基于强迫振荡技术的传感器测量电路的设计

杨海勇 李国柱 刘华珠

(1.东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808;2.华南理工大学 电子与信息学院，广州 510640)

强迫振荡技术 (forced oscillation technique，FOT)检测呼吸阻力的原理是，通过振荡发生器产生一个特定频率和振幅的压力振荡，振荡波施加在受试者的呼吸气流之上并随气流进入气道和肺组织，测量经气道和肺组织吸收并折射的振荡压力和振荡流量，利用时域分析技术，计算振荡压力和流量的商即可获得系统的呼吸总阻抗 (impedance，Zrs)，习惯上称为呼吸阻力，通过对肺部呼吸阻力的分析可以有效地检测到受试者肺部患病情况［1］。

本文提出一种基于强迫振荡技术的振荡压力与振荡流量信号的测量方案。在三通分流器其中一端口上的强迫振荡发生器产生5 Hz的单频正弦信号，激励受试者的呼吸系统处于强迫振荡状态，受试者戴上呼吸鼻罩自然呼吸，通过传感器测量电路实时监测经受试者肺部反馈回来的振荡压力与振荡流量信号，所得的数据作为监测仪疾病诊断的依据。

1 振荡压力、振荡流量的测量原理

强迫振荡基本设想是在人呼吸系统中施加一个单频正弦型振荡信号，从而激发系统中的气体处于一种受迫振荡状态，然后用压力和流量传感器检测出这种压力波动幅度P和流量波动幅度˙V，将这样两个量相除可得到复数阻抗Z:

式中，R是实数部分代表呼吸系统的粘性阻力，jX是虚数部分代表呼吸系统的弹性和惯性阻力，j=在强迫振荡技术中，振荡压力与振荡流量的相位差用角度phi来表示:

phi是指正弦口腔压力和流量信号峰值之间的相位差，若压力峰值超前于流量峰值时则phi成正值，反之则为负值。它表示的是呼吸系统弹性和惯性阻力情况［2］。

2 传感器测量电路模块的结构

传感器测量电路模块［3－4］如图1的虚线框内所示，主骨架用一个三通分流器固定连接，可保持传感器测量模块的稳定性与可靠性。三通分流器水平相对的两个端口分别用于连接直线音圈电机与流量传感器，而竖直方向的分流口用于连接压力传感器。其中流量传感器的中心轴是空心的可感应双向流速信号即分正负方向，流量传感器另一端口需引出一接口用于连接呼吸鼻罩，这样可以使处于强迫振荡状态下的受试者呼吸的信号更顺畅地流经流量传感器，提高了测量的可靠性。传感器测量电路模块将实时检测到的振荡信号转换成相应的电参量输出。将采集的电信号经过低通滤波，滤除杂波。

图1 传感器信号采集模块框图

2.1 传感器的选型与定标［5］

2.1.1 压力传感器

本设计的压力传感器使用美国SMI公司出品的一款压差式压力传感器SM-5852-003-D-3-LR，它结合了先进的CMOS数字信号处理技术及最先进的压力传感器加工技术生产的具有放大、充分校准、多阶压力修正和温度补偿双列直插式封装的高性能压力传感器。其测量满量程是0～0.30 PSI，电压输出是0.50～4.5 V，与输入的压力成线性关系。在使用前还得做好相应的定标工作，求出输入量与输出量之间的转换关系。该定标过程如下:

1)准备一个10 mL量程的注射器与一个6 000 Pa量程的U型压力计，调整注射器每次以1 mL增量往U型压力计一端注入气体，通过观测压力计两端液面压力差便可求出与注射器相对应容量气体的压力值。具体测量值如表1所示。通过多次采样求均值得到注射器的每毫升气体压力值为351.875 Pa。

表1 U型管压力定标实验原始数据测量值

2)搭建好压力传感器最小系统电路，在传感器气管与注射器之间安装一个150 mL的规则缓冲器，调整注射器每次以0.5 mL的增量向缓冲器注射气体，然后固定好注射器的活塞，等压力传感器输出的电压稳定下来后才记录。压力传感器压力输入与电压输出之间的关系如表2所示。

表2 压力传感器压力输入与电压输出关系的原始数据表

3)利用步骤1)、2)可获得电压－压力对应的实验数据，如表格1所示，并将y-x对应描点，如图2所示，线性关系良好。在Excel中采用线性回归方法对数据分析得到回归参数:回归系数b=4.881 187;回归常量a:－12.378 5;相关系数r:0.998 322。相关性良好，电压与压力的关系式:y=4.881 187x－12.378 5。

图2 压力传感器输入与输出的线性关系图

2.1.2 流量传感器

流量传感器选用矽翔公司生产的FS6022B，它是专为医院便携式呼吸机而设计的双向气体流量传感器，内部集成了差分放大、温度补偿电路，可检测到的流量范围是0～±150 SLPM，电压输出范围为0～5 V，流量与电压成线性关系:Flow=Vout－2.5，Flow是以L/s为单位，Vout是以V为单位。

2.2 低通滤波电路

强迫振荡下的原始信号频带主要集中在0.3～5 Hz，因此可以分别在压力传感器与流量传感器的输出端设计一个低通滤波器以滤除系统噪声或交流电杂波等成分。SM5852系列压力传感器滤波电路可参考传感器技术文档，使用模拟输出时只需在输出端接一个一阶RC低通滤波电路即可。双向流量传感器FS6022B，在输出端可接一个6阶开关电容巴特沃斯低通滤波芯片MF6－100构成的低通电路，实验后所得的信号波形清晰、特征明显。

3 实验结果与分析

为了测试本电路模块的效果，设计了一个实验。利用STM32F103ZE处理器对传感器电路输出的振荡压力与振荡流量信号进行两路ADC数据采集，并将数据传送至计算机串口中，在MATLAB环境下，基于事件驱动的中断通信机制，从计算机的RS－232串口中读取数据并进行图形处理［7］。测试结果如图3、图4所示。从两组性能测试图来看，首先受试者的呼吸系统处于强迫振荡状态，其中压力传感器的正弦波动幅度较大，而流量传感器的正弦波动幅度较小，这些都正常地反映出整个呼吸检测系统的物理特性。

图3 压力传感器性能检测图

图4 流量传感器性能检测图

4 结语

我们设计的基于强迫振荡技术的传感器测量电路，能够很好地完成振荡压力信号与振荡流量信号的测量采集工作，特别是这两款传感器都使用了ASIC技术，具有较高的集成度，可以直接安装在PCB板上使用，大大简化了我们的电路设计，同时又具有功耗低、精确度高、稳定性好等特性，在实现监测仪的便携化起到关键作用。

［1］王华.强迫振荡技术在无创正压通气中的应用研究［D］.广州:广州医学院，2008.

［2］王佐刚，蔡孔长.采用强迫振荡法测量呼吸系统阻抗［J］.温州医学院学报，1981，81:90－95.

［3］Rigau J，Farré R，Roca J，et al.A portable forced oscillation device for respiratory home monitoring［J］.Eur Respir J，2002，19:146 －150.

［4］Dellacà R L，Santus P，Aliverti A，et al.Detection of expiratory flow limitation in COPD using the forced oscillation technique［J］.Eur Respir J，2004，23:232 －240.

［5］SMITH A J.选择适用于医学应用的气流和压力传感器［J］.今日电子，2010(11):27－28.

［6］杨成伟，苗康乐，刘纯贵.水声信号功率放大器的设计与实现［J］.电子设计工程，2010，18(11):54－57.

［7］李颀，张建军，李沙沙，等.基于串行通信的 MATLAB GUI在压力传感器中的标定软件设计［J］.计算机测量与控制，2010，18(7):1680－1669.