CN109009130A - 带抖动和方向检测的肺功能仪、传感器手柄及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带抖动和方向检测的肺功能仪、传感器手柄及检测方法，其包括压差传感器和三轴加速度传感器。在肺功能测试过程中，利用三轴加速度传感器可有效判断出传感器手柄是否位于测试位，并监测出传感器手柄的抖动情况，从而保证了肺功能仪测试基线的准确性，降低检测误差。因此本发明所述的带抖动及方向检测功能的肺功能仪具有极高的应用价值。

Description

带抖动和方向检测的肺功能仪、传感器手柄及检测方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及带抖动和方向检测的肺功能仪，及配套的传感器手柄和检测方法。

背景技术

近年来，在肺功能检测领域发展并出现了便于携带的手持式肺功能仪。主要测定和分析肺活量、最大自主通气量等参数，有助于支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、慢性咳嗽等常见呼吸系统疾病的诊断、疾病分级与疗效判断，以及外科手术风险评估等，可用于社区医院、学校或各大医院的体检、流行病学调查、病房床边检查和家用等。

手持式电子肺功能仪的关键部件之一是用于检测呼气或吸气过程中气流量变化的压差传感器。目前普遍采用硅材料作为压差传感器，工作原理是在硅弹性膜片（弹性敏感元件）上形成多个阻值相等的扩散电阻，组成一个惠斯顿电桥，通过硅胶膜形变产生电阻值变化，从而获得测定所需的相应参数。不过这类压差传感器的位置灵敏度非常高。由于硅胶膜本身有重力，当测试者握住肺功能仪手柄的手抖动或手柄偏离测试位较大位置时，硅胶膜就会发生形变。测试前传感器的振动或方向的改变，会引起压差传感器误判而错误地给出肺功能测试结果。或者这种测试前的振动或方向的改变，会被作为测试基线，造成很大的测试误差。

如何提高采用这类压差传感器的肺功能仪的检测准确性，已成为当前急需解决的问题。

市场上主流肺功能仪是基于压差式流量计原理，压差式流量计具有准确度高、受环境温度影响小，寿命长等优点，压差式流量计包括流量变送器和压差传感器两部分，流量变送器实现气体流速与压差的一次变换，根据流经该变送器的气流速度大小不同，变送器两端产生相应的压力差，即压差信号，一般采用节流管，孔板，筛网等；压差传感器再将与流量有一定关系的压差信号转换成电信号，经处理后转换成数字信号，最后由微处理器计算显示各种肺功能参数和曲线。例如中国专利201720594878.1、201710538777.7、201710705110.1记载了带有节流管和压差传感器的肺功能仪。

压差式传感器通常采用硅压阻技术，在硅片上集成压力应变器和激光精确校正的薄膜电阻网络，当应变器两面有压力差时，应变器会产生微小形变，引起电阻网络的阻抗相应变化，从而实现压差检测。但是应变器受到重力影响，不同方向放置应变器本身会有不同细微形变，虽然非常微小，但也会引起电阻网络阻抗变化，所以压差传感器对位置有敏感性，移动或抖动都会导致阻抗输出变化，虽然很多压差传感器厂商采用了各种技术尽量减小位置敏感性，比如用两组对称电阻网络补偿等技术，但是无法完全消除位置敏感性。压差式传感器一般安装在肺功能仪传感器手柄中。对于大型肺功能仪，传感器手柄固定在支架上，压差传感器的位置也固定不变，压差传感器的位置敏感问题不影响检测精度。但对于手持式肺功能仪，在检测过程中压差传感器存在移动，改变传感器方向，抖动等各种情况，所以便携式肺功能仪通常在零点检测和正常呼气检测时，要求保持传感器方向与测试时方向一致，且尽量静止不动。这些要求能解决大部分问题，但还是存在很多由于检测过程中的传感器方向不正确或抖动等原因导致检测数据达不到肺功能检查质控要求的现象，不得不增加重复检测次数，即浪费时间，多次用力呼气检测又使病人比较疲惫。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的之一是提供一种用于肺功能仪的传感器手柄，包括压差传感器、主控板和三轴加速度传感器，三轴加速度传感器和压差传感器安装在主控板上，并分别与微处理器连接。三轴加速度传感器用于检测传感器手柄的晃动和方向倾角。

进一步的，传感器手柄包括上盖和下盖，上盖和下盖相互组装在一起形成一个内腔，所述装载有三轴加速度传感器和压差传感器的主控板安装在传感器手柄的内腔中。

进一步的，主控板上还设有信号调理电路和A/D转换电路。

更进一步的，压差传感器输出压差信号通过信号调理电路、A/D转换电路转换成数字信号，通过串行外设接口总线与微处理器电路连接，三轴加速度传感器输出xyz三轴加速度数字信号通过串行外设接口总线与微处理器电路连接。

本发明还提供了一种肺功能仪，包括压差流量计、微处理器、传感器手柄和三轴加速度传感器。

进一步的，三轴加速度传感器安装于传感器手柄中。

其中，所述压差流量计包括流量变送器和压差传感器。三轴加速度传感器和压差传感器固定在主控板上，并分别与微处理器连接。

进一步的，流量变送器选自节流管。

本发明还提供了一种检测传感器手柄的位置和抖动情况的方法，包括在传感器手柄上安装三轴加速度传感器，利用三轴加速度传感器进行手柄的抖动检测和/或手柄方向位置检测，所述手柄的抖动检测的特征值为相邻时刻加速度差绝对值，其判断方法是获取当前时刻的加速度值，与上一时刻的加速度值差值的绝对值，如果在预设的连续次数中大于抖动阈值时，则判定手柄有抖动；如果小于抖动阈值时，则判定手柄静止；所述手柄方向位置检测的特征值为三轴加速度分量值，其判断方法是获取当前三轴加速度分量值，如果任意一个分量值在预设的连续次数中超出阈值范围时，则判定手柄方向不正确；如果未超出阈值范围，则判定手柄方向正确。

所述的在预设的连续次数可以是一次或更多次，例如十次等。

本发明还提供了一种肺功能仪测定肺功能参数的方法，包括以下步骤：（1）提供一种带有传感器手柄的手持式肺功能仪，所述肺功能仪包括压差流量计、微处理器和三轴加速度传感器，压差流量计包括流量变送器和压差传感器，三轴加速度传感器和压差传感器安装于传感器手柄中；（2）被测试者对着流量变送器吹气；（3）利用三轴加速度传感器及前述检测传感器手柄的方向和抖动情况的方法判断传感器手柄的方向和抖动情况，若判断传感器手柄处于抖动状态和/或手柄方向不在测试位置，则给出信号提示或直接停止检测；若判断手柄位于正确的检测位置和状态，则检测继续；（4）当判断手柄位于正确的检测位置和状态时，压差传感器将与流量有一定关系的压差信号转换成电信号，经处理后转换成数字信号，最后由微处理器计算显示各种肺功能参数和曲线。

本发明还提供了带抖动和方向检测的肺功能参数测试系统，包括压差传感器、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器电路、三轴加速度传感器和电源管理电路。压差传感器输出压差信号通过信号调理电路、A/D转换电路转换成数字信号与微处理器电路连接，三轴加速度传感器输出xyz三轴加速度数字信号与微处理器电路连接，电源管理电路分别与信号调理电路、A/D转换电路、微处理器电路、三轴加速度传感器连接。

进一步的，A/D转换电路转换成数字信号通过SPI总线与微处理器电路连接。

进一步的，三轴加速度传感器输出xyz三轴加速度数字信号通过SPI总线与微处理器电路连接。

所述三轴加速度传感器能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器。三轴加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，用加速度传感器检测手持设备的振动/晃动幅度，能够全面准确反映物体的运动性质。所述的压差传感器选自压阻式硅压力传感器。

本发明所述在手持式肺功能仪上安装了三轴加速度传感器的优点是：（1）可及时有效地判断出带有压差传感器的手柄是否位于测试位，降低压差传感器硅胶膜非正常形变带来的检测误差。（2）测试过程中，监测出测试者手抖动的情况，若判断出抖动很大，则可立即停止检测，从而确保了基线的稳定性，保证的测量准确性。

附图说明

图1 三轴加速度传感器相应x，y，z三轴方向加速度示意图；

图2 安装有压差传感器和三轴加速度传感器的主控板的其中一面的结构示意图；

图3 安装有压差传感器和三轴加速度传感器的主控板的另一面结构示意图；

图4 电路线框图；

图5 利用三轴传感器检测传感器手柄抖动和方向的测试过程线框图；

图6 第一种带有三轴传感器的肺功能仪示意图；

图7 第二种带有三轴传感器的肺功能仪示意图；

图 8 实施例1中对照组的V-T时间容积曲线图和F-T时间流量曲线图；

图 9 实施例1中实验组的V-T时间容积曲线图和F-T时间流量曲线图；

图 10 实施例2中对照组的V-T时间容积曲线图和F-T时间流量曲线图；

图 11实施例2中实验组的V-T时间容积曲线图和F-T时间流量曲线图。

具体实施方式

手持式肺功能仪包括压差流量计、微处理器和传感器手柄，在传感器手柄中安装有三轴加速度传感器。压差流量计包括流量变送器和压差传感器。流量变送器可选自节流管、孔板、筛网等，其实现气体流速与压差的一次变换，根据流经该变送器的气流速度大小不同，变送器两端产生相应的压力差，即与流量有一定关系的压差信号。压差传感器再将压差信号转换成电信号，并转换成数字信号。微处理器计算显示各种肺功能参数和曲线。

所述的三轴加速度传感器用来检测传感器手柄的晃动和方向倾角，从而对零点检测和呼气检测过程的传感器手柄状态进行判断，如果传感器手柄方向不正确或有抖动，则停止检测并提示保持正确方向，尽量静止不动，直到方向正确并静止时才能进行检测。这样可以有效避免操作上的错误引起无效检测，大大提高了检测效率。

如图1所示的三轴加速度传感器，当三轴加速度传感器处于移动状态时，相应x，y，z三轴方向会有加速度值变化；当三轴加速度传感器处于静止状态时，其上施加的只有重力，三个轴的加速度输出为重力加速度分别在三个轴向的分量。三轴加速度传感器在传感器手柄上位置固定，当手柄处于某个方向静止时，三个轴的加速度输出即为该方向重力加速度分别在三个轴向的分量，当手柄方向改变时，重力加速度在三个轴向的分量也会有改变，因此可以判断手柄的方向位置及手柄的晃动情况。

手柄的抖动检测特征值为相邻时刻加速度差绝对值，代表相邻时刻加速度的变化速率。获取当前时刻的加速度值与上一时刻的加速度值差值的绝对值，如果在预设的连续次数内大于抖动阈值时，则判定手柄有抖动；如果小于抖动阈值时，则判定手柄静止。更为具体的实例中，取xyz三个方向的加速度值，比较相邻时刻这三个方向加速度值的变化量，如果一个或多个方向的加速度差值超过阈值，说明手柄有抖动。

手柄方向位置检测特征值为三轴加速度分量值，代表三轴方向与重力方向的夹角大小，夹角越小，输出加速度分量越大。手柄处于不同方向的时候，重力在xyz三个方向的分量不一样。获取当前三轴加速度分量值，如果任意一个分量值在预设的连续次数内大于或小于方向阈值范围时，则判定手柄方向不正确；如果满足方向阈值范围，则判定手柄方向正确。

所述的预设连续次数可以是若干次，例如连续十次，也可以其他次数。

在如图2和3所示的设计方案中，三轴加速度传感器1和压差传感器2固定在主控板3上，并分别与微处理器电路91连接。所述主控板3安装在肺功能仪的传感器手柄内。节流管插接在连接座4上并通过导气管5与压差传感器连接，实现气体流速与压差的一次变换，根据流经节流管的气流速度大小不同，节流管两端产生相应的压力差，形成压差信号。压差传感器将与流量有一定关系的压差信号转换成电信号，经处理后转换成数字信号，并由微处理器计算显示各种肺功能数据。根据节流管的不同，压差传感器的个数不限。例如压差传感器可以是一个或如图2所示的两个。主控板上还安装有A/D转换电路92和信号调理电路93。

图4为传感器相关联的电路原理线框图，包括压差传感器、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器电路、三轴加速度传感器和电源管理电路。当开启电源开始肺功能检测时，被测试人向流量变送器内吹气，压差传感器测得的信号经过放大，数模转化后送至微处理器。同时三轴加速度传感器测得的信号传送至微处理器，用以给出传感器手柄晃动和方向倾角情况的数据参数。

结合图5所示的测试过程线框图，进一步说明利用三轴加速传感器判断传感器手柄方向位置和抖动情况的一种方法，包括以下步骤：（1）安装于传感器手柄中的三轴加速度传感器上电复位。（2）初始化三轴加速度值。（3）获取当前时刻的三轴加速度值。（4）计算三轴加速度值与上一相邻时刻加速度值差值的绝对值。（5）将所述的差值绝对值与预先设定的抖动阈值比较。若大于抖动阈值，则进一步判断在预设的连续次数内（例如连续十次），差值绝对值是否都大于抖动阈值，若不是，则再次回到步骤3，若是，则判断为手柄抖动。若小于抖动阈值，则判断手柄静止。（6）当判断出手柄静止时，计算加速度分量值，并将分量值与预先设定的角度阈值范围比较。若分量值没有超出预先设定的角度阈值，则判断手柄方向正确。若分量值超出角度阈值范围时，则进一步判断在预设的连续次数内（例如连续十次），分量值是否均超过角度阈值范围，若不是，再次回到步骤3，若是，则判断手柄方向不正确。

为了防止传感器手柄对于抖动和不正确的方向过于灵敏，在测试过程中增加了在预设的连续次数内，差值绝对值是否都大于抖动阈值或分量值是否均超过角度阈值范围的步骤。根据系统整体的情况，这是一个可选择的步骤。

带抖动和方向检测的肺功能参数测试系统，包括压差传感器、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器电路、三轴加速度传感器和电源管理电路。压差传感器输出压差信号通过信号调理电路、A/D转换电路转换成数字信号通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface, SPI)总线与微处理器电路连接，三轴加速度传感器输出xyz三轴加速度数字信号通过SPI总线与微处理器电路连接，电源管理电路分别与信号调理电路、A/D转换电路、微处理器电路、三轴加速度传感器连接。

如图2、3和6所示的带有传感器手柄的手持式肺功能仪，包括传感器手柄6、节流管7和主机8。传感器手柄6包括上盖61和下盖62，上盖和下盖相互扣合在一起形成一个内腔，装载有三轴加速度传感器1和压差传感器2 的主控板3安装在传感器手柄的内腔中。传感器手柄的顶端与节流管连接座4底部连接。在如图2和3所示实施例中，连接座4上设有与节流管的取压孔柱配合的孔柱插孔41，孔柱插孔上安装有导气管接口42。导气管的一端与导气管接口连接。另一端与压差传感器连接。使用时，节流管7安装在节流管连接座4上，并通过导气管与压差传感器连接，实现气体流速与压差的一次变换。主机8上安装有数据存储和输出系统，例如存储器、显示屏81、音频设备等。传感器手柄通过数据传输系统将检测数据传输至主机上，数据传输系统可选自数据线、蓝牙传输等方式。

节流管上设有三个取压孔柱，分别是低压取压孔柱、第一高压取压孔柱和第二高压取压孔柱的手持式肺功能仪，其连接座也相应的设有三个孔柱插孔。主控板上布置着第一压差传感器、第二压差传感器和三轴加速度传感器。节流管插入节流管连接座后，第一高压取压孔柱通过导气管5与第一压差传感器的正压端连接，第二高压取压孔柱通过导气管5与第二压差传感器的正压端连接，两个压差传感器的低压端通过三通管43分别与低压取压孔柱连接。

如图7所示的带有传感器手柄的另一种手持式肺功能仪，包括带有显示屏81的传感器手柄6和节流管7。装载有三轴加速度传感器和压差传感器的主控板安装传感器手柄内，传感器手柄内还包括微处理器。节流管7安装在传感器手柄上，并通过导气管与压差传感器连接。节流管采用仅包括一个高压取压孔柱和一个低压取压孔柱，连接座的孔柱插孔也随之相应的设有两个孔柱插孔。

利用本发明所述带有三轴加速度传感器的肺功能仪测定肺功能参数的方法，包括以下步骤：

（1）提供一种手持式肺功能仪，所述肺功能仪包括压差流量计、微处理器和三轴加速度传感器，压差流量计包括流量变送器和压差传感器，三轴加速度传感器和压差传感器安装于传感器手柄中。

（2）被测试者对着流量变送器（例如节流管）呼气。

（3）利用三轴加速度传感器及前述方法判断传感器手柄的方向位置和抖动情况，若判断传感器手柄处于抖动状态和/或手柄方向不在测试位置，则给出信号提示，或直接停止检测（例如停止检测并提示保持正确方向，尽量静止不动）；若判断手柄位于正确的检测位置和状态，则检测继续。

（4）当判断手柄位于正确的检测位置且不抖动时，压差传感器将与流量有一定关系的压差信号转换成电信号，经处理后转换成数字信号，最后由微处理器计算显示各种肺功能参数和曲线。

实施例1

采用本发明所述开启三轴加速度传感器的手持式肺功能仪（实验组）和关闭三轴加速度传感器的肺功能仪（对照组）检测被测试者的用力肺活量（forced vital capacity,FVC）。实验组和对照组的肺功能仪除了三轴加速度传感器开启/关闭之外，其他相同。设计实验过程为在结束前传感器手柄有抖动，并且实验设计的实际FVC值为1.74L。

实验结果如图8和9所示，由于传感器手柄抖动，导致压差传感器零点输出波动。对照组测得的FVC值为1.80L，相比于实际的FVC检测结果偏大。实验组测得的FVC值1.74L，与实际的FVC一致。实验结果表明，由于对照组没有开启加速度传感器，无法对手柄抖动情况做出判断，导致对照组FVC检测偏大，给出错误结果。而实验组中开启了三轴加速度传感器检测手柄抖动情况的步骤，有效判断出手柄抖动的情况，避免错误检测，给出准确结果。

实施例2

采用本发明所述开启三轴加速度传感器的手持式肺功能仪（实验组）和关闭三轴加速度传感器的肺功能仪（对照组）检测被测试者的用力肺活量（FVC）。实验组和对照组的肺功能仪除了三轴加速度传感器开启/关闭之外，其他相同。设计实验过程为在结束前手柄方向改变，并且实验设计的实际FVC值为3.19L。

实验结果如图10和11所示，由于手柄方向改变，导致压差传感器零点输出变大。对照组测得的FVC值3.65L，相比于实际的FVC检测结果偏大。实验组测得的FVC值为3.19L，与实际的FVC一致。实验结果表明，由于对照组没有开启三轴加速度传感器，无法对手柄方向改变情况做出判断，导致对照组FVC检测偏大，给出的结果错误。而实验组中增加了开启三轴加速度传感器检测手柄方向改变情况的步骤，有效判断出手柄方向发生改变，避免错误检测，给出的准确结果。

Claims (10)

1.一种用于肺功能仪的传感器手柄，包括压差传感器和主控板，其特征在于，还包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器和压差传感器安装在主控板上，并分别与微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的传感器手柄，其特征在于，传感器手柄包括上盖和下盖，上盖和下盖相互组装在一起形成一个内腔，所述装载有三轴加速度传感器和压差传感器的主控板安装在内腔中。

3.根据权利要求1所述的传感器手柄，其特征在于，主控板上还设有信号调理电路和A/D转换电路。

4.一种肺功能仪，包括流量变送器、压差传感器、微处理器和传感器手柄，其特征在于，还包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器安装在手柄上。

5.根据权利要求4所述的肺功能仪，其特征在于，三轴加速度传感器和压差传感器安装在主控板上，并分别与微处理器连接，所述主控板安装在传感器手柄中。

6.一种检测传感器手柄的方向和抖动情况的方法，包括在传感器手柄上安装三轴加速度传感器，利用三轴加速度传感器进行手柄的抖动检测和/或手柄方向位置检测，所述手柄的抖动检测的特征值为相邻时刻加速度差绝对值，其判断方法是获取当前时刻的加速度值与上一时刻的加速度值差值的绝对值，如果在预设的连续次数中所述绝对值大于抖动阈值，则判定手柄有抖动；如果所述绝对值小于抖动阈值，则判定手柄静止；所述手柄方向位置检测的特征值为三轴加速度分量值，其判断方法是获取当前三轴加速度分量值，如果任意一个分量值在预设的连续次数中超出预设阈值范围，则判定手柄方向不正确；如果未超出预设阈值范围，则判定手柄方向正确。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在预设的连续次数为10次。

8.一种测定肺功能参数的方法，包括以下步骤：

提供一种带有传感器手柄的手持式肺功能仪，所述肺功能仪包括压差流量计、微处理器、主控板、三轴加速度传感器和传感器手柄，压差流量计包括流量变送器和压差传感器，三轴加速度传感器和压差传感器安装在主控板上，并分别与微处理器连接，所述安装有三轴加速度传感器和压差传感器的主控板安装于传感器手柄中；

被测试者对着流量变送器呼气；

利用三轴加速度传感器检测传感器手柄的方向和抖动情况，若判断传感器手柄处于抖动状态和/或手柄方向不在测试位置，则给出信号提示或直接停止检测；若判断手柄位于正确的检测位置和状态，则检测继续；

当判断手柄位于正确的检测位置和状态时，压差传感器将与流量有一定关系的压差信号转换成电信号，经处理后转换成数字信号，最后由微处理器计算显示各种肺功能参数和曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用三轴加速度传感器进行手柄的抖动检测和/或手柄方向位置检测，所述手柄的抖动检测的特征值为相邻时刻加速度差绝对值，其判断方法是获取当前时刻的加速度值与上一时刻的加速度值差值的绝对值，如果在预设的连续次数中所述绝对值大于抖动阈值，则判定手柄有抖动；如果所述绝对值小于抖动阈值，则判定手柄静止；所述手柄方向位置检测的特征值为三轴加速度分量值，其判断方法是获取当前三轴加速度分量值，如果任意一个分量值在预设的连续次数中超出预设阈值范围，则判定手柄方向不正确；如果未超出预设阈值范围，则判定手柄方向正确。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，主控板上还设有信号调理电路和A/D转换电路，压差传感器输出压差信号通过信号调理电路、A/D转换电路转换成数字信号，通过串行外设接口总线与微处理器电路连接，三轴加速度传感器输出xyz三轴加速度数字信号通过串行外设接口总线与微处理器电路连。