CN103989488B - 宽量程超声波肺功能仪及其计算方法 - Google Patents

宽量程超声波肺功能仪及其计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽量程超声波肺功能仪及计算方法，具有吹管、位于吹管壁上的上、下游超声波换能器，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上、下游超声波换能器连接第一、二滤波电路和第一、二隔离驱动电路，所述第一、二滤波电路连接通道选择器、程控放大电路、电压比较器、GP22；所述GP22串行通信连接方式微控制器；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；计算方法通过前一次测得的上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值，来实现精确的宽量程范围的测量。与现有技术相比，可测量双向流量，零压力损失，量程范围宽，无需温度补偿和压力补偿。

Description

宽量程超声波肺功能仪及其计算方法
技术领域
本发明属医疗检测技术领域，具体涉及一种利用超声波对人体肺功能进行测量的宽量程超声波肺功能仪及其计算方法。
背景技术
目前，超声波肺功能仪的方案都是参考工业超声波气体流量计的设计方法，在吹管的上下游安装两个小型超声波传感器，利用超声波在顺流和逆流中传播时间差和气体流量的关系来测量瞬时流量并通过一定的对应关系取得各项肺功能指标。但是，由于超声波肺功能仪应用场合是管径非常小的吹管(内径一般为20mm左右)，导致在相同的流量情况下，气体的流速非常大，导致超声波信号大幅衰减甚至淹没在噪声之中，对测量精度造成很大影响，从而限制了测量量程。
超声波肺功能仪的常规通气功能中需要测量的基本量是气体流量，其他的参数(VC、FVC、PEF和MVV等)都是基于流量结合一定的算法换算出来。压差式肺功能仪需要温度和压力补偿，受干扰因素多；呼吸阻力大；很难全面清洗；容易堵塞。热线式肺功能仪需要线性校正；对气体成分敏感；不耐用；价格昂贵。
一般来讲，超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。其测量过程大致为：超声波流量计中的超声波发射电路将电信号转换成超声波信号发射到待测流体中，随后超声波接收电路接受超声波经放大后转换成电信号，此时的电信号载有待测液体流速的信息，将其送到显示和累积系统进行显示累积和计算，即可检测到液体流速，从而得到流量，检测过程完成。
利用超声波测量气体流量的方法大致可分为四种：频差法、相关法、多普勒法和时差法。由于频差法和相关法的分辨力较低，实现起来较困难，因此实际应用较少。多普勒效应法是利用超声波在传播过程中由于流体中存在的悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的，主要用于一些杂志颗粒较大的多相流体，适用于杂质较多且分布均匀的流体测量。由于多普勒法测量精度受到温度变化和散射体的影响，需要进行修正，而且修正过程比较复杂，因此实际应用较少。基于难度和可实现性两方面因素的考虑，目前生产最多、应用范围最广的气体超声波流量计主要采用时差法来实现。时差法是利用超声波在流体中的传播速度随流体的速度变化而变化的原理来测量的，通过测量超声波顺流和逆流传播的时间差△t来计算流速v，而后根据Q=s*v可计算出流量。时差法流量计主要应用于单相液体，适合于工业上洁净用水测量。由于超声波在气体中的传播效率比较低，信号衰减比较大，并超声波的频率高，噪声大，信噪比难提高，而且肺功能仪的管径非常小，精度提高比较困难。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种双向流量可测，零压力损失，量程范围宽，无需温度补偿和压力补偿的宽量程超声波肺功能仪。
本发明的另一目的在于提供一种基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法。该计算方法在保证测量精度的前提下加大超声波肺功能仪测量量程，使超声波肺功能仪能更好得满足各种使用情况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该宽量程超声波肺功能仪，具有吹管、位于吹管壁上的上游超声波换能器和下游超声波换能器，其特征在于：所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有倾斜角；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片；所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接方式微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰；所述第一、二隔离驱动电路中通过电阻给电容充电，通过电容快速放电提供瞬时功率；基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。
所述倾斜角为30度。
所述倾斜角为45度。
所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22。
一种基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法，其特征在于：通过前一次测得的上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值来实现精确的宽量程范围的测量；首先根据实验确定在最小流量和最大流量时使程控放大器的输出波形最大幅值相同所需要的最小放大倍数AL和最大倍数AH，同时记录最小流量和最大流量时上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差△T1和△T2，为了防止频繁切换程控放大器的放大倍数，将放大倍数平均分为8个档，最大为AH，最小为AL，放大倍数切换的依据为上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差，同样将时间差平均分为8个档，最大为△T2，最小为△T1，在8个时间差的点上设置一定的滞回值防止放大倍数在这个点上的来回切换；
动态阈值法单独作用在两个阶段：1、初始上电时，微控制器控制DA从0V输出逐渐增大，根据GP22反馈回来的超声波飞行时间可以得出超声波信号的第一波和噪声之间的阈值电压U01，第一波和第二波之间的阈值电压U02，第二波和第三波之间的阈值电压U03，第三波和第四波之间的阈值电压U04，然后根据U02-U01，U03-U02，U04-U03的最大值来确定利用测量哪个波来判断超声波信号的到来，三个差值中U03-U02最大说明测量第二波具有最大的余量，可以确定利用测量第二波来判断超声波信号的到来，同时可以将阈值电压定为(U03-U02)/2；2、在判断出超声波第二波到来时，将阈值调为0V，测量第三波0V处的时间，也就是工业气体超声波流量计中使用的阈值归零方法，可以避免超声波信号衰减造成的测量误差。
采用上述技术方案的有益效果：该宽量程超声波肺功能仪采用时差法的基本原理：声波在流体中传播时，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则会减小，相同的传播距离就会有不同的传播时间。利用传播时间之差与被测流体流速的关系求取流速，流速乘以管路截面积就是流量。
具体计算方法：超声波顺流从上游超声波换能器传送到下游超声波换能器，则被流体流速加快为：
L/t21=C+v*cosθ-----------------------------------(1)
超声波逆流从下游超声波换能器传送到上游超声波换能器，则被流体流速减慢为：
L/t12=C-v*cosθ------------------------------------(2)
(1)-(2)并整理，得：
v=L/(2*cosθ)*[(t12-t21)/(t21*t12)]--------------------(3)
因为测量得到的顺、逆向上的传播时间t12、t21包含了电路、电缆及换能器等产生的固有电声延时г12，г21须扣除其影响,所以式(3)可以改写为：
v=L/(2*cosθ)*{[(t12-г12)-(t21-г21)]/[(t21-г21)*(t12-г12)]}---------------(4)
由于两路超声波的电路基本一致，г12=г21，并且t12和t21的数量级为几百us，г12和г21的数量级为几ns，所以理论上可以忽略г12和г21的影响。
由于管壁及流体内部存在摩擦粘滞作用,实际流体流速在管道载面上存在着流速分布,对于在中心线上的单通道超声波流量计,其测量的流速v实际上是管道截面内直径上的线平均速度,而测量流量需要的是管道内截面的面平均流速vm,它们并不相等。根据流体力学理论,当雷诺数大于4000时,流体呈紊流状态,此时线平均流速与面平均流速之间的关系存在一动力学因子K，即：
Vm=v/K-------------------------------------------(5)
管路的直径为D,从而可得瞬时体积流量:
Q瞬=vm*π*(D/2)2=v*π*(D/2)2/K--------------------------(6)
(3)代入(6)Q瞬=π*(D/2)2*L*(1/t21-1/t12)/(2*cosθ*K)----------------(7)
只需测量出t21和t12就可以求出流量Q瞬，在连续测量中,只要逐次将测得的Q瞬值对时间积分,就可得到任意时间段内的累积流量Q累。根据实际的需要，采样频率设在200~1000Hz，即最快每1ms测量一次t12和t21。
超声波换能器常见的有收发一体式，收发一体式及发送器和接收器一体的换能器，即既可发送超声波，又可接收超声波，以方便顺流和逆流的测量。
减小单电源供电各电路模块相互干扰的方法（两路超声波发射+接收限幅耦合电路模块，以及控制电路+测量电路+接收信号处理电路模块没有电气隔离）：
（1）、电源从一个节点分出，3块电路模块有各自的电源回路，不会相互交叉干扰。
（2）、超声波换能器驱动采用变压器隔离驱动(同时变压器可用于换能器的阻抗匹配增大发射功率)，这样接收和发射电气隔离。
（3）、控制电路+测量电路+超声波接收信号处理电路，上游超声波换能器发射驱动电路，上游超声波接收限幅耦合电路，下游超声波换能器发射驱动电路，下游超声波接收限幅耦合电路5部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路+接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线。保证了各个回路不相互干扰。
（4）、上，下游超声波换能器发射驱动电路+接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰。
超声波测量流量硬件电路是测量精度的保证，要保证接收信号的信噪比最重要的是尽量减弱上下游超声波换能器发射驱动电路和接收电路的相互干扰，同时要减弱对控制电路+测量电路+超声波接收信号处理电路的干扰。
超声波发射驱动需要很大的瞬时功率，而电池不能提供这么大的瞬时功率，如果强行提供会减弱电池的寿命；超声波一次测量只发射3个波(300Khz)，一次测量需要1.5ms左右，需要的平均功率是很低的。所以可以采用大电容提供瞬时功率，在不发射驱动的时候，通过电阻R17给电容EC1充电，充电电流是很小的(不会伤害电池)，在发射驱动的时候，通过电容快速放电提供瞬时功率。
所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22，利用门延时的原理准确测量上下游超声波传送的时间，精确到45ps。利用单片机控制GP22每秒测500次上下游超声波传送的时间，每10次取平均（减小波形抖动的随机误差），则相当于采样率为50Hz，经过测试目前的机构和电路可以保证±10ns的分辨率，管径为25mm，两个超声波换能器和管子的夹角为30°，根据公式气体流量的分辨率约为±9.84mL/s，体积分辨率约为±9.84mL/s*(1/50s)=±0.2mL。
该基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法，通过程控放大法将不同流量情况下的超声波信号稳定在相近的幅值范围内再用动态阈值法去测量上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差可以很好地拓展超声波肺功能仪的测量量程。
该超声波肺功能仪优点：1、双向流量可测：根据顺向时间t1与逆向时间t2的变化，可以轻松判断顺流、逆流；2、零压力损失、畅通无阻；3、量程范围宽，可达几十倍，甚至几百倍；4、无需温度补偿和压力补偿。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的硬件系统设计框图；
图2为单电源供电示意图；
图3为隔离驱动电路图；
图4为自动判断各个波阈值电压的波形图；
图5为阈值归零方法的波形图。
具体实施方式
如图1、2、3所示的宽量程超声波肺功能仪，具有吹管3、位于吹管壁上的上游超声波换能器1和下游超声波换能器2，所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与道壁具有30度倾斜角，倾斜角也可以为45度；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片，所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22。所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接方式微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯。所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器。
单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰。超声波测量流量硬件电路是测量精度的保证，要保证接收信号的信噪比最重要的是尽量减弱上下游超声波换能器发射驱动电路和接收电路的相互干扰，同时要减弱对控制电路+测量电路+超声波接收信号处理电路的干扰。
所述第一、二隔离驱动电路中采用大电容提供瞬时功率，在不发射驱动的时候，通过电阻R17给电容EC1充电，充电电流是很小的(不会伤害电池)，在发射驱动的时候，通过电容快速放电提供瞬时功率。
基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。
如图1所示的宽量程超声波肺功能仪装置的算法为微控制器通过前一次测得的上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值来实现精确的宽量程范围的测量。
动态阈值法单独作用在两个阶段：1、初始上电时，微控制器控制DA从0V输出逐渐增大，根据GP22反馈回来的超声波飞行时间可以得出超声波信号的第一波和噪声之间的阈值电压U01，第一波和第二波之间的阈值电压U02，第二波和第三波之间的阈值电压U03，第三波和第四波之间的阈值电压U04，然后根据U02-U01，U03-U02，U04-U03的最大值来确定利用测量哪个波来判断超声波信号的到来，如附图4，三个差值中U03-U02最大说明测量第二波具有最大的余量，可以确定利用测量第二波来判断超声波信号的到来，同时可以将阈值电压定为(U03-U02)/2；2、在判断出超声波第二波到来时，将阈值调为0V，测量第三波0V处的时间，也就是工业气体超声波流量计中使用的阈值归零方法，可以避免超声波信号衰减造成的测量误差，具体如附图5。
程控放大法作用在气体流速不断变化的整个测量过程，首先根据实验确定在最小流量和最大流量时使程控放大器的输出波形最大幅值相同所需要的最小放大倍数AL和最大倍数AH，同时记录最小流量和最大流量时上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差△T1和△T2。为了防止频繁切换程控放大器的放大倍数，将放大倍数平均分为8个档，最大为AH，最小为AL，放大倍数切换的依据为上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差，同样将时间差平均分为8个档，最大为△T2，最小为△T1，在8个时间差的点上设置一定的滞回值防止放大倍数在这个点上的来回切换。
通过程控放大法将不同流量情况下的超声波信号稳定在相近的幅值范围内再用动态阈值法去测量上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差可以很好地拓展超声波肺功能仪的测量量程。
按照上述结构及方法制备的宽量程超声波肺功能仪检测项目及基本指标：
1、流量检测：单声道超声波传感器；
2、体积检测：流速积分；
3、测量精度：读数的±3%，或±50mL；
4、流量测量范围：0.05~±14L/s；
5、体积测量范围：0.01~±10.0L；
6、采样频率：200~1000Hz。
该宽量程超声波肺功能仪功能：
利用超声波测量出气体流量，并结合算法算出VC、FVC、PEF和MVV等肺功能仪常规通气功能需要测量的参数和波形并在触摸屏上显示。主要功能有：
常规通气功能；气道激发药物试验（可扩展）；远程维修、远程硬件校准；无线打印。适用范围：室温：10~40℃；相对湿度：10~95%，无结水；气压：70~106kPa；无强电磁场干扰；无对流风；无振动。

Claims (5)

1.一种宽量程超声波肺功能仪，具有吹管、位于吹管壁上的上游超声波换能器和下游超声波换能器，其特征在于：所述上、下游超声波换能器为收发一体式，所述上、下游超声波换能器连线与吹管壁具有倾斜角；所述上游超声波换能器连接第一滤波电路和第一隔离驱动电路，所述第一滤波电路连接通道选择器，所述通道选择器连接程控放大电路，所述程控放大电路连接电压比较器，所述电压比较器连接脉冲发射和精密时间测量芯片；所述下游超声波换能器连接第二滤波电路和第二隔离驱动电路，所述第二滤波电路将接收到的信号传至通道选择器；所述脉冲发射和精密时间测量芯片通过串行通信方式连接微控制器，所述微控制器接口连接有触摸屏、蓝牙模块和以太网模块，所述蓝牙模块连接有蓝牙打印机，所述以太网模块与服务器通讯；所述微控制器分别控制通道选择器、程控放大电路和电压比较器；单电源对各电路供电，其中，各部分电路模块单独对地覆铜，控制电路和超声波换能器发射驱动电路的连接只有脉冲信号线和与该脉冲信号线紧密平行的一根地线，测量电路、接收放大滤波电路与超声波接收限幅耦合电路的连接只有接收信号线和与该接收信号线紧密平行的一根地线；上、下游超声波换能器发射驱动电路、接收限幅耦合电路模块分别用铁壳罩住，屏蔽电磁辐射干扰；所述第一、二隔离驱动电路中通过电阻给电容充电，通过电容快速放电提供瞬时功率；基于以上的硬件连接再配合微控制器的程序就可以利用动态阈值法与程控放大法相互配合实现宽量程超声波肺功能仪功能。
2.如权利要求1所述的宽量程超声波肺功能仪，其特征在于：所述精密时间测量芯片为时间数字转换器TDC-GP22。
3.如权利要求2所述的宽量程超声波肺功能仪，其特征在于：所述倾斜角为30度。
4.如权利要求2所述的宽量程超声波肺功能仪，其特征在于：所述倾斜角为45度。
5.一种基于宽量程超声波肺功能仪的计算方法，其特征在于：通过前一次测得的上、下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差来控制程控放大器的放大倍数和电压比较器的阈值来实现精确的宽量程范围的测量；首先根据实验确定在最小流量和最大流量时使程控放大器的输出波形最大幅值相同所需要的最小放大倍数AL和最大倍数AH，同时记录最小流量和最大流量时上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差△T1和△T2，为了防止频繁切换程控放大器的放大倍数，将放大倍数平均分为8个档，最大为AH，最小为AL，放大倍数切换的依据为上下游超声波传感器接收对方发射信号的时间差，同样将时间差平均分为8个档，最大为△T2，最小为△T1，在8个时间差的点上设置一定的滞回值防止放大倍数在这个点上的来回切换；动态阈值法单独作用在两个阶段：1、初始上电时，微控制器控制DA从0V输出逐渐增大，根据精密时间测量芯片反馈回来的超声波飞行时间可以得出超声波信号的第一波和噪声之间的阈值电压U01，第一波和第二波之间的阈值电压U02，第二波和第三波之间的阈值电压U03，第三波和第四波之间的阈值电压U04，然后根据U02-U01，U03-U02，U04-U03的最大值来确定利用测量哪个波来判断超声波信号的到来，三个差值中U03-U02最大说明测量第二波具有最大的余量，可以确定利用测量第二波来判断超声波信号的到来，同时可以将阈值电压定为(U03-U02)/2；2、在判断出超声波第二波到来时，将阈值调为0V，测量第三波0V处的时间，也就是工业气体超声波流量计中使用的阈值归零方法，可以避免超声波信号衰减造成的测量误差。
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