基于DSP的便携式肺功能多参数检测系统的研制

【作 者】郭占社，原敏忠，周辉

1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京市，100191

2 北京航空航天大学虚拟现实与系统国家重点实验室，北京市，100191

0 引言

肺功能是指人体肺部吸入氧气的能力，包括肺部容量及呼吸活动次数的综合功能。肺功能的监测是临床医学的一项重要技术，它可记录患者一定时期内的呼吸通气状况, 对各种数据进行归纳、分析和判断，对明确诊断隐匿性哮喘等肺部疾患有重要意义[1，2]。目前国内大医院的肺功能仪依靠进口，价格昂贵，体积较大，不易搬运，一般都放在专用房间内，不能作为门诊的常规检查手段[3，4]。因此，研制便携式的肺功能仪，对于解决门诊需求有重要的现实意义，同时也适用于家庭用户长期监测自己的肺功能，以便能在疾病爆发之前就得到预警。

传统测试肺功能参数的方法一般是间接检测法，即通过阻抗法或热敏法检测呼吸产生的一些附加现象，来提取呼吸信号，进而得到一些肺功能参数[5]。但是间接检测法抗干扰性差，且能够得到的参数不多。针对这种情况，本文选用直接法，检测呼吸流速、压力和时间，从而设计出能够测试肺活量、潮气量、气道压力等多项参数的便携式肺功能测试系统。

1 基本原理

肺功能参数检测系统主要由呼吸面罩、呼吸通道、三通阀、流量传感器、压力传感器、模拟信号预处理电路、数字信号处理电路、处理结果显示电路、处理结果存储电路和外部接口电路组成。人的呼吸气流通过呼吸面罩进入呼吸通道，在呼吸通道上安装三通阀；三通阀一边连通压力传感器，一边连通流量传感器，经流量传感器后与外界进行气体交换。由压力传感器和流量传感器分别获取呼吸流量和压力的信息。由于传感器获取的信号仅为电压信号，还需经过相关的处理电路转换为易于读取的数字或者图形。系统整体原理框图如图1所示。

本系统采用矽翔公司生产的FS1015CL-150SLPM型气体质量流量传感器，该传感器体积小，功耗低，精度可达1.5%FS，响应时间达到8 ms。压力传感器选用Ares系列GA-100 001PD型压力传感器。GA-100 001PD主要用于供暖、通风和空调、医疗设备及流量监测等，是一种小型化、低成本的压力传感器。

图1 系统原理框图Fig.1 Principle diagram of the system

2 系统实现

2.1 DSP硬件电路实现

电路部分主要实现模拟电压信号的数字化，再经过数字信号处理，输出易于人们读取的数字或者图形。首先要将模拟信号放大、滤波并进行模数转换，这是系统算法精确实现的前提。而数字信号处理电路对采样后的数字信号进行处理运算，实时解算当前的各个参数，是系统的处理核心。电路原理框图如图2所示。

图2 硬件电路原理图Fig.2 Principle diagram of the hardware circuit

本系统需实现流量传感器和压力传感器两路信号同时采集，若采用多通道的AD转换芯片会增加成本，且会增加电路板的面积，不符合对系统便携和低成本的要求。最终选择单通道AD加多路复用通道的方案，实现多通道信号的输入。AD芯片选择ADS7816，采样率最高可达200 kHz，且在最高频率时功耗仅为1.9 mW。多路复用通道选择ADG408型8通道复用器。

选用TI公司的TMS320VC5509A型DSP作为处理芯片。VC5509A片内不具有Flash，即DSP的程序掉电会丢失，需要扩展外部存储器存储用户程序。本系统设计了FLSAH存储器，目的就是完成上电时用户程序引导加载，使系统能够脱离开发环境独立运行，实现系统自启动。

为实现测试数据的实时读取，设计了液晶显示电路，本设计采用160*160点阵的液晶屏显示数据，能实时的显示5个参数，方便测试者直接观看。为实现测试数据的长期保存，以便于数据的后续离线处理，设计了SD卡接口电路。同时为实现更为友好的测试界面，设计了USB通讯接口电路，以便于实现与上位机的通讯。

最终处理电路尺寸仅为90 mm*75 mm，实物如图3所示。

图3 硬件电路实物Fig.3 Physical map of the hardware circuit

2.2 基于DSP的软件设计

以DSP为核心的数字信号处理单元的软件算法实现，主要包括采样模块、FIR（Finite Impulse Response）数字滤波器模块、流量计算模块，压力计算模块、USB通信模块以及LCD显示模块。利用DSP高速处理特性的FIR数字滤波器模块是本系统的特点。数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高。

本文使用FDATool（Filter Design & Analysis Tool）滤波器设计FIR滤波器的系数。滤波器的输出y(n)只与当前的输入x(n)和有限N-1个过去的输入x(n-1)，x(n-2)，…，x(n-(N-1))有关，其表达式为：

完成此滤波需要进行N次乘法和N-1次加法，运算量很大，通用的微处理器无法完成。DSP采用了独立的硬件乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，极大地提高了滤波器计算的运行速度。采集到的流量、压力数据经过滤波器处理后，还需换算到具有临床意义的肺功能参数。这些参数主要是：肺活量、气道压力、吸入潮气量、呼出潮气量、峰值呼气流量、峰值吸气流量和平均压力等。其中最具代表性的参数为肺活量（VT）。肺活量是指从呼气开始到呼气结束的空气体积，所以肺活量就是在整个呼气阶段流量的积分，其表达式为：

从数字信号领域实现这个公式，则式可转化为：

由式（2）可看出，呼气开始和呼气结束的时间点是计算的关键。本系统中利用流量数组来判断呼气的开始（t1）和结束(t2)，若流量数组中相邻两个值的前值为零，后值不为零，则呼气开始；若此数组相邻两值前值不为零，后值为零，则呼气结束。判断出呼气的时间节点，则可以实现肺活量的计算，算法框图如图4所示。

图4 肺活量算法框图Fig.4 Algorithm diagram of the vital capacity

软硬件均设计完成后，最终肺功能测试系统实物如图5所示。

3 实验

图5 肺功能测试系统Fig.5 Lung function test system

样机制作完成后，需对装置整体做实验验证。由于所有肺功能参数均可通过流量、压力和时间这三个基础参数计算获得，而DSP自身定时器精度很高，所以仅需对流量和压力参数做标定实验。

3.1 流量实验

流量实验是通过中国计量科学研究院的钟罩式气体流量标定装置完成。标定装置提供一定流量的标准气源，以测试本装置的流量精度。图6为本装置在中国计量科学研究院测试结果的相对误差分布图，从图中可以看出，本系统的误差在3%以内。

图6 流量相对误差分布Fig.6 Relative error of the fl ow

图7 压力相对误差分布Fig.7 Relative error of the pressure

3.2 压力实验

压力实验是通过实验室拥有的美国DHI公司生产的PPC3高精度压力校验仪完成。压力校验仪提供气压基准源，根据压力传感器的测量范围0～1Psi，设计16组实验，得到压力相对误差分布如图7所示。从图中可看出，压力误差在0.7%以内。

表1 肺功能参数对比测试结果Tab.1 Results of lung function parameters test

为评估本装置的可靠性，可通过商用肺功能仪进行联合测试。用作对照的肺功能仪为日本捷斯特的HI-801型肺功能仪。表1所示为选取的20位测试者肺活量测试数据。

实验数据显示肺活量参数值的相对误差均在3%以内，达到肺功能测试的要求。

4 结束语

本文采用直接检测法研制出肺功能参数检测样机。DSP的使用使本系统可以完成复杂的数据处理任务，同时将多项肺功能参数实时显示出来。该样机将流量传感器和压力传感器以及处理电路封装在一起，体积小且功耗较低，测量精度能达到3%。为进一步完善肺功能测试系统，可以考虑开发上位机软件，使产品更完整。

[1] 李德旺, 仇原鹰, 叶继伦. 呼吸力学参数监测系统的电路设计[J].中国医疗器械杂志, 2005, 29(2): 92-95.

[2] 李德旺, 仇原鹰, 盛英. 呼吸力学参数测量方法的研究[J]. 生物医学工程学杂志, 2006, 23(4): 770-773.

[3] 刘延武, 吕鹏. 基于C8051F020便携式呼吸机检测仪的研制[J].中国医疗装备, 2008, 23(5): 15-17.

[4] 李阳青. 基于PDA的便携式肺通气功能仪的设计与实现[J]. 中国医学装备, 2007, 4(8): 8-10.

[5] 黄志伟, 叶继伦. 呼吸力学参数检测电路的硬件设计[J]. 医疗卫生装备, 2007, 28(2): 16-18.