劉華珠 楊海勇，2

(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)

醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和健康問題的日益突出，極大的促進(jìn)了醫(yī)療器械的發(fā)展，尤其是對慢性呼吸疾病的醫(yī)療器械的研制。傳統(tǒng)的呼吸阻力監(jiān)測儀采用的是有創(chuàng)的方式，通過食道測壓囊管測量呼吸參數(shù)，結(jié)構(gòu)上采用傳統(tǒng)的傳感器采集壓力和流量信號，需要外接前置放大電路和大型的數(shù)據(jù)采集儀，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀的串口發(fā)送到PC 上的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析，存在設(shè)備貴、操作流程復(fù)雜、實時性不強(qiáng)等缺點［1］。

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于強(qiáng)迫振蕩技術(shù)［2－5］(forced oscillation technique，F(xiàn)OT)的，F(xiàn)OT 是無創(chuàng)性評價呼吸系統(tǒng)力學(xué)特性的方法，具有簡便、客觀和實時的特點。其工作的原理是，通過直線音圈電機(jī)產(chǎn)生一個特定頻率(5 Hz)和振幅(臨床常用1、2 和3 cm H2O)的壓力振蕩，經(jīng)鼻施加在受試者的呼吸氣流之上，測量經(jīng)氣道及肺組織吸收并折射的振蕩壓力和振蕩流量，利用時域分析技術(shù)，計算振蕩壓力和流量的商即可獲得呼吸總阻抗(impedance，Zrs)，習(xí)慣上稱為呼吸阻力。

1 系統(tǒng)組成簡介

采集系統(tǒng)主要由STM32 片上資源、傳感器信號采集、ARM9 顯示、SD 存儲四大部分組成。系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

本系統(tǒng)采用ST 公司基于Cortex－M3 內(nèi)核的STM32 作為控制核心，豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，同時大大降低了系統(tǒng)功耗。STM32 的12 位ADC 為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC1 兩通道采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以右對齊方式存儲在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。DMA 控制方式進(jìn)行ADC 和內(nèi)存數(shù)據(jù)直接傳輸，減少CPU 的工作量，采用系統(tǒng)滴答定時器中斷設(shè)置采樣頻率F=100 Hz，即設(shè)置每隔10 ms 得到壓力和流量的ADC 轉(zhuǎn)換值。

2 傳感器信號采集模塊

此模塊由呼吸機(jī)、直線音圈電機(jī)(強(qiáng)迫振蕩發(fā)生器)、傳感器電路、低通濾波電路以及呼吸鼻罩五部分組成，傳感器采集模塊如圖2 所示。

圖2 傳感器信號采集模塊圖

呼吸機(jī)的作用是輔助或控制通氣，通過鼻罩與受試者連接，呼吸鼻罩上有個出氣半掩閥，避免了對振蕩壓力的分流。通過直線音圈電機(jī)產(chǎn)生一個頻率為5 Hz、振幅(1、2 和3 cm H2O)可調(diào)的壓力振蕩信號，通過振蕩裝置的觸摸屏控制進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)鼻施加在受試者的呼吸氣流之上，利用壓力傳感器與流量傳感器來測量經(jīng)氣道及肺組織吸收并折射的振蕩壓力與振蕩流量，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電參量。壓力傳感器使用SM-5852-003-D-3 壓差式傳感器，它集成信號調(diào)節(jié)ASIC 技術(shù)，內(nèi)部集成放大、補(bǔ)償校正電路，其測量滿量程是0 ～0.30 PSI，電壓輸出0.50 ～4.5 V，與壓力成線性關(guān)系。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。

3 濾波設(shè)計

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的濾波設(shè)計的框架是先通過硬件低通濾波預(yù)處理，數(shù)字軟件濾波再處理的方式達(dá)到消除信號的噪聲的目的［6］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 濾波結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 硬件低通濾波設(shè)計與分析

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)計一個低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)以濾除高頻干擾信號和50 Hz 的市電信號。其中壓力傳感器參照SIM 公司提供的電路圖在輸出端接一個一階RC 低通濾波電路;而流量傳感器在輸出端可接一個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，如圖4 所示。

圖4 MF6-100 低通濾波電路

其中一階低通RC 濾波電路的截止頻率:

巴特沃斯低通濾波電路中調(diào)節(jié)滑動變阻器使其電阻值R 為1.849 kΩ，根據(jù)文檔中提供的公式可求得其截止頻率為32 Hz，計算過程如下(VT+、VT－分別是施密特觸發(fā)器的正向和負(fù)向閾值):

典型值:

截止頻率

巴特沃斯低通濾波器的Matlab 幅頻曲線如圖5 所示。

圖5 巴特沃斯低通濾波器的幅頻曲線

圖6 采集系統(tǒng)的中值平均濾波算法流程

3.2 傳感器的數(shù)字濾波算法

數(shù)據(jù)的處理是整個采集系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，經(jīng)過硬件濾波的采集信號并不能很好的滿足信號處理的要求。針對本采集系統(tǒng)的采樣頻率F=100 Hz，采樣頻率并不是很高，本文借鑒常見的平均濾波和中值濾波各自的優(yōu)缺點［9］，將兩者綜合起來提出了中值平均濾波算法進(jìn)行數(shù)字濾波，具體如下。

1)中值濾波算法:根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大偏小的情況，由此連續(xù)采集多個信號，進(jìn)行排列比較，取中值作為采樣結(jié)果。

2)平均濾波算法:對于一個數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，計算平均值，以平均值作為采樣的結(jié)果。這種方法減少了隨機(jī)干擾的影響。但是樣本越多，靈敏度就有所降低。

3)中值平均濾波:對于一個數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，利用冒泡法進(jìn)行從小到大排序，選取中間幾個數(shù)據(jù)進(jìn)行取均值運算。這種方法既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣值進(jìn)行平滑處理。在低速的采集系統(tǒng)中，能夠有效的削弱干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 數(shù)字濾波軟件流程設(shè)計

中值平均濾波數(shù)字算法在采集系統(tǒng)中實現(xiàn)，主要包括ADC、DMA、采樣點個數(shù)N、系統(tǒng)滴答定時器初始化，其流程如圖6 所示。

5 實驗結(jié)果分析

以采集系統(tǒng)的流量波形為例，經(jīng)過本系統(tǒng)低通硬件濾波和中值平均數(shù)字濾波之后，開啟振蕩裝置實驗記錄管道的流量波形如圖7 所示。

圖7 濾波之后的流量波形

通過波形分析，可見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將管道噪聲和高次諧波分量進(jìn)行了有效的濾除，波形較好。

6 結(jié)語

通過實驗記錄結(jié)果證實，經(jīng)過硬件低通濾波和改進(jìn)的中值平均濾波算法濾波之后的波形達(dá)到了采集系統(tǒng)的要求:波形失真度小，有效的濾除了噪聲、高次諧波干擾和市電噪聲，效果較好，證實了此種方法的有效性與準(zhǔn)確性。

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