一种高精度超声波肺功能检测仪及其检测方法与流程

1.本发明涉及医疗检测技术领域，特别涉及一种高精度超声波肺功能检测仪及其检测方法。


背景技术：

2.随着经济发展，环境污染越来越严重，导致越来越多的人患有呼吸系统疾病。肺功能检查是呼吸系统疾病的必要检查之一，通过肺功能仪测量肺部功能，达到检测呼吸系统异常的目的。对于早期检出肺、呼吸道病变，如慢性支气管炎、肺气肿、支气管哮喘、间歇性肺病等有重要的指导意义。
3.超声气体流量测量技术具有以下优点：(1)精度高；(2)无移动部件，可靠长寿；(3)流量测量结果受环境参数如气体组分，压力，温度，湿度影响小，重复性好；(4)稳定性好，免去经常校对的麻烦；(5)容易消毒避免交叉感染。目前，超声波肺功能仪的方案都是在吹管的上下游安装两个小型超声波传感器，肺功能仪的核心技术就是传感器技术，重点是流量传感器。利用超声波在顺流和逆流中传播时间差和气体流量的关系来测量瞬时流量并通过一定的对应关系取得各项肺功能指标。但是，由于超声波肺功能仪应用场合是管径非常小的吹管，导致在相同的流量情况下，气体的流速非常大，导致超声波信号大幅衰减甚至淹没在噪声之中，对测量精度造成很大影响，从而限制了测量量程。
4.利用超声波测量气体流量的方法大致可分为四种：频差法、相关法、多普勒法和时差法。由于频差法和相关法的分辨力较低，实现起来较困难，因此实际应用较少。多普勒效应法是利用超声波在传播过程中由于流体中存在的悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的，主要用于一些杂志颗粒较大的多相流体，适用于杂质较多且分布均匀的流体测量。由于多普勒法测量精度受到温度变化和散射体的影响，需要进行修正，而且修正过程比较复杂，因此实际应用较少。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计主要采用时差法来实现。时差法是利用超声波在流体中的传播速度随流体的速度变化而变化的原理来测量的，通过测量超声波顺流和逆流传播的时间差δt来计算流速v，而后根据q＝s*v可计算出流量。时差法流量计主要应用于单相液体，适合于工业上洁净用水测量。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。
5.并且由于病人一天中不同时段会重复使用肺功能仪进行检测，实际使用过程中，由于检测仪使用不规范，如不同病人使用同一咬嘴管进行检测，则会导致交叉感染，导致造成的检查结果不准确。


技术实现要素：

6.为解决以上技术问题，本发明提供一种无压力损耗，对超声波声速进行实时校量程范围宽的高精度超声波肺功能检测仪及其检测方法。
7.本发明采用的技术方案如下：一种高精度超声波肺功能检测仪，包括吹管和设置在所述吹管上的两个超声波传感器，关键在于：两个所述超声波传感器的信号输出端位于所述吹管中，并正对设置，所述超声波传感器连接有切换开关，所述切换开关连接有放大电路和幅度变化电路，两个所述幅度变化电路连接有同一个升压电路和同一个脉冲发射和精密时间测量芯片，所述放大电路连接带通滤波电路，两个所述带通滤波电路均与所述脉冲发射和精密时间测量芯片连接，所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接微控制器，所述微控制器分别控制两个所述切换开关，所述微控制器通讯连接服务器，所述服务器电连接有环境参数检测器，基于以上的硬件连接，再配合微控制器的程序就可以利用过零检测修正法与实时补偿校正法相互配合实现高精度超声波肺功能检测仪功能。
8.优选的，两个所述超声波传感器的连线与所述吹管之间形成夹角，所述夹角α为0<α<90
°
。
9.优选的，所述环境参数检测器包括温度检测模块、湿度检测模块和气压检测模块。
10.优选的，所述放大电路和所述带通滤波电路外安装有屏蔽罩。
11.以上方案的效果是切换开关用于切换超声波传感器的工作状态(发射/接收)，发射即驱动信号直接作用于超声波传感器，接收即超声波传感器的信号接入放大电路；带通滤波电路用于屏蔽工作频率以外的干扰信号，只选定某个频段的信号用于测量。可在电路中串联多个带通滤波电路，使过滤效果更好；放大电路用来放大超声波传感器的信号，由于超声波传感器的信号幅值非常小，难进行阈值检测判断，将信号放大更有助于阈值检测和过零检测；幅度变化电路用来提升信号发生器的发射信号的幅值，信号发生器的发射信号直接驱动超声波传感器的功率太小，通过控制栅极驱动器或高速驱动电路，将幅值提升，增大超声波发射功率；升压电路用来提供给幅度变化部分稳定的电压；脉冲发射和精密时间测量芯片具备可编程发射脉冲和精密时间周期计数芯片/模块，分别测量上游和下游的飞行时间，用来计算渡越时间差，从而计算流速值；环境参数检测器用于检测环境的实时温度和实时湿度，多个咬嘴可以适应于不同肺活量的病人情况进行选择，提高检测准确率。
12.一种高精度超声波肺功能检测仪的检测方法，关键在于：微控制器发送开始检测信号给脉冲发射和精密时间测量芯片，同时将上游超声波传感器切换为发射，下游超声波传感器切换为接收，脉冲发射和精密时间测量芯片开始计时并发送2个连续的脉冲信号，经过升压电路和幅度变化电路将2个脉冲信号幅值增大，加到上游的超声波传感器上；下游的超声波传感器接收超声波信号，经过放大电路和带通滤波电路处理，传递给脉冲发射和精密时间测量芯片，脉冲发射和精密时间测量芯片根据设定好的阈值和过零点来判断计时结束，并计算出渡越时间t
up
；同理，将上游的超声波传感器切换为接收超声波信号，下游的超声波传感器切换为超声波信号，经过同样的模式，可计算出渡越时间t
down
；对在高、低流速区域测得的渡越时间t
up
和t
down
采用过零检测修正法分别进行修正，计算得到体积流量v
测量
；并且同时采用实时补偿校正法对体积流量v
测量
进行实时环境参数修正，最终得到体积流量v
btps
。
13.优选的，所述过零检测修正法为：s1.事先设置好阈值电压，当超声波传感器的接收信号幅值达到阈值时，开启过零检测，可设置多个过零点为计时结束点，可得到渡越时间t
up
和t
down
，通过t
up
和t
down
计算流体流速v；s2.由于超声波在高流速气体介质中传播衰减较大，导致预先设定的阈值电压未检测到需要检测的声波处，即检测到超前/滞后周期的声波
使得渡越时间t
up
或t
down
出现t
′
和t
″
的偏差，定义呼吸过程的流速
‑
时间曲线上连续的三个点a，b和c的时刻分别为t1， t2和t3，相对应的流速分别为v1，v2和v3，δy1和δy2为连续两点的流速差，即δy1＝v2‑
v1，δy2＝v3‑
v2，设m为a，b两点绝对流速和，即m＝|v1| |v2|，用来判断是低流速区域还是高流速区域，设定m
mid
为限值，当m<m
mid
时，为低流速区域，当m>m
mid
时，为高流速区域，低、高流速区域的异常流速分别采用不同的数据修正算法来修正；s3.由于其测量的流体流速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v’，因此，体积流量v
测量
则采用式(7)计算得到，其中t1和 t2为流量测量开始和结束的时间，d为管路的直径，v
′
＝kv，k为雷诺数修正系数。
14.优选的，所述s1中：t
up
采用式1计算t
down
采用式2计算其中l为声道长度，c为超声波声速，θ为声道与管道轴向夹角，v为流体流速，顺逆流渡越时间差δt采用式3计算：
[0015][0016]
由于c2＞＞v2cos2θ，则δt可简化为式4：
[0017][0018]
由此流速v采用式5计算：
[0019][0020]
优选的，所述s2中，对于低流速区域的异常数据采用均值滤波法滤波，设 |δy2|
max
为低流速区异常流速数据的阈值，即|δy2|＞|δy2|
max
时，判断为流速数据异常，修正后的流速为v3′
＝(v1 v2)/2；对于高流速区域的异常数据采用以下滤波算法：
[0021]
设δy3＝|δy1| |δy2|，可得到δy3‑
时间曲线，设定判定阈值δy
max
，当δy3＞δy
max
时判定为数据错误，需要进行数据修正，在该种情况下，若δy1>一个正周期流速差，则修正方法为δt减去一个超声波时钟周期，即δt
′
＝δt
‑
1/f；若δy1<一个负周期流速差，则修正方法为δt加上一个超声波时钟周期，即δt
″
＝δt 1/f，用δt
′
和δt
″
计算出的流速值v
′
和v
″
为修正后的流速值。
[0022]
优选的，所述实时补偿校正法为：s1.根据式(3)判断使用者的测试状态为吸气过程还是呼气过程；s2.声速校正：针对不同的测试状态分别对超声波声速 c采用声速校正公式进行校正，；s3.实时btps校正：针对不同的测试状态分别对体积流量v
测量
采用式(10)进行校正，v
btps
＝校正系数
×
v
测量
(10)，其中校正系数采用btps校正公式进行计算。
[0023]
优选的，所述声速校正具体为：当δt＞0为吸气过程，δt＜0为呼气过程，吸气过程，采用环境参数检测器测得的实时温度t对超声波声速c进行校准，呼气过程，采用医学呼气温度经验值超声波声速c声速进行校准；所述实时btps 校正具体为：当δt＞0为吸气过
程，δt＜0为呼气过程，吸气过程，采用环境参数检测器测得的实时温度t、湿度h和当前气压值对体积流量v进行校正，呼气过程，采用医学呼气温度和湿度经验值对体积流量v进行校正。与现有技术相比，本发明提供的一种高精度超声波肺功能检测仪及检测方法，有如下几个方面的效果：(1)超声波肺功能检测仪通过可收发式超声波传感器实现双向流量可测，通过升压电路和幅度变化电路提升发射电压，提升发射电压，增大发射功率，提高接收端的信噪比，降低了放大倍数，抑制了自激振荡和噪声；通过放大电路和带通滤波电路使发射信号避免受到空间杂散信号，尤其是脉冲群干扰，并且针对这部分异常数据，做了平均值滤波，让静态数据更稳定；将放大电路和所述带通滤波电路外安装有屏蔽罩，屏蔽电磁辐射干扰；通过环境参数检测器可以实时采集环境温度和湿度，并将温度和湿度实时传送至控制器进行实时校正，使用更简便，测量结果更准确；可以适应于不同肺活量的病人情况选择不同的咬嘴管进行测试，提高检测准确率。(2)在高流速区，传输介质不连续，引起超声波信号幅度发生变化，在固定的阈值判断时，容易出现预定的首波跳跃直相邻的周期，本发明采用过零检测修正法，根据过零检测点跳跃必然有来回的特性，采用了按周期的整数倍修正的办法，修复数据，保证了曲线的连续性，避免了传统平均值滤波，对瞬间呼气最大流量的削尖，将测量过程中低、高流速区的异常流速值能较精准快速的修正，使检测值准确度提高；(3) 本发明采用实时补偿校正法可对超声波声速进行实施校正，使测量结果更精确； (4)本发明可以在完全不妨碍呼吸的情况下测量流速，无压力损耗，灵敏度极高，量程范围宽，测得流速经过积分计算可得到呼吸流量。
附图说明
[0024]
图1为本发明的硬件系统设计框图；
[0025]
图2为高流速区超声波传播的流速
‑
时间曲线图；
[0026]
图3为过零检测修正法的工作流程图。
具体实施方式
[0027]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
[0028]
如图1
‑
3所示，一种高精度超声波肺功能检测仪，包括吹管1和多个咬嘴管3，所述吹管1上设置有两个超声波传感器2，任一所述咬嘴管3可活动穿设在所述吹管1中，两个所述超声波传感器2的信号输出端位于所述吹管1中，并正对设置，两个所述超声波传感器2的连线与所述吹管1之间形成夹角，所述夹角α为0<α<90
°
，所述超声波传感器2连接有切换开关，所述切换开关连接有放大电路和幅度变化电路，两个所述幅度变化电路连接有同一个升压电路和同一个脉冲发射和精密时间测量芯片，所述放大电路连接带通滤波电路，所述放大电路和所述带通滤波电路外安装有屏蔽罩，两个所述带通滤波电路均与所述脉冲发射和精密时间测量芯片连接，所述脉冲发射和精密时间测量芯片串行通信连接微控制器，所述微控制器分别控制两个所述切换开关，所述微控制器通讯连接服务器，所述服务器电连接有环境参数检测器，所述环境参数检测器包括温度检测模块、湿度检测模块和气压检测模块，基于以上的硬件连接，再配合微控制器的程序就可以利用过零检测修正法与实时补偿校正法相互配合实现高精度超声波肺功能检测仪功能。
[0029]
肺功能检测仪检测工作流程：
[0030]
微控制器发送开始检测信号给脉冲发射和精密时间测量芯片，同时将上游超声波传感器切换为发射，下游超声波传感器切换为接收，脉冲发射和精密时间测量芯片开始计时并发送2个连续的脉冲信号，经过升压电路和幅度变化电路将2个脉冲信号幅值增大，加到上游的超声波传感器上；
[0031]
下游的超声波传感器接收超声波信号(超声波频率20khz
‑
30mhz)，经过放大电路和带通滤波电路处理，传递给脉冲发射和精密时间测量芯片，脉冲发射和精密时间测量芯片根据设定好的阈值和过零点来判断计时结束，并计算出渡越时间t
up
；
[0032]
同理，将上游的超声波传感器切换为接收超声波信号，下游的超声波传感器切换为超声波信号，经过同样的模式，可计算出渡越时间t
down
。
[0033]
高精度超声波肺功能检测仪的检测方法为对超声波传感器在高、低流速区域检测到的超声波信号渡越时间采用过零检测修正法分别进行修正，计算得到体积流量v
测量
；并且同时采用实时补偿校正法对体积流量v
测量
进行实时环境参数修正，最终得到体积流量v
btps
；
[0034]
其中，所述过零检测修正法为：s1.事先设置好阈值电压，当超声波传感器的接收信号幅值达到阈值时，开启过零检测，可设置多个过零点为计时结束点，可得到渡越时间t
up
和t
down
，通过t
up
和t
down
计算流体流速v；t
up
采用式1计算t
down
采用式2计算其中l为声道长度，c 为超声波声速，θ为声道与管道轴向夹角，v为流体流速，顺逆流渡越时间差δt 采用式3计算：
[0035][0036]
由于c2＞＞v2cos2θ，则δt可简化为式4：
[0037][0038]
由此流速v采用式5计算：
[0039][0040]
s2.由于超声波在高流速气体介质中传播衰减较大，导致预先设定的阈值电压未检测到需要检测的声波处，即检测到超前/滞后周期的声波使得渡越时间t
up
或t
down
出现t
′
和t
″
的偏差，定义呼吸过程的流速
‑
时间曲线上连续的三个点a，b 和c的时刻分别为t1，t2和t3，相对应的流速分别为v1，v2和v3，δy1和δy2为连续两点的流速差，即δy1＝v2‑
v1，δy2＝v3‑
v2，设m为a，b两点绝对流速和，即 m＝|v1| |v2|，用来判断是低流速区域还是高流速区域，设定m
mid
为限值，当m<m
mid
时，为低流速区域，当m>m
mid
时，为高流速区域，低、高流速区域的异常流速分别采用不同的数据修正算法来修正；对于低流速区域的异常数据采用均值滤波法滤波，设|δy2|
max
为低流速区异常流速数据的阈值，即|δy2|＞|δy2|
max
时，判断为流速数据异常，修正后的流速为v3′
＝(v1 v2)/2；对于高流速区域的异常数据采用以下滤波算法：设δy3＝|δy1| |δy2|，可得到δy3‑
时间曲线，设定判定阈值δy
max
，当δy3＞δy
max
时判定为数据错误，需要进行数据修正，在该种情况下，若δy1>一个正周期流速差，则修正方法为δt减去一个超声波时钟周期，即δt
′
＝δt
‑
1/f；若δy1<一个负周期流速差，则修正方法为δt加上一个超声波时钟周期，即δt
″
＝δt 1/f，用δt
′
和δt
″
计算出的流速值v
′
和v
″
为修正后的流速值；
[0041]
s3.由于其测量的流体流速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v’，因此，体积流量v
测量
则采用式 (7)计算得到，其中t1和t2为流量测量开始和结束的时间，d为管路的直径，v
′
＝kv，k为雷诺数修正系数；
[0042]
实时补偿校正法为：根据式(3)判断使用者的测试状态为吸气过程还是呼气过程；当δt＞0为吸气过程，δt＜0为呼气过程，吸气过程，采用环境参数检测器测得的实时温度t对超声波声速c进行校准，呼气过程，采用医学呼气温度经验值对超声波声速c声速进行校准，超声波声速c采用声速校正公式进行校正；当δt＞0为吸气过程，δt＜0为呼气过程，吸气过程，采用环境参数检测器测得的实时温度t、湿度h、气压值p对体积流量v
测量
进行校正，呼气过程，采用医学呼气温度、湿度经验值对体积流量v
测量
进行校正，采用式(10)进行校正， v
btps
＝校正系数
×
v
测量
(10)，其中校正系数采用btps校正公式进行计算；
[0043]
声速校正公式：
[0044]
btps校正公式：pw采用2000年修正的goff
‑
gratch公式计算得到。
[0045]
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。