楊海勇 李國柱 劉華珠

(1.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣州 510640)

強(qiáng)迫振蕩技術(shù) (forced oscillation technique，F(xiàn)OT)檢測呼吸阻力的原理是，通過振蕩發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)特定頻率和振幅的壓力振蕩，振蕩波施加在受試者的呼吸氣流之上并隨氣流進(jìn)入氣道和肺組織，測量經(jīng)氣道和肺組織吸收并折射的振蕩壓力和振蕩流量，利用時(shí)域分析技術(shù)，計(jì)算振蕩壓力和流量的商即可獲得系統(tǒng)的呼吸總阻抗 (impedance，Zrs)，習(xí)慣上稱為呼吸阻力，通過對肺部呼吸阻力的分析可以有效地檢測到受試者肺部患病情況［1］。

本文提出一種基于強(qiáng)迫振蕩技術(shù)的振蕩壓力與振蕩流量信號的測量方案。在三通分流器其中一端口上的強(qiáng)迫振蕩發(fā)生器產(chǎn)生5 Hz的單頻正弦信號，激勵(lì)受試者的呼吸系統(tǒng)處于強(qiáng)迫振蕩狀態(tài)，受試者戴上呼吸鼻罩自然呼吸，通過傳感器測量電路實(shí)時(shí)監(jiān)測經(jīng)受試者肺部反饋回來的振蕩壓力與振蕩流量信號，所得的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測儀疾病診斷的依據(jù)。

1 振蕩壓力、振蕩流量的測量原理

強(qiáng)迫振蕩基本設(shè)想是在人呼吸系統(tǒng)中施加一個(gè)單頻正弦型振蕩信號，從而激發(fā)系統(tǒng)中的氣體處于一種受迫振蕩狀態(tài)，然后用壓力和流量傳感器檢測出這種壓力波動幅度P和流量波動幅度˙V，將這樣兩個(gè)量相除可得到復(fù)數(shù)阻抗Z:

式中，R是實(shí)數(shù)部分代表呼吸系統(tǒng)的粘性阻力，jX是虛數(shù)部分代表呼吸系統(tǒng)的彈性和慣性阻力，j=在強(qiáng)迫振蕩技術(shù)中，振蕩壓力與振蕩流量的相位差用角度phi來表示:

phi是指正弦口腔壓力和流量信號峰值之間的相位差，若壓力峰值超前于流量峰值時(shí)則phi成正值，反之則為負(fù)值。它表示的是呼吸系統(tǒng)彈性和慣性阻力情況［2］。

2 傳感器測量電路模塊的結(jié)構(gòu)

傳感器測量電路模塊［3－4］如圖1的虛線框內(nèi)所示，主骨架用一個(gè)三通分流器固定連接，可保持傳感器測量模塊的穩(wěn)定性與可靠性。三通分流器水平相對的兩個(gè)端口分別用于連接直線音圈電機(jī)與流量傳感器，而豎直方向的分流口用于連接壓力傳感器。其中流量傳感器的中心軸是空心的可感應(yīng)雙向流速信號即分正負(fù)方向，流量傳感器另一端口需引出一接口用于連接呼吸鼻罩，這樣可以使處于強(qiáng)迫振蕩狀態(tài)下的受試者呼吸的信號更順暢地流經(jīng)流量傳感器，提高了測量的可靠性。傳感器測量電路模塊將實(shí)時(shí)檢測到的振蕩信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量輸出。將采集的電信號經(jīng)過低通濾波，濾除雜波。

圖1 傳感器信號采集模塊框圖

2.1 傳感器的選型與定標(biāo)［5］

2.1.1 壓力傳感器

本設(shè)計(jì)的壓力傳感器使用美國SMI公司出品的一款壓差式壓力傳感器SM-5852-003-D-3-LR，它結(jié)合了先進(jìn)的CMOS數(shù)字信號處理技術(shù)及最先進(jìn)的壓力傳感器加工技術(shù)生產(chǎn)的具有放大、充分校準(zhǔn)、多階壓力修正和溫度補(bǔ)償雙列直插式封裝的高性能壓力傳感器。其測量滿量程是0～0.30 PSI，電壓輸出是0.50～4.5 V，與輸入的壓力成線性關(guān)系。在使用前還得做好相應(yīng)的定標(biāo)工作，求出輸入量與輸出量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。該定標(biāo)過程如下:

1)準(zhǔn)備一個(gè)10 mL量程的注射器與一個(gè)6 000 Pa量程的U型壓力計(jì)，調(diào)整注射器每次以1 mL增量往U型壓力計(jì)一端注入氣體，通過觀測壓力計(jì)兩端液面壓力差便可求出與注射器相對應(yīng)容量氣體的壓力值。具體測量值如表1所示。通過多次采樣求均值得到注射器的每毫升氣體壓力值為351.875 Pa。

表1 U型管壓力定標(biāo)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)測量值

2)搭建好壓力傳感器最小系統(tǒng)電路，在傳感器氣管與注射器之間安裝一個(gè)150 mL的規(guī)則緩沖器，調(diào)整注射器每次以0.5 mL的增量向緩沖器注射氣體，然后固定好注射器的活塞，等壓力傳感器輸出的電壓穩(wěn)定下來后才記錄。壓力傳感器壓力輸入與電壓輸出之間的關(guān)系如表2所示。

表2 壓力傳感器壓力輸入與電壓輸出關(guān)系的原始數(shù)據(jù)表

3)利用步驟1)、2)可獲得電壓－壓力對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表格1所示，并將y-x對應(yīng)描點(diǎn)，如圖2所示，線性關(guān)系良好。在Excel中采用線性回歸方法對數(shù)據(jù)分析得到回歸參數(shù):回歸系數(shù)b=4.881 187;回歸常量a:－12.378 5;相關(guān)系數(shù)r:0.998 322。相關(guān)性良好，電壓與壓力的關(guān)系式:y=4.881 187x－12.378 5。

圖2 壓力傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系圖

2.1.2 流量傳感器

流量傳感器選用矽翔公司生產(chǎn)的FS6022B，它是專為醫(yī)院便攜式呼吸機(jī)而設(shè)計(jì)的雙向氣體流量傳感器，內(nèi)部集成了差分放大、溫度補(bǔ)償電路，可檢測到的流量范圍是0～±150 SLPM，電壓輸出范圍為0～5 V，流量與電壓成線性關(guān)系:Flow=Vout－2.5，F(xiàn)low是以L/s為單位，Vout是以V為單位。

2.2 低通濾波電路

強(qiáng)迫振蕩下的原始信號頻帶主要集中在0.3～5 Hz，因此可以分別在壓力傳感器與流量傳感器的輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器以濾除系統(tǒng)噪聲或交流電雜波等成分。SM5852系列壓力傳感器濾波電路可參考傳感器技術(shù)文檔，使用模擬輸出時(shí)只需在輸出端接一個(gè)一階RC低通濾波電路即可。雙向流量傳感器FS6022B，在輸出端可接一個(gè)6階開關(guān)電容巴特沃斯低通濾波芯片MF6－100構(gòu)成的低通電路，實(shí)驗(yàn)后所得的信號波形清晰、特征明顯。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測試本電路模塊的效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。利用STM32F103ZE處理器對傳感器電路輸出的振蕩壓力與振蕩流量信號進(jìn)行兩路ADC數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)串口中，在MATLAB環(huán)境下，基于事件驅(qū)動的中斷通信機(jī)制，從計(jì)算機(jī)的RS－232串口中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形處理［7］。測試結(jié)果如圖3、圖4所示。從兩組性能測試圖來看，首先受試者的呼吸系統(tǒng)處于強(qiáng)迫振蕩狀態(tài)，其中壓力傳感器的正弦波動幅度較大，而流量傳感器的正弦波動幅度較小，這些都正常地反映出整個(gè)呼吸檢測系統(tǒng)的物理特性。

圖3 壓力傳感器性能檢測圖

圖4 流量傳感器性能檢測圖

4 結(jié)語

我們設(shè)計(jì)的基于強(qiáng)迫振蕩技術(shù)的傳感器測量電路，能夠很好地完成振蕩壓力信號與振蕩流量信號的測量采集工作，特別是這兩款傳感器都使用了ASIC技術(shù)，具有較高的集成度，可以直接安裝在PCB板上使用，大大簡化了我們的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)又具有功耗低、精確度高、穩(wěn)定性好等特性，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀的便攜化起到關(guān)鍵作用。

［1］王華.強(qiáng)迫振蕩技術(shù)在無創(chuàng)正壓通氣中的應(yīng)用研究［D］.廣州:廣州醫(yī)學(xué)院，2008.

［2］王佐剛，蔡孔長.采用強(qiáng)迫振蕩法測量呼吸系統(tǒng)阻抗［J］.溫州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1981，81:90－95.

［3］Rigau J，F(xiàn)arré R，Roca J，et al.A portable forced oscillation device for respiratory home monitoring［J］.Eur Respir J，2002，19:146 －150.

［4］Dellacà R L，Santus P，Aliverti A，et al.Detection of expiratory flow limitation in COPD using the forced oscillation technique［J］.Eur Respir J，2004，23:232 －240.

［5］SMITH A J.選擇適用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的氣流和壓力傳感器［J］.今日電子，2010(11):27－28.

［6］楊成偉，苗康樂，劉純貴.水聲信號功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(11):54－57.

［7］李頎，張建軍，李沙沙，等.基于串行通信的 MATLAB GUI在壓力傳感器中的標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(7):1680－1669.