專利名稱：一種小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，屬于生物醫(yī)學(xué)研究中的生理參數(shù)指標(biāo)測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
呼吸，即人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的總過程。呼吸力學(xué)是以工程學(xué)的觀點(diǎn)和方法研究呼吸系統(tǒng)的力學(xué)問題。研究呼吸力學(xué)問題，是希望能有助于對呼吸生理的了解，進(jìn)而對人體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。呼吸力學(xué)參數(shù)是評價(jià)肺功能，進(jìn)而評定呼吸功能以及人體狀態(tài)的重要生理參數(shù)。因此，呼吸力學(xué)參數(shù)的測量對于研究評價(jià)肺功能具有重要作用。呼吸力學(xué)檢測不同于常規(guī)意義上的肺功能測定，其包含的項(xiàng)目更廣泛，包括常規(guī)的呼吸力學(xué)參數(shù)(呼吸頻率、潮氣量等)、特殊呼吸力學(xué)參數(shù)(動(dòng)態(tài)順應(yīng)性等)、呼吸波形和環(huán)(流量-時(shí)間波形、 壓力-流量環(huán)等)、肺功能測定(肺活量等)。目前，大多數(shù)呼吸力學(xué)參數(shù)測試儀器主要是基于最基本的參數(shù)氣體流量及壓力的獲取，把需要測量的呼吸力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以識別、處理的電參數(shù)，然后通過信號處理系統(tǒng)處理后，通過相應(yīng)的運(yùn)算、顯示單元得到的。典型的呼吸力學(xué)參數(shù)測試設(shè)備有德國CORTEX公司METAMAX;3B系列、耶格公司Oxygen系列，美國森迪斯Vmax^系列和麥加菲公司Caidio2TM系列，意大利科時(shí)邁(Cosmed)公司Quark 系列等，具有較高的測試精度并已用于臨床。但是，這些設(shè)備中由于采用了現(xiàn)有的較大功耗及體積的傳感器，同時(shí)，還集成了臨床監(jiān)護(hù)等功能，造成體積大、功耗大，且成本高，不便攜帶到等缺點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
針對目前市場化的呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置體積大、功耗大的問題，本發(fā)明提出了一種小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，以滿足市場需求。本發(fā)明的小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，包括數(shù)據(jù)獲取單元、數(shù)據(jù)處理和顯示單元，所述數(shù)據(jù)處理單元由信號放大/濾波電路、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集單元、 氣體流量/氣體壓力解算單元、呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元組成，其中數(shù)據(jù)獲取單元主要用于對人體呼出氣體的壓力及流量信號進(jìn)行獲取，并把其轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行測試及處理的電學(xué)信號，數(shù)據(jù)處理單元用于實(shí)現(xiàn)對電信號的放大、濾波及參數(shù)還原，數(shù)據(jù)顯示單元用于對呼吸力學(xué)參數(shù)信號的顯示及存儲(chǔ)，其特征在于所述數(shù)據(jù)獲取單元為復(fù)合型氣體流量-氣體壓力傳感器，包括固定厚金屬電容極板、薄金屬電容極板、絕緣固定底座、弱電容檢測電路，其中， 薄金屬電容極板與固定厚金屬電容極板組成平板電容器，固定于絕緣固定底座，固定厚金屬電容極板和薄金屬電容極板分別接在弱電容檢測電路的負(fù)極與正極，用于敏感由于氣體壓力及流量作用于薄金屬電容極板導(dǎo)致的電容量的變化，弱電容檢測電路用于測量由于薄金屬電容極板與固定厚金屬電容極板之間的電容發(fā)生變化，并將該電容信號轉(zhuǎn)換為電壓變化，作為數(shù)據(jù)處理單元的輸入信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明采用復(fù)合式氣體流量-氣體壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了對氣體流量及壓力的同步測量，不但減小了傳感器的體積，還降低了系統(tǒng)功耗，符合本發(fā)明小型化、低功耗及便攜式的目標(biāo)；(2)本發(fā)明通過采用A/D轉(zhuǎn)化方法、數(shù)字化數(shù)據(jù)單元采集及處理單元，不但減小了系統(tǒng)體積，還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、在線、高速處理，符合本發(fā)明中高速、在線采集的目標(biāo)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置做進(jìn)一步的描述。本發(fā)明小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，依據(jù)所有呼吸力學(xué)參數(shù)都是基于氣體流量及壓力兩個(gè)參數(shù)合成得到這一特點(diǎn)，是一種基于氣體流量及壓力的呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，不但實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)的小型化，還降低了系統(tǒng)功耗。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)獲取單元、數(shù)據(jù)處理和顯示單元，其中數(shù)據(jù)獲取單元用于敏感人體基本的呼吸參數(shù)包括氣體流量及壓力，把其轉(zhuǎn)換為可測試的電學(xué)信號。數(shù)據(jù)處理單元用于實(shí)現(xiàn)對電學(xué)信號的放大、濾波及參數(shù)還原，顯示單元用于對氣體流量、壓力及其合成的呼吸力學(xué)參數(shù)的顯示。其中數(shù)據(jù)獲取單元包括復(fù)合型氣體流量-氣體壓力傳感器1，固定厚金屬電容極板2、薄金屬電容極板3、絕緣固定底座4、弱電容檢測電路5，其中，薄金屬電容極板3與固定厚金屬電容極板2組成平板電容器，固定于絕緣固定底座4，固定厚金屬電容極板2和薄金屬電容極板3的輸出電極分別接在弱電容檢測電路5的負(fù)極與正極，弱電容檢測電路5用于測量由于薄金屬電容極板3與固定厚金屬電容極板2之間的電容發(fā)生變化，并將該電容信號轉(zhuǎn)換為電壓變化，作為數(shù)據(jù)處理單元的輸入信號。數(shù)據(jù)處理單元由信號放大/濾波電路6、A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路7、數(shù)據(jù)采集單元8、氣體流量/氣體壓力解算單元9、呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元 10組成，其中放大/濾波電路6將數(shù)據(jù)獲取單元輸出的模擬電壓進(jìn)行放大濾波形成連續(xù)的模擬電壓信號，A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路7將該連續(xù)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出電壓信號， 數(shù)據(jù)采集單元8用于實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行采集，氣體流量/氣體壓力解算單元9將采集的電壓信號解算為標(biāo)準(zhǔn)的氣體壓力及氣體流量信號，呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元10將該氣體流量及氣體壓力轉(zhuǎn)換為呼吸力學(xué)參數(shù)。顯示單元由IXD顯示/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元11組成， 用于對呼吸力學(xué)參數(shù)進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)。由于所有呼吸力學(xué)參數(shù)都是基于人體呼出氣體流量及壓力兩個(gè)基本參數(shù)，通過相關(guān)合成算法計(jì)算得到，其核心為復(fù)合型氣體流量-氣體壓力傳感器1。測試過程中人呼吸出的氣體直接與系統(tǒng)的復(fù)合型氣體流量-氣體壓力傳感器1相連，當(dāng)具有一定流量及壓力的氣體作用于固定厚金屬電容極板2、薄金屬電容極板3后，由于固定厚金屬電容極板2與薄金屬電容極板3的一端固定于絕緣固定底座4上而另一端為自由端，兩者會(huì)由于受到氣體壓力的作用產(chǎn)生彎曲變形。由于設(shè)計(jì)過程中在氣體壓力作用方向上固定厚金屬電容極板 2的厚度遠(yuǎn)大于薄金屬電容極板3，使得固定厚金屬電容極板2在彎曲方向上的剛度遠(yuǎn)大于薄金屬電容極板3，導(dǎo)致固定厚金屬電容極板2的彎曲變形相對于薄金屬電容極板3可忽略不計(jì)。因此，薄金屬電容極板3相對于固定厚金屬電容極板2產(chǎn)生一定的彎曲變形，使得兩者之間的電容量發(fā)生了一定變化，電容量信號的變化通過與之相連接的弱電容檢測電路5， 可轉(zhuǎn)化為能夠用于檢測的電壓信號，電壓信號的強(qiáng)度隨著氣體壓力及流速的變化而變化。 弱電容檢測電路5輸出端與信號放大、濾波電路6輸入端相連接，電壓信號經(jīng)信號放大、濾波電路6對輸出電壓信號進(jìn)行放大并濾去不必要的雜波信號后。通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路7 把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元8對轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號進(jìn)行采集，采集到的數(shù)字信號輸入到氣體壓力解算單元9后，把數(shù)字化的電壓信號轉(zhuǎn)化為最基本的參數(shù)信號氣體流量及壓力。然后，以這兩個(gè)最基本參量為基礎(chǔ)，依據(jù)醫(yī)學(xué)上對相關(guān)呼吸力學(xué)參數(shù)的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法進(jìn)行語言編程，編寫的程序通過呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元10，得到諸多呼吸力學(xué)參數(shù)包括肺活量、潮氣量、呼吸頻率、呼吸壓力等，然后， 把該參數(shù)寫入到芯片中，并通過LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元11進(jìn)行顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對呼吸力學(xué)參數(shù)的測試。
權(quán)利要求
1. 一種小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，包括數(shù)據(jù)獲取單元、數(shù)據(jù)處理和顯示單元，所述數(shù)據(jù)處理單元由信號放大/濾波電路(6)、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(7)、數(shù)據(jù)采集單元 (8)、氣體流量/氣體壓力解算單元(9)、呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元(10)組成，其中數(shù)據(jù)獲取單元主要用于對人體呼出氣體的壓力及流量信號進(jìn)行獲取，并把其轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行測試及處理的電學(xué)信號，數(shù)據(jù)處理單元用于實(shí)現(xiàn)對電信號的放大、濾波及參數(shù)還原，數(shù)據(jù)顯示單元用于對呼吸力學(xué)參數(shù)信號的顯示及存儲(chǔ)，其特征在于所述數(shù)據(jù)獲取單元為復(fù)合型氣體流量-氣體壓力傳感器(1)，包括固定厚金屬電容極板O)、薄金屬電容極板(3)、絕緣固定底座0)、 弱電容檢測電路(5)，其中，薄金屬電容極板C3)與固定厚金屬電容極板( 組成平板電容器，固定于絕緣固定底座G)，固定厚金屬電容極板( 和薄金屬電容極板C3)分別接在弱電容檢測電路(5)的負(fù)極與正極，用于敏感由于氣體壓力及流量作用于薄金屬電容極板導(dǎo)致的電容量的變化，弱電容檢測電路(5)用于測量由于薄金屬電容極板(3)與固定厚金屬電容極板( 之間的電容發(fā)生變化，并將該電容信號轉(zhuǎn)換為電壓變化，作為數(shù)據(jù)處理單元的輸入信號。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種小型化低功耗呼吸力學(xué)參數(shù)測試裝置，包括數(shù)據(jù)獲取單元、數(shù)據(jù)處理和顯示單元。本發(fā)明依據(jù)呼吸力學(xué)參數(shù)中氣體流量和壓力兩個(gè)最基本參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于氣體流量-壓力測試于一體的復(fù)合式氣體流量-氣體壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了壓力、氣體流量的同時(shí)測量。相關(guān)信號的獲取采用弱電容檢測方式實(shí)現(xiàn)，減小了裝置的體積及功耗。同時(shí)，通過與信號放大電路、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集電路、呼吸力學(xué)參數(shù)計(jì)算單元、LCD顯示等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了呼吸力學(xué)參數(shù)信號的獲取、放大及計(jì)算。本發(fā)明不但滿足相關(guān)裝置低功耗、小體積要求，還能實(shí)現(xiàn)呼吸力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)、在線檢測，滿足便攜式要求。
文檔編號A61B5/087GK102415883SQ201110254318
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者樊尚春, 郭占社 申請人:北京航空航天大學(xué)