一种基于涡轮式肺功能仪的肺功能参数的计算方法与流程

1.本发明涉及肺功能检测设备技术领域，特别是涉及一种基于涡轮 式肺功能仪的肺功能参数的计算方法。


背景技术：

2.慢性阻塞性肺疾病(copd)是一种常见的慢性呼吸道疾病，根据 世界卫生组织报告，copd为目前全世界致死率疾病中排列第四。为了 控制copd的疾病死亡率，对copd的日常评估管理极为重要，用力肺 功能测试被称为copd诊断的黄金标准，而肺功能仪是进行肺功能测试 的关键工具。ats/ers对用力肺功能提出了严格的测试标准，包括起始 标准、结束标准、可接受标准、可重复标准等。其中包含用力肺活量 (fvc)，呼气流量峰值(pef)，最大呼气第一秒呼气量(fev1)等 肺功能评估核心指标，其中fev1/fvc的值是直接表明是否患有copd 的可靠指标。目前我国copd患者群体庞大，且医疗资源相对紧张，仅 有部分大型医院配备肺功能仪器，并且使用价格昂贵。因此目前急需 一款低成本、高精度的肺功能检测设备来分担家庭和医院的压力。其 中涡轮式肺功能仪器具有灵敏度高、抗噪性好、成本低廉等优势，在 医院以及家庭等场所，具有极高的适用场景，其内核主要是通过一个 涡轮流量计测量的呼气流速，从而通过呼气流速经过计算得到患者的 肺功能参数。常规的涡轮流量计是一种稳态模型，即涡轮的流量计算 模型的前提为涡轮处于匀速旋转状态。然而在实际测试过程中涡轮转 速会产生较大的动态变化，因此会产生较大的误差。
3.部分已有的解决方法是通过静态流量模型与动态流量模型结合的 方式，该方式对于特定的流量传感器通过校准后可以有良好的精度， 但是缺乏普适性，且较为复杂无法进行推广。或通过在硬件上增加涡 轮旋转的测量传感器，但是稳态流量模型还存在以下两个问题：一、 用力呼气信号属于时变信号，现有涡轮流量计算模型为稳态模型，无 法准确对涡轮旋转角频率的变化与用力呼气信号变化之间的关系进行 准确建模。二、由于涡轮存在旋转惯性，在用力肺功能测试的过程中， 前后两次对于相同fvc的计算，往往因为用力呼气过程中流量密度分 布的不同而导致计算结果产生偏差，并且偏差值不在可接受的范围内。 本发明提出一种新型肺功能参数计算模型，通过对基于峰点检测的频 率调整算法，解决呼气容量方面较大的误差，同时基于该算法得到其 他的肺功能参数。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种基于涡轮式 肺功能仪的肺功能参数的计算方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
6.一种基于涡轮式肺功能仪的肺功能参数的计算方法，包括以下步 骤：
7.s10将采集数据输入进行滑动平均处理得到新数据列o(new)n；
8.s20去除低阈值数据，将数据稀疏处理；
9.s30找寻峰值点；
10.s40根据所述峰值点的频率计算调整系数αi；
11.s50将数据代入以下呼气容量模型：
[0012][0013]
其中：φ为涡轮的流量转换系数，n为涡轮在1次测试过 程中旋转周数，αi为频率点的调节系数，fi为涡轮旋转频率，η为偏 置常数；
[0014]
计算用力肺活量、呼气流量峰值和最大呼气第一秒呼气量。
[0015]
进一步的，所述s10步骤包括：
[0016]
s11将采集数据进行多点平均，
[0017][0018]
其中：n为数据点，m为窗口大小，i为输入数据点集，on为输出 数据点集；
[0019]
s12设立偏差阈值th，生成新数据列o(new)n，
[0020][0021]
进一步的，当所述新数据列o(new)n满足o(new)
n-2
＜ o(new)
n-1
＜o(new)n》o(new)
n 1
》o(new)
n 2
时，τ＝1；
[0022][0023]
进一步的，所述s50步骤中fi的计算方法如下：
[0024]
将所有满足o(new)
n-2
＜o(new)
n-1
＜o(new)n》o(new)
n 1
》 o(new)
n 2
条件的n值，按升序加入序列p(i)中，设此时i的取值范 围为1，2，3
…
w；
[0025][0026]
进一步的，
[0027]
其中i＝1，2，3...w-1；a和b为常数。
[0028]
一种肺功能参数测量装置，包括：
[0029]
双叶片轴尖式涡轮机，所述双叶片轴尖式涡轮机的涡轮两侧相对 位置设有光电对管，所述光电对管可将所述涡轮机械旋转信号转换为 电信号；
[0030]
呼吸模拟器，所述呼吸模拟器可产生流量1～14l/sec范围的方 波信号，所述呼吸模拟器可基于所述方波信号对权利要求5所述的呼 气容量模型和呼气流量峰值公式进行拟合标定构建容量计算模型。
[0031]
进一步的，所述双叶片轴尖式涡轮机的叶片在流量为14l/s时，流 阻小于0.15kpa
·
l-1
·
s-1
。
[0032]
进一步的，所述光电对管为侧卧式封装的sim-012sbt97红外光电 对管，所述红外光电对管包括发射管和接收管，所述发射管可发射波 长为950nm的红外光。
[0033]
进一步的，所述光电对管设于相对所述涡轮单侧叶片尺寸居中位 置。
[0034]
一种用于检测权利要求6-9任一测量装置准确性的方法，包括以 下步骤：
[0035]
a利用定标桶模拟真实用力肺功能测试，随机进行多组不同速度和 不同容量的气体推进实验；
[0036]
b利用数字示波器记录由传感机构输出的电信号，通过对比数字示 波器检测的波峰或波谷的数量与算法计算结果进行比较；
[0037]
c在标准大气压环境下，对每条标准体积-时间波形曲线重复进行 多次模拟呼气过程，记录所有数据；按如下公式计算残差，及残差百 分比：
[0038]
deviation＝average-standard；
[0039]
偏离值＝平均值-标准值
[0040]
percentage deviation＝100％
×
(average-standard)/standard；
[0041]
偏差度＝100％
×
(平均值-标准值)/标准值
[0042]
d最大呼气第一秒呼气量和用力肺活量的评估方式：
[0043]
考虑标准设备的误差，允许的容量计算误差为读数的
±
3.5％或
±
0.1l， 取大值；未考虑标定仪器的误差情况下，允许的容量计算误差为读数 的
±
3.0％或
±
0.05l，取大值；
[0044]
e呼气流量峰值的评估方式：
[0045]
考虑标准设备的误差，允许的流量误差为读数的
±
12％或
±
25l
·
min-1
， 取大值；如未考虑标准设备误差，允许的流量误差为读数的
±
10％或
ꢀ±
20l
·
min-1
，取大值。
[0046]
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明在稳态气体涡 轮流量模型的理论基础上，基于双叶片轴尖式气体流量涡轮，提出了 基于峰点检测的频率系数调节算法。解决了呼气容量计算误差大的问 题，提高了容量计算结果的可接受性。
具体实施方式
[0047]
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0048]
本发明在稳态气体涡轮流量模型的理论基础上，基于双叶片轴尖 式气体流量涡轮，提出了基于峰点检测的频率系数调节算法，以解决 两个问题带来的呼气容量计算误差，提高容量计算结果的可接受性， 分别是(1)用力呼气信号属于时变信号，现有涡轮流量计算模型为稳 态模型，无法准确对涡轮旋转角频率的变化与用力呼气信号变化之间 的关系进行准确建模。(2)由于涡轮存在旋转惯性，在用力肺功能测 试的过程中，前后两次对于相同fvc的计算，往往因为用力呼气过程 中流量密度分布的不同而导致计算结果产生偏差，并且偏差值不在可 接受的范围内。
[0049]
在气体以恒定流速平稳流动的状态下，基于涡轮传感器的体积流 量模型是一个线性模型：
[0050][0051]qv
——体积流量；
[0052]
ω——涡轮旋转角速度；
[0053]
——涡轮的流量转换系数。
[0054]
其中
[0055][0056]
z——涡轮叶片数量；
[0057]
θ——涡轮叶片角度；
[0058]
r——叶片半径；
[0059]
ρ——表示流体密度；
[0060]
a——为流体截面积；
[0061]
tr——是旋转阻力矩。
[0062]
转换系数是一个随流量而变化的变量，根据流体流量的大小，转 换系数存在线性，非线性以及常数区间。这里假设转换系数是一个常 量，对(1.1)式进行积分，可以得到在时间t内的气体总体积：
[0063][0064]
f——涡轮旋转频率；
[0065]
n——涡轮在1次测试过程中旋转周数。
[0066]
令令
[0067]
代入式(1.3)得：
[0068]
v＝kn
ꢀꢀꢀ
(1.5)
[0069]
依据角动量定理：
[0070]
mrv＝jω＝2πf
ꢀꢀꢀ
(1.6)
[0071]
m——每秒流过横截面的气体质量；
[0072]
v——气体绝对速度的周向分量；
[0073]
j——转动惯量。
[0074]
式(1.6)表明，涡轮的旋转频率可用于度量惯性大小。在用力肺功 能测试中，涡轮旋转频率是时间的函数，离散化处理后，形成频率序 列，结合式(1.5)，增加旋转频率惩罚项，得改进的用力呼气容量模型：
[0075]fi
——表示涡轮旋转频率；
[0076]
αi——频率点的调节系数；
[0077]
η——偏置常数。
[0078]
为了求得n和fi，首先对输入采集的数据进行多点平均：
[0079][0080]
n——数据点；
[0081]
m——窗口大小；
[0082]
i——输入数据点集；
[0083]on
——输出数据点集；
[0084]
设th为偏差阈值，执行下列操作：
[0085][0086]
丢弃所有on为零的点，形成新的数据列o(new)n，则n值的计算方 法如下：
[0087][0088][0089]
接下来，将所有满足o(new)
n-2
＜o(new)
n-1
＜o(new)n》 o(new)
n 1
》o(new)
n 2
条件的n值，按升序加入序列p(i)中，设此 时i的取值范围为1，2，3
…
w。则fi的计算方法如下：
[0090][0091]
将(1.10)和(1.11)带入(1.7)得：
[0092][0093]
式1.12即为改进的涡轮气体流量体积计算模型，根据数据长度， 带入第一秒的数据，即可计算得到fev1,所有数据参与计算即可得到 fvc。pef通过下式可计算：用力肺活量(fvc)，呼气流量峰值(pef)， 最大呼气第一秒呼气量fev1
[0094][0095]
其中，a和b为常数。
[0096]
其中的涡轮式肺功能仪选取具有透明壁的双叶片轴尖式涡轮机， 叶片质地轻薄，流阻极小，在流量为14l/s时，流阻小于0.15kpa
·
l-1
· s-1
，能够满足ats/ers对设备流阻的要求。在涡轮两侧相对位置放置 一对光电对管，用于将涡轮机械旋转信号转换为电信号。选取侧卧式 封装的sim-012sbt97(罗姆，日本)红外光电对管，发射管可发射波 长为950nm的红外光。为了适应光敏管的响应时间，光电对管的安装 位置需相对涡轮单侧叶片尺寸居中放置。光敏二极管的电压信号经滤 波电路后由微控制器(mcu)内部adc转换为数字信号作进一步处理，计 算。
[0097]
利用pwg-33bt呼吸模拟器(piston,匈牙利)，产生流量1～14 l/sec范围的方波信号，基于此数据对式(1.12)及(1.13)进行拟合标 定，计算出各项系数，从而构建出容量计算模型。
[0098]
利用3l定标桶，模拟真实用力肺功能测试，随机进行10组不同 速度，不同容量的气体推进实验，同时利用数字示波器(keysight，美 国)记录由传感机构输出的电信号，通过对比数字示波器检测的波峰或 波谷的数量与算法计算结果进行比较，以评估算法的准确性。
[0099]
在标准大气压环境下，对每条标准体积-时间波形曲线重复进行五 次模拟呼气过程，记录所有数据。按如下公式计算残差，及残差百分 比：
[0100]
deviation＝average-standard；
[0101]
偏离值＝平均值-标准值
ꢀꢀꢀ
(1.26)
[0102]
percentage deviation＝100％
×
(average-standard)/standard；
[0103]
偏差度＝100％
×
(平均值-标准值)/标准值
ꢀꢀꢀ
(1.27)
[0104]
考虑标准设备的误差，允许的容量计算误差为读数的
±
3.5％或
ꢀ±
0.1l，取大值。如未考虑标定仪器的误差情况下，允许的容量计算误 差为读数的
±
3.0％或
±
0.05l，取大值。fev1的评估方式和fvc相同。 对于pef，考虑标准设备的误差，允许的流量误差为读数的
±
12％或
ꢀ±
25l
·
min-1
，取大值。如未考虑标准设备误差，允许的流量误差为读 数的
±
10％或
±
20l
·
min-1
，取大值。
[0105]
以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。