CN112022160A - 一种自驱动式肺功能检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自驱动式肺功能检测装置，包括用于响应呼吸并发送电信号的自驱动传感器、用于放大原始电信号的电流放大模块、用于接收并处理电信号的控制模块以及用于将处理的电信号进行反馈的显示模块；所述的自驱动传感器通过导线与电流放大模块信号连接，电流放大模块的输出端与控制模块的输入端信号连接，控制模块的输出端与显示模块的输入端信号连接。本发明采用自驱动传感器对流量和流速进行传感，传感器部分无须外界持续供电，整体装置便携化程度高，简便通过人体呼气过程对肺部功能进行反馈；装置制造工艺简单，使用材料成本低，可以同时精确地反映流速与流量。

Description

一种自驱动式肺功能检测装置

技术领域

本发明涉及肺功能检测装置，尤其涉及一种利用自驱动传感器的肺功能检测装置。

背景技术

近年来，慢性阻塞性肺疾病(COPD)已成为危害健康的最重要因素之一，对于COPD的检测也愈发受到关注，但现有的检测设备存在尺寸大，维护成本高，测试时间长的缺点，难以满足大众的需求。因此，需要一种便携式、自驱动的肺功能检测装置，以将人体呼吸产生的气流转换成可以直观反映的电信号。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种利用自驱动传感器对呼吸气流精确传感的肺功能检测装置。

技术方案：本发明的自驱动式肺功能检测装置，包括用于响应呼吸并发送电信号的自驱动传感器、用于放大原始电信号的电流放大模块、用于接收并处理电信号的控制模块以及用于将处理的电信号进行反馈的显示模块；所述的自驱动传感器通过导线与电流放大模块信号连接，所述的电流放大模块的输出端与控制模块的输入端信号连接，所述的控制模块的输出端与显示模块的输入端信号连接。

进一步地，为了从周围环境中获取能量实现稳定的自驱动，采用的自驱动传感器包括支撑框架、设于支撑框架内的两个导电板以及设于两个导电板之间的薄膜；所述两个导电板的一端与支撑框架的顶面固定连接，另一端向支撑框架的底面延伸，两个导电板之间互成角度；所述薄膜的一端与支撑框架的顶面固定连接，另一端垂直向下设置；所述薄膜在气体作用下与两侧的导电板接触或分离。所述两个导电板相对于薄膜的侧面边缘设有楔形的倒角，倒角可以设置单面或者双面，分别对应单向的气流或双相的气流，倒角相对设置形成用于气体穿过的导风口，当存在气流时，气流进入支撑框架内，并通过两个导电板之间形成的导风口经过薄膜。所述两个导电板之间互成的角度为5～20°，优选为15°，互成角度的设置有利于提高薄膜与导电板的接触面积，进而可以增强信号输出，使得信号在不同的湿度、温度等环境下保持稳定性；导电板的长度与薄膜的长度相近，当气流经过薄膜时，薄膜的末端左右交替产生涡流，涡流在薄膜两侧产生交替的低压区，驱动薄膜周期性地颤动，此时薄膜可以自由摆动并与两侧导电板碰撞、分离。

进一步地，薄膜采用与导电板电亲和能力差异较大的聚合物材料，优选为FEP薄膜、PTFE薄膜或PFA薄膜，FEP薄膜、PTFE薄膜或PFA薄膜的吸引电子能力较强，与导电板接触时会发生明显的表面电荷转移，为了进一步增强信号输出，在薄膜表面还喷涂有用于增加接触面积的纳米材颗粒、纳米线、纳米柱或纳米三角形等结构，优选为聚四氟乙烯纳米级颗粒；所述的导电板可以为铝板、铁板、铜板或银板等导电材料。

采用的控制模块可以是Arduino芯片、Raspberry Pi或51单片机等微控制器，其工作原理为首先通过电流放大模块进行信号放大后，电流信号幅度显著增加，通过控制模块内嵌的ADC模数转换芯片，将采集到的模拟信号转换成数字信号。紧接着对采集的信号进行逻辑行为的判断，认定信号发生的频率。控制模块的处理中，通过ADC模数转换部分，可以将模拟信号转换成可以被逻辑处理的数字信号；然后通过逻辑判定，将数字信号转换成频率信号。

本发明的自驱动肺功能检测装置，利用自驱动式流速流量传感器实现了将呼吸气体转化成可以处理的电信号，自驱动式流速流量传感器基于摩擦电效应，使薄膜的两面都带负电，导电板的表面带正电，当薄膜与导电板接触后，接触的导电板的电位由于静电效应而低于不接触的导电板，此时两个导电板之间产生电位差，随着薄膜不断的周期性颤动，这种周期性的颤动频率可以转化为特定频率的电信号进行输出；将呼吸信号转换为电信号后，通过电流电流放大模块进行信号放大，并通过控制模块进行噪声过滤、频率提取，将传感器输出的频率信号转换为流速、流量的数据，最后通过显示模块实现肺部功能的数据反馈。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明采用自驱动传感器对流量和流速进行传感，传感器部分无须外界持续供电，整体装置便携化程度高，简便地通过人体呼气过程对肺部功能进行反馈；自驱动传感器内部的导电板之间互成角度，增大了薄膜与导电板的接触面积，提高了在不同湿度环境下信号传感的稳定性，传感器的整体抗噪性能强，造工艺简单，使用材料成本低，可以同时精确地反映流速与流量。

附图说明

图1为本发明所述自驱动肺功能检测装置的控制流程图；

图2为本发明测试过程示意图；

图3为本发明所述自驱动传感器的结构示意图；

图4为本发明导电板相对设置的俯视图；

图5为不同湿度条件下传感器信号输出示意图；

图6为发明自驱动传感器的信号频率与气流速度关系图；

图7为本发明检测装置测试结果图；

图8为商用检测装置测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和图2的自驱动式肺功能检测装置，包括用于响应呼吸并发送电信号的自驱动传感器10、用于放大原始电信号的电流放大模块20、用于接收并处理电信号的控制模块30以及用于将处理的电信号进行反馈的显示模块40；自驱动传感器10外部设置有输送呼吸气体的管道50，自驱动传感器10正对管道50的进气口，便于呼出的气体直接作用在传感器上；自驱动传感器10通过导线与电流放大模块20信号连接，电流放大模块20采用Stanford Research System，SR 570型号，电流放大模块20的输出端与控制模块30的输入端信号连接，控制模块30采用Raspberry Pi，控制模块30的输出端与显示模块40的输入端信号连接，显示模块40采用AOC 12490PXH5型号的显示器。

参加图3，自驱动传感器10的整体长度为13mm，宽度为8mm，高度为24mm，包括由亚克力板围成的中空结构的支撑框架1，支撑框架1整体透明，前后不密封，用于气体通过；支撑框架1内设置有互成15°的两个导电板3，导电板3采用铝板，导电板3的一端与支撑框架1的顶面固定连接，另一端向支撑框架1的底面延伸；两个导电板3之间设置有薄膜2，具体采用PTFE薄膜，薄膜2表面喷涂有用于增强信号输出的聚四氟乙烯纳米级颗粒，薄膜2的单端固定，与支撑框架1的顶面固定连接，另一端垂直向下设置，导电板3向下延伸的长度长于薄膜2的长度，保证了薄膜2与导电板3的最大程度的接触。参见图4，导电板3相对于薄膜2的侧面边缘设有楔形的倒角31，两个导电板的倒角31相对设置形成用于气体穿过的导风口32，当气流经过支撑框架1时，由导风口32将气流引入，气流经过薄膜2时，在薄膜2的末端左右产生交替的涡流，涡流在薄膜两侧产生交替的低压区，驱动薄膜2在导电板3之间周期性的颤动，与两侧的导电板3不断的接触或分离。

参见图6，将经过PTFE薄膜的振动频率作为主要传输信号，在经过一系列测试后，信号频率与气流速度表现出良好的线性关系，随着气体流速的增大，电流产生频率也逐步增大，且驱动薄膜颤动的速度保证在3m/s以上，保证了信号的精度，由于频率信号与气流速度呈现严格的线性关系，所以控制模块30可以进一步将频率信号转换为气流速度；同时，由于流量信号是气流速度对时间的积分，可以将气流速度进一步转换为流量信号。考虑到人体呼出的空气中含有大量水分，将传感器置于不同湿度条件下进行信号检测，参见图5，与通常情况下摩擦纳米发电机以信号幅度作为信号输出相比，本传感器中传感器部分使用信号频率作为信号输出，在外界湿度大范围变化的情况下，信号频率始终保持在361Hz左右，表明了该流速流量传感器的对不同湿度条件下的信号传感依然有着良好的稳定性。

当用户开始使用该装置进行检测时，用力呼气到包含传感器的管道中，驱动传感器中的PTFE薄膜不停振动，与传感器两侧铝板碰撞、分离。在不同速度气流下，传感器会相应产生不同频率的电信号，之后电信号通过电流电流放大模块进行信号放大，并通过控制模块进行噪声过滤、频率提取，将传感器输出的频率信号转换为流速、流量的数据，最后通过显示模块实现肺部功能的数据反馈。参见图7和图8分别为自驱动肺功能检测装置效果图与商用检测装置测试数据图，测试的数据结果见下表1。

表1测试结果与商用肺功能检测装置对比

其中，FVC表示用力呼气肺活量，FEV1表示最大呼气第一秒呼出的气量的容积，测试结果中可以看到，本发明的自驱动肺功能检测装置的FEV1为2.38L，FEV1/FVC比率为79.9％。根据上述结果和其他信息(例如年龄，性别，身高和体重)，可以对肺功能有初步判断。特别是对于COPD判断而言，FEV1/FVC是否小于70％是至关重要的评估指标。FEV1/FVC的误差极限值(％Err)为2.4％，造成的原因可能在于具有不同感应原理的肺功能检测装置的灵敏度不同；而且同一位测试人员在不同次的测试中呼气程度无法做到完全统一。但这种误差是在可接受的范围内，证明了本装置的可靠性，准确性和可行性。

Claims (7)

1.一种自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：包括用于响应呼吸并发送电信号的自驱动传感器(10)、用于放大原始电信号的电流放大模块(20)、用于接收并处理电信号的控制模块(30)以及用于将处理的电信号进行反馈的显示模块(40)；所述的自驱动传感器(10)通过导线与电流放大模块(20)信号连接，所述的电流放大模块(20)的输出端与控制模块(30)的输入端信号连接，所述的控制模块(30)的输出端与显示模块(40)的输入端信号连接。

2.根据权利要求1所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述的自驱动传感器(10)包括支撑框架(1)、设于支撑框架(1)内的两个导电板(3)以及设于两个导电板(3)之间的薄膜(2)；所述两个导电板(3)的一端与支撑框架(1)的顶面固定连接，另一端向支撑框架(1)的底面延伸，两个导电板(3)之间互成角度；所述薄膜(2)的一端与支撑框架(1)的顶面固定连接，另一端垂直向下设置；所述薄膜(2)在气体作用下与两侧的导电板(3)接触或分离。

3.根据权利要求2所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述两个导电板(3)相对于薄膜(2)的侧面边缘设有楔形的倒角(31)，所述倒角(31)相对设置形成用于气体穿过的导风口(32)。

4.根据权利要求2或3所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述两个导电板(3)之间互成的角度为5~40°。

5.根据权利要求2所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述薄膜(2)采用FEP薄膜、PTFE薄膜或PFA薄膜。

6.根据权利要求2所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述导电板(3)为铝板、铁板、铜板或银板。

7.根据权利要求1或2所述的自驱动式肺功能检测装置，其特征在于：所述自驱动传感器(10)外设置有用于输送呼吸气体的管道(50)，所述自驱动传感器(10)正对管道(50)的进气口。

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