基于时差法超声波肺功能仪的研究与应用

杨俊成，李巧君

(河南工业职业技术学院计算机工程系，河南南阳473000)

1 引 言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)［1］是一种具有气流阻塞特征的慢性支气管炎或肺气肿，可进一步发展为肺心病或呼吸衰竭的常见慢性疾病。由于其患病人数多、死亡率高、社会经济负担重，已成为世界性的公共卫生问题。在我国COPD同样是严重的慢性呼吸系统疾病，钟南山［2］对我国7个地区的成年人群进行调查，发现40岁以上人群COPD的患病率为8．2%。鲍俊等［3］在合肥的调查研究发现COPD患病率为6．7%，其中COPD患者中轻度患者占76．7%，轻度无症状者43%。有研究表明［4］在我国COPD漏诊率高达70%。COPD早期可无任何临床症状，待出现明显咳嗽、咳痰、呼吸困难等症状时肺功能已经受到损害，因此COPD的早期诊断至关重要。基于时差法超声波肺功能仪通过对患者的肺活量(VC)、用力肺活量(FVC)、每分钟最大通气量(MVV)和每分钟通气量(MV)这四个方面的检测能够早期诊断出COPD，成为该领域的一个研究热点。

目前市场上的肺功能仪［5－6］有日本美能肺功能检测仪AS－507，采用热丝式流速传感器，流量范围为0～14 L/s，精度是3%或者50 ml的误差，需要线性校正，对气体成分敏感，不耐用且价钱昂贵。德国康讯肺功能仪、日本的捷斯特HI－105肺功能采用的是压差式流速传感器，需要温度和压力补偿，受干扰因素多，呼吸阻力大，很难全面清洗且容易堵塞。

肺功能仪利用超声波测量气体流量的方法［7－8］大致可分为四种:频差法、相差法、多普勒法和时差法。频差法精度高，受温度影响小，但对噪音、环境敏感，工作不稳定;相差法检测原理简单，精度较高，但易受环境影响;多普勒法测量在实际应用较少，因为精度受到散射体和温度变化的影响。

时差法的基本原理［9］是声波在流体中传播时，传播距离相同但有不同的传播时间，逆流方向声波传播速度会减小，顺流方向则会增大。利用传播时间之差与被测流体流速的关系求取流速，流速乘以管路截面积就是流量。时差法测量精度高，受温度、环境影响小，基于难度和可实现性两方面因素的考虑，目前生产最多、应用范围最广的气体超声波流量［10－11］采用时差法来实现。时差法具有如下特点:

(1)精度提高比较困难。由于超声波在气体中的传播效率比较低，信号衰减比较大，并且超声波的频率高，噪声大，信噪比难提高，而且肺功能仪的管径非常小，精度提高比较困难。

(2)时间差要求比较精确。为了保证测量的下限范围，超声波顺流和逆流的时间差测量的分辨率需到ns级，这个时间差的测量相当困难。

以30 mm管径，换能器夹角45°，声速340 m/s，K=1 为例

其中:Q瞬是瞬间流量;D是管径的直径;K为动力因子。

要将 Q瞬测到 0．05 L/s，(t12－t21)的分辨率至少要到 0．05/1．362 μs，即 36．7 ns。

2 基于时差法的超声波肺功能仪

肺功能的检测对基础医学和临床医学都具有重要的意义，但超声波［12－13］在气体中的传播效率比较低，频率高，噪声大，信噪比难提高，因此对它的有效提取方法需要很高的要求。本文针对目前临床提出的对精度和时间差要求比较高的情况下，采用高性能的处理器和时间芯片，选择适当的动力学因子，提出用阀值法和自动增益放大电路来提高信号的稳定性和检测的精确性。

本文所使用的肺功能仪使用了如下的技术:

(1)采用基于 ARM Cortex－M内核的STM32F103ZE为处理器，时钟频率可达72 MHz，采用时间数字转换芯片TDC－GP21作为计时芯片，计时精度可达45 ps，而且在TDC－GP21内部高度集成化。利用其可实现500 ns～4 ms的时间计时，外部只需晶振和电容设计出高精度的时间测量系统，能满足系统对时间精度的要求。

(2)动力学因子K的选择。超声波顺流从传感器2传送到传感器1，则被流体流速加快为:

超声波逆流从传感器1传送到传感器2，则被流体流速减慢为:

式(1)－式(2)并整理，得:

因为测量得到的顺、逆向上的传播时间t12，t21包含了换能器、电缆、电路等产生的固有电声延时r12，r21，须扣除其影响，所以式(3)可以改写为:

由于两路超声波的电路基本一致，r12=r21，并且t12和t21的数量级为几百μs，r12和r21的数量级为几ns，所以理论上可以忽略r12和r21的影响。

由于管壁的摩擦黏滞作用使流体在管道载面上存在着流速分布，对于在中心线上的单通道超声波流量计，其测量的流速v实际上是管道截面内直径上的线平均速度，而测量流量需要的是管道内截面的面平均流速vm，它们并不相等。当雷诺数大于4 000时，流体呈紊流状态，线平均流速与面平均流速之间的关系存在一动力学因子K，即:

管路的直径为D，从而可得瞬时体积流量:

式(3)代入式(6)得:

只需测量出t21和t12就可以求出流量Q瞬，在连续测量中，只要逐次将测得的Q瞬值对时间积分，就可得到任意时间段内的累积流量Q累。根据实际的需要，采样频率设在50～250 Hz，即最快每4 ms测量一次t12和t21。

(3)利用阀值过零检测法来确定超声波形的到达时刻。首先在上电初始化时，STM32会分别控制上下游超声波探头发射接收，然后逐步增加电压比较器的阈值并测量这个时候的回波时间，由此方法可以找到超声波回波的最合适阈值。想要准确地测试超声波信号在气体的传播时间，就要准确地捕捉到超声波接收信号到达的时刻，根据超声波换能器的固有频率，为防止干扰设置一阀值，当接收信号到达阀值电压后的第一个过零点设为信号到达的时刻。

(4)自动增益技术。在实际测量流量的过程中，因为超声波回波会随着气体流速增加，幅值会衰减，所以需要程控放大器(根据峰值监测电路反馈的峰值电压来调整放大倍数)，结合动态阈值算法来完成整个流量量程的测量。

3 实验结果

3.1 FVC 数据测试

FVC是被测试者用力呼气时所能呼出的最大气量。当受试者没有呼气到最后时，FVC容量曲线会变得很小，FEV1．0/FVC的测量值总是会被高估(FEV1．0%肺活量的一秒率=第一秒的用力肺活量容积占总用力肺活量的比率)，如图1所示。

图1 FVC实验结果图Fig．1 Experiments figure of FVC

被测试者是否存在COPD的一个判定标准是FEV1．0/FVC＜70%。但是在上述情况下是不能进行正确的COPD阶段分类根据测试结果绘制曲线。根据测得的时间差来算出瞬时流量，对瞬时流量积分得出气体体积，根据流量与时间的关系，体积与时间的关系，流量与体积的关系可以画出VC，MV，MVV三个测试项目的曲线并求出相应的参数。从图1不难看出，本文所提出的方法能高效地计算出FEV1．0/FVC的值，从而进一步判定COPD的存在。

3.2 VC 数据测试

当确认最大吸气水平和最大呼气水平容量曲线不再改变后(平台期)有2 s的平台期，呼气和吸气是均恒的。

3.3 MV/MVV 数据测试

演算处理是根据结尾点的通气容量进行的，回到测试数据窗口，并且显示测量结果，如图2所示。

图2 MVV/MV测试画面图Fig．2 Test figure of MVV/MV

4 总 结

本文根据超声波测量气体的方法，研究超声波测量气体的基本原理和方法。依据超声波的处理方法和临床检测标准，为了便于观察信号的时域图、频域图、时频分布图和定量指标相关率与信噪比，采用图形化编程语言Labview建立信号处理系统，并搭建了以STM32和TDC－GP21为核心的硬件电路，用增益放大电路来提高系统的稳定性，最后实验结果表明该方法的可行性。。

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