摘  要： 開(kāi)發(fā)一種界面友好、可與醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)的便攜式無(wú)線(xiàn)多參數(shù)肺功能測(cè)試儀，由層流流量傳感器、STM32處理器、LCD觸摸顯示屏和GPRS模塊設(shè)計(jì)而成。該儀器可以測(cè)試常規(guī)肺功能指標(biāo)、用力呼氣肺量圖部分平均通過(guò)時(shí)間(MTTp)、顯示容積-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-容積曲線(xiàn)，采用的觸摸液晶屏為用戶(hù)提供可視化操作界面，另外數(shù)據(jù)還可以通過(guò)GPRS傳輸?shù)结t(yī)院，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。測(cè)量的常規(guī)肺功能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀的測(cè)量值無(wú)顯著差異。該儀器體積小，成本低，界面友好，操作簡(jiǎn)單，適合推廣到家庭和中小型醫(yī)院使用。

　　關(guān)鍵詞： 肺功能儀；STM32；便攜；GPRS

0 引言

　　呼吸系統(tǒng)疾病是臨床上常見(jiàn)的疾病，以肺功能障礙為明顯特點(diǎn)，典型的如慢性阻塞性肺疾病(COPD)在國(guó)內(nèi)的各城市發(fā)病率高達(dá)5%～13%[1]，而且伴隨中國(guó)老齡化的不斷加劇其發(fā)病率將不斷上升。臨床證實(shí)常規(guī)肺功能檢測(cè)的指標(biāo)是診斷COPD的金標(biāo)準(zhǔn)，是判斷氣流受限的客觀(guān)依據(jù)，對(duì)肺功能的診斷、疾病進(jìn)展、預(yù)后及治療反應(yīng)等均有重要意義[2]。非常規(guī)指標(biāo)用力呼氣肺量圖部分平均通過(guò)時(shí)間是一個(gè)全面反應(yīng)容積-時(shí)間曲線(xiàn)特征的參數(shù)，對(duì)小氣道氣流阻塞有更高的敏感性，對(duì)探索慢性支氣管炎、支氣管哮喘等慢性阻塞性的早期診斷具有重要臨床意義。

　　目前國(guó)外雖有少數(shù)的小型肺功能儀上市，但因其顯示界面簡(jiǎn)單、操作繁瑣、僅有常規(guī)肺功能指標(biāo)等缺點(diǎn)極大地限制了它們的應(yīng)用，本文研制的無(wú)線(xiàn)多參數(shù)肺功能測(cè)試儀可檢測(cè)的常規(guī)肺功能指標(biāo)有：(1)用力肺活量(FVC)：深吸氣后，用最大力量、最快速度所能呼出的最大氣量；(2)第1 s用力呼氣容積(FEV1.0)：最大呼氣第1 s呼出的氣量容積，相應(yīng)的還有FEV2.0和FEV3.0；(3)1秒率：FEV1.0/FVC；(4)2秒率：FEV2.0/FVC；(5)最大分鐘通氣量(MVV)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)以最快的速度做最大自主努力呼吸所得到的通氣量；(6)呼氣峰流量(PEF)：用力呼氣時(shí)的最高流量；(7)用力呼氣25%肺活量時(shí)的瞬間流量(MFE75)，相應(yīng)的還有MFE50和MFE25；(8)最大呼氣中期流量(MMEF)：用力呼氣量為25%～75%肺活量間的平均流量。儀器可檢測(cè)的非常規(guī)肺功能指標(biāo)有MTTp，指將用力呼氣肺量圖分成10等份后每一等份的用力呼氣肺量平均排出時(shí)間，包含MTT20%~30%(20%～30%部分的用力呼氣肺量圖部分平均通過(guò)時(shí)間)，相應(yīng)的還有MTT45%~55%和MTT70%~80%。儀器可顯示的曲線(xiàn)包含容積-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-容積曲線(xiàn)。另外測(cè)得數(shù)據(jù)還可通過(guò)GPRS模塊無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)结t(yī)院，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由層流流量傳感器、低通濾波電路、STM32控制模塊、LCD觸摸顯示模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、GSM/GPRS模塊、上位機(jī)接收及處理模塊組成。氣流經(jīng)層流流量傳感器后的信號(hào)經(jīng)低通濾波電路濾除外界干擾后由STM32的ADC模塊采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后以波形的方式在LCD上實(shí)時(shí)顯示；采集結(jié)束后肺功能參數(shù)將在LCD上顯示，并可以txt文檔形式保存在SD卡中，最后可由GPRS模塊以無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)端上位機(jī)；系統(tǒng)上位機(jī)界面用C#編程，用于接收數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以及調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)顯示肺功能參數(shù)和曲線(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 微處理器

　　本文使用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位STM-

　　32F103RBT6單片機(jī)完成對(duì)氣體流動(dòng)引起的壓力差電信號(hào)的采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)發(fā)送、LCD觸摸顯示等功能。該單片機(jī)最高工作頻率72 MHz，具有CAN、SPI、7個(gè)定時(shí)器和2個(gè)ADC模塊等外設(shè)資源。

　　2.2 層流流量傳感器模塊

　　層流流量傳感器是一種常見(jiàn)的測(cè)量呼吸流量的設(shè)備，其原理圖如圖2所示。該傳感器由一定寬度的極薄的波紋鋼板和平鋼板疊放在一起繞制而成，繞制好的層流發(fā)生體將氣流分成很多細(xì)流，形成泊肅葉流。由泊肅葉定律[3]：

　　式中，Q為通過(guò)流量計(jì)的氣體體積流量，R為管徑，為流體的粘度，L為管子的長(zhǎng)度。由式(1)可以得出氣體通過(guò)層流流量傳感器的流量與其在層流發(fā)生體兩端的靜壓力差成正比。本文使用SM-5852-001-D-1壓差式傳感器將兩端氣體壓力差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該傳感器測(cè)量量程為0～0.15 PSI，電壓信號(hào)輸出范圍為0.5～4.5 V，電壓輸出與壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。

　　2.3 低通濾波電路

　　壓差傳感器SM-5852-001-D-1輸出的電壓信號(hào)混入了一定外界干擾噪聲，由于人的呼吸頻率范圍在0.2~35 Hz，本文用二階巴特沃思低通濾波電路，濾除35 Hz以上的干擾信號(hào)。由于輸入的電源電壓是+5 V，而放大器OP07D的額定工作電壓為±5 V～±15 V，故系統(tǒng)用MAX232將輸入的+5 V轉(zhuǎn)化為±10 V供其使用。

　　2.4 GSM/GPRS模塊

　　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，提供端到端的連接和廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。系統(tǒng)采用的GPRS為SIMCom公司的SIM900A模塊，該模塊體積小、功耗低，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。STM32處理器與無(wú)線(xiàn)模塊的物理接口為RS232，通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的“AT”指令即可完成對(duì)模塊的操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)界面

　　采用C語(yǔ)言編寫(xiě)畫(huà)圖函數(shù)，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)接口，即可在LCD屏幕上顯示UI界面。測(cè)試時(shí)用戶(hù)只需觸摸對(duì)應(yīng)的控件即可進(jìn)入相應(yīng)的界面，引導(dǎo)用戶(hù)操作，系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)主界面由MVV測(cè)試、用力呼氣測(cè)試、肺功能參數(shù)顯示和無(wú)線(xiàn)上傳控件組成。MVV測(cè)試控件：LCD實(shí)時(shí)顯示流量-時(shí)間曲線(xiàn)，采集流量數(shù)據(jù)，得到MVV值；用力呼氣測(cè)試控件：LCD實(shí)時(shí)顯示流量-時(shí)間曲線(xiàn)，采集結(jié)束后得到肺功能參數(shù)；無(wú)線(xiàn)上傳控件：執(zhí)行GPRS模塊初始化，STM32將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢則屏幕上顯示數(shù)據(jù)發(fā)送成功；參數(shù)顯示控件：主要顯示常規(guī)肺功能參數(shù)和非常規(guī)肺功能參數(shù)；曲線(xiàn)顯示控件：觸摸V-T、MEFV和Flow-T控件可顯示V-T、MEFV和Flow-T曲線(xiàn)。

　　3.2 采樣及濾波設(shè)計(jì)

　　本文采用了平均濾波法，對(duì)多次采樣數(shù)據(jù)求平均。由于肺功能參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，測(cè)試起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的判斷非常關(guān)鍵，這里通過(guò)設(shè)定流量閾值來(lái)排除外界干擾，當(dāng)流量超過(guò)了設(shè)定的閾值后才開(kāi)始保存數(shù)據(jù)，之后以200 Hz采集頻率采集流量數(shù)據(jù)，每采4次數(shù)據(jù)取平均值后保存到數(shù)組中，在采集過(guò)程中若采樣的時(shí)間超過(guò)1 s且采樣值小于設(shè)定的閾值時(shí)則采集完畢，保存數(shù)據(jù)。

　　3.3 肺功能參數(shù)算法實(shí)現(xiàn)

　　(1)常規(guī)肺功能參數(shù)的計(jì)算：FVC為整個(gè)用力呼吸階段流量的積分，其表達(dá)式為：

　　其中，N為采樣位數(shù)，?駐t為采樣間隔，flow(k)為每次采樣的流量數(shù)據(jù)。MVV采集30 s的流量值并進(jìn)行累加；FEV1.0利用定時(shí)采集累加當(dāng)前流量，當(dāng)定時(shí)滿(mǎn)1 s時(shí)的總流量值即為FEV1.0，同樣的方法可求得FEV2.0、FEV3.0、FEV1.0/FVC和FEV2.0/FVC；PEF通過(guò)尋找流量數(shù)組中最大值實(shí)現(xiàn)；MEF75通過(guò)在總流量數(shù)組中查找最接近25%的FVC的數(shù)組元素并獲取其下標(biāo)序號(hào)，由下標(biāo)序號(hào)來(lái)提取對(duì)應(yīng)的流量數(shù)組元素，同樣的方法可求得MEF50、MEF25和MMEF。

　　(2)MTTp是根據(jù)Jordanoglou關(guān)于FVC-T曲線(xiàn)上每10%FVC段可考慮為線(xiàn)性的原則推導(dǎo)出計(jì)算公式[4]：

　　(3)在LCD屏幕上畫(huà)出MEFV曲線(xiàn)、V-T曲線(xiàn)、Flow-T曲線(xiàn)，界面如圖4所示。上述3種曲線(xiàn)的引入可直觀(guān)且?guī)缀跞娴胤从撤瓮獾乃行畔?，包括氣流受限部位和程度等?/p>

　　3.4 GPRS數(shù)據(jù)通信及上位機(jī)顯示

　　該部分主要由三大部分組成，分別是STM32通過(guò)GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)、上位機(jī)接收程序設(shè)計(jì)和界面程序設(shè)計(jì)。用C#語(yǔ)言和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信和對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、繪圖等功能，以達(dá)到采集系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的良好交互性，其流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)

　　4.1 壓差與流量標(biāo)定

　　用空氣壓縮機(jī)與浮子流量計(jì)對(duì)其定標(biāo)，發(fā)現(xiàn)壓差與流量成線(xiàn)性關(guān)系，壓差以電壓形式表示，如圖6所示。由經(jīng)驗(yàn)公式得知這是一元線(xiàn)性回歸模型，在MATLAB下調(diào)用最小二乘法polyfit()函數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估擬合，得到擬合曲線(xiàn)y=0.008 2+4.736 1x。再對(duì)已建立的一元線(xiàn)性回歸數(shù)學(xué)模型用regress()函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，將超出期望值的點(diǎn)剔除后用剩余的點(diǎn)重新計(jì)算，最終得到的曲線(xiàn)方程為

　　y=0.023 9+4.767 5x(4)

　　4.2 肺功能測(cè)試系統(tǒng)的效度分析

　　用醫(yī)院肺功能室的標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀(耶格Master Screen Diffusion)與本文研制的便攜式肺功能儀進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的效度。首先征集15例(男10例，女5例，年齡20~30歲，平均24歲)受試者在技師的指導(dǎo)下分別在便攜式肺功能儀和標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀上測(cè)量3次，并取其中最好的一次進(jìn)行檢驗(yàn)。用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和配對(duì)，檢驗(yàn)結(jié)果采用相關(guān)系數(shù)(r)和平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，r≥0.9表示高度相關(guān)，p>0.05則表示差異不顯著，其結(jié)果見(jiàn)表1。

　　兩種肺功能儀對(duì)同一病人所測(cè)得的肺功能參數(shù)值差異均不顯著(p>0.05)，且相關(guān)系數(shù)大部分大于0.9，兩儀器測(cè)出的指標(biāo)之間存在高度相關(guān)性。

　　本文以STM32單片機(jī)為主控芯片，控制呼吸流量信號(hào)的采集、處理、顯示和無(wú)線(xiàn)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明儀器可以測(cè)試常規(guī)肺功能指標(biāo)、用力呼氣肺量圖部分平均通過(guò)時(shí)間、顯示容積-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-時(shí)間曲線(xiàn)、流量-容積曲線(xiàn)，提供的UI界面為用戶(hù)提供可視化操作，還具有遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ芤詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，可為進(jìn)一步研究肺功能測(cè)試儀在家用市場(chǎng)上發(fā)展提供參考。測(cè)量的常規(guī)肺功能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀的測(cè)量值無(wú)顯著差異，與普通便攜式肺功能儀相比差異小，而且整個(gè)儀器體積小，成本低，非常適合推廣到基層醫(yī)院使用。

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