摘  要： 開發一種界面友好、可與醫院聯網的便攜式無線多參數肺功能測試儀，由層流流量傳感器、STM32處理器、LCD觸摸顯示屏和GPRS模塊設計而成。該儀器可以測試常規肺功能指標、用力呼氣肺量圖部分平均通過時間(MTTp)、顯示容積-時間曲線、流量-時間曲線、流量-容積曲線，采用的觸摸液晶屏為用戶提供可視化操作界面，另外數據還可以通過GPRS傳輸到醫院，實現遠程醫療。測量的常規肺功能指標與標準肺功能儀的測量值無顯著差異。該儀器體積小，成本低，界面友好，操作簡單，適合推廣到家庭和中小型醫院使用。

　　關鍵詞： 肺功能儀；STM32；便攜；GPRS

0 引言

　　呼吸系統疾病是臨床上常見的疾病，以肺功能障礙為明顯特點，典型的如慢性阻塞性肺疾病(COPD)在國內的各城市發病率高達5%～13%[1]，而且伴隨中國老齡化的不斷加劇其發病率將不斷上升。臨床證實常規肺功能檢測的指標是診斷COPD的金標準，是判斷氣流受限的客觀依據，對肺功能的診斷、疾病進展、預后及治療反應等均有重要意義[2]。非常規指標用力呼氣肺量圖部分平均通過時間是一個全面反應容積-時間曲線特征的參數，對小氣道氣流阻塞有更高的敏感性，對探索慢性支氣管炎、支氣管哮喘等慢性阻塞性的早期診斷具有重要臨床意義。

　　目前國外雖有少數的小型肺功能儀上市，但因其顯示界面簡單、操作繁瑣、僅有常規肺功能指標等缺點極大地限制了它們的應用，本文研制的無線多參數肺功能測試儀可檢測的常規肺功能指標有：(1)用力肺活量(FVC)：深吸氣后，用最大力量、最快速度所能呼出的最大氣量；(2)第1 s用力呼氣容積(FEV1.0)：最大呼氣第1 s呼出的氣量容積，相應的還有FEV2.0和FEV3.0；(3)1秒率：FEV1.0/FVC；(4)2秒率：FEV2.0/FVC；(5)最大分鐘通氣量(MVV)：單位時間內以最快的速度做最大自主努力呼吸所得到的通氣量；(6)呼氣峰流量(PEF)：用力呼氣時的最高流量；(7)用力呼氣25%肺活量時的瞬間流量(MFE75)，相應的還有MFE50和MFE25；(8)最大呼氣中期流量(MMEF)：用力呼氣量為25%～75%肺活量間的平均流量。儀器可檢測的非常規肺功能指標有MTTp，指將用力呼氣肺量圖分成10等份后每一等份的用力呼氣肺量平均排出時間，包含MTT20%~30%(20%～30%部分的用力呼氣肺量圖部分平均通過時間)，相應的還有MTT45%~55%和MTT70%~80%。儀器可顯示的曲線包含容積-時間曲線、流量-時間曲線、流量-容積曲線。另外測得數據還可通過GPRS模塊無線傳輸到醫院，實現遠程醫療。

1 系統總體結構

　　本系統由層流流量傳感器、低通濾波電路、STM32控制模塊、LCD觸摸顯示模塊、SD卡存儲模塊、GSM/GPRS模塊、上位機接收及處理模塊組成。氣流經層流流量傳感器后的信號經低通濾波電路濾除外界干擾后由STM32的ADC模塊采集，采集的數據經處理后以波形的方式在LCD上實時顯示；采集結束后肺功能參數將在LCD上顯示，并可以txt文檔形式保存在SD卡中，最后可由GPRS模塊以無線方式傳輸到遠端上位機；系統上位機界面用C#編程，用于接收數據并保存數據到數據庫中，以及調取數據庫數據來顯示肺功能參數和曲線。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

　　2.1 微處理器

　　本文使用ST公司基于Cortex-M3內核的32位STM-

　　32F103RBT6單片機完成對氣體流動引起的壓力差電信號的采集、模/數轉換、數據的處理、數據的無線發送、LCD觸摸顯示等功能。該單片機最高工作頻率72 MHz，具有CAN、SPI、7個定時器和2個ADC模塊等外設資源。

　　2.2 層流流量傳感器模塊

　　層流流量傳感器是一種常見的測量呼吸流量的設備，其原理圖如圖2所示。該傳感器由一定寬度的極薄的波紋鋼板和平鋼板疊放在一起繞制而成，繞制好的層流發生體將氣流分成很多細流，形成泊肅葉流。由泊肅葉定律[3]：

　　式中，Q為通過流量計的氣體體積流量，R為管徑，為流體的粘度，L為管子的長度。由式(1)可以得出氣體通過層流流量傳感器的流量與其在層流發生體兩端的靜壓力差成正比。本文使用SM-5852-001-D-1壓差式傳感器將兩端氣體壓力差轉換為電信號，該傳感器測量量程為0～0.15 PSI，電壓信號輸出范圍為0.5～4.5 V，電壓輸出與壓力呈線性關系。

　　2.3 低通濾波電路

　　壓差傳感器SM-5852-001-D-1輸出的電壓信號混入了一定外界干擾噪聲，由于人的呼吸頻率范圍在0.2~35 Hz，本文用二階巴特沃思低通濾波電路，濾除35 Hz以上的干擾信號。由于輸入的電源電壓是+5 V，而放大器OP07D的額定工作電壓為±5 V～±15 V，故系統用MAX232將輸入的+5 V轉化為±10 V供其使用。

　　2.4 GSM/GPRS模塊

　　通用分組無線業務(GPRS)是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務，提供端到端的連接和廣域的無線IP連接。系統采用的GPRS為SIMCom公司的SIM900A模塊，該模塊體積小、功耗低，內嵌TCP/IP協議。STM32處理器與無線模塊的物理接口為RS232，通過發送相應的“AT”指令即可完成對模塊的操作。

3 系統軟件設計

　　3.1 系統界面

　　采用C語言編寫畫圖函數，調用相應函數接口，即可在LCD屏幕上顯示UI界面。測試時用戶只需觸摸對應的控件即可進入相應的界面，引導用戶操作，系統界面結構圖如圖3所示。

　　系統主界面由MVV測試、用力呼氣測試、肺功能參數顯示和無線上傳控件組成。MVV測試控件：LCD實時顯示流量-時間曲線，采集流量數據，得到MVV值；用力呼氣測試控件：LCD實時顯示流量-時間曲線，采集結束后得到肺功能參數；無線上傳控件：執行GPRS模塊初始化，STM32將數據發送到GPRS模塊，通過GPRS模塊將數據發送到上位機，數據發送完畢則屏幕上顯示數據發送成功；參數顯示控件：主要顯示常規肺功能參數和非常規肺功能參數；曲線顯示控件：觸摸V-T、MEFV和Flow-T控件可顯示V-T、MEFV和Flow-T曲線。

　　3.2 采樣及濾波設計

　　本文采用了平均濾波法，對多次采樣數據求平均。由于肺功能參數與時間有關，測試起始點和結束點的判斷非常關鍵，這里通過設定流量閾值來排除外界干擾，當流量超過了設定的閾值后才開始保存數據，之后以200 Hz采集頻率采集流量數據，每采4次數據取平均值后保存到數組中，在采集過程中若采樣的時間超過1 s且采樣值小于設定的閾值時則采集完畢，保存數據。

　　3.3 肺功能參數算法實現

　　(1)常規肺功能參數的計算：FVC為整個用力呼吸階段流量的積分，其表達式為：

　　其中，N為采樣位數，?駐t為采樣間隔，flow(k)為每次采樣的流量數據。MVV采集30 s的流量值并進行累加；FEV1.0利用定時采集累加當前流量，當定時滿1 s時的總流量值即為FEV1.0，同樣的方法可求得FEV2.0、FEV3.0、FEV1.0/FVC和FEV2.0/FVC；PEF通過尋找流量數組中最大值實現；MEF75通過在總流量數組中查找最接近25%的FVC的數組元素并獲取其下標序號，由下標序號來提取對應的流量數組元素，同樣的方法可求得MEF50、MEF25和MMEF。

　　(2)MTTp是根據Jordanoglou關于FVC-T曲線上每10%FVC段可考慮為線性的原則推導出計算公式[4]：

　　(3)在LCD屏幕上畫出MEFV曲線、V-T曲線、Flow-T曲線，界面如圖4所示。上述3種曲線的引入可直觀且幾乎全面地反映肺通氣的所有信息，包括氣流受限部位和程度等。

　　3.4 GPRS數據通信及上位機顯示

　　該部分主要由三大部分組成，分別是STM32通過GPRS發送數據、上位機接收程序設計和界面程序設計。用C#語言和SQL數據庫開發來實現與下位機的通信和對接收到的數據進行保存、繪圖等功能，以達到采集系統與分析系統的良好交互性，其流程圖如圖5所示。

4 實驗

　　4.1 壓差與流量標定

　　用空氣壓縮機與浮子流量計對其定標，發現壓差與流量成線性關系，壓差以電壓形式表示，如圖6所示。由經驗公式得知這是一元線性回歸模型，在MATLAB下調用最小二乘法polyfit()函數對其進行評估擬合，得到擬合曲線y=0.008 2+4.736 1x。再對已建立的一元線性回歸數學模型用regress()函數進行檢驗，將超出期望值的點剔除后用剩余的點重新計算，最終得到的曲線方程為

　　y=0.023 9+4.767 5x(4)

　　4.2 肺功能測試系統的效度分析

　　用醫院肺功能室的標準肺功能儀(耶格Master Screen Diffusion)與本文研制的便攜式肺功能儀進行對比來評價系統的效度。首先征集15例(男10例，女5例，年齡20~30歲，平均24歲)受試者在技師的指導下分別在便攜式肺功能儀和標準肺功能儀上測量3次，并取其中最好的一次進行檢驗。用統計軟件SPSS 19.0對數據進行相關分析和配對，檢驗結果采用相關系數(r)和平均值±標準差表示，r≥0.9表示高度相關，p>0.05則表示差異不顯著，其結果見表1。

　　兩種肺功能儀對同一病人所測得的肺功能參數值差異均不顯著(p>0.05)，且相關系數大部分大于0.9，兩儀器測出的指標之間存在高度相關性。

　　本文以STM32單片機為主控芯片，控制呼吸流量信號的采集、處理、顯示和無線傳輸。實驗結果表明儀器可以測試常規肺功能指標、用力呼氣肺量圖部分平均通過時間、顯示容積-時間曲線、流量-時間曲線、流量-容積曲線，提供的UI界面為用戶提供可視化操作，還具有遠程傳輸等功能以實現遠程醫療，可為進一步研究肺功能測試儀在家用市場上發展提供參考。測量的常規肺功能指標與標準肺功能儀的測量值無顯著差異，與普通便攜式肺功能儀相比差異小，而且整個儀器體積小，成本低，非常適合推廣到基層醫院使用。

參考文獻

　　[1] Fang Xiaocong，Wang Xiangdong，Bai Chunxue.COPD in China：the burden and importance of proper management[J].CHEST，2011，139(4)：920-929.

　　[2] SORIANO J B，ZIELINSKI J.Screening for and early detection of chronic obstructive pulmonary disease[J].The Lancet，2009，374(9691)：721-732.

　　[3] 胡新珉.醫學物理學(第六版)[M].北京：人民衛生出版社，2008.

　　[4] 黃桂芳，李家豪.用“簡易計算法”對正常老中青少年和慢性阻塞性肺病患者MTTp的測定和臨床應用[J].華西醫學，1991，6(2)：142-146.