CN108888272A - 一种自主肺功能测量仪及肺功能测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主肺功能测量仪，包括壳体、显示屏、气流管道及控制电路，显示屏设于壳体外侧，气流管道及控制电路封装于壳体内部；控制电路包括微控制器、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块，显示屏、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块分别与微控制器电连接，超声波传感器设于气流管道的两端。本发明还公开了一种基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法。本发明通过引入传感器，实现肺活量信息的准确测量，达到小巧便携、操作简单，测量精确度高的效果，适合个人和家庭使用，同时通过对肺活量信息的处理、分型，可方便专业医护人员分析，让医生在远程准确判断状况，使用户了解自己的身体状况，适合个人和家庭使用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种自主肺功能测量仪及一种基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对自己的身体健康也更加重视，其中，肺活量与人的呼吸密切相关。具体地，肺是机体气体交换的中转站，这个中转站的容积大小直接决定着每次呼吸气体交换的量，这是检测肺功能的最直观、也是最客观的指标。因此，我们有必要定期地测量自己的肺活量，作为衡量自己身体的重要参考数据之一。
目前，市面上常用的肺活量测量仪主要存在以下问题：
一、现有的测试肺活量的装置大多需要借助密闭的容器来精确测试在特定气压下的人体肺部所能够容纳的气体量，这种测试手段往往需要体积较为庞大的设备，携带不便，很多时候需要到医院或体检中心去检测。而且在测试过程中，往往由于容器内存在一定压力，使得被测试者最后残留在肺部的气体无法完全呼出，这样就使得测试存在一定的误差，而且被测试者也会感觉较为疲惫，这样影响了肺活量测试的应用范围和效果，给人们的工作和生活带来了一定的不便。
二、学校等集体单位体检使用的肺活量测量设备具备有主、从机；工作时，由从机测得数据，并传递给主机，主机通过手动录入或者IC卡录入测试者信息，显示并保存肺活量数值。但这样的设备不够小巧，价格较高，对于人数较少的家庭而言是一种浪费，个人信息的录入也不适合，而且数据的上传不够及时和自动化，相当繁琐。
三、现有的电子式测量仪虽然体积小，但只是将数据显示在仪器显示界面上，没办法查看之前的肺活量测量数值，也不能进行数据对比和分析，即不注重于数据的进一步开发。在如今强调大数据开发和物联网的时代，明显不能满足实际需求。
另外，现阶段医疗资源仍不够普及，人们不可能总是前往医院进行检测，但又希望便捷地获取到这些数据，甚至希望能交由专业医护人员分析，以了解自己的身体状况。
因此，需要研发一种小巧便携、操作简单，数据准确、能够实现数据传送给手机和医院数据库以实现数据分析的肺活量测量仪，以满足个人和家庭的日常使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种小巧便携、操作简单，测量精确度高的自主肺功能测量仪，适合个人和家庭使用。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法，可通过对肺活量信息的处理、分型，可方便专业医护人员分析。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自主肺功能测量仪，包括壳体、显示屏、气流管道及控制电路，所述显示屏设于壳体外侧，所述气流管道及控制电路封装于壳体内部；所述控制电路包括微控制器、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块，所述显示屏、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块分别与微控制器电连接，所述超声波传感器设于气流管道的两端。
作为上述方案的改进，所述微控制器内设有定时器，所述定时器与超声波传感器相连。
作为上述方案的改进，所述微控制器与存储芯片及显示屏之间均通过I2C 总线方式进行通讯。
作为上述方案的改进，所述无线通讯模块的输入端通过异步收发传输器或同步异步收发传输器与微控制器连接。
作为上述方案的改进，所述自主肺功能测量仪作为上述方案的改进，还包括与微控制器电连接的温度传感器。
作为上述方案的改进，所述控制电路还包括AD转换电路，所述微控制器通过AD转换电路与温度传感器连接。
作为上述方案的改进，所述自主肺功能测量仪还包括设于壳体上的手柄，所述手柄内设有用于装载药物的腔体。
相应地，本发明还提供了一种基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法，包括：
通过自主肺功能测量仪采集被测量者的肺活量信息，所述肺活量信息包括 FVC及FEV1，所述FVC为用力肺活量，所述FEV1为用力呼气时，第一秒呼出的气量容积；
服务器获取上传的肺活量信息及预设参数，所述预设参数包括气流阻塞预警值α、模糊范围γ、程度划分系数δ1，δ2，δ3；
服务器根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞；
若被测量者存在气流阻塞，则服务器根据所述肺活量信息及预设参数划分肺功能等级，所述肺功能等级包括：
肺功能Ⅰ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ1％×预计值；
肺功能Ⅱ级，FEV1/FVC<α％，且δ2％×预计值<FEV1<δ1％×预计值；
肺功能III级，FEV1/FVC<α％，且δ3％×预计值<FEV1<δ2％×预计值；
肺功能Ⅵ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ3％×预计值。
作为上述方案的改进，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法包括：若FEV1/FVC<(α-γ)％，则被测量者存在气流阻塞。
作为上述方案的改进，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法包括：若(α-γ)％<FEV1/FVC<(α+γ)％，且连续出现FEV1/FVC<α％的情况，则被测量者存在气流阻塞。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明自主肺功能测量仪结合传感技术，实现肺活量信息的准确测量，达到小巧便携、操作简单，测量精确度高的效果，适合个人和家庭使用。具体地：
本发明通过超声波传感器实现气流速度的精确采集，响应速度快，测量范围大，稳定性好，精度高，更加适用于小管径测量，可以使测量仪的体积大大减少，使产品更加便携。
本发明通过温度传感器实现温度实时检测，并根据实时温度对检测到的实际速度进行补偿，可有效避免温度造成的误差，提高测量精确度。
本发明引入无线技术，实现了肺活量信息在自主肺功能测量仪、客户端、数据库服务器之间的无线传输，灵活性强，方便查看，同时，也方便专业医护人员分析，让医生在远程准确判断状况，使用户了解自己的身体状况。
本发明将自主肺功能测量仪与肺功能分型相结合，通过对采集到的肺活量信息与预设参数进行比对处理，将FEV1/FVC<α％且FEV1<δ1％×预计值的情况划分为肺功能Ⅰ级、FEV1/FVC<α％且δ2％×预计值<FEV1<δ1％×预计值的情况划分为肺功能Ⅱ级、FEV1/FVC<α％且δ3％×预计值<FEV1<δ2％×预计值的情况划分为肺功能III级、FEV1/FVC<α％且FEV1<δ3％×预计值的情况划分为肺功能Ⅵ级，使得肺活量的分析更为细致、具体，丰富肺活量领域的研究，为慢阻肺的诊断提供科学依据。
附图说明
图1是本发明自主肺功能测量仪的结构示意图；
图2是本发明自主肺功能测量仪的剖视图；
图3是本发明自主肺功能测量仪中控制电路的第一实施例结构示意图；
图4是本发明自主肺功能测量仪中控制电路的第二实施例结构示意图；
图5是本发明基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1～3，图1～3显示了本发明自主肺功能测量仪的具体结构，其包括壳体1、显示屏2、气流管道3及控制电路4，所述显示屏2设于壳体1外侧，所述气流管道3及控制电路4封装于壳体1内部；所述控制电路4包括微控制器 42、电源41、超声波传感器45、存储芯片43及无线通信模块47，所述显示屏 2、电源41、超声波传感器45、存储芯片43及无线通信模块分别与微控制器42 电连接，所述超声波传感器45设于气流管道3的两端。
具体地，所述电源41优选为直流电源，用于为控制电路4供电。
所述超声波传感器45用于测量吹入的气体量。
所述存储芯片43优选为EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory电可擦只读存储器)存储芯片，用于存储时间数据、气流速度及肺活量数值；相应地，所述存储芯片43与微控制42器之间通过I2C (Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)总线方式进行通讯。
所述无线通讯模块47的输入端使用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)/USART(Universal Synchronous AsynchronousReceiver/Transmitter，通用同步异步收发传输器)接收微控制器42 发送的肺活量数值；所述无线通讯模块47的输出端使用无线通讯功能将从微控制器42上传的肺活量信息无线发送给服务器或客户端(如手机、计算机等)，方便服务器对肺活量信息进行处理，也方便用户通过客户端查看肺活量信息。所述无线通讯模块47可以为WIFI模块、GSM通讯模块或无线蓝牙通讯模块，但不以此为限制，只要可实现无线通讯即可；所述无线通讯模块47优选为无线蓝牙通讯模块，其中，无线蓝牙通讯模块已广泛应用于各类需要近距离通讯的电子产品中，操作难度小，且能实现传送数据的功能，传输距离近、低功耗、受外界影响小、输送丢失数据的可能性小。
所述显示屏2优选为OLED(Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管)、LCD602(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、TFT(Thin Film Transistor, 薄膜晶体管)、UFB(Ultra Fine & Bright，超精高亮液晶屏)、TFD(Thin Film Diode, 薄膜二极管)、CSTN(Color Super Twisted Nematic，彩色超扭曲向列型)显示屏，但不以此为限制，只要可用于显示肺活量数值即可，高像素的显示屏，用户体验性更强；相应地，所述显示屏2与微控制器之间通过I2C(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)总线方式进行通讯。
当用户向气流管道3中吹气时，微控制器42发射群脉冲信号以驱动超声波传感器45工作，超声波传感器45实时获取气流管道3两端的传感信号，同时通过微控制器42记录气流由气流管道3的一端流向另一端所用的时间数据，并将时间数据存储至存储芯片43，以完成单个采样周期的采样；当用户完成一个吹气周期(每个吹气周期由多个采样周期组成)后，微控制器42读取存储芯片 43内的所有时间数据并计算气流速度，从而求出肺活量信息，并通过显示器2 进行显示以实现肺活量的测量。随后，通过无线通讯模块47将肺活量信息发送至服务器及客户端。
具体地，所述微控制器42内设有定时器，所述定时器与超声波传感器45 相连。所述定时器用于获取每个吹气周期内气流由气流管道3的一端流向另一端所用的时间数据。
当用户向气流管道3中吹气时，微控制器42发射群脉冲信号以驱动超声波传感器45工作，气流管道3一端的超声波传感器45发射超声波，同时定时器开始计时，气流管道3另一端超声波传感45接收到超声波时，定时器停止计时，从而测得单个采样周期下气流传播时间数据后，将时间数据保存在存储芯片43 中；微控制器42继续控制超声波传感器45发射超声波直到吹气结束，完成一整个吹气周期后，微控制器42通过读取存储芯片43内所有的时间数据，根据气流对超声波速度的阻碍，利用时差法计算出此时间段的气流速度，再通过积分累加得到总的肺活量数值；最后通显示器2进行显示。需要说明的是，将单个采样周期下气流传播时间数据与预设的气流管道3中气体静止(即没有吹气) 时的传播时间进行对比，由两者时间差和路程即可计算出此时间段的气流速度 (吹气之后，超声波速度和气体流速同向，速度会加快，更早到达超声波接收的一端，所以与没有吹气的传播时间相比，会有时间差)；再将气流速度乘以采样周期时间及气流管道的截面积，累加得到总的肺活量信息。优选地，超声波频率范围为199kHz～201kHz，方向性好，能量衰减强，避免了回波干扰，结构简单，响应速度快，测量范围大，稳定性好，精度高，更加适用于小管径测量，可以使测量仪的体积大大减少，使产品更加便携。
其中，所述肺活量信息包括FVC、FEV1、PEF及MEFV。
所述FVC为用力肺活量，要求被测量者屏气1秒钟后以最大力量、最快速度呼气至残气量位，持续、均匀、快速呼尽。具体地，其中，气流速度为v气流N，τ为采样频率，S为管道横截面积，t为吹气总时间。
所述FEV1为最大深吸气后做最大呼气，用力呼气时，第一秒呼出的气量容积。具体地，其中，气流速度为v气流N，τ为采样频率， S为管道横截面积。
所述PEF，为最大呼气流量,又称呼气流量峰值，是指用力肺活量测定过程中，呼气流量最快时的瞬间流速。具体地，PEF＝Max{v|v＝v气流n,n∈ N,n∈(τ*t)}。
所述MEFV为肺活量容积曲线。
另外，也可以采用压力传感器替代所述超声波传感器45。采用压力传感器可通过气流吹入导致压力传感器的压力变化，从而测得流体速度。
进一步，所述自主肺功能测量仪还包括设于壳体1上的吹嘴5，所述吹嘴5 与气流管道3相连通。用户可通过吹嘴5向气流管道内吹气。
同时，所述自主肺功能测量仪还包括设于壳体1上的外部控制开关，所述外部控制开关与微控制器42电连接，用于开启/关闭本发明。
另外，所述自主肺功能测量仪还包括设于壳体1上的手柄6，所述手柄6内设有用于装载支气管扩张剂或其他肺部疾病通用药物的腔体，方便用户拿握并及时进行治疗。
图4是本发明自主肺功能测量仪中控制电路的第二实施例结构示意图，与图3所示的第一实施例不同的是，本实施例中还包括与微控制器电连接的温度传感器46，由于温度不同，超声波的传播速度也会有波动，本发明中的温度传感器46用于测量气流管道3内的温度，并根据“温度——超声波速度”的变化公式，对检测到的实际速度进行补偿，提高精确度。
需要说明的是，气流管道3内的温度会影响超声波的传输速度，当采用超声波传感器45时，可配合温度传感器46进行检测。具体地，存储芯片43内预存有不同温度的情况下气流管道3中气体静止(即没有吹气)时的传播时间，微控制器42可根据温度传感器46所检测出气流管道3内的实时温度，提取对应的气流管道3中气体静止(即没有吹气)时的传播时间，从而实现对超声波实际速度的补偿，避免温度造成的误差，提高测量精确度。
相应地，所述控制电路4还包括AD(Digital-to-Analogue Conversion，数字信号-模拟信号转换)转换电路，所述微控制器通过AD转换电路与温度传感器 46连接。所述AD转换电路46可以内置于微控制器42内，以进一步节省空间；也可以为外设产品，优选为AD7705或AD9708，但不以此为限制，只要可实现数模转换即可。
因此，当用户握住手柄6，自主肺功能测量仪等待工作，硬件初始化；用户向吹嘴5中吹气时，微控制器42发射群脉冲信号以驱动传感器45工作，超声波传感器45实时获取气流管道3两端的传感信号，同时定时器开始计时，测得单个采样周期下气流传播时间后，记录时间数据并保存在存储芯片中；同时，温度传感器46使用AD转换电路测量气流管道3内的温度；微控制器42继续控制传感器45工作直到吹气结束，完成一整个吹气周期后，微控制器42读取存储芯片43的数据并结合气流管道3内的温度，对实际速度进行补偿，计算肺活量数值；最后通过显示器2进行显示。
由上可知，本发明自主肺功能测量仪结合传感技术，实现肺活量的准确测量，达到小巧便携、操作简单，测量精确度高的效果，适合个人和家庭使用。
参见图5，图5显示了本发明基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法的流程图，包括：
S101，通过自主肺功能测量仪采集被测量者的肺活量信息。
所述肺活量信息包括FVC及FEV1，所述FVC为用力肺活量，所述FEV1 为用力呼气时，第一秒呼出的气量容积；
所述FVC为用力肺活量，要求被测量者屏气1秒钟后以最大力量、最快速度呼气至残气量位，持续、均匀、快速呼尽。具体地，其中，气流速度为v气流N，τ为采样频率，S为管道横截面积，t为吹气总时间。
所述FEV1为最大深吸气后做最大呼气，用力呼气时，第一秒呼出的气量容积。具体地，其中，气流速度为v气流N，τ为采样频率， S为管道横截面积。
S102，服务器获取上传的肺活量信息及预设参数。
所述预设参数包括气流阻塞预警值α、模糊范围γ、程度划分系数δ1，δ2，δ3；
S103，服务器根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞；
具体地，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法包括：若FEV1/FVC<(α-γ)％，则被测量者存在气流阻塞。
另外，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法还可以为：若(α-γ)％<FEV1/FVC<(α+γ)％，且连续出现 FEV1/FVC<α％的情况，则被测量者存在气流阻塞。
S104，若被测量者存在气流阻塞，则服务器根据所述肺活量信息及预设参数划分肺功能等级，所述肺功能等级包括：
肺功能Ⅰ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ1％×预计值；
肺功能Ⅱ级，FEV1/FVC<α％，且δ2％×预计值<FEV1<δ1％×预计值；
肺功能III级，FEV1/FVC<α％，且δ3％×预计值<FEV1<δ2％×预计值；
肺功能Ⅵ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ3％×预计值。
需要说明的是，预计值可以根据用户的吹气速度及身体基本信息(年龄、体重、身高、病史等)，再由数据库进行匹配。其中：
成年男性FEV1预计值＝-2.28520-0.02356*A+0.03847*H(L)。A表示Age (years)；H表示Height(cm)；
成年女性FEV1预计值＝-1.24436-0.01837*A+0.02729*H(L)。A表示Age (years)；H表示Height(cm)。
进一步，还可对预计值进行修正处理，使最终预计值＝FEV1预计值×β，其中，β为100％±17％。
相应地，α优选为70、γ优选为10、δ1优选为80，δ2优选为50，δ3优选为30，但不以此为限制。
需要说明的是，慢阻肺，是一种常见的、可以预防和治疗的疾病，其特征是持续存在的呼吸系统症状和气流受限，原因是气道和肺泡异常，通常与显著暴露于毒性颗粒和气体相关。本发明通过自主肺功能测量仪对被测量者的肺活量信息进行采集，并结合预设参数，以判断被测量者是否存在气流阻塞，从而进一步对被测量者进行功能等级的划分，方便医护人员作进一步治疗，节省了用户的时间、财力成本。
由上可知，本发明将自主肺功能测量仪与肺功能分型相结合，通过自主肺功能测量仪准确地采集到的肺活量信息，并通过服务器将肺活量信息与预设参数进行比对处理，将FEV1/FVC<α％且FEV1<δ1％×预计值的情况划分为肺功能Ⅰ级、FEV1/FVC<α％且δ2％×预计值<FEV1<δ1％×预计值的情况划分为肺功能Ⅱ级、FEV1/FVC<α％且δ3％×预计值<FEV1<δ2％×预计值的情况划分为肺功能III级、FEV1/FVC<α％且FEV1<δ3％×预计值的情况划分为肺功能Ⅵ级，使得肺活量的分析更为细致、具体，丰富肺活量领域的研究，为慢阻肺的诊断提供科学依据。
另外，本发明中服务器还可通过无线方式与客户端及数据库连接。其中，用户可通过客户端可自由创建新的用户对象，即使多人共用一台设备也不用担心数据错乱，免除了手动/IC卡录入的繁琐，同时当自主肺功能测量仪测量出肺活量数值后，也可通过无线方式上传至服务器，再有服务器发送至客户端，方有利于数据的有序保存和查看。数据库用于存储肺活量信息，服务器可以通过移动网络或WIFI方式将肺活量信息上传至医院的数据库进行存储，方便专业医护人员分析，也便于让医生在远程准确判断状况，使用户了解自己的身体状况。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自主肺功能测量仪，其特征在于，包括壳体、显示屏、气流管道及控制电路，所述显示屏设于壳体外侧，所述气流管道及控制电路封装于壳体内部；
所述控制电路包括微控制器、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块，所述显示屏、电源、超声波传感器、存储芯片及无线通讯模块分别与微控制器电连接，所述超声波传感器设于气流管道的两端。
2.如权利要求1所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，所述微控制器内设有定时器，所述定时器与超声波传感器相连。
3.如权利要求1所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，所述微控制器与存储芯片及显示屏之间均通过I2C总线方式进行通讯。
4.如权利要求1所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，所述无线通讯模块的输入端通过异步收发传输器或同步异步收发传输器与微控制器连接。
5.如权利要求1所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，还包括与微控制器电连接的温度传感器。
6.如权利要求5所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，所述控制电路还包括AD转换电路，所述微控制器通过AD转换电路与温度传感器连接。
7.如权利要求1所述的自主肺功能测量仪，其特征在于，还包括设于壳体上的手柄，所述手柄内设有用于装载药物的腔体。
8.一种基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法，其特征在于，包括：
通过自主肺功能测量仪采集被测量者的肺活量信息，所述肺活量信息包括FVC及FEV1，所述FVC为用力肺活量，所述FEV1为用力呼气时，第一秒呼出的气量容积；
服务器获取上传的肺活量信息及预设参数，所述预设参数包括气流阻塞预警值α、模糊范围γ、程度划分系数δ1，δ2，δ3；
服务器根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞；
若被测量者存在气流阻塞，则服务器根据所述肺活量信息及预设参数划分肺功能等级，所述肺功能等级包括：
肺功能Ⅰ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ1％×预计值；
肺功能Ⅱ级，FEV1/FVC<α％，且δ2％×预计值<FEV1<δ1％×预计值；
肺功能III级，FEV1/FVC<α％，且δ3％×预计值<FEV1<δ2％×预计值；
肺功能Ⅵ级，FEV1/FVC<α％，且FEV1<δ3％×预计值。
9.如权利要求8所述的基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法，其特征在于，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法包括：若FEV1/FVC<(α-γ)％，则被测量者存在气流阻塞。
10.如权利要求9所述的基于自主肺功能测量仪的肺功能测量方法，其特征在于，所述根据所述肺活量信息及预设参数判断被测量者是否存在气流阻塞的方法包括：若(α-γ)％<FEV1/FVC<(α+γ)％，且连续出现FEV1/FVC<α％的情况，则被测量者存在气流阻塞。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20181127 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |