CN112617803A - 一种无线肺功能检测系统及方法 - Google Patents

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谢燕楠
徐庆昊
胡宁
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Abstract

本发明公开了一种无线肺功能检测系统及方法，包括信号依次连接的用于采集气流并输出交变信号的自驱动传感器、用于将交变信号转化为正向直流信号的整流桥、用于匹配微控芯片阻抗的电阻、用于处理信号的微控单元、用于无线信号发射的无线传输模块以及信号接收的移动终端。本发明采用自驱动传感器对流量和流速进行传感，简便地通过人体呼气过程实现对肺部功能的实时监测；满足摩擦纳米发电机器件的阻抗与微控制器芯片匹配连接，且利用信号频率，即信号的有或无对信号做进一步分析处理，精准地实现对流速与流量的测量，本系统结构简单稳定，具备广泛的实用性。

Description

一种无线肺功能检测系统及方法
技术领域
本发明涉及肺功能检测系统，尤其涉及一种无线肺功能检测系统及方法。
背景技术
摩擦纳米发电机技术(Triboelectric nanogenerator,TENG)在自驱动系统和无线传感器网络中显示了巨大的潜力和实用价值。基于TENG技术的自驱动的无线肺功能检测系统能够很好地解决硬件端的功耗问题，实现肺功能检测系统硬件端的便携化、小型化。同时，通过TENG技术和低功耗蓝牙模块(Bluetooth low energy，BLE)的结合,实现了对使用者肺部功能健康的实时监测，使得用户可以通过移动终端实现对使用者肺部功能健康的随时监测，为大数据健康管理和智慧医疗提供一种技术方案。
如专利申请文件202010836770.5公开了一种自驱动式肺功能检测装置，在该专利申请文件中该专利仅包含传感器部分，产生信号之后通过导线连接电脑等固定设备进行进一步数据分析，无法实现无线透传。现有技术仅仅能够精确传感肺部气流信号，信号传感与分析严重受制于固定端设备，使用者无法通过移动设备进行实时监测，难以接入当今的大数据健康管理和智慧医疗。另外，由于传统摩擦纳米发电机器件的高匹配阻抗，难以匹配常用的微控制芯片并进行信号的处理。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机技术的无线肺功能检测系统及方法，实现肺功能检测系统硬件端的便携化，克服摩擦纳米发电机器件的高匹配阻抗难以与微控芯片匹配及信号处理的问题。
技术方案：本发明的无线肺功能检测系统，包括信号依次连接的用于采集气流并输出交变信号的自驱动传感器、用于将交变信号转化为正向直流信号的整流桥、用于匹配微控芯片阻抗的电阻、用于处理信号的微控单元、用于无线信号发射的无线传输模块以及信号接收的移动终端。
进一步地，电阻为100k欧到10M欧，正向直流信号经过所述整流桥输出端并联的电阻用于微控芯片的阻抗匹配。
微控单元具备模数转换功能将模拟信号转化为数字信号用于数据处理。
优选地，无线传输模块采用低功耗蓝牙模块。正向信号通过100k欧到10M欧的电阻进行分压后，得到可以被微芯片识别的数据后，通过特定的程序，针对电信号的频率和幅值进行分析处理，得出使用者需要的数据字段，并通过蓝牙芯片对数据字段进行无线传输。
移动终端用于接收信号并做分析处理，输出分析报告。蓝牙模块对得到的数据字段进行发送，使用者可以使用手机等移动终端进行数据接收，并通过终端程序对数据进行最后分析，得到可以被阅读的报告。
一种根据上述的无线肺功能检测方法，具体包括如下步骤：
(1)当数据被微控芯片接受后，顺序读取数据，进入“寻找状态”；
(2)定义两个阈值用于识别有效峰值，以此定义信号的有无，分别为高值A和低值B；初始状态被定义为“寻找状态”，丢弃所有数据；
(3)当数据逐渐增加到高于A时，数据将被记录而非丢弃，记为“记录状态”；当数值逐渐降低到低于B时，“记录状态”结束，一个循环周期完成；
(4)在一个循环周期，比较“记录状态”下记录的所有时间t和电流I数据，得到电流幅值最大值点，定义此时刻为这一个循环内的电流峰值点；数据处理完成后，所有的电流峰值点都被寻找到。
(5)当数据不再剩余，测量结束；假设共有M个峰值，将峰值分成N个部分，对M/N取整，则每一部分都包含M/N个峰值；每一部分中，将第M/N个峰值的时间减去第一个峰值的时间，即为一个时间间隔Tinterval，以此得到此时间间隔内的频率f：
f＝(M/N)/Tinterval
根据St＝fl/v，将频率转换成流速，其中，St为斯特劳哈尔数，f为频率，l为薄膜长度，v为流速；
根据F＝S·v，将流速转换成流量，其中，F表示流量，S表示传感器横截面，所述传感器横截面为正对风向的传感器截面积；
根据积分公式L＝∫F·dt，得出流量数据，其中，L表示最大气量，t表示时间；
在实际应用中，通过传感器横截面、时间等参数，计算用力肺活量FVC，第1秒用力肺活量FEV1和1秒率FEV1/FVC有效信息，
其中，用力肺活量FVC表示尽力最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气量，即为L；
第1秒用力肺活量FEV1表示尽力最大吸气后，尽力尽快呼气第一秒呼出的气量的容积；
1秒率FEV1/FVC表示指临床上常以FEV1/FVC的比值做为判定参照参数。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明系统硬件利用无效传输实现便携易带的功能，简便地通过人体呼气过程实现对肺部功能的实时监测；整流桥输出的正向信号通过外接电阻分压后，使得摩擦纳米发电机器件的阻抗与微控制器芯片匹配连接，且利用信号频率，即信号的有或无对信号做进一步分析，精准地实现对流速与流量的测量。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2为本发明的自驱动传感器传递出的初始信号示意图；
图3为本发明的初始信号经过整流桥得到的正向信号示意图；
图4为本发明的无线肺功能检测方法；
图5为本发明的峰值检测示意图。
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。
如图1所示，无线肺功能检测系统包括信号依次连接的用于采集气流并输出交变信号的自驱动传感器、用于将交变信号转化为正向直流信号的整流桥、用于匹配微控芯片阻抗的电阻、用于处理信号的微控单元、用于无线信号发射的无线传输模块以及信号接收的移动终端。
首先，使用者用力呼气，气流被呼入测试管道内并经过聚合物薄膜时，在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。在不同风速情况下，产生了一组包含不同讯息的交变信号，如图2所示。
交变信号两端接入整流桥后，负向信号转化为正向信号的的直流信号，即仅存在正向输出的信号，其中，整流桥可采用DB207S全波整流器，如图3所示。
正向信号通过外接并联100k欧到10M欧的电阻分压后，使得阻抗与连接的微控芯片匹配，其中，微控芯片可采用ATmega 328芯片，ATmega 328芯片外接必要的最小电路，并对数据进行进一步提取，得到传感的信息。
ATmega 328得到的数据通过I/O口连接至蓝牙芯片BLE的输入端，其中，蓝牙芯片BLE可采用HC-05芯片，将数据传输到移动终端，如智能手机。
移动终端对数据进行分析处理，得到最后的分析报告。
其中，正向信号通过连接电阻进行分压后，得到可以被微控制器识别的数据后，通过特定的程序，针对电信号的频率和幅值进行分析处理，得到出使用者需要的数据字段，如图4所示，关于程序执行的步骤具体如下：
(1)当数据被微控芯片接受后，顺序读取数据，进入“寻找状态”；
(2)定义两个阈值用于识别有效峰值，以此定义信号的有无，分别为高值A和低值B；初始状态被定义为“寻找状态”，丢弃所有数据；
(3)当数据逐渐增加到高于A时，数据将被记录而非丢弃，记为“记录状态”；当数值逐渐降低到低于B时，“记录状态”结束，一个循环周期完成；
(4)在一个循环周期，比较“记录状态”下记录的所有时间t和电流I数据，得到电流幅值最大值点，定义此时刻为这一个循环内的电流峰值点；数据处理完成后，所有的电流峰值点都被寻找到；
(5)当数据不再剩余，测量结束；假设共有M个峰值，将峰值分成N个部分，对M/N取整，则每一部分都包含M/N个峰值；每一部分中，将第M/N个峰值的时间减去第一个峰值的时间，即为一个时间间隔Tinterval，以此得到此时间间隔内的频率f：
f＝(M/N)/Tinterval
根据St＝fl/v，将频率转换成流速，其中，St为斯特劳哈尔数，f为频率，l为薄膜长度，v为流速；
根据F＝S·v，将流速转换成流量，其中，F表示流量，S表示传感器横截面，所述传感器横截面为正对风向的传感器截面积；
根据积分公式L＝∫F·dt，得出流量数据，其中，L表示最大气量，t表示时间；
在实际测量中，通过传感器横截面、时间等参数，计算用力肺活量FVC，第1秒用力肺活量FEV1和1秒率FEV1/FVC有效信息，
其中，用力肺活量FVC表示尽力最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气量，即为L；
第1秒用力肺活量FEV1表示尽力最大吸气后，尽力尽快呼气第一秒呼出的气量的容积；
1秒率FEV1/FVC表示指临床上常以FEV1/FVC的比值做为判定参照参数。

Claims (6)

1.一种无线肺功能检测系统，其特征在于，包括信号依次连接的用于采集气流并输出交变信号的自驱动传感器、用于将交变信号转化为正向直流信号的整流桥、用于匹配微控芯片阻抗的电阻、用于处理信号的微控单元、用于无线信号发射的无线传输模块以及信号接收的移动终端。
2.根据权利要求1所述的无线肺功能检测系统，其特征在于，所述电阻为100k欧到10M欧，所述正向直流信号经过所述整流桥输出端并联的电阻用于微控芯片的阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的无线肺功能检测系统，其特征在于，所述微控单元具备模数转换功能将模拟信号转化为数字信号用于数据处理。
4.根据权利要求1所述的无线肺功能检测系统，其特征在于，所述无线传输模块采用低功耗蓝牙模块。
5.根据权利要求1所述的无线肺功能检测系统，其特征在于，所述移动终端用于接收信号并做分析处理，输出分析报告。
6.一种根据权利要求1所述的无线肺功能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)当数据被微控芯片接受后，顺序读取数据，进入“寻找状态”；
(2)定义两个阈值用于识别有效峰值，以此定义信号的有无，分别为高值A和低值B；初始状态被定义为“寻找状态”，丢弃所有数据；
(3)当数据逐渐增加到高于A时，数据将被记录而非丢弃，记为“记录状态”；当数值逐渐降低到低于B时，“记录状态”结束，一个循环周期完成；
(4)在一个循环周期，比较“记录状态”下记录的所有时间t和电流I数据，得到电流幅值最大值点，定义此时刻为这一个循环内的电流峰值点；数据处理完成后，所有的电流峰值点都被寻找到；
(5)当数据不再剩余，测量结束；假设共有M个峰值，将峰值分成N个部分，对M/N取整，则每一部分都包含M/N个峰值；每一部分中，将第M/N个峰值的时间减去第一个峰值的时间，即为一个时间间隔Tinterval，以此得到此时间间隔内的频率f：
f＝(M/N)/Tinterval
根据St＝fl/v，将频率转换成流速，其中，St为斯特劳哈尔数，f为频率，l为薄膜长度，v为流速；
根据F＝S·v，将流速转换成流量，其中，F表示流量，S表示传感器横截面，所述传感器横截面为正对风向的传感器截面积；
根据积分公式L＝∫F·dt，得出流量数据，其中，L表示最大气量，t表示时间。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103550864A (zh) * 2013-10-29 2014-02-05 国家纳米科学中心 一种混合驱动的起搏器和混合驱动起搏器电极的方法
CN205359478U (zh) * 2016-01-24 2016-07-06 北京聚陆医疗管理咨询有限公司 便携式智能肺功能仪
CN206964630U (zh) * 2017-02-14 2018-02-06 苏州百慧华业精密仪器有限公司 一种便携式肺功能仪
CN108577846A (zh) * 2018-06-05 2018-09-28 忠信制模(东莞)有限公司 一种无线手持式肺功能智能测定诊断仪
CN108888272A (zh) * 2018-05-22 2018-11-27 广东工业大学 一种自主肺功能测量仪及肺功能测量方法
CN109164140A (zh) * 2018-08-30 2019-01-08 电子科技大学 一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法
CN110474545A (zh) * 2018-05-10 2019-11-19 西安交通大学 摩擦纳米发电机的直流输出控制系统和交流输出控制系统
CN111166304A (zh) * 2019-12-31 2020-05-19 青岛理工大学 医养健康柔性传感器检测系统
CN112022160A (zh) * 2020-08-19 2020-12-04 南京邮电大学 一种自驱动式肺功能检测装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103550864A (zh) * 2013-10-29 2014-02-05 国家纳米科学中心 一种混合驱动的起搏器和混合驱动起搏器电极的方法
CN205359478U (zh) * 2016-01-24 2016-07-06 北京聚陆医疗管理咨询有限公司 便携式智能肺功能仪
CN206964630U (zh) * 2017-02-14 2018-02-06 苏州百慧华业精密仪器有限公司 一种便携式肺功能仪
CN110474545A (zh) * 2018-05-10 2019-11-19 西安交通大学 摩擦纳米发电机的直流输出控制系统和交流输出控制系统
CN108888272A (zh) * 2018-05-22 2018-11-27 广东工业大学 一种自主肺功能测量仪及肺功能测量方法
CN108577846A (zh) * 2018-06-05 2018-09-28 忠信制模(东莞)有限公司 一种无线手持式肺功能智能测定诊断仪
CN109164140A (zh) * 2018-08-30 2019-01-08 电子科技大学 一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法
CN111166304A (zh) * 2019-12-31 2020-05-19 青岛理工大学 医养健康柔性传感器检测系统
CN112022160A (zh) * 2020-08-19 2020-12-04 南京邮电大学 一种自驱动式肺功能检测装置

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