CN104939815A - 综合反馈式肺康复评估治疗仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及综合反馈式肺康复评估治疗仪，它公开了是由中央处理器(100)，UART(101)，开关电源(102)，胸腹呼吸动度传感器（103），肺活量传感器(104)，血氧饱和度传感器(105)，表面肌电传感器(106)，心率传感器(107)，吸气肌肌力传感器(108)，信号发生模块(116),信号放大模块(113),腹肌刺激电极(109),隔神经刺激电极(110)，语音播放模块(111),WIFI收发模块(112),超声波定位模块(114),耗氧量检测模块(115)，人机交互模块(117)，数据存储模块(118)组成。该仪器分别采用以上各类传感器监测各项呼吸、循环和肌电等指标；单独或联合采用各类传感器进行多种反馈治疗并同时对颈部膈神经和腹部肌肉进行序贯性低频电流刺激，训练患者掌握正确有效的呼吸运动。本发明多种数据实时同步显示和处理，使人机交互更加便利、高效。

Description

综合反馈式肺康复评估治疗仪
技术领域
本发明是针对多种慢性呼吸系统性疾病、心胸腹手术后及影响膈肌和其它呼吸肌群的神经肌肉疾病患者异常呼吸功能而研制的综合利用多种生物反馈治疗技术、呼吸康复训练技术和功能性神经肌肉电流刺激技术的用于肺功能康复评估和治疗的仪器。
背景技术
临床上通常把慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、间质性肺病等合称为慢性呼吸系统性疾病，这些疾病虽然在发病机理等方面存在较大差异，但其患者大都合并肺功能异常和活动后气促，造成患者的运动耐受性下降，对其日常生活与社会活动造成极大的困扰。另外，随着麻醉与体外循环支持技术的发展，越来越多心胸腹部疾病患者得到了有效的手术治疗。例如肺癌患者愈来愈多，而且往往需要进行肺组织切除，手术治疗对肺功能和膈肌功能的一过性或永久性损伤却为患者带来了额外的伤害。不少患者因术后肺功能异常出现活动后气促，乃至劳动力丧失，其表现与慢性呼吸系统性疾病有众多相似之处。除呼吸系统本身的病因外，不少神经肌肉疾病患者，如脊髓损伤后、重症肌无力、杜氏肌营养不良等患者也常常由于呼吸肌功能受损伴有呼吸困难、运动不耐受等症状与肺功能异常。出现上述情况的主要表现为呼吸方式的异常，如呼吸周期中浅促呼吸方式和胸腹矛盾性收缩，以及呼吸肌收缩功能下降，如呼吸肌群肌肉萎缩、肌纤维类型改变、肌力和耐力减退，呼吸系统功能异常，呼吸困难，运动不耐受，日常活动能力和生活质量下降等。
而对于呼吸系统功能异常的治疗方法，药物治疗作用有限，甚至部分药物，如糖皮质激素等还有加重肌纤维消耗萎缩的副反应，一直存在争议。肺康复治疗作为非药物治疗手段，已经受到国内外相关疾病诊治指南的认可，并将其置于药物治疗相等同的地位。其中，呼吸方式训练与呼吸肌训练最受广泛认可。呼吸方式训练是专门针对慢阻肺患者在呼吸周期中浅促呼吸方式与矛盾性胸腹运动所提出的，其通过呼吸治疗师徒手或借助仪器引导患者进行呼吸频率与呼吸深度的调整和胸腹部呼吸肌群的序贯性激活，使患者重建生理性、有序性的深慢呼吸方式，从而降低呼吸相关氧耗量与肺过度充气、纠正胸腹矛盾性呼吸活动、缓解患者的气促症状。呼吸肌训练是借助抗阻或电流刺激的形式对疲弱萎缩的呼吸肌群进行力量与耐力训练，达到增加肌肉体积、纠正异常的肌纤维比例、增强肌力、提高抗疲劳性等目的，使患者在静息状态或运动时能满足更高的通气负荷，减少其喘憋、气短等不适。
我国肺康复治疗起步较晚，对这一领域投入资源有限，且许多地区对肺康复治疗并不重视，缺乏专业肺康复治疗人才，远不能满足相关日益增多的患者的治疗需要。此外，既往的治疗师徒手引导治疗模式存在较大的弊端，即治疗效果存在显著的个体差异，不同治疗师对手法的理解水平、不同患者对治疗的依从性直接影响了患者的治疗效果，未能形成统一有效的治疗模式。在仪器治疗方面，张鸣生等曾在上世纪90年代根据低频神经肌肉电刺激原理，并结合声光信号指示，研制出微电脑肺康复治疗机，成功地将CN93116544.X专利技术引入肺康复领域，在有效地节省了人力资源的同时又满足了治疗的实际需要。
近年随着科学技术的进步，使呼吸监测技术、肌肉表面肌电采集分析技术、超声神经肌肉定位技术、复合低频电刺激技术和多种参数的视频声光反馈治疗技术得以应用于临床，这也促使我们在第一代微电脑肺康复治疗机的基础上对技术进行彻底的升级改造。
发明内容
    本发明的目是提供综合反馈式肺康复评估治疗仪，通过多个传感器和模块进行实时数据采集，经中央处理器处理后进行同步的治疗电流、语音提示、实时数据显示，使患者与治疗人员人机交互更加便利、实时。
本发明的技术解决方案是在中央处理器(100)，UART(101)，开关电源(102)，信号放大模块(113),信号发生模块(116),人机交互模块(117) ，腹肌刺激电极(109),隔神经刺激电极(110)，数据存储模块(118) ,WIFI收发模块(112) ,语音播放模块(111)的基础上,其特点是有呼吸波形传感器(103)，肺活量传感器(104)，血氧饱和度传感器(105)，表面肌电传感器(106)，心率传感器(107)，吸气肌肌力传感器(108)，耗氧量检测模块(115)，超声波定位模块(114),所述的呼吸波形传感器(103)、肺活量传感器(104)、血氧饱和度传感器(105)、表面肌电传感器(106)、心率传感器(107)、吸气肌肌力传感器(108)分别通过UART(101)与中央处理器(100)相连接，耗氧量检测模块(115)和超声波定位模块(114)分别通过数据线与中央处理器(100)相连接；所述的中央处理器(100)根据呼吸波形传感器(103)采集的患者胸、腹部收缩舒张压力的相对变化数据，肺活量传感器(104) 采集患者的肺活量、第一秒肺活量FEV1、第一秒肺活量占比FEV1/FVC、25%肺活量时流速 PEF25、75%肺活量时流量 PEF75、呼气用时和峰值流量数据，血氧饱和度传感器(105) 采集的患者血氧饱和度、脉率和脉搏强度数据，表面肌电传感器(106)采集的患者膈肌与腹肌表面肌电信号，心率传感器(107) 采集的患者心率数据，吸气肌肌力传感器(108) 采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速数据，再结合耗氧量检测模块(115)采集的患者呼吸周期中氧耗量与二氧化碳排出量数据输送到数据存储模块(118)进行存储，并输出到中央处理器(100)进行判断处理后隔神经和腹肌的刺激信号经信号发生模块(116)进行波形调制，然后经信号放大模块(113)放大后输出到腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)；中央处理器(100)同时也输出语音同步信号到语音播放模块(111)进行播出；超声波定位模块(114)处理外接超声波设备信号后，输出定位信号到中央处理器(100)，经中央处理器(100)处理后输出图形信号到人机交互模块(117)进行影像显示，同时输出定位提示信号到语音播放模块(111)进行播出。
该系统分为呼吸评估监测和呼吸康复训练两大模块。呼吸评估监测模块包括所述的中央处理器(100)根据呼吸动度传感器(103)采集的患者胸、腹部肌肉收缩和舒张时压力的相对变化数据，监测呼吸周期中胸腹部活动情况及同步运动水平；肺活量传感器(104) 采集患者的肺活量、第一秒肺活量FEV1、第一秒肺活量占比FEV1/FVC、25%肺活量时流速 PEF25、75%肺活量时流量 PEF75、呼气用时和峰值流量数据；血氧饱和度传感器(105) 采集的患者血氧饱和度、脉率和脉搏强度数据；表面肌电传感器(106)采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌等表面肌电信号，监测呼吸周期中多组肌肉的肌电活动；心率传感器(107) 采集的患者心率数据；吸气肌肌力传感器(108) 采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速数据；耗氧量检测模块(115)采集的患者呼吸周期中氧耗量与二氧化碳排出量数据；超声定位模块（114），可定位患者的颈部膈神经及测量腹部呼吸周期中膈肌活动情况；而以上信息均可在数据存储模块(118)中存储并通过人机交相模块（117）进行数据同步实时输出显示，方便操作者对患者的呼吸活动情况实时监测反馈。以上各种传感器可以通过WIFI收发模块(112)与中央处理器(100)进行数据传输。训练模块包含神经肌肉低中频电流刺激输出部分和与电流输出同步的以上检测到的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等信号的视频或声光反馈信号输出部分；输出隔神经和腹肌的刺激信号由信号发生模块(116)进行波形调制，然后经信号放大模块(113)放大后输出到腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)；中央处理器(100)同时也输出语音同步信号到语音播放模块(111)播出，输出图形信号到人机交互模块(117)进行影像显示。患者在接受设备输出的分别对颈部膈神经和腹部腹直肌进行序贯性低频电流刺激，诱导对应肌肉完成生理性、有序性深慢呼吸的同时，而同步输出的由气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等监测信号和电流剌激信号而转化的视频声光反馈信号能有效地引导患者配合电刺激输出，并配合“吸”、“呼”等言语指令，在最短时间内掌握正确和有效的呼吸训练方式，减少对治疗人员的依赖，并同时得到良好的呼吸康复治疗。
以上所述中央处理器(100)内预设有两种治疗输出模式，第一种是：主动训练模式，第二种是：同步训练模式；主动训练模式是：对于配合训练能力较好的患者可以基本按照设备预设的治疗输出参数，例如目标呼吸频率、吸呼时间比值及膈神经与腹肌低频电流刺激波形、频率、强度、断通比等参数，由腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)输出剌激电流，同时语音播放模块(111)输出 “吸”、“呼”等言语指令，人机交互模块(117)进行影像、图表显示同步检测的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等反馈信号能有效地引导患者配合电刺激输出进行呼吸训练，即患者主动跟随设备进行治疗。同步训练模式是：对于主动配合训练能力稍差的患者，例如90岁以上有患者，可以不按设备预先设定的输出剌激参数如刺激频率、吸呼时间比值、电流波、形断通比等直接输出剌激电流，而由中央处理器(100) 根据呼吸波形传感器(103)采集的患者胸、腹部收缩舒张压力的相对变化数据，或和肺活量传感器(104) 采集患者的肺活量、呼气用时和峰值流量，或和吸气肌肌力传感器(108) 采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速，或和表面肌电传感器(106)采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌等表面肌电信号数据等识别出患者呼与吸的动作，分析调整并与呼吸动作同步输出剌激电流，同时输出“吸”、“呼”等言语指令及以上反馈信号的影像、图表显示，对患者进行呼吸训练。即设备的电流输出、各种反馈信号及视频声光指示信号与患者呼吸同步的呼吸训练模式。
本发明所述的信号发生模块(116) 是由:相位累加器(120)、相位寄存器(121)、正弦ROM表(122)、D/A转换器(123)、低通滤波器(124)组成，所述的相位累加器(120)由不少于一位加法器与不少于一位累加寄存器级联构成，每来一个参考时钟fclk(125)，加法器将频率控制字K(119)与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至相位寄存器(121)的数据输入端,累加寄存器将加法器在上一个参考时钟fclk(125)作用后所产生的新相位数据反馈到相位累加器(120)的加法器输入端，以使加法器在下一个参考时钟fclk(125)的作用下继续与频率控制字K(119)相加,这样相位累加器在参考时钟fclk(125)作用下，不断对频率控制字K(119)进行线性相位累加，使相位累加器在每一个参考时钟fclk(125)输入时，把频率控制字K(119)累加一次，相位累加器(120)输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器(120)的溢出频率就是DDS输出的信号频率，用相位累加器输出的数据产生正弦ROM表(122)的相位取样地址，通过相位取样地址把存储在正弦ROM表(122)中的波形量化值经查表后输出完成相位到幅值转换输出到D/A转换器(123)，D/A转换器(123)将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量波形；通过改变寻址的步长来改变D/A转换器(123)输出信号的频率，步长即为对数字波形查表的相位增量；由累加器对相位增量进行累加；累加器的值作为查表地址；D/A转换器（123）输出的阶梯形波形,经低通滤波（124）输出质量符合需要的模拟波形。
康复治疗效应分为短期效应与长期效应两类。其中短期效应是通过纠正患者的异常的短促呼吸方式及矛盾性胸腹舒缩运动，来重建生理性、节律性深慢呼吸方式，恢复吸气肌（膈肌、肋间外肌等）与呼气肌（肋间内肌、腹直肌等）之间的协调性、序贯性舒缩。仪器在对患者呼吸周期中呼吸方式、肺通气-换气参数、呼吸肌群体表电信号及胸腹部活动协同性等指标进行详细评估分析后，根据治疗目的制定出个体化的治疗处方，借助于引导视频逐步降低患者呼吸频率，以及交替性的膈神经、腹肌低频刺激电流在强化呼吸频率调整的基础上，可进一步可引导患者进行生理性、序贯性吸-呼肌群交替性舒缩，避免呼吸肌群的误用或异常激活。长期效应包含两方面的含义，首先是短期效应的累积，反复的生理性刺激电流可逆行上传至呼吸中枢，影响呼吸中枢重塑性，为呼吸方式的重建产生长期的中枢效应，使外源性呼吸方式得以内化，令患者的呼吸中枢在平静或运动状态中都能完成无意识、稳定的生理性呼吸方式的输出，并使患者得到最终的获益。其次，长时间的低频电流刺激能提高肌细胞内有氧代谢酶活性及线粒体、毛细血管面积-肌纤维数量比，逆转因各种疾病导致的呼吸肌原纤维蛋白消耗、降解及肌细胞凋亡，恢复多种肌细胞纤维间正常比例，增加呼吸肌群横截面积与体积，逐步增强吸-呼肌群肌力与耐力。患者可在本仪器的评估检测和训练下，掌握了正确的呼吸方式，呼吸肌功能提高，并最终增强患者的肺通气与换气功能、改善转移移动能力、提高生存质量。
本发明的优点是结构合理，运算科学、对治疗电流、语音提示、实时数据显示进行同步实时处理，使患者与治疗人员人机交互更加便利、实时。
附图说明
图1是本发明的方框结构示意图；
图2是本发明的信号发生模块方框结构示意图。
具体实施例
根据图1、图2所示，本发明在中央处理器100，UART101即是传感器串行接口，开关电源102，信号放大模块113,信号发生模块116,人机交互模块117，腹肌刺激电极109,隔神经刺激电极110，数据存储模块118,WIFI收发模块112,语音播放模块111的基础上,其特点是有呼吸波形传感器103，肺活量传感器104，血氧饱和度传感器105，表面肌电传感器106，心率传感器107，吸气肌肌力传感器108，耗氧量检测模块115，超声波定位模块114,所述的呼吸波形传感器103、肺活量传感器104、血氧饱和度传感器105、表面肌电传感器106、心率传感器107、吸气肌肌力传感器108分别通过UART101与中央处理器100相连接，耗氧量检测模块115和超声波定位模块114分别通过数据线与中央处理器100相连接；所述的中央处理器100根据呼吸波形传感器103采集的患者胸、腹部收缩舒张压力的相对变化数据，肺活量传感器104采集患者的肺活量、第一秒肺活量FEV1、第一秒肺活量占比FEV1/FVC、25%肺活量时流速 PEF25、75%肺活量时流量 PEF75、呼气用时和峰值流量数据，血氧饱和度传感器105采集的患者血氧饱和度、脉率和脉搏强度数据，表面肌电传感器106采集的患者膈肌与腹肌表面肌电信号，心率传感器107采集的患者心率数据，吸气肌肌力传感器108采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速数据，再结合耗氧量检测模块115采集的患者呼吸周期中氧耗量与二氧化碳排出量数据和数据存储模块118中的用户资料进行判断处理后输出隔神经和腹肌的刺激信号到信号发生模块116进行波形调制，然后经信号放大模块113放大后输出到腹肌刺激电极109和隔神经刺激电极110；中央处理器100同时也输出语音同步信号到语音播放模块111进行播出；超声波定位模块114处理外接超声波设备信号后，输出定位信号到中央处理器100，经中央处理器100处理后输出图形信号到人机交互模块117中的彩色液晶显示模块的显示屏进行影像显示，同时输出定位提示信号到语音播放模块111进行播出。
该系统分为呼吸评估监测和呼吸康复训练两大模块。呼吸评估监测模块包括所述的中央处理器100根据呼吸动度传感器(103)采集的患者胸、腹部肌肉收缩和舒张时压力的相对变化数据，监测呼吸周期中胸腹部活动情况及同步运动水平；肺活量传感器104采集患者的肺活量、第一秒肺活量FEV1、第一秒肺活量占比FEV1/FVC、25%肺活量时流速 PEF25、75%肺活量时流量 PEF75、呼气用时和峰值流量数据；血氧饱和度传感器105采集的患者血氧饱和度、脉率和脉搏强度数据；表面肌电传感器106采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌等表面肌电信号，监测呼吸周期中多组肌肉的肌电活动；心率传感器107采集的患者心率数据；吸气肌肌力传感器108采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速数据；耗氧量检测模块115采集的患者呼吸周期中氧耗量与二氧化碳排出量数据；超声波定位模块114，定位患者的颈部膈神经及测量腹部呼吸周期中膈肌活动情况数据进行判断、过滤、排列处理后；把信息传输到数据存储模块(118)中存储并而同时输出到人机交相模块（117）进行数据同步实时显示，完成对患者的呼吸活动情况实时监测反馈;而以上信息均可在数据存储模块118中存储并通过人机交相模块117进行数据同步实时输出显示，方便操作者对患者的呼吸活动情况实时监测反馈。以上各种传感器可以通过WIFI收发模块112与中央处理器100进行数据传输。训练模块包含神经肌肉低中频电流刺激输出部分和与电流输出同步的以上检测到的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等信号的视频或声光反馈信号输出部分；输出隔神经和腹肌的刺激信号由信号发生模块116进行波形调制，然后经信号放大模块113放大后输出到腹肌刺激电极109和隔神经刺激电极110；中央处理器100同时也输出语音同步信号到语音播放模块111播出，输出图形信号到人机交互模块117进行影像显示。患者在接受设备输出的分别对颈部膈神经和腹部腹直肌进行序贯性低频电流刺激，诱导对应肌肉完成生理性、有序性深慢呼吸的同时，而同步输出的由气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等监测信号和电流剌激信号而转化的视频声光反馈信号能有效地引导患者配合电刺激输出，并配合“吸”、“呼”等言语指令，在最短时间内掌握正确和有效的呼吸训练方式，减少对治疗人员的依赖，并同时得到良好的呼吸康复治疗。
所述中央处理器100内预设有两种训练模式，第一种是：主动训练模式，第二种是：同步训练模式；主动训练模式是：对于配合训练能力较好的患者可以基本按照设备预设的治疗输出参数，例如目标呼吸频率、吸呼时间比值及膈神经与腹肌低频电流刺激波形、频率、强度、断通比等参数输出刺激信号由信号发生模块(116)进行波形调制，然后经信号放大模块(113)放大后输出到腹肌刺激电极109和隔神经刺激电极110输出剌激电流，同时语音播放模块111输出 “吸”、“呼”等言语指令，人机交互模块117进行影像、图表显示同步检测的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度等反馈信号能有效地引导患者配合电刺激输出进行呼吸训练，即患者主动跟随设备进行治疗。同步训练模式是：对于主动配合训练能力稍差的患者，例如90岁以上有患者，可以不按设备预先设定的输出剌激参数如刺激频率、吸呼时间比值、电流波、形断通比等直接输出剌激电流，而由中央处理器100根据呼吸波形传感器103采集的患者胸、腹部收缩舒张压力的相对变化数据，或和肺活量传感器104采集患者的肺活量、呼气用时和峰值流量，或和吸气肌肌力传感器108采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速，或和表面肌电传感器106采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌等表面肌电信号数据等识别出患者呼与吸的动作，分析调整并与呼吸动作同步输出剌激电流，信号由信号发生模块(116)进行波形调制，然后经信号放大模块(113)放大后输出到腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)进行治疗剌激电流输出，同时输出“吸”、“呼”等言语指令及以上反馈信号的影像、图表显示，对患者进行呼吸训练。即设备的电流输出、各种反馈信号及视频声光指示信号与患者呼吸同步的呼吸训练模式。
本发明所述的信号发生模块116是由:相位累加器120、相位寄存器121、正弦ROM表122、D/A转换器123、低通滤波器124组成, 相位累加器120、相位寄存器121、正弦ROM表122、D/A转换器123、低通滤波器124依次串联连接,而相位寄存器121的输出端在连接正弦ROM表122同时也连接相位累加器120的反馈输入端, 频率控制字K119从相位累加器120的输入端连接输入；参考时钟fclk125分别与相位寄存器121、正弦ROM表122、D/A转换器123、低通滤波器124的时钟脉冲输入端相连接，所述的相位累加器120由十六位加法器与十六位累加寄存器级联构成，每来一个参考时钟fclk125，加法器将频率控制字K119与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至相位寄存器121的数据输入端,累加寄存器将加法器在上一个参考时钟fclk125作用后所产生的新相位数据反馈到相位累加器120的加法器输入端，以使加法器在下一个参考时钟fclk125的作用下继续与频率控制字K119相加,这样相位累加器在参考时钟fclk125作用下，不断对频率控制字K119进行线性相位累加，使相位累加器在每一个参考时钟fclk125输入时，把频率控制字K119累加一次，相位累加器120输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器120的溢出频率就是DDS输出的信号频率，用相位累加器输出的数据产生正弦ROM表122的相位取样地址，通过相位取样地址把存储在正弦ROM表122中的波形量化值经查表后输出完成相位到幅值转换输出到D/A转换器123，D/A转换器123将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量波形；通过改变寻址的步长来改变D/A转换器123输出信号的频率，步长即为对数字波形查表的相位增量；由累加器对相位增量进行累加；累加器的值作为查表地址；D/A转换器123输出的阶梯形波形,经低通滤波124输出质量符合需要的模拟波形。设定频率控制字为 K(也称步进值)，相位累加器为十六位，DDS的系统信号输出频率与参考时钟频率有如下关系：fout=K×fclk/2 N ，由此看出输出频率fout与参考时钟频率以及频率控制字成正比，保持时钟频率一定，改变一次K值，即可合成一个新频率的正弦波。从实际应用来说，一般允许输出的最高频率为fclk/2，但考虑到低通滤波器对输出信号杂散的抑制，实际输出的最高频率仍可达到0.4fclk，DDS的最小输出频率△f可由方程△f=fout/2 N 确定，可见，频率分辨率（即最小输出频率）在fout固定时取决于相位累加器的位数N。只要N足够大，理论上就可以获得足够高的频率分辨精度。
中央处理器100是整个仪器的核心，可以采用意法半导体有限公司生产的STM32系列单片处理器构成系统，该处理器主频可达到72MHz，FLASH存储达512KBytes，SRAM存储达64KBytes，有多种通迅接口，如SDIO接口、UART接口、SPI接口、I2C接口、I2S接口等，自带3个12位的AD转换器，连接通道达21路，2通道12位DA转换模块，高达112个I/O接口和11个定时器，有低电压复位检测电路。
参照图1所示，外电源通过电源开关进入开关电源102，该电源模块为医用级开关电源，隔离程度高，安全可靠，经降压变换后给中央处理单元供给低压电源，由于有双电源运放及变压器信号放大，开关电源部分供电为+/-15V直流输入到主控板。
图1中的信号放大模块113电源供应同样采用+/-15V供电，方便开关变压器的输出，信号输出线采用两组同轴电缆进行传输，尽可能减少外界对信号的干扰，隔神经刺激电极110用于传输吸气刺激信号,腹肌刺激电极109用于传输呼气刺激信号。
参照图1所示，腹肌刺激电极109,隔神经刺激电极110的连接线是采用一分二电极连接线，是市场常见的与中频理疗设备通用的电气连接线，电极连接线插座采用3.5mm音频插座。腹肌刺激电极109在治疗时贴于患者腹直肌处（脐左右约2公分处），隔神经刺激电极110贴于双侧颈部胸锁乳突肌中下1/3后缘膈神经体表定位处。
参照图1所示，人机交互模块117中包括彩色液晶显示模块、按键检测模块、急停开关检测，用于仪器的治疗处方输入、紧急停止开关检测和包括参数输出在内的工作状态的显示等。
参照图1所示，数据存储模块118用于存储用户的信息和治疗处方信息等参数，包括仪器电路板上配置的EEPROM存储器和随时可由患者带走的SD卡移动存储。EEPROM存储可以记忆仪器的相关设置参数和运行状态，方便仪器的保养与维护，SD卡移动存储则有利于患者信息的保存，使整个治疗过程具体完整的记录。
参照图1所示，耗氧量检测模块115为分析患者在本仪器治疗过程中及治疗前后呼吸的氧耗量、二氧化碳排出量，评估患者训练中换气功能与训练强度。
参照图1所示，超声定位模块114主要为进行膈神经定位及呼吸肌群活动情况监测，本例通过同步超声检测设备的图像与参数，将影像传至上位机（PC）以确保刺激电极片的精确放置与最佳电刺激处方的选择。
参照图1所示，WIFI收发模块112用于仪器主机与电脑、ipad或手机的通迅，通过电脑，用户可以编制或调整呼吸训练处方，记录、贮存和统计患者肺康复评估和治疗各类数据等。
参照图1所示，语音播放模块111用于播放事先设好的多种语音，包括在康复治疗过程中提示患者进行“呼”与“吸”动作的声音等等。
参照图1所示，用户可通人机交互模块中的菜单设置吸气刺激的频率、吸气刺激幅度微调1-100Hz，默认30Hz；还可设置呼气刺激参数，包括：载波频率设置(1-8KHz)、调制频率设置(40-60Hz)、渐变模式下的起始幅度设置和终止幅度设置(0-99)。
简化便携式综合反馈式肺康复评估治疗仪方案,基本上以完整综合反馈式肺康复评估治疗仪相同。不同的地方是：
由中央处理单元100仅采集2-3种传感器的输入，例如呼吸波形传感器103，主要反馈胸-腹部收缩舒张压力的相对变化数据，吸气肌肌力传感器108反馈吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速等，按照用户输入的处方/设置，产生相应的信号波形，经过信号放大输出至电极，刺激人体呼吸肌和膈神经，达到肺康复的目的。不再保留图1中耗氧量检测模块115
和不再保留图1中超声定位模块114。
下面以1名慢性阻塞性肺疾病患者进行呼吸评估与训练为例说明本系统的使用：患者取端坐位，口接吸气肌肌力传感器108，同时佩戴呼吸波形传感器103，指尖放置血氧饱和度传感器105，并放置腹肌刺激电极109与隔神经刺激电极110，从人机交互模块117的按键检测模块中输入合适处方，并嘱患者按彩色液晶显示模块中显示屏的视频、语音播放模块播出的语音提示进行呼吸训练，操作者和患者均可从液晶显示器中实时观察训练及给予患者多种参数反馈，使患者自我调整控制，进行综合反馈式呼吸电刺激训练。由于简化便携式综合反馈式肺康复评估与治疗仪便于患者在家庭使用，有助于治疗持续，治疗效果会更好。
综上所述，本综合反馈式肺康复评估与治疗仪所内含设计理念及治疗方式都具有以往类似产品所不具有的首创性，且能确实有效地改善各种急慢性呼吸功能异常患者提高呼吸功能、改善生存质量，并显著地减少了对肺康复引导人员的依赖，避免了人员素质参次不齐带来的治疗差异，是在短期内快速提高我国各级医疗机构肺康复技术水平的有效武器，具有广阔的市场推广前景。

Claims (4)

1.综合反馈式肺康复评估治疗仪，它包括中央处理器(100)，UART(101)，开关电源(102)，信号放大模块(113),信号发生模块(116),人机交互模块(117) ，信号发生模块(116),信号放大模块(113),腹肌刺激电极(109),隔神经刺激电极(110)，数据存储模块(118) ,WIFI收发模块(112) ,语音播放模块(111),其特征是有胸腹呼吸动度传感器(103)，肺活量传感器(104)，血氧饱和度传感器(105)，表面肌电传感器(106)，心率传感器(107)，吸气肌肌力传感器(108)，耗氧量检测模块(115)，超声波定位模块(114),所述的胸腹呼吸动度传感器(103)、肺活量传感器(104)、血氧饱和度传感器(105)、表面肌电传感器(106)、心率传感器(107)、吸气肌肌力传感器(108)分别通过UART(101)与中央处理器(100)相连接，耗氧量检测模块(115)和超声波定位模块(114)分别通过数据线与中央处理器(100)相连接。
2.综合反馈式肺康复评估治疗仪，其特征是:该系统分为呼吸评估监测和呼吸康复训练两大模块,呼吸评估监测模块包括所述的中央处理器(100)根据呼吸动度传感器(103)采集的患者胸、腹部肌肉收缩和舒张时压力的相对变化数据，监测呼吸周期中胸腹部活动情况及同步运动水平；肺活量传感器(104) 采集患者的肺活量、第一秒肺活量FEV1、第一秒肺活量占比FEV1/FVC、25%肺活量时流速 PEF25、75%肺活量时流量 PEF75、呼气用时和峰值流量数据；血氧饱和度传感器(105) 采集的患者血氧饱和度、脉率和脉搏强度数据；表面肌电传感器(106)采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌表面肌电信号，监测呼吸周期中多组肌肉的肌电活动；心率传感器(107) 采集的患者心率数据；吸气肌肌力传感器(108) 采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速数据；耗氧量检测模块(115)采集的患者呼吸周期中氧耗量与二氧化碳排出量数据；超声波定位模块（114），可定位患者的颈部膈神经及测量腹部呼吸周期中膈肌活动情况；而以上信息均可在数据存储模块(118)中存储并通过人机交相模块（117）进行数据同步实时输出显示，方便操作者对患者的呼吸活动情况实时监测反馈;以上各种传感器可以通过WIFI收发模块(112)与中央处理器(100)进行数据传输；训练模块包含神经肌肉低中频电流刺激输出部分和与电流输出同步的以上检测到的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度信号的视频或声光反馈信号输出部分；输出隔神经和腹肌的刺激信号由信号发生模块(116)进行波形调制，然后经信号放大模块(113)放大后输出到腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)；中央处理器(100)同时也输出语音同步信号到语音播放模块(111)播出，输出图形信号到人机交互模块(117)进行影像显示;患者在接受设备输出的分别对颈部膈神经和腹部腹直肌进行序贯性低频电流刺激，诱导对应肌肉完成生理性、有序性深慢呼吸的同时，而同步输出的由气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度监测信号，以及由电流剌激信号而转化的“吸”、“呼”视频声光反馈指令信号能有效地引导患者配合电刺激输出，掌握正确和有效的呼吸方式，减少对治疗人员的依赖，并同时得到良好的呼吸康复治疗。
3.根据权利要求1所述的综合反馈式肺康复评估治疗仪，其特征是在中央处理器(100)内预设有两种治疗输出模式，第一种是主动训练模式，第二种是同步训练模式；主动训练模式是指患者主动跟随设备预先设定的参数输出进行呼吸训练；设备预先设定各种治疗输出参数，例如目标呼吸频率、吸呼时间比值及膈神经与腹肌低频电流刺激波形、频率、强度、断通比参数，由腹肌刺激电极(109)和隔神经刺激电极(110)输出剌激电流，同时语音播放模块(111)输出 “吸”、“呼”言语指令，人机交互模块(117)进行影像、图表显示同步检测的气体、肌电、血氧饱和度或胸腹部动度反馈信号能有效地引导患者配合电刺激输出进行呼吸训练；同步训练模式是指设备的电流输出、各种反馈信号及视频声光指示信号与患者呼吸同步的呼吸训练模式；对于主动配合训练能力稍差的患者可以不按设备预先设定的输出剌激参数如刺激频率、吸呼时间比值、电流波、形断通比直接输出剌激电流，而由中央处理器(100) 根据呼吸波形传感器(103)采集的患者胸、腹部收缩舒张压力的相对变化数据，或和肺活量传感器(104) 采集患者的肺活量、呼气用时和峰值流量，或和吸气肌肌力传感器(108) 采集的患者吸气阻力、最大吸气肌力和吸气流速，或和表面肌电传感器(106)采集的患者膈肌、腹肌、胸锁乳突肌表面肌电信号数据识别出患者呼与吸的动作，分析调整并与呼吸动作同步输出剌激电流，同时输出“吸”、“呼”言语指令及以上反馈信号的影像、图表显示，对患者进行呼吸训练。
4.根据权利要求1所述的综合反馈式肺康复评估治疗仪，其特征是所述的信号发生模块(116)是由:相位累加器(120)、相位寄存器(121)、正弦ROM表(122)、D/A转换器(123)、低通滤波器(124)组成，所述的相位累加器(120)由不少于一位加法器与不少于一位累加寄存器级联构成，每来一个参考时钟fclk(125)，加法器将频率控制字K(119)与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至相位寄存器(121)的数据输入端,累加寄存器将加法器在上一个参考时钟fclk(125)作用后所产生的新相位数据反馈到相位累加器(120)的加法器输入端，以使加法器在下一个参考时钟fclk(125)的作用下继续与频率控制字K(119)相加,这样相位累加器在参考时钟fclk(125)作用下，不断对频率控制字K(119)进行线性相位累加，使相位累加器在每一个参考时钟fclk(125)输入时，把频率控制字K(119)累加一次，相位累加器(120)输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器(120)的溢出频率就是DDS输出的信号频率，用相位累加器输出的数据产生正弦ROM表(122)的相位取样地址，通过相位取样地址把存储在正弦ROM表(122)中的波形量化值经查表后输出完成相位到幅值转换输出到D/A转换器(123)，D/A转换器(123)将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量波形；通过改变寻址的步长来改变D/A转换器(123)输出信号的频率，步长即为对数字波形查表的相位增量；由累加器对相位增量进行累加；累加器的值作为查表地址；D/A转换器（123）输出的阶梯形波形,经低通滤波（124）输出质量符合需要的模拟波形。
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