医用肺功能仪流量传感器模块的研发

陈洪彬 深圳市美好创亿医疗科技有限公司 （广东 深圳 518000）

肺功能检查是临床上评价胸、肺疾病及呼吸生理的重要手段，目前在发达国家已经广泛应用于呼吸内科、外科、麻醉科、儿科等[1,2]。医用肺功能仪是专门用于临床上进行肺功能检查的仪器，其测试基本原理为通过流量传感器采集患者呼吸过程中的流量数据，再经数据计算和分析，最终得到肺功能相关的参数指标。

令人遗憾的是，中国自主品牌的肺功能仪产品非常少，在医院的应用也极为少见，且测量参数较少，性能较低。研发团队经过两年多的努力，自主研制出一款性能强大的便携医用肺功能仪LA10X系列，填补国内空白。气体流量传感器作为核心部件，是保证肺功能仪设备测量精度的关键，本文将对气体流量传感器模块的设计和工艺进行阐述。

1.流量传感器简介

本款肺功能仪的技术指标较高，部分核心指标如VC、FVC、PEF、MVV等达到±3%的精度，反推到流量测量的精度，则要求在整个测量量程在+40～+960L/min以及-40～-960L/min范围内都要保持高精度，这对流量传感器提出了非常高的要求[3]。经过对比分析，最终方案选择压差式流量传感器，包括流量传感器本体和压差传感器两部分。

压差式流量传感器分为可变孔径式和固定孔径式。可变孔径式的输出电信号与压差呈现较为线性的关系，但高分子材料的膜片容易变形和老化，因此不是最优选择。固定孔径式流量传感器流量与压差的输出关系为非线性曲线，优点是没有不确定因素，测量结果偏移定标曲线极小；但缺点是小流量时压差变化太小而大流量时压差变化过大。由于传统的固定孔径式流量传感器无法满足肺功能测试需求，经过深入的研究和测试，团队研发出新型的透气薄膜式固定孔径流量传感器，较好地达到了产品的需求，具体的设计要点在下文中介绍。

2.本款肺功能仪流量传感器设计实现

2.1 压差传感器的选择

根据肺功能仪相关法规要求，计算得到流量传感器在16L/S时的最大阻力：0.1kPa/L/s×16L/S=1.6kPa[4,5]。由于最大输出压差小于等于最大阻力，流量范围在16L/S时，最大压差△P＜1.6kPa，双向也就是±1.6kPa。

关于差压传感器的选择，业内主流供应商主要有Sensirion、Honeywell、All Sensors、First Sensor等。根据产品性能的需求，选用All Sensors的DLHR-01D，其输入的压力范围是±2.5kPa，完全涵盖了±1.6kPa的范围。高达18位A/D，分辨率和精度都很高，总误差做到1%以内，独特的双晶元结构保证了零点稳定性。

2.2 传感器本体设计

接口方面，流量传感器的接口尺寸大小需要与肺功能呼吸过滤器匹配。因此设计为内径29.5mm，外径33.6mm，外径带有一定锥度。

筛网在流量传感器中产生压差，是核心部件。在使用情况下需要保证其受温度、水汽、拉力的影响下透气度稳定。经过对比各种筛网材料，最终选择PES聚酯材料，PES具有良好的耐蠕变性，相比尼龙材料其吸水性极小，良好的耐蒸汽和热水性，尺寸稳定性好等特点。

在流量传感器的内径确定后，调整筛网的安装夹角可以得到不同的面积，并试验出合适的透气度筛网规格。采用筛网与轴线为60˚夹角，即保证产生足够压差，又保证呼吸阻力较小。经试验验证，取样孔分布在筛网两侧，其中心间距15mm。

传感器外壳材料要求在环境温度、湿度改变的情况下，尺寸稳定性好。最终选择ABS+PC，因为其线膨胀系数很小，尺寸稳定性好，有良好的耐冲击性能。

由于流量传感器外壳和筛网都是高分子材料，为保证批量装配的一致性，二者之间采用较为成熟超声焊接的方式进行永久性连接。

2.3 主要误差分析及应对

传感器的主要误差来源于筛网材料本身的透气度误差。筛网供应商给出的筛网原料来料的最大透气度误差是±2.5%，这是由于筛网编织不均匀导致的。其中大部分的误差在±2%以内，可以通过筛选排除误差超出±2%的筛网，以提高误差精度。

考虑环境温度对筛网尺寸的影响：采用的PES的线膨胀系数为：12.35×10-5m/mk，假设环境温度从20˚C变化到40˚C，设计筛网的长度为50mm时，其长度变化率为0.247‰，尺寸变化量非常微小，可忽略不计。

筛网前后气体的湍流对压力采集的波动，随着流速的增大而增大。湍流的不稳定性，采用呼吸过滤器对局部不稳定气流，整流为稳定的气流；为减小管壁不平整所引起的波动，需要将管壁光洁度提高，最终将光洁度要求定在Ra0.4；为尽量减小采压口的气体波动，将采压口直径减小至2.0mm。

筛网张紧程度直接影响到测量性能，因此流量传感器超声焊接加工过程中要保证筛网一定的张紧程度和一致性。筛网四周360˚均与外框粘紧。筛网粘紧后网面平整，无松弛，无褶皱，网面无破损。筛网张紧力度需保持一致，力度小于（10±0.5）N，生产过程由特制工装来保证。

3.流量传感器后端处理

由于气体的动力学特性，大流速的情况下，传感器输出的压差波动剧烈，并影响流量测量精度。为了解决压差波动对精度的影响，在压差传递的路径中加入一定大小的气容，并设计特别的传递路径，过滤掉压力波动中的高频部分。压差信号输出更平稳，提高了测量精度。

关于后端的信号采样和滤波，由于所选用的压差传感器，具有分辨率高，噪声小的特点。采样频率达到220Hz，所以不需要增加额外的滤波算法，经过测试验证不增加滤波算法时的零点噪声±0.5Pa以内，能够满足精度要求。

在后端的压力信号处理上，采用的高分辨率压差传感器，压力分辨率达0.15Pa，测量精度达到0.5%。同时采用的电压稳定技术，在线路布局中和电流控制方面入手控制了电路的温度变化，为压差传感器提供一个电压稳定、温度恒定的工作环境。

4.小结

本款流量传感器模块采用新型透气薄膜材料形成压差，有效提高测试小流量时的压差值输出，从而提高了小流量的测量精度；采用倾斜式设计，在保证测量精度的同时大大降低流量传感器的体积，实现了小型化。传感器内部采用文丘里效应原理，提高了流量测量的分辨率；采用气容滤波，滤掉压力波动中的高频部分，降低了噪声；采用较高采样频率，保证了峰值流速的准确读取。

[1] 郑劲平,陈荣昌,钟南山.肺功能学-基础与临床[M].广东科技出版社,2007.

[2] 郑劲平,高怡.肺功能检查使用指南[M].人民卫生出版社,2014.

[3] 中华医学会呼吸病学分会肺功能专业组.肺功能检查指南(第二部分)——肺量计检查[J].中华结核和呼吸杂志,2014,37(7):481-486.

[4] 国家食品药品监督管理总局.YY/T 1438-2016麻醉和呼吸设备 评价自主呼吸者肺功能的呼气峰值流量计[S].2017-01-01.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.JJF1213-2008 肺通气功能测试仪校准规范[S].2009-01-01.