关于新型涡轮便携式肺功能仪的研制与开发.doc
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1、关于新型涡轮便携式肺功能仪的研制与开发0 引言慢性阻塞性肺疾病(COPD,简称慢阻肺)是最常见的慢性呼吸疾病,慢阻肺居我国死因排名第三。慢阻肺患者大多分布在家庭,早期发现不是凭借出现的症状而是依靠检查,然而肺功能检查需要在大型医院进行,因此并没有普及,导致漏误诊率很高,严重制约了慢阻肺患者在社区和家庭的长期监测1和分级管理2。研发便携式肺功能仪,动态监测患者的呼吸功能,利用大数据、云计算等技术,实现对慢阻肺的实时监测、远程管理3尤为重要。本文研发了我国首个通过国家权威三甲医院临床对比测试的远程便携式肺功能仪。通过与标准肺功能仪数据对比,反复验证,可以准确测量出用力肺活量(FVC)、一秒用力呼气
2、量(FEV1)、峰值流速(PEF)、FEV1/FVC等参数,具有较高的准确性和可重复性。该肺功能仪还可将测量数据传输到手机和电脑,医生和患者可以通过App、电脑查看数据分析报告,实现三方共享及远程管理,便于监测和疗效评估,适用于医院、社区医疗机构、家庭进行肺功能各参数的监测。1 肺功能仪系统设计1.1 肺功能仪测量参数及检测原理慢阻肺诊断的金标准是肺功能,一秒用力呼气容积(FEV1)和用力肺活量(FVC),以及两者的比值(1 s率,FEV1/FVC)是诊断慢阻肺的最主要参数。峰值流速(PEF)是指用力肺活量测定过程中,呼气流量最快时的瞬间流速。本文研制的肺功能仪SP10BT,采用涡轮流量计进行
3、测量,测试者用力呼气4,直接呼出的气体通过涡轮转化为旋转气流,并推动叶片旋转,将空气容积率转换成转子角速度。肺活量计内的红外线发射管和接收管对准叶片部分,当叶片转动时,接收管接收到的光线会因为叶片的角度不同而强度不同,从而将叶片的转动转换成与频率正比的电信号。再经过放大整形电路处理形成微处理器(MCU)可识别的脉冲序列信号,经MCU处理后转化为测量的各个参数。1.2 肺功能仪硬件设计1.2.1 系统总体架构系统总体架构如图1所示,系统采用STM32F103微控制器作为核心处理器,硬件部分通过涡轮流量计进行呼吸信号测量,通过传感器对呼气信号、时间参数进行采集。然后根据采集信号的特点进行相应的抗干
4、扰、滤波、放大器处理,最后对信号进行分析计算和处理。得到需要的生理参数数据和当前的时间信息,通过LCD显示屏进行数据及图形显示,并可以通过蓝牙或USB接口与PC或手机终端进行数据通信,经由互联网传至后端服务器。设备用锂电池充电,电量状态可以显示,无操作两分钟自动关机,实现低功耗设计。1.2.2 肺功能仪系统硬件设计本文研发的便携式肺功能仪外形如图2所示。下面对各模块进行简单介绍。(1)涡轮流量计系统硬件通过涡轮流量计进行呼吸信号测量,涡轮流量计的红外发射和接收管,经过大量试验选取最优的双光收发传感器,能够避免环境影响和非预期动作导致的采集干扰,最大程度还原测试数据,保证结果的正确性。涡轮在重量
5、、刚性、张力方面保证了在低速至0.09 L/s顺利启动;转动时叶片本体不产生形变,在与钢轴配合时保证两侧受力均匀,减少额外阻力的产生。(2)微处理器综合低功耗及小型化考虑,系统采用基于Cortex-M核心的微控制器STM32F103作为核心处理器,进行指令控制、数据运算及信号处理。本设备采用的STM32F103包含多达9个标准和先进的通信接口、2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口、一个USB接口、两路RS232接口,提高了设备的外设扩展能力,为设备的高集成度提供了基础。本设备中蓝牙采用USART接口,A/D转换模块采用SPI接口。STM32F103内置128 KB
6、的Flash,本设备电路中外加串口式8 Mbit闪存w25q80dv,为数据的大量存储和处理提供保障。(3)数据通信模块系统数据通信包括通过蓝牙无线传输数据和通过有线串口与PC进行数据传输。蓝牙无线技术是两设备间进行短距离无线通信最简单的方法,本设备采用Bluetooth 4.0技术,采用串口数据传输,并采用DMA串口收发,满足数据无损传输和减轻MCU负担。当需要将接收的数据发往客户端进行波形显示或分析时,由ARM发送蓝牙模块指令,低字节优先,每个数据包由HCI命令、标识码、数据长度、信息字段构成。1.3 肺功能仪软件设计1.3.1 肺功能仪软件主流程设计设备软件运行框图如图3所示。(1)首先
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