CN204445891U - 一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及医疗检测仪器，特别是指一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪及其测试方法。本实用新型采用如下技术方案：包括单片机、DAC模块单元、压力测量单元、流量测量单元、低通滤波器、ADC模块单元、单频模式单元、复频模式单元及无线传输单元；通过采用上述技术方案，增加了两组单频模式和复频模式进行测量，克服了现有的仪器中只有单一模式进行测量的方式，使该振荡肺阻抗测试仪的使用范围较广；且在仪器上连接了无线传输模块，可有效的将测试结果直接传输至医生的上位机上，便于医生查询，患者无需受到场地的限制，随时随地便可进行测量，大大减小了患者医疗和时间成本。

Description

一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪

技术领域

本实用新型涉及医疗检测仪器，特别是指一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪。

背景技术

振荡肺阻抗测试仪在家用和小型诊所中广泛的运用于测量肺阻抗值，而现有的振荡肺阻抗测试仪在测量这块只具有单纯的单频模式或者复频模式，不能全面使用，使该振荡肺阻抗测试仪的使用范围较狭窄；且现有的振荡肺阻抗测试仪无法实现将测量数据与医生实现传输，患者必须得到特定的场所才能测量，增加了患者医疗和时间成本。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有单频模式及复频模式、能将测量数据直接传送至医生的远程上位机上、减少患者医疗和时间成本的无线强迫振荡肺阻抗测试仪。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪，包括单片机、扬声器、管道、压力传感器、流量传感器、低通滤波器及无线传输单元，该单片机包括DAC产生单元、ADC模块转换单元、单频模式单元及复频模式单元，DAC产生单元的输出端与扬声器连接，扬声器连接于管道上，所述的压力传感器的输入端连接于管道上，流量传感器的输入端连接于管道上，压力传感器的输出端及流量传感器的输出端分别连接于低通滤波器的输入端，该低通滤波器的输出端与ADC模块转换单元连接，无线传输单元与单片机连接。

优选为，单频模式单元包括提取单元及运算单元，复频模式单元包括傅里叶变换单元、提取单元及运算单元。

优选为，所述的单片机还连接有液晶触摸显示屏。

通过采用上述技术方案，增加了两组单频模式和复频模式进行测量，克服了现有的仪器中只有单一模式进行测量的方式，使该振荡肺阻抗测试仪的使用范围较广；且在仪器上连接了无线传输模块，可有效的将测试结果直接传输至医生的上位机上，便于医生查询，患者无需受到场地的限制，随时随地便可进行测量，大大减小了患者医疗和时间成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施方式系统结构框图；

图2为本实用新型具体实施方式中电源电路

图3为本实用新型具体实施方式仪器系统模型图；

图4为本实用新型具体实施方式中振荡压力与振荡流量的因果关系图；

图5为本实用新型具体实施方式中有关移动平均滤波法用来滤除采集到的呼吸信号以提取出强迫振荡信号的流程图；

图6为本实用新型具体实施方式中有关本实用新型实施的将提取到的强迫振荡信号进行互相干法的流程图；

图7为本实用新型具体实施方式中有关本实用新型实施的将得到的频谱信号中过滤掉混入的呼吸高频信号的一个算法示意图；

图8为本实用新型具体实施方式中有关复频正弦信号由1-20Hz间隔为1Hz的正弦波组成示意图；

图9为本实用新型具体实施方式中有关单频正弦信号由5Hz正弦波示意图；

图10是表示由有关本实用新型的呼吸阻抗系统将数据上传到上位机后，复频下的参数显示界面其中包含频谱分析图及其参数；

图11是表示由有关本实用新型的呼吸阻抗系统将数据上传到上位机后，单频下的参数显示界面其中包含的Rrs-Time图；

图12是表示由有关本实用新型的呼吸阻抗系统将数据上传到上位机后，单频下的参数显示界面其中包含的Xrs-Time图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1—图12所示，本实用新型公开了无线强迫振荡肺阻抗测试仪，在本实用新型具体实施例中，包括单片机1、扬声器4、管道、压力传感器5、流量传感器6、低通滤波器10及无线传输单元16，该单片机1包括DAC产生单元2、ADC模块转换单元7、单频模式单元9及复频模式单元8，DAC产生单元2的输出端与扬声器4连接，扬声器4连接于管道上，所述的压力传感器5的输入端连接于管道上，流量传感器6的输入端连接于管道上，压力传感器5的输出端及流量传感器6的输出端分别连接于低通滤波器10的输入端，该低通滤波器10的输出端与ADC模块转换单元7连接，无线传输单元16与单片机1连接，该无线传输单元16可与上位机17实现无线传输。

在本实用新型具体实施例中单频模式单元9包括提取单元11及运算单元12，复频模式单元8包括傅里叶变换单元15、提取单元13及运算单元14。

在本实用新型具体实施例中所述的单片机1还连接有液晶触摸显示屏18。

单片机1，单片机的型号为STM32，以STM32单片机为主控芯片，控制呼吸流量信号的采集、处理、显示和无线传输；

DAC模块单元2，产生特定频率和振幅的振荡信号；

功率放大单元，振荡信号经功率放大电路3放大，激励扬声器4振动，扬声器振动推动气体运动产生振动压较大的振荡气流，进入受试者的口腔并叠加在呼吸气流之上；

压力测量单元5，测量经气道和肺组织吸收并折射的振荡压力，产生振荡压力模拟信号；

流量测量单元6，测量经气道和肺组织吸收并折射的振荡流量，产生振荡流量模拟信号；

低通滤波器10，将受到外界干扰的振荡压力信号及振荡流量信号过滤；

ADC模块转换单元7，将振荡压力模拟信号及振荡流量模拟信号转化成振荡压力数字信号及振荡流量数字信号；

经过上述步骤后，患者可选择性的选择单频模式单元或者复频模式单元进行测试；

单频模式单元9：在由上述DAC单元产生的频率为5Hz单频正弦振荡信号通过功率放大单元后驱动扬声器后，测量得到由上述压力检测单元和上述流量检测单元得到的信号，提取单元11，对该得到的信号在一个振荡周期内进行移动滤波运算，求出呼吸成分，并从通过原始信号减去呼吸成分提取出振荡波成分；运算单元12，将提取出的振荡波成分进行互相干法运算，采用下述公式进行计算

$A_t=\frac{2}{N}{\mathrm{\Σ}}_{t_1-\frac{2}{N}}^{t_1+\frac{2}{N}}P\left(t_1\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{t}_1}{N}\right),B_t=\frac{2}{N}{\mathrm{\Σ}}_{t_1-\frac{2}{N}}^{t_1+\frac{2}{N}}P\left(t_1\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}{t}_1}{N}\right)$

${\left|P\right|}_t=\sqrt{{A_t}^2+{B_t}^2},\mathrm{\θ}\left(P_t\right)=\arctan \left(\frac{B_t}{A_t}\right)$

由于呼吸系统在可被认为近似线性系统，系统的输入(振荡压力)与输出(振荡流量)具有的因果关系，故振荡流量的振幅|Q|_t和相位θ(Q_t)也可以参照上述公式计算出来。由公式

可计算出相应呼吸阻力和相位信息。

由极坐标公式可以得到：

求出Rrs,Xrs和Zrs(肺阻抗参数)随时间的变化，并求出其平均值得到肺阻抗参数。

计算方法如下：最优线性近似法

计算呼吸阻力要求压力和流量满足线性关系，但呼吸系统既不是一个线性系统，也不是一直处于稳定的状态，力学特征随疾病或人的正常功能状态、肺容积、气体流速及肌肉的的紧张程度等变量的变化而不同，因此测试时需要一个正确测量方法(放松，平静呼吸)以排除肌肉的紧绷造成的影响，使呼吸系统的工作点仅仅只受肺容积和气体流速的影响。因此最后呼吸阻力因由这两个参数来表达。如果将上述变量进行标化，利用最优线性近似的方法，仍可以近似地获得的呼吸系统的阻力。假定呼吸是一个线性的近似系统，肺部力学特征保持相对的稳定，系统的输入(振荡压力)与输出(振荡流量)具有的因果关系，如图4所示。假设输入的压力信号为正弦波

p_op(ft)＝|p|_f.op sin(2πft+∠p_f.op)

假设系统为线性的，则相应的输出流量信号也会是正弦的形式

q_op(ft)＝|q|_f.op sin(2πft+∠p_f.op))

两者的关系可利用传递函数表达为：

$Z_{f.\mathrm{op}}=\frac{p_{\mathrm{op}}\left(\mathrm{ft}\right)}{q_{\mathrm{op}}\left(\mathrm{ft}\right)}$

其中，f表示强迫振荡的频率，op表示工作点,t为时间，Z为呼吸系统总阻抗，p和q分别表示振荡压力和振荡流量，p(ft)和q(ft)则为振荡压力和振荡流量信号的函数，含有振幅和相位的信息。在数学中向量是由实部和虚部组成，在临床 上我们把|Z|定义为呼吸总阻抗，实部定义为呼吸阻抗Rrs，虚部定义为呼吸电抗Xrs。

Z＝Rrx+jXrs

根据Horowitz等给出的模型，呼吸系统可以认为由可控的低频气流源Qrs(t)和随时间变化的阻抗Zresp(t)组成，肺阻抗仪器可以认为由可控的高频压力源Pap(ft)、受试者与振荡源相连管路的呼吸阻抗Z1和受试者与外界相连的呼吸管路的阻抗Z2组成。其结构图如图3下所示：

说明：其中 $\begin{array}{cc}Q\left(t\right)=\frac{\mathrm{Zresp}\left(t\right)}{\mathrm{Zresp}\left(t\right)+Z1+Z2}\mathrm{Qrs}\left(t\right)& p(t,\mathrm{ft})=\frac{\mathrm{Zresp}\left(t\right)}{\mathrm{Zresp}\left(t\right)+Z1}{p}_{\mathrm{ap}}\left(\mathrm{ft}\right)\\ P\left(t\right)=(Z1+Z2)Q\left(t\right)& q(t,\mathrm{ft})=\frac{1}{\mathrm{Zresp}\left(t\right)+Z1}{p}_{\mathrm{ap}}\left(\mathrm{ft}\right)\end{array}$

虽然p(t,ft)和q(t,ft)都有受振荡源和呼吸系统的影响，但它们的相除后的值仅仅只受呼吸阻抗Zrs的影响。其中测得的压强和流量用P(t,ft)和Q(t,ft)表示，Q(t)表示由人产生的呼吸流量，而P(t)表示由Q(t)在Z1,Z2产生上的压降。

Q(t,ft)＝Q(t)+q(t,ft)

P(t,ft)＝P(t)+p(t,ft)

因此为了测量呼吸阻抗，需要把人为的呼吸信号分离出来。此时使用移动平均滤波法将呼吸信号数据和振荡信号数据分离开，并得到震荡信号。

用＜P(t",ft)＞代表一个周期的压强信号的平均值则

$<P(t^{\&prime;\&prime;},\mathrm{ft})>=\frac{1}{T}{\&Integral;}_{t^{\&prime;\&prime;}-\frac{T}{2}}^{t^{\&prime;\&prime;}+\frac{T}{2}}P(t,\mathrm{ft})\mathrm{dt}$

由于一个正弦波在周期内的积分为0，故＜P(t",ft)＞＝＜P(t")＞，那么强迫振荡信号t"时刻的估计值其他各以此类推，从而可以把自然呼吸和强迫振荡信号分离开来。由于单片机只能处理数字信号故需要把上述数学理论方法转换成单片机能够处理的方法。

移动平均滤波和互相干法

由于采集的原始数据中混入了人为的呼吸信号，为消除呼吸成分对呼吸阻抗计算的影响，需要将振荡压力和振荡流量成分从低通滤波后的原始信号中分 离出来，我们采用移动平均滤波技术，即对有限时间内的信号进行数据求和平均时间窗窗长为一个振荡周期所包含的采样点数，用原始的采样值与平均滤波后的采样值进行相减后得到新的数值，原理如图5所示。

互相干法是以离散序列的离散傅里叶级数为理论基础,以其基波分量的傅里叶级数近似代替基波与各次谐波和基波的傅里叶级数。其运用于呼吸系统的步骤如下:首先定义一个窗长为振荡周期的时间窗。本文使用100Hz的采样频率和5Hz的振荡频率，故一个振荡周期内有N＝20个采样点。在t1时刻一个时间窗定义为：

$A_t=\frac{2}{N}{\mathrm{\&Sigma;}}_{t_1-\frac{2}{N}}^{t_1+\frac{2}{N}}P\left(t_1\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{t}_1}{N}\right),B_t=\frac{2}{N}{\mathrm{\&Sigma;}}_{t_1-\frac{2}{N}}^{t_1+\frac{2}{N}}P\left(t_1\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{t}_1}{N}\right)$

故在t1时刻的振荡信号振幅和相位为：

${\left|P\right|}_t=\sqrt{{A_t}^2+{B_t}^2},\mathrm{\&theta;}\left(P_t\right)=\arctan \left(\frac{B_t}{A_t}\right)$

由于呼吸系统在可被认为近似线性系统，系统的输入(振荡压力)与输出(振荡流量)具有的因果关系，故振荡流量的振幅|Q|_t和相位θ(Q_t)也可以参照上述公式计算出来。由公式

可计算出相应呼吸阻力和相位信息。

由极坐标公式可以得到：

依照上述公式可计算出每个时刻的Rrs和Xrs，原理如图6所示。

复频算法

复频模式单元包括傅里叶变换单元15，在由上述DAC单元产生的频率为1-20Hz间隔为1Hz的复频正弦振荡信号通过功率放大单元后驱动扬声器后，测 量产生的加压状态下，得到由上述压力检测单元和上述流量检测单元得到的信号，并对该得到的信号进行快速傅里叶变换则会得到由各个频率量的实部和虚部组成的数组；提取单元13，对于该傅里叶变换单元的变换结果，从数组中按照其对应下标序列提取出各个频率量的实部和虚部,由于振荡成分中会混入一定的呼吸高频成分，为了避免呼吸高频成分的影响，这里采用近似替代法，即用要提取的频率量对应下标往左第二个频率点和往右第二个频率点的实部和虚部信号相加取平均再除以2来近似替代在该频率量的呼吸高频成分，用频谱中的该点实部和虚部减去该近似的呼吸高频成分，就可以取出振荡波成分；运算单元14，将振荡成分进行转化到功率谱，算出该点的G_PP(呼吸压力的自谱)和G_QP(呼吸压力与流量的互谱)，用G_PP除以G_QP,得到幅值Z，并由求得的对应相位角参数可以算出肺阻抗参数，以下为具体实施过程：

用STM32产生复频率信号推动扬声器，产生多频率复合的强迫振荡气压波，之后对测得的压力、流量信号通过傅里叶变换到频域上进行各种分析，诸如信号的幅值、相位和功率分析等。在复频算法分析中所使用到数学工具室快速傅里叶变换FFT。

一个时域变化的函数x(t)的傅里叶变化F(jw)为：

$F\left(\mathrm{jw}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}x\left(t\right)e^{-\mathrm{jwt}}\mathrm{dt}=R\left(w\right)+\mathrm{jX}\left(w\right),(w=2^{\mathrm{\&pi;f}})$

式中，x(t)为时域函数，F(jw)为频域函数，R(w)为傅里叶变化的实部，X(w)为傅里叶变化的虚部。

对于由输入压力P(t)和输出流速V(t)组成的简单系统，其传递函数H为：

对于确定性信号，即输入压力P(t)是随时间固定变化的信号，其机理的流量信号V(t)，则呼吸阻抗Zrs为：

$\mathrm{Zrs}=\frac{1}{H}=\frac{F_q}{F_P}=\frac{A_q+j{B}_p}{A_q+j{B}_q}$

对于随机信号，即输入电压信号P(t)为伪随机信号，这就涉及到同步与统计 等因素问题，因此利用上述方法计算Zrs并不可行，为此引入功率谱(power spectra),压力和流量信号的频谱实部分别为Ap(fk)，Aq(fk)，虚部分别为Bp(fk)，Bq(fk)。

G_PP＝(A_P+jB_P)(A_P-jB_P)＝A_P ²+B_P ²

G_QQ＝(A_Q+jB_Q)(A_Q-jB_Q)＝A_Q ²+B_Q ²

G_QP＝(A_QA_P+B_QB_P)+j(A_pB_Q-jB_pA_Q) 

式中：G_PP--呼吸压力的自谱；G_QQ--呼吸流量的自谱；G_QP--呼吸压力与流量的互谱；A—FFT后的实部；B—FFT后的虚部系数；使用功率谱后，阻抗的幅值和相位角由下式求出：

$Z\left(f_k\right)=\frac{G_{\mathrm{PP}}}{\left|G_{\mathrm{QP}}\right|}=\frac{{A_P}^2+{B_P}^2}{\sqrt{(A_Q{A}_P+B_Q{B}_P)+j(B_Q{A}_P-A_Q{B}_P)}}$

$\mathrm{\&theta;}\left(f_k\right)=-\arctan \left(\frac{(A_P{B}_Q-B_P{A}_Q)}{A_P{A}_Q+B_P{B}_Q}\right)$

通过这种方法计算Zrs的有点是：Zrs的计算不取决于输入压力P(t)的性质。由此可得到呼吸阻抗R(fk)和呼吸电抗X(fk)

R(f_k)＝|Z(f_k)|cosθ(f_k),X(f_k)＝|Z(f_k)|sinθ(f_k)

如图7所示，ADC以128Hz的采样频率采集流量和压力传感器的数据，并将其存放在数组中。等采集结束后对收集到的数据进行基4快速傅里叶变化，则会得到由各个频率量的实部和虚部组成的数组，并从数组中按照其对应下标序列提取出各个频率量的实部和虚部。由于振荡成分中会混入一定的呼吸高频成分，为了避免呼吸高频成分的影响，这里采用近似替代法，即用频率量的附近即往左和往右的第二位信号相加取平均后来近似替代在该频率量的呼吸高频成分。用频谱中的该点减去该呼吸高频成分，就可以取出振荡波成分。

将测得的振荡部分信号将其转化到功率谱上进行分析，可以得出对应频率点 的肺阻抗参数。

把频谱分析技术应用与生物系统时，由于测量呼吸系统压力和流量信号时存在自主呼吸源等无关的噪声干扰，因此还应当引入频域相关函数r²(Coherence function)还需进行相干函数的计算(r2)以验证装置的可靠性。

$r^2=\frac{{\left|G_{\mathrm{QP}}\right|}^2}{G_{\mathrm{PP}}{G}_{\mathrm{QQ}}}$

相干函数r²是表征线性系统输入、输出关系的指标，r²值介于0～1之间：

①r²＝1时则表明系统未受到噪声干扰；

②r²＝0则表明输出与输入无关；

③0<r²<1时表示输入输出间既有相关又存在干扰；通常r2>0.95时所测得阻抗值才认为是可靠的；通过频谱分析法，可使呼吸阻抗在多种频率下一次完成测量，不需要受试者的合作，大大提高呼吸阻抗的测试效率；

以及无线传输单元16，将测试的数据通过GPRS传输至上位机，其中无线通用分组无线业务(GPRS)是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，提供端到端的连接和广域的无线IP连接。系统采用的GPRS为SIMCom公司的SIM900A模块，该模块体积小、功耗低，内嵌TCP/IP协议。STM32处理器与无线模块的物理接口为RS232，通过发送相应的“AT”指令即可完成对模块的操作。

上位机17接收单元，用visual studio 2010软件和sql server 2008软件编写上位机程序，将上传的进行接收、保存和显示。

其中，还包括电源电路，该电源电路包括环形变压器，环形变压器的一输出端将市电220V转换成26V的交流电压，再经过整流桥电路整流后稳定输出在正负34V供功率放大电路，再供给给扬声器使用；环形变压器的另一输出端将市电220V转换成15V的交流电压，再经过整流桥电路整流后稳定输出在正负12V，再经过稳压器将电压控制在唉3.3V供单片机使用，其中稳压器采用ASM1117系列。

由于推动气流需要挺大的能量，这里使用环形变压器将外部的220V市电转换成26V的交流电压再经过GBJ2510整流桥电路后输出稳定在正负34V左右，供直流电供放大电路使用，以使输入的小信号放大以驱动扬声器产生震荡波。

使用XL1509开关电源将输入的电压转化成稳定的5V输出电压用于流量传感器、压力传感器、GPRS和液晶。由于STM32额定工作电压为3.3V电压，这里使用型号为ASM1117的稳压器将稳定的5V电压转化成3.3V供单片机使用。

其中该单片机上还连接有SD接口，也对测量数据进行储存，有效的实现了数据的移动，单片机上还连接有液晶触摸显示屏，便于患者操作，也便于患者这节通过液晶触摸显示屏读取测试数据。

通过采用上述技术方案，增加了两组单频模式和复频模式进行测量，克服了现有的仪器中只有单一模式进行测量的方式，使该振荡肺阻抗测试仪的使用范围较广；且在仪器上连接了无线传输模块，可有效的将测试结果直接传输至医生的上位机上，便于医生查询，患者无需受到场地的限制，随时随地便可进行测量，大大减小了患者医疗和时间成本。

根据该实用新型，由于扬声器推动气流需要较大的能量，这里使用环形变压器将外部的220V市电转换成26V的交流电压再经过GBJ2510整流桥电路后稳定输出在正负34V左右，供直流电供放大电路使用，保证了振荡气流具有较大的振动压。

实验结果表明仪器不仅可以使用单频模式追踪呼吸阻抗随时间的变化也可以使用复频模式快速检测各个频率上的呼吸阻抗并显示出频谱分析图，提供的UI界面为用户提供可视化操作，还具有远程传输等功能，实现远程医疗，可为进一步研究肺阻抗试仪在家用市场上发展提供参考。测量的常规肺阻抗重复性高可靠性好，且整个仪器小巧、成本低，非常适合推广到基层医院和患者家里使用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线强迫振荡肺阻抗测试仪，其特征在于：包括单片机(1)、扬声器(4)、管道、压力传感器(5)、流量传感器(6)、低通滤波器(10)及无线传输单元(16)，该单片机(1)包括DAC产生单元(2)、ADC模块转换单元(7)、单频模式单元(9)及复频模式单元(8)，DAC产生单元(2)的输出端与扬声器(4)连接，扬声器(4)连接于管道上，所述的压力传感器(5)的输入端连接于管道上，流量传感器(6)的输入端连接于管道上，压力传感器(5)的输出端及流量传感器(6)的输出端分别连接于低通滤波器(10)的输入端，该低通滤波器(10)的输出端与ADC模块转换单元(7)连接，无线传输单元(16)与单片机(1)连接。

2.根据权利要求1所述的无线强迫振荡肺阻抗测试仪，其特征在于：单频模式单元(9)包括提取单元(11)及运算单元(12)，复频模式单元(8)包括傅里叶变换单元(15)、提取单元(13)及运算单元(14)。

3.根据权利要求1所述的无线强迫振荡肺阻抗测试仪，其特征在于：所述的单片机(1)还连接有液晶触摸显示屏(18)。