CN102415883A - 一种小型化低功耗呼吸力学参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型化低功耗呼吸力学参数测试装置，包括数据获取单元、数据处理和显示单元。本发明依据呼吸力学参数中气体流量和压力两个最基本参数，设计了基于气体流量-压力测试于一体的复合式气体流量-气体压力传感器，实现了压力、气体流量的同时测量。相关信号的获取采用弱电容检测方式实现，减小了装置的体积及功耗。同时，通过与信号放大电路、A/D数模转换电路、数据采集电路、呼吸力学参数计算单元、LCD显示等结合，实现了呼吸力学参数信号的获取、放大及计算。本发明不但满足相关装置低功耗、小体积要求，还能实现呼吸力学参数的实时、在线检测，满足便携式要求。

Description

一种小型化低功耗呼吸力学参数测试装置

技术领域

本发明涉及一种呼吸力学参数测试装置，属于生物医学研究中的生理参数指标测试技术领域。

背景技术

呼吸，即人体与外界环境进行气体交换的总过程。呼吸力学是以工程学的观点和方法研究呼吸系统的力学问题。研究呼吸力学问题，是希望能有助于对呼吸生理的了解，进而对人体状态进行监测。呼吸力学参数是评价肺功能，进而评定呼吸功能以及人体状态的重要生理参数。因此，呼吸力学参数的测量对于研究评价肺功能具有重要作用。呼吸力学检测不同于常规意义上的肺功能测定，其包含的项目更广泛，包括：常规的呼吸力学参数(呼吸频率、潮气量等)、特殊呼吸力学参数(动态顺应性等)、呼吸波形和环(流量-时间波形、压力-流量环等)、肺功能测定(肺活量等)。目前，大多数呼吸力学参数测试仪器主要是基于最基本的参数：气体流量及压力的获取，把需要测量的呼吸力学参数转换为机器可以识别、处理的电参数，然后通过信号处理系统处理后，通过相应的运算、显示单元得到的。典型的呼吸力学参数测试设备有德国CORTEX公司METAMAX3B系列、耶格公司Oxygen系列，美国森迪斯Vmax29系列和麦加菲公司Caidio2TM系列，意大利科时迈(Cosmed)公司Quark系列等，具有较高的测试精度并已用于临床。但是，这些设备中由于采用了现有的较大功耗及体积的传感器，同时，还集成了临床监护等功能，造成体积大、功耗大，且成本高，不便携带到等缺点。

发明内容

针对目前市场化的呼吸力学参数测试装置体积大、功耗大的问题，本发明提出了一种小型化低功耗呼吸力学参数测试装置，以满足市场需求。

本发明的小型化低功耗呼吸力学参数测试装置，包括数据获取单元、数据处理和显示单元，所述数据处理单元由信号放大/滤波电路、A/D数模转换电路、数据采集单元、气体流量/气体压力解算单元、呼吸力学参数计算单元组成，其中数据获取单元主要用于对人体呼出气体的压力及流量信号进行获取，并把其转换为可进行测试及处理的电学信号，数据处理单元用于实现对电信号的放大、滤波及参数还原，数据显示单元用于对呼吸力学参数信号的显示及存储，其特征在于所述数据获取单元为复合型气体流量-气体压力传感器，包括固定厚金属电容极板、薄金属电容极板、绝缘固定底座、弱电容检测电路，其中，薄金属电容极板与固定厚金属电容极板组成平板电容器，固定于绝缘固定底座，固定厚金属电容极板和薄金属电容极板分别接在弱电容检测电路的负极与正极，用于敏感由于气体压力及流量作用于薄金属电容极板导致的电容量的变化，弱电容检测电路用于测量由于薄金属电容极板与固定厚金属电容极板之间的电容发生变化，并将该电容信号转换为电压变化，作为数据处理单元的输入信号。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用复合式气体流量-气体压力传感器实现了对气体流量及压力的同步测量，不但减小了传感器的体积，还降低了系统功耗，符合本发明小型化、低功耗及便携式的目标；

(2)本发明通过采用A/D转化方法、数字化数据单元采集及处理单元，不但减小了系统体积，还实现了系统的实时、在线、高速处理，符合本发明中高速、在线采集的目标。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明小型化低功耗呼吸力学参数测试装置做进一步的描述。

本发明小型化低功耗呼吸力学参数测试装置，依据所有呼吸力学参数都是基于气体流量及压力两个参数合成得到这一特点，是一种基于气体流量及压力的呼吸力学参数测试装置，不但实现了测试系统的小型化，还降低了系统功耗。具体结构如图1所示，包括数据获取单元、数据处理和显示单元，其中数据获取单元用于敏感人体基本的呼吸参数包括气体流量及压力，把其转换为可测试的电学信号。数据处理单元用于实现对电学信号的放大、滤波及参数还原，显示单元用于对气体流量、压力及其合成的呼吸力学参数的显示。其中数据获取单元包括复合型气体流量-气体压力传感器1，固定厚金属电容极板2、薄金属电容极板3、绝缘固定底座4、弱电容检测电路5，其中，薄金属电容极板3与固定厚金属电容极板2组成平板电容器，固定于绝缘固定底座4，固定厚金属电容极板2和薄金属电容极板3的输出电极分别接在弱电容检测电路5的负极与正极，弱电容检测电路5用于测量由于薄金属电容极板3与固定厚金属电容极板2之间的电容发生变化，并将该电容信号转换为电压变化，作为数据处理单元的输入信号。数据处理单元由信号放大/滤波电路6、A/D数模转换电路7、数据采集单元8、气体流量/气体压力解算单元9、呼吸力学参数计算单元10组成，其中：放大/滤波电路6将数据获取单元输出的模拟电压进行放大滤波形成连续的模拟电压信号，A/D数模转换电路7将该连续的模拟电压信号转换为数字输出电压信号，数据采集单元8用于实现对转换的数字信号进行采集，气体流量/气体压力解算单元9将采集的电压信号解算为标准的气体压力及气体流量信号，呼吸力学参数计算单元10将该气体流量及气体压力转换为呼吸力学参数。显示单元由LCD显示/数据存储单元11组成，用于对呼吸力学参数进行显示及存储。

由于所有呼吸力学参数都是基于人体呼出气体流量及压力两个基本参数，通过相关合成算法计算得到，其核心为复合型气体流量-气体压力传感器1。测试过程中人呼吸出的气体直接与系统的复合型气体流量-气体压力传感器1相连，当具有一定流量及压力的气体作用于固定厚金属电容极板2、薄金属电容极板3后，由于固定厚金属电容极板2与薄金属电容极板3的一端固定于绝缘固定底座4上而另一端为自由端，两者会由于受到气体压力的作用产生弯曲变形。由于设计过程中在气体压力作用方向上固定厚金属电容极板2的厚度远大于薄金属电容极板3，使得固定厚金属电容极板2在弯曲方向上的刚度远大于薄金属电容极板3，导致固定厚金属电容极板2的弯曲变形相对于薄金属电容极板3可忽略不计。因此，薄金属电容极板3相对于固定厚金属电容极板2产生一定的弯曲变形，使得两者之间的电容量发生了一定变化，电容量信号的变化通过与之相连接的弱电容检测电路5，可转化为能够用于检测的电压信号，电压信号的强度随着气体压力及流速的变化而变化。弱电容检测电路5输出端与信号放大、滤波电路6输入端相连接，电压信号经信号放大、滤波电路6对输出电压信号进行放大并滤去不必要的杂波信号后。通过A/D数模转换电路7把传感器输出的模拟信号转化为数字信号。数字信号经数据采集单元8对转化的数字信号进行采集，采集到的数字信号输入到气体压力解算单元9后，把数字化的电压信号转化为最基本的参数信号：气体流量及压力。然后，以这两个最基本参量为基础，依据医学上对相关呼吸力学参数的计算公式，设计相应的算法进行语言编程，编写的程序通过呼吸力学参数计算单元10，得到诸多呼吸力学参数包括肺活量、潮气量、呼吸频率、呼吸压力等，然后，把该参数写入到芯片中，并通过LCD显示、数据存储单元11进行显示，进而实现对呼吸力学参数的测试。

Claims (1)

1.一种小型化低功耗呼吸力学参数测试装置，包括数据获取单元、数据处理和显示单元，所述数据处理单元由信号放大/滤波电路(6)、A/D数模转换电路(7)、数据采集单元(8)、气体流量/气体压力解算单元(9)、呼吸力学参数计算单元(10)组成，其中数据获取单元主要用于对人体呼出气体的压力及流量信号进行获取，并把其转换为可进行测试及处理的电学信号，数据处理单元用于实现对电信号的放大、滤波及参数还原，数据显示单元用于对呼吸力学参数信号的显示及存储，其特征在于所述数据获取单元为复合型气体流量-气体压力传感器(1)，包括固定厚金属电容极板(2)、薄金属电容极板(3)、绝缘固定底座(4)、弱电容检测电路(5)，其中，薄金属电容极板(3)与固定厚金属电容极板(2)组成平板电容器，固定于绝缘固定底座(4)，固定厚金属电容极板(2)和薄金属电容极板(3)分别接在弱电容检测电路(5)的负极与正极，用于敏感由于气体压力及流量作用于薄金属电容极板导致的电容量的变化，弱电容检测电路(5)用于测量由于薄金属电容极板(3)与固定厚金属电容极板(2)之间的电容发生变化，并将该电容信号转换为电压变化，作为数据处理单元的输入信号。

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