關(guān)于新型渦輪便攜式肺功能儀的研制與開發(fā)

0 引言

慢性阻塞性肺疾病(COPD，簡(jiǎn)稱慢阻肺)是最常見的慢性呼吸疾病，慢阻肺居我國(guó)死因排名第三。慢阻肺患者大多分布在家庭，早期發(fā)現(xiàn)不是憑借出現(xiàn)的癥狀而是依靠檢查，然而肺功能檢查需要在大型醫(yī)院進(jìn)行，因此并沒(méi)有普及，導(dǎo)致漏誤診率很高，嚴(yán)重制約了慢阻肺患者在社區(qū)和家庭的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[1]和分級(jí)管理[2]。

研發(fā)便攜式肺功能儀，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)患者的呼吸功能，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)慢阻肺的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理[3]尤為重要。本文研發(fā)了我國(guó)首個(gè)通過(guò)國(guó)家權(quán)威三甲醫(yī)院臨床對(duì)比測(cè)試的遠(yuǎn)程便攜式肺功能儀。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)肺功能儀數(shù)據(jù)對(duì)比，反復(fù)驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確測(cè)量出用力肺活量（FVC）、一秒用力呼氣量（FEV1）、峰值流速（PEF）、FEV1/FVC等參數(shù)，具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。該肺功能儀還可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">手機(jī)和電腦，醫(yī)生和患者可以通過(guò)App、電腦查看數(shù)據(jù)分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)三方共享及遠(yuǎn)程管理，便于監(jiān)測(cè)和療效評(píng)估，適用于醫(yī)院、社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、家庭進(jìn)行肺功能各參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

1 肺功能儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 肺功能儀測(cè)量參數(shù)及檢測(cè)原理

慢阻肺診斷的金標(biāo)準(zhǔn)是肺功能，一秒用力呼氣容積（FEV1）和用力肺活量（FVC），以及兩者的比值（1 s率，F(xiàn)EV1/FVC）是診斷慢阻肺的最主要參數(shù)。峰值流速（PEF）是指用力肺活量測(cè)定過(guò)程中，呼氣流量最快時(shí)的瞬間流速。

本文研制的肺功能儀SP10BT，采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試者用力呼氣[4]，直接呼出的氣體通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)氣流，并推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，將空氣容積率轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子角速度。肺活量計(jì)內(nèi)的紅外線發(fā)射管和接收管對(duì)準(zhǔn)葉片部分，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收管接收到的光線會(huì)因?yàn)槿~片的角度不同而強(qiáng)度不同，從而將葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成與頻率正比的電信號(hào)。再經(jīng)過(guò)放大整形電路處理形成微處理器（MCU）可識(shí)別的脈沖序列信號(hào)，經(jīng)MCU處理后轉(zhuǎn)化為測(cè)量的各個(gè)參數(shù)。

1.2 肺功能儀硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STM32F103微控制器作為核心處理器，硬件部分通過(guò)渦輪流量計(jì)進(jìn)行呼吸信號(hào)測(cè)量，通過(guò)傳感器對(duì)呼氣信號(hào)、時(shí)間參數(shù)進(jìn)行采集。然后根據(jù)采集信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾、濾波、放大器處理，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算和處理。得到需要的生理參數(shù)數(shù)據(jù)和當(dāng)前的時(shí)間信息，通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形顯示，并可以通過(guò)藍(lán)牙或USB接口與PC或手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳至后端服務(wù)器。設(shè)備用鋰電池充電，電量狀態(tài)可以顯示，無(wú)操作兩分鐘自動(dòng)關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

1.2.2 肺功能儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的便攜式肺功能儀外形如圖2所示。下面對(duì)各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

(1)渦輪流量計(jì)

系統(tǒng)硬件通過(guò)渦輪流量計(jì)進(jìn)行呼吸信號(hào)測(cè)量，渦輪流量計(jì)的紅外發(fā)射和接收管，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)選取最優(yōu)的雙光收發(fā)傳感器，能夠避免環(huán)境影響和非預(yù)期動(dòng)作導(dǎo)致的采集干擾，最大程度還原測(cè)試數(shù)據(jù)，保證結(jié)果的正確性。渦輪在重量、剛性、張力方面保證了在低速至0.09 L/s順利啟動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)葉片本體不產(chǎn)生形變，在與鋼軸配合時(shí)保證兩側(cè)受力均勻，減少額外阻力的產(chǎn)生。

(2)微處理器

綜合低功耗及小型化考慮，系統(tǒng)采用基于Cortex-M核心的微控制器STM32F103作為核心處理器，進(jìn)行指令控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算及信號(hào)處理。本設(shè)備采用的STM32F103包含多達(dá)9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口、2個(gè)I2C接口、3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口、1個(gè)CAN接口、一個(gè)USB接口、兩路RS232接口，提高了設(shè)備的外設(shè)擴(kuò)展能力，為設(shè)備的高集成度提供了基礎(chǔ)。本設(shè)備中藍(lán)牙采用USART接口，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用SPI接口。STM32F103內(nèi)置128 KB的Flash，本設(shè)備電路中外加串口式8 Mbit閃存w25q80dv，為數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)和處理提供保障。

(3)數(shù)據(jù)通信模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信包括通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)和通過(guò)有線串口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是兩設(shè)備間進(jìn)行短距離無(wú)線通信最簡(jiǎn)單的方法，本設(shè)備采用Bluetooth 4.0技術(shù)，采用串口數(shù)據(jù)傳輸，并采用DMA串口收發(fā)，滿足數(shù)據(jù)無(wú)損傳輸和減輕MCU負(fù)擔(dān)。當(dāng)需要將接收的數(shù)據(jù)發(fā)往客戶端進(jìn)行波形顯示或分析時(shí)，由ARM發(fā)送藍(lán)牙模塊指令，低字節(jié)優(yōu)先，每個(gè)數(shù)據(jù)包由HCI命令、標(biāo)識(shí)碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、信息字段構(gòu)成。

1.3 肺功能儀軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 肺功能儀軟件主流程設(shè)計(jì)

設(shè)備軟件運(yùn)行框圖如圖3所示。

(1)首先對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化操作，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、中斷搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)的配置、外設(shè)接口和數(shù)據(jù)包包頭的初始化。

(2)進(jìn)入循環(huán)掃描，判斷是否按鍵并執(zhí)行相應(yīng)操作。便攜式肺功能儀中的按鍵功能是通過(guò)串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(3)用戶可選擇錄入個(gè)人信息進(jìn)行基本設(shè)置，或直接進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)處理，系統(tǒng)判斷是否接收到數(shù)據(jù)，確認(rèn)接收后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，測(cè)量完成后在液晶屏以數(shù)據(jù)和圖形顯示，并可以查詢SD卡中保存的數(shù)據(jù)信息。圖4為肺活量計(jì)設(shè)備測(cè)量界面圖。

1.3.2 肺功能儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

若測(cè)試時(shí)將肺活量計(jì)通過(guò)USB接口連接到電腦，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或者藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)，可以保存歷史測(cè)試結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析?！安∪诵畔ⅰ睓诳梢燥@示測(cè)試者的信息和選擇標(biāo)準(zhǔn)，“數(shù)據(jù)”欄顯示測(cè)得的各個(gè)參數(shù)及百分比，并有進(jìn)度條顯示，如圖4中左圖；圖4中右圖上下分別為流速-容量（V-L）曲線和容量-時(shí)間（L-T）曲線。

傳感器接收的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)絇C端要求呼吸速率在顯示屏實(shí)時(shí)顯示，并且在傳輸過(guò)程中不能丟失數(shù)據(jù)，對(duì)串口的傳輸速率要求較高，將波特率設(shè)置為115 200，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit，每100 ms/次，可以達(dá)到預(yù)期效果。

2 肺功能儀測(cè)試功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以肺功能室的大型常規(guī)肺功能設(shè)備（中日友好醫(yī)院Jaeger）為“金標(biāo)準(zhǔn)”，由專業(yè)人員按照操作規(guī)范每天定標(biāo)，對(duì)照的便攜式肺功能儀SP10BT每周用3 L定標(biāo)桶進(jìn)行定標(biāo)[5]，每天進(jìn)行定標(biāo)驗(yàn)證。抽選配合比較好的408位測(cè)試者，其中233名男士、175名女士，最小年齡為11歲，最大年齡為84歲，先后進(jìn)行常規(guī)肺功能儀（Jaeger）和“橙意家人”便攜式肺功能儀檢查，均由經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)醫(yī)師來(lái)引導(dǎo)、控制和鑒別，對(duì)比的操作均由同一人完成。受試者應(yīng)深吸氣，含住吹嘴，以最快速度、在最短時(shí)間內(nèi)將肺部氣體全部呼出，并維持6 s以上。分別進(jìn)行了FVC、FEV1、PEF、FEV1/FVC的測(cè)量，采集3組可重復(fù)性數(shù)據(jù)[6]，最佳值納入分組統(tǒng)計(jì)，計(jì)算了FEV1預(yù)計(jì)值，兩組數(shù)據(jù)用組間相關(guān)系數(shù)來(lái)判斷一致性，用Bland-Altman圖來(lái)分析設(shè)備采集之間的誤差和一致性界限。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 兩組測(cè)試結(jié)果相關(guān)性分析

本文將408組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性驗(yàn)證，如表1所示。

通過(guò)對(duì)比，兩種儀器測(cè)試的FVC、FEV1、FEV1/FVC 3個(gè)參數(shù)組間相關(guān)系數(shù)（ICC）分別為0.99、0.99、0.97，相關(guān)性是顯著的（ICC>0.75一般表示兩組數(shù)據(jù)的一致性比較理想）。

2.2.2 Bland-Altman圖一致性分析

Bland-Altman圖用來(lái)對(duì)兩種測(cè)量方法進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)。

圖5中，F(xiàn)VC的95%一致性界限區(qū)間范圍（-0.32，0.11）L，94.60%（386/408）的點(diǎn)數(shù)據(jù)在這個(gè)范圍內(nèi)。

圖6中，F(xiàn)EV1的95%一致性界限區(qū)間范圍（-0.30，0.13）L，94.85%（387/408）的點(diǎn)數(shù)據(jù)在這個(gè)范圍內(nèi)。

圖7中，F(xiàn)EV1/FVC的95%一致性界限區(qū)間范圍（-6.96，5.72）L，95.58%（390/408）的點(diǎn)數(shù)據(jù)在這個(gè)范圍內(nèi)。

2.2.3 ROC曲線分析

根據(jù)測(cè)得的FEV1/FVC＜70%作為判斷肺功能異常的標(biāo)準(zhǔn)，繪制ROC曲線[7]，如圖8所示。曲線下面積AUC為0.98，約登指數(shù)為0.87(AUC在0.5~1.0之間，越高診斷效果越好)，得到診斷氣流受限的閾值是FEV1/FVC＜68.10%，敏感性為92.95%，特異性為94.80%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，便攜式肺功能儀SP10BT與中日友好醫(yī)院內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的肺功能儀（Jaeger)在FVC、FEV1以及FVE1/FVC的測(cè)量值上具有很好的一致性；并且診斷氣流受限患者（FEV1/FVC＜70%）的敏感性和特異性都很高，滿足對(duì)陽(yáng)性患者的篩查。

3 結(jié)論

本文主要研發(fā)了基于STM32微處理器，通過(guò)新型渦輪流量計(jì)將呼出氣體轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)氣流推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，通過(guò)紅外線發(fā)射、接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，計(jì)算肺功能各項(xiàng)參數(shù)的遠(yuǎn)程便攜式肺功能儀。該肺功能儀還能將數(shù)據(jù)傳送到電腦、手機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和篩查診斷提供了有效幫助。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了408位用戶的肺功能參數(shù)，并與中日友好醫(yī)院的大型常規(guī)肺功能儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出了很高的一致性，并且診斷氣流受限患者（FEV1/FVC＜70%）的敏感性和特異性都很高，驗(yàn)證了儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步研究的方向是從硬件和算法上提高設(shè)備測(cè)試參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，提高系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)效果，將更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得設(shè)備在慢性阻塞性肺疾病(COPD)的診斷、基層篩查、疾病分級(jí)、療效判定和預(yù)后預(yù)測(cè)等研究的價(jià)值。