摘  要： 开发一种界面友好、可与医院联网的便携式无线多参数肺功能测试仪，由层流流量传感器、STM32处理器、LCD触摸显示屏和GPRS模块设计而成。该仪器可以测试常规肺功能指标、用力呼气肺量图部分平均通过时间(MTTp)、显示容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线，采用的触摸液晶屏为用户提供可视化操作界面，另外数据还可以通过GPRS传输到医院，实现远程医疗。测量的常规肺功能指标与标准肺功能仪的测量值无显著差异。该仪器体积小，成本低，界面友好，操作简单，适合推广到家庭和中小型医院使用。

　　关键词： 肺功能仪；STM32；便携；GPRS

0 引言

　　呼吸系统疾病是临床上常见的疾病，以肺功能障碍为明显特点，典型的如慢性阻塞性肺疾病(COPD)在国内的各城市发病率高达5%～13%[1]，而且伴随中国老龄化的不断加剧其发病率将不断上升。临床证实常规肺功能检测的指标是诊断COPD的金标准，是判断气流受限的客观依据，对肺功能的诊断、疾病进展、预后及治疗反应等均有重要意义[2]。非常规指标用力呼气肺量图部分平均通过时间是一个全面反应容积-时间曲线特征的参数，对小气道气流阻塞有更高的敏感性，对探索慢性支气管炎、支气管哮喘等慢性阻塞性的早期诊断具有重要临床意义。

　　目前国外虽有少数的小型肺功能仪上市，但因其显示界面简单、操作繁琐、仅有常规肺功能指标等缺点极大地限制了它们的应用，本文研制的无线多参数肺功能测试仪可检测的常规肺功能指标有：(1)用力肺活量(FVC)：深吸气后，用最大力量、最快速度所能呼出的最大气量；(2)第1 s用力呼气容积(FEV1.0)：最大呼气第1 s呼出的气量容积，相应的还有FEV2.0和FEV3.0；(3)1秒率：FEV1.0/FVC；(4)2秒率：FEV2.0/FVC；(5)最大分钟通气量(MVV)：单位时间内以最快的速度做最大自主努力呼吸所得到的通气量；(6)呼气峰流量(PEF)：用力呼气时的最高流量；(7)用力呼气25%肺活量时的瞬间流量(MFE75)，相应的还有MFE50和MFE25；(8)最大呼气中期流量(MMEF)：用力呼气量为25%～75%肺活量间的平均流量。仪器可检测的非常规肺功能指标有MTTp，指将用力呼气肺量图分成10等份后每一等份的用力呼气肺量平均排出时间，包含MTT20%~30%(20%～30%部分的用力呼气肺量图部分平均通过时间)，相应的还有MTT45%~55%和MTT70%~80%。仪器可显示的曲线包含容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线。另外测得数据还可通过GPRS模块无线传输到医院，实现远程医疗。

1 系统总体结构

　　本系统由层流流量传感器、低通滤波电路、STM32控制模块、LCD触摸显示模块、SD卡存储模块、GSM/GPRS模块、上位机接收及处理模块组成。气流经层流流量传感器后的信号经低通滤波电路滤除外界干扰后由STM32的ADC模块采集，采集的数据经处理后以波形的方式在LCD上实时显示；采集结束后肺功能参数将在LCD上显示，并可以txt文档形式保存在SD卡中，最后可由GPRS模块以无线方式传输到远端上位机；系统上位机界面用C#编程，用于接收数据并保存数据到数据库中，以及调取数据库数据来显示肺功能参数和曲线。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

　　2.1 微处理器

　　本文使用ST公司基于Cortex-M3内核的32位STM-

　　32F103RBT6单片机完成对气体流动引起的压力差电信号的采集、模/数转换、数据的处理、数据的无线发送、LCD触摸显示等功能。该单片机最高工作频率72 MHz，具有CAN、SPI、7个定时器和2个ADC模块等外设资源。

　　2.2 层流流量传感器模块

　　层流流量传感器是一种常见的测量呼吸流量的设备，其原理图如图2所示。该传感器由一定宽度的极薄的波纹钢板和平钢板叠放在一起绕制而成，绕制好的层流发生体将气流分成很多细流，形成泊肃叶流。由泊肃叶定律[3]：

　　式中，Q为通过流量计的气体体积流量，R为管径，为流体的粘度，L为管子的长度。由式(1)可以得出气体通过层流流量传感器的流量与其在层流发生体两端的静压力差成正比。本文使用SM-5852-001-D-1压差式传感器将两端气体压力差转换为电信号，该传感器测量量程为0～0.15 PSI，电压信号输出范围为0.5～4.5 V，电压输出与压力呈线性关系。

　　2.3 低通滤波电路

　　压差传感器SM-5852-001-D-1输出的电压信号混入了一定外界干扰噪声，由于人的呼吸频率范围在0.2~35 Hz，本文用二阶巴特沃思低通滤波电路，滤除35 Hz以上的干扰信号。由于输入的电源电压是+5 V，而放大器OP07D的额定工作电压为±5 V～±15 V，故系统用MAX232将输入的+5 V转化为±10 V供其使用。

　　2.4 GSM/GPRS模块

　　通用分组无线业务(GPRS)是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，提供端到端的连接和广域的无线IP连接。系统采用的GPRS为SIMCom公司的SIM900A模块，该模块体积小、功耗低，内嵌TCP/IP协议。STM32处理器与无线模块的物理接口为RS232，通过发送相应的“AT”指令即可完成对模块的操作。

3 系统软件设计

　　3.1 系统界面

　　采用C语言编写画图函数，调用相应函数接口，即可在LCD屏幕上显示UI界面。测试时用户只需触摸对应的控件即可进入相应的界面，引导用户操作，系统界面结构图如图3所示。

　　系统主界面由MVV测试、用力呼气测试、肺功能参数显示和无线上传控件组成。MVV测试控件：LCD实时显示流量-时间曲线，采集流量数据，得到MVV值；用力呼气测试控件：LCD实时显示流量-时间曲线，采集结束后得到肺功能参数；无线上传控件：执行GPRS模块初始化，STM32将数据发送到GPRS模块，通过GPRS模块将数据发送到上位机，数据发送完毕则屏幕上显示数据发送成功；参数显示控件：主要显示常规肺功能参数和非常规肺功能参数；曲线显示控件：触摸V-T、MEFV和Flow-T控件可显示V-T、MEFV和Flow-T曲线。

　　3.2 采样及滤波设计

　　本文采用了平均滤波法，对多次采样数据求平均。由于肺功能参数与时间有关，测试起始点和结束点的判断非常关键，这里通过设定流量阈值来排除外界干扰，当流量超过了设定的阈值后才开始保存数据，之后以200 Hz采集频率采集流量数据，每采4次数据取平均值后保存到数组中，在采集过程中若采样的时间超过1 s且采样值小于设定的阈值时则采集完毕，保存数据。

　　3.3 肺功能参数算法实现

　　(1)常规肺功能参数的计算：FVC为整个用力呼吸阶段流量的积分，其表达式为：

　　其中，N为采样位数，?驻t为采样间隔，flow(k)为每次采样的流量数据。MVV采集30 s的流量值并进行累加；FEV1.0利用定时采集累加当前流量，当定时满1 s时的总流量值即为FEV1.0，同样的方法可求得FEV2.0、FEV3.0、FEV1.0/FVC和FEV2.0/FVC；PEF通过寻找流量数组中最大值实现；MEF75通过在总流量数组中查找最接近25%的FVC的数组元素并获取其下标序号，由下标序号来提取对应的流量数组元素，同样的方法可求得MEF50、MEF25和MMEF。

　　(2)MTTp是根据Jordanoglou关于FVC-T曲线上每10%FVC段可考虑为线性的原则推导出计算公式[4]：

　　(3)在LCD屏幕上画出MEFV曲线、V-T曲线、Flow-T曲线，界面如图4所示。上述3种曲线的引入可直观且几乎全面地反映肺通气的所有信息，包括气流受限部位和程度等。

　　3.4 GPRS数据通信及上位机显示

　　该部分主要由三大部分组成，分别是STM32通过GPRS发送数据、上位机接收程序设计和界面程序设计。用C#语言和SQL数据库开发来实现与下位机的通信和对接收到的数据进行保存、绘图等功能，以达到采集系统与分析系统的良好交互性，其流程图如图5所示。

4 实验

　　4.1 压差与流量标定

　　用空气压缩机与浮子流量计对其定标，发现压差与流量成线性关系，压差以电压形式表示，如图6所示。由经验公式得知这是一元线性回归模型，在MATLAB下调用最小二乘法polyfit()函数对其进行评估拟合，得到拟合曲线y=0.008 2+4.736 1x。再对已建立的一元线性回归数学模型用regress()函数进行检验，将超出期望值的点剔除后用剩余的点重新计算，最终得到的曲线方程为

　　y=0.023 9+4.767 5x(4)

　　4.2 肺功能测试系统的效度分析

　　用医院肺功能室的标准肺功能仪(耶格Master Screen Diffusion)与本文研制的便携式肺功能仪进行对比来评价系统的效度。首先征集15例(男10例，女5例，年龄20~30岁，平均24岁)受试者在技师的指导下分别在便携式肺功能仪和标准肺功能仪上测量3次，并取其中最好的一次进行检验。用统计软件SPSS 19.0对数据进行相关分析和配对，检验结果采用相关系数(r)和平均值±标准差表示，r≥0.9表示高度相关，p>0.05则表示差异不显著，其结果见表1。

　　两种肺功能仪对同一病人所测得的肺功能参数值差异均不显著(p>0.05)，且相关系数大部分大于0.9，两仪器测出的指标之间存在高度相关性。

　　本文以STM32单片机为主控芯片，控制呼吸流量信号的采集、处理、显示和无线传输。实验结果表明仪器可以测试常规肺功能指标、用力呼气肺量图部分平均通过时间、显示容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线，提供的UI界面为用户提供可视化操作，还具有远程传输等功能以实现远程医疗，可为进一步研究肺功能测试仪在家用市场上发展提供参考。测量的常规肺功能指标与标准肺功能仪的测量值无显著差异，与普通便携式肺功能仪相比差异小，而且整个仪器体积小，成本低，非常适合推广到基层医院使用。

参考文献

　　[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.医学物理学(第六版)[M].北京：人民卫生出版社，2008.

　　[4] 黄桂芳，李家豪.用“简易计算法”对正常老中青少年和慢性阻塞性肺病患者MTTp的测定和临床应用[J].华西医学，1991，6(2)：142-146.