將輸入電壓抬升到6.5 V，在經(jīng)過(guò)MIC5219系列線性穩(wěn)壓芯片分為穩(wěn)壓到5.5 V、3.3 V，再由REF3125電源參考芯片穩(wěn)壓出2.5 V，從而分別為各個(gè)模塊供電。

2.2 信號(hào)采集模塊

本系統(tǒng)信號(hào)采集由12導(dǎo)心電、呼吸力學(xué)、氧氣、二氧化碳、血壓、血氧6個(gè)部分組成，其中二氧化碳、血壓、血氧為實(shí)驗(yàn)室沉淀下來(lái)的產(chǎn)品級(jí)模塊，氧氣是采用商業(yè)化順磁氧模塊，12導(dǎo)心電和呼吸力學(xué)在本系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊。

2.2.1 12導(dǎo)心電和呼吸力學(xué)模塊

為了更加全面地評(píng)價(jià)心功能，本系統(tǒng)采集12導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)。心電信號(hào)是比較微弱的人體生理信號(hào)，易受工頻、肌電、基線漂移等干擾[6]。采用ADI公司推出的ADAS1000系列低功耗、高性能心電圖(ECG)模擬前端，選用ADAS1000作為主片，ADAS1000-2作為從片，兩片芯片共同構(gòu)成12導(dǎo)心電采集系統(tǒng)。兩者為數(shù)字型芯片，用MCU配置SPI通信模式即可驅(qū)動(dòng)、并讀取心電數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)12導(dǎo)心電的測(cè)量，ADAS1000外圍電路如圖2所示。

圖2 ADAS1000外圍電路Fig.2 ADAS1000 peripheral circuit

呼吸力學(xué)是以工程學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究人體呼吸系統(tǒng)中的力學(xué)問(wèn)題，主要測(cè)量呼吸過(guò)程中流量和壓力兩個(gè)指標(biāo)。測(cè)量方法分別為基于壓差流量傳感器的氣道流量測(cè)量，基于表壓傳感器的氣道壓力測(cè)量，由此可推導(dǎo)出潮氣量等一系列參數(shù)。由恒流源驅(qū)動(dòng)差壓傳感器MEAS1210，傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)放大，后經(jīng)過(guò)低通濾波得到流量信號(hào)。同理使用恒流源驅(qū)動(dòng)表壓傳感器MEAS1220，與流量測(cè)量方法一致。差壓傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖，如圖3所示。

圖3 差壓傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 Differential pressure sensor drive circuit diagram

本設(shè)計(jì)將心電采集和呼吸力學(xué)集成在一個(gè)模塊上，由此減小了系統(tǒng)的體積，為后續(xù)的便攜式運(yùn)動(dòng)心肺測(cè)量系統(tǒng)搭建奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 其余參數(shù)的測(cè)量

二氧化碳、血壓、血氧等參數(shù)的測(cè)量均是實(shí)驗(yàn)室沉淀的關(guān)鍵技術(shù)。這些模塊均已經(jīng)通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，氧氣則是外購(gòu)的商品模塊，都能滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在本文中不做過(guò)多的討論。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只需要在所設(shè)計(jì)的集合心電和呼吸力學(xué)功能的模塊中留出4個(gè)串口接口，然后通過(guò)串口讀取氧氣、二氧化碳、血壓、血氧4個(gè)模塊所發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)即可。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊采用金士頓的MicroSD卡，存儲(chǔ)容量為8 GB，可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)心肺功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)模塊的外圍電路，如圖4所示。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)采用的通信方式是WiFi通信，選用的是有人物聯(lián)網(wǎng)的CC3200模塊。WiFi通信可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸以及具備傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在PC端實(shí)時(shí)顯示心電、流量、氧氣、二氧化碳波形以及相關(guān)心肺參數(shù)。WiFi模塊外圍電路，如圖5所示。

圖4 存儲(chǔ)模塊外圍電路Fig.4 Memory module peripheral circuit

圖5 WiFi模塊外圍電路Fig.5 WiFi module peripheral circuit

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)心電模擬前端的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的讀取、信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)傳輸?shù)裙δ?。MCU分別以50 Hz采集流量和壓力，500 Hz采集心電、25 Hz采集二氧化碳、25 Hz采集氧氣、1 Hz采集呼氣末二氧化碳分壓、1 Hz采集氧分壓、62.5 Hz采集血氧、10 Hz采集血壓。數(shù)據(jù)在下位機(jī)經(jīng)過(guò)一定的處理后，以WiFi的方式傳送到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示波形以及相關(guān)參數(shù)或者將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中。下位機(jī)流程圖，如圖6所示。

3.2 上位機(jī)系統(tǒng)

PC軟件采用的是Windows公司開發(fā)的Visual Studio軟件中的C++語(yǔ)言編寫。監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)16通道波形以及30個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。PC軟件平臺(tái)提供導(dǎo)聯(lián)脫落報(bào)警功能，當(dāng)導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，PC軟件會(huì)提示。圖7為運(yùn)動(dòng)心肺功能試驗(yàn)系統(tǒng)的主界面，從上到下分別為12導(dǎo)心電波形、流量波形、壓力波形、二氧化碳波形、氧氣波形。參數(shù)顯示區(qū)域從上到下為攝氧量、呼氣末二氧化碳濃度、血氧值、心率、心率儲(chǔ)備、每分鐘通氣量、氧氣通氣當(dāng)量、二氧化碳通氣當(dāng)量、潮氣量等。

圖6 下位機(jī)流程圖Fig.6 Lower machine flow chart

圖7 上位機(jī)界面Fig.7 Host computer interface

4 系統(tǒng)測(cè)試

二氧化碳、血壓以及血氧等模塊為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品級(jí)模塊，氧氣為實(shí)驗(yàn)室所購(gòu)買的模塊，其中二氧化碳測(cè)量范圍：0～20%，精度：0～12%，±（0.2 vol%+讀數(shù)的2%），12.1%～20%，±(0.2 vol%+讀數(shù)的6%)；氧氣測(cè)量范圍：0～100%，精度：±（2.5 vol%+讀數(shù)的2.5%）；SpO2測(cè)量范圍：0～100%，精度：±2%；血壓測(cè)量范圍：0～300 mmHg，精度±2%，上述參數(shù)的各方面性能均達(dá)到應(yīng)用要求，因此本系統(tǒng)只針對(duì)自主設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行性能測(cè)試。

4.1 呼吸力學(xué)性能測(cè)試

由于目前沒(méi)有相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)呼吸力學(xué)模塊性能進(jìn)行要求，而本系統(tǒng)使用其測(cè)量人體呼吸時(shí)的流量和壓力兩個(gè)指標(biāo)。故根據(jù)呼吸機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.28—2006《醫(yī)用電器設(shè)備第二部分：呼吸機(jī)安全專用要求，治療呼吸機(jī)》以及JJF 1234—2010《呼吸機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》來(lái)測(cè)試流量和壓力的準(zhǔn)確性[7]。

本系統(tǒng)使用Hans Rudolph公司生產(chǎn)的流量/容量模擬器測(cè)試流量，記錄0～130 L/min之間測(cè)試數(shù)據(jù)。使用FLUKE718壓力校準(zhǔn)儀作壓力測(cè)試設(shè)備，記錄0～26 mmH2O(1 mmH2O=9.806 Pa)之間測(cè)試數(shù)據(jù)。

由表1可知，流量最大誤差為3.8%，市面上成熟的產(chǎn)品為4%，滿足應(yīng)用要求。由表2可知，壓力的誤差在±2.6%以內(nèi)，滿足應(yīng)用要求。

表1 流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(L/min)Tab.1 Statistics of traffic data

表2 壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(mmH2O)Tab.2 Pressure data statistics

4.2 心電性能測(cè)試

按照IEC 60601-2-51[8]、YY 1139—2013[9]等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)心電部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)符合測(cè)試，并與要求值進(jìn)行對(duì)比，具體如表3所示。

表3 心電系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of key indicators of ECG system

由表3可知，本模塊的心電采集部分性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或在其之上，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)論

我們已經(jīng)初步搭建出一整套運(yùn)動(dòng)心肺功能試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了12導(dǎo)心電、呼吸力學(xué)、氧氣、二氧化碳、血氧以及血壓6大生命信息監(jiān)護(hù)信號(hào)的測(cè)量，奠定應(yīng)用的基礎(chǔ)。將心肺功能進(jìn)行聯(lián)合診斷與評(píng)價(jià)，解決了傳統(tǒng)上分別檢測(cè)心功能和肺功能而忽視整體整合生理學(xué)的問(wèn)題，使得對(duì)心肺功能的評(píng)價(jià)更加全面，為后續(xù)國(guó)內(nèi)研究人員研究運(yùn)動(dòng)心肺試驗(yàn)系統(tǒng)提供了很好的參考價(jià)值。

我們只針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分進(jìn)行闡述，后續(xù)將會(huì)加強(qiáng)算法分析，豐富系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)，挖掘更多有用的信息，使得其能夠更好地評(píng)價(jià)呼吸、循環(huán)、代謝等功能。輔助醫(yī)生更好地對(duì)患者的心肺功能進(jìn)行診斷與治療，指導(dǎo)患者運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)心肺功能進(jìn)行分級(jí)，進(jìn)而更好地服務(wù)社會(huì)，為醫(yī)療設(shè)施的鄉(xiāng)鎮(zhèn)普及助力。