蓝牙肺功能仪的设计

梁锐 姚楷南 邓英强 陈建民

[摘要] 目的 设计研发一种可以检测常用肺功能参数的蓝牙便携式设备。 方法 采用单片机为主控模块采集、处理高精度压敏电阻数据，通过定标参数、线性插值的方法来计算测试数据。测试蓝牙肺功能仪的标准呼吸模拟器误差和实际测量误差。 结果 蓝牙肺功能仪设计成功，可以监测用力呼气容量（FVC）、峰值呼气流速、一秒用力呼气容积（FEV1）以及FEV1/FVC值。仪器符合要求且与耶格肺功能测试仪比较，6名受试者通过蓝牙肺功能仪测得的测量误差都在5%以内。 结论 该设备小巧方便，能够满足临床以及家庭测试的应用要求。

[关键词] 肺功能仪;Android平台;蓝牙4.0;便携

[中图分类号] R473.3          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）01（c）-0008-05

Design of bluetooth lung function instrument

LIANG Rui  YAO Kainan  DENG Yingqiang  CHEN Jianmin

1.Department of Pediatrics， the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine， Guangdong Province， Guangzhou   510405， China; 2.Department of Pulmonary Diseases， Shenzhen Bao′an Hospital of Traditional Chinese Medicine， Guangdong Province， Shenzhen   518101， China; 3.Department of Research and Development， Guangzhou Changhu Medical Devices Co. Ltd， Guangdong Province， Guangzhou   510000， China

[Abstract] Objective To design and develop a bluetooth portable device which can detect common lung function parameters. Methods The data of high precision varistor were collected and processed by single chip microcomputer. And the test data were calculated by calibration parameters and linear interpolation. Standard breathing simulator error and actual measurement error for testing bluetooth lung function meter. Results The bluetooth lung function instrument was designed successfully， which could monitor forced vital capacity （FVC）， peak expiratory flow， forced expiratory volume in one second （FEV1） and FEV1/FVC. The requirement was met by the bluetooth pulmonary function. Compared with the yeger pulmonary function tester， the measuring error by the bluetooth pulmonary function tester of six subjects were all within 5%. Conclusion The device is small and convenient， and can meet the application requirements of clinical and home tests.

[Key words] Lung functional instrument; Android platform; Bluetooth 4.0; Portable

20世紀50年代末，美国已有学者提出健康管理的概念[1]，是指最终以实现全人全程全方位的健康管理[2]。世界卫生组织（WHO）提出，慢性病将对人群健康产生严重影响[3]。在我国，近年来慢性病导致的死亡和疾病负担分别占全国的85%和70%，已成为重大的公共卫生问题[4]。调查显示[5]，全国仅有11.8%的疾控机构专职慢性病防控人数≥5%。国外研究显示[6]，健康管理软件干预慢性病可改善其症状和疾病预后。截至2013年，全美已有52%的医院提供各种方式的远程医疗，另有10%的医院准备提供远程医疗[7]。支气管哮喘是儿童常见的慢性呼吸道疾病之一，消耗着巨大的医疗卫生资源[8]。2011年支气管哮喘全球防治倡议（GINA）委员会报道称全球已有约3亿的哮喘患者，且患病率仍在上升，发展中国家尤为明显;而在不同年龄的人群中，儿童哮喘的患病率上升最为明显[9]。1990年及2000年两次全国规模儿童哮喘患病率调查比较提示[10]，10年期间我国儿童哮喘两年现患病率上升了54.0%。2013年全国儿科哮喘协作组进行的第三次中国城市儿童哮喘流行病学调查结果显示[11]，我国城市0～14岁儿童哮喘两年现患病率较10年前增加。

儿童哮喘的管理需要一系列的配合，其中评估和监测哮喘的严重程度[12]，离不开肺功能数据的监测。为了更好地监测儿童肺功能数据，本课题组研发出一个基于蓝牙肺功能仪的儿童哮喘管理工具，该仪器小巧方便，适合临床应用、家庭用户自主测试，可准确测量用力呼气容量（forced vital capacity，FVC）、峰值呼气流速（peak expiratory flow，PEF）、一秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second，FEV1）以及FEV1/FVC值。同时，检测的参数通过无线传输模块上传至智能移动终端，实现高效、便捷、准确的儿童哮喘慢病管理。

1 方法

1.1 蓝牙肺功能仪整体结构及原理

1.1.1 原理  固定气流流通管道中气流作用在弹片上的压力与流速的线性关系测定流量。

1.1.2 结构  在吹气通道上装有弹片，弹片上贴有一压敏电阻。气流经过固定结构的气流通道时，弹片会产生形变，压敏电阻将弹片的形变信号转成电信号，流速越快，弹片形变越大，电信号越强。见图1。

1.2 蓝牙肺功能仪硬件设计

1.2.1 硬件框架  硬件由流速（压力）传感器、AD信号采样处理电路、STM32控制模块、LCD显示模块、LED指示灯、蜂鸣器、电源管理电路、蓝牙模块、手机APP及云服务器组成。见图2。

1.2.2 传感器信号采集电路模块原理  传感器采用高精度的半桥压敏电阻，信号采集处理采用高精度模数转换器JHM1102。JHM1102对传感器信号进行高精度放大和14-bit精度的模数转换，STM32主控芯片通过单线接口连接JHM1102，每隔10 ms读取一次瞬时测量数据。见图3。

1.2.3 蓝牙数据透传模块  主控芯片与微信蓝牙模块测量时，STM32主控每10 ms读取一次传感器数值，经过校准数组的修正计算后得出Vs（t），再通过蓝牙模块将数据透传到手机APP端。蓝牙模块采用TI公司的低功耗蓝牙4.0芯片CC2541。见图4。

1.3 蓝牙肺功能仪软件设计

1.3.1 嵌入式软件框架  嵌入式软件程序的关键在于如何判断患者吹气的起始点和结束点，及时将数据传到Android端。见图5。

1.3.2 Android端软件设计  Android端軟件设计是基于Java语言编写，采用传统蓝牙4.0传输数据。在Android端实时显示吹气曲线，快速获取气流量峰值（PEF）、FVC、FEV1、FEV3、FEV6、FEV1/FVC等指标，协助医生判断患者的病情;同时也可以查看患者的肺功能指标记录、趋势历史，为诊断提供参考依据。见图6。

1.3.3 Android端软件测试流程  Android端界面主要由蓝牙扫描控件、图形显示窗口、数据显示窗口组成。将蓝牙肺功能仪与Android端连接，当有数据传输到Android端时，APP接收到数据经过智能分析、扫描绘图后显示各个指标、容量和流量曲线。见图7。

1.4 肺功能参数算法设计

仪器每隔10 ms采集一次数据为瞬时体积流量Q瞬，逐次将测得的Q瞬值对时间积分，就可得到任意时间段内的累积流量V。PEF取最大Q瞬值;FVC指吹气过程将测得的Q瞬值对应的时间积分;FEV1指吹气前1秒内将测得的Q瞬值对时间积分;采样时间为10 ms，故1 s内有100个采样数据，n = 60。见图8。

1.5 仪器算法与校准

仪器出厂前需校准。通过标准气筒输出设定流速的气体，此时读到的传感器的值就对应修正为设定的流速值，每隔30 lpm修正一个值。

1.6 误差分析

1.6.1 标准呼吸模拟器误差测试  标准呼吸模拟器误差由华南国家计量测试中心广东省计量科学研究院（以下简称“计量局”）测试。

1.6.2 实际测量误差测试  本研究共征集6名受试者，其中男3名，女3名;平均年龄（24.83±2.54）岁;平均身高（166.75±5.84）cm;平均体重（54.42±6.64）kg。在广州中医药大学第一附属医院专业医师的指导下比较耶格肺功能测试仪（德国耶格公司，型号：V-781332）和蓝牙肺功能测试仪测试的FVC、PEF、FEV1与FEV1/FVC的测量误差值。

2 结果

2.1 蓝牙肺功能仪设计结果

蓝牙肺功能仪设计成功，可以用于监测FVC、PEF、FEV1以及FEV1/FVC。同时，检测参数可以通过无线传输模块上传至智能移动终端。该仪器与手机端APP连接后，手机端界面能清晰地显示呼气的容积-时间曲线和各参数值。

2.2 蓝牙肺功能测试仪测试结果

2.2.1 标准呼吸模拟器误差检测结果  经计量局测量后，仪器符合要求。见图9。

2.2.2 实际测量误差结果  与耶格肺功能测试仪比较，蓝牙肺功能测试仪测得的FVC、FEV1、PEF、FEV1/FVC的测量误差都在5%以内。见表1。

3 讨论

传统肺功能监测主要是通过医院大型的肺功能仪器进行，依从性差[13-15]、难以实时监控[16-17]、费用高[18]、难以完成哮喘的家庭管理[19-20]。目前临床中也有应用各种便携式的峰流速仪进行肺功能监测，取得一定的临床效果[21-23]，但其只能检测PEF，无法检测FVC、FEV1等重要的肺功能数据，难以较完整地完成肺功能的测定及评估。基于目前儿童哮喘管理现状的不足以及肺功能监测过程中遇到的问题，本课题组研发出一个基于蓝牙肺功能仪的儿童哮喘管理工具，目前样机基本完成，已完成硬件电路并调试通过、软件编写及调试、3D打印外壳等结构制作。该仪器小巧方便，不仅适合临床应用，也适用于家庭用户自主测试以及基层巡诊等场合，具有良好的应用前景。后续研究可通过微信服务号开发平台，采用HTML5技术规范开发微信患者服务端和微信医生管理端;通过java spring mvc、mybatis、thymeleaf、ehcache、shiro等技术框架联合开发后台云服务器端存储、管理数据。这样增加的微信患者服务端、微信医生管理端及存储采集数据的后台云服务器端配合蓝牙肺功能仪可组成一个集系统化、智能化、网络化、便携化，集疾病预防、诊疗、随访、健康宣教于一体的哮喘管理平台。

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（收稿日期：2019-10-21  本文编辑：刘明玉）

[基金项目] 广东省医学科学技术研究基金项目（B2017069）。