新型便攜式高精度電子肺活量計(jì)的設(shè)計(jì)


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1系統(tǒng)概述
1.1 歷史回顧
據(jù)史料記載，肺活量的測(cè)量最早可以追述到1718年，一個(gè)名叫James Jurin的人堵住自己的鼻孔向一個(gè)氣囊內(nèi)吹氣，測(cè)得自己的肺活量為3610m1，潮氣量為650m1。1749年，Daniel Bernonilli描述了水置換式肺活量計(jì)。1813年，Edward　Kentish設(shè)計(jì)出了一種刻度的肺活量計(jì)——把一個(gè)鐘形罐倒置在裝水的容器內(nèi)，并且用這種肺活量計(jì)對(duì)健康人和病人進(jìn)行了肺活量的測(cè)量。1846年，肺活量的鼻祖Hutchinson在倫敦首次正式提出了肺活量的概念，并且運(yùn)用重量抵消法的水封式肺活量計(jì)對(duì)4000多人進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)定，揭示了肺活量與身高的線性關(guān)系。1904年~1916年，Tissot Bohr與Krogh相繼設(shè)計(jì)出更高級(jí)的備有圖形記錄裝置的密閉式肺活量計(jì)，其中有些儀器一直沿用至今，從而對(duì)肺活量的測(cè)定與研究奠定了有利的基礎(chǔ)。
1.2 肺活量計(jì)產(chǎn)品的分類(lèi)及其特點(diǎn)
根據(jù)不同的測(cè)試原理，肺活量計(jì)主要分為容積測(cè)定型肺活量計(jì)和流速測(cè)定型肺活量計(jì)。
1.2.1 容積測(cè)定型肺活量計(jì)
通過(guò)置換法直接測(cè)得流體體積的肺活量計(jì)為容積測(cè)定型肺活量計(jì)。容積測(cè)定型肺活量計(jì)又分為以下兩種:水封式肺活量計(jì)和千式滾筒式肺活量計(jì)。
容積測(cè)定型肺活量計(jì)的突出缺點(diǎn)是:體積大、重量重、系統(tǒng)誤差大、線性度不高、溫度補(bǔ)償不完善、數(shù)據(jù)讀取困難，尤其是這兩種肺活量計(jì)都是以密封死腔與待測(cè)人的呼吸道相連，極易引發(fā)交叉感染。
1.2.2 流速測(cè)定型肺活量計(jì)
流速測(cè)定型肺活量計(jì)是指通過(guò)節(jié)流法，先測(cè)得流經(jīng)某一管路時(shí)氣體的流速，然后通過(guò)對(duì)氣體的流速進(jìn)行計(jì)算來(lái)求得總的氣體體積流量。因此，此類(lèi)肺活量計(jì)也稱(chēng)為間接測(cè)量式的肺活量計(jì)。流速測(cè)定型肺活量計(jì)又分為以下三種:
1)差壓式肺活量計(jì)
氣體在流經(jīng)某一特定管路時(shí)，氣體的壓力發(fā)生一定的變化。壓力的變化與流速之間存在著一定的依從關(guān)系。這種通過(guò)檢測(cè)壓力變化而獲得流量的肺活量計(jì)叫做差壓式肺活量計(jì)。
2)熱敏式肺活量計(jì)
此種肺活量計(jì)的檢測(cè)元件是熱敏元件。該種儀器接通電源時(shí)先加熱熱敏傳感器，使其保持在一定的溫度。當(dāng)氣流流經(jīng)熱敏傳感器時(shí)可使其溫度下降，同時(shí)引起其電阻值發(fā)生變化，從而電流也隨之發(fā)生變化。電流的變化與氣體的流速存在著一定的依從關(guān)系，可以通過(guò)此種關(guān)系計(jì)算出總的氣體體積流量。由于熱敏式傳感器極易受外界環(huán)境因素的影響，如氣壓、海拔、環(huán)境溫度等等。因此，當(dāng)測(cè)試環(huán)境與標(biāo)定環(huán)境稍微有些變化時(shí)，此種肺活量計(jì)的測(cè)量誤差就會(huì)很大。此種儀器基本上是現(xiàn)標(biāo)定現(xiàn)使用，使用起來(lái)很不方便。
3)葉輪和渦輪式肺活量計(jì)
此類(lèi)儀器是依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)部件(葉輪或渦輪)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與流體速度成正比的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。但由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件在氣流停止通過(guò)時(shí)仍有轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，而且此轉(zhuǎn)動(dòng)慣性是難于確定的，因此這種誤差也難于克服和補(bǔ)償，這是此類(lèi)肺活量計(jì)很難克服的缺點(diǎn)。
1.3 肺活量計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r
隨著電子信息業(yè)的迅猛發(fā)展，在國(guó)外，電測(cè)化產(chǎn)品更新迅速，尤其是應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的電測(cè)化產(chǎn)品。由于此類(lèi)產(chǎn)品的利潤(rùn)豐厚，激發(fā)了人們開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品的積極性，使這類(lèi)產(chǎn)品迅速走向成熟。近幾年，應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的電測(cè)化肺功能儀就己經(jīng)基本淘汰了傳統(tǒng)的非電測(cè)化產(chǎn)品。
在國(guó)外，生產(chǎn)肺功能儀比較好的廠家有英國(guó)美科公司和日本CHEST公司。他們的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方法基本上都是差壓法。其差壓——流量算法比較成熟。在整體設(shè)計(jì)中，他們選用的節(jié)流裝置、傳感器、儀表放大器、智能芯片等都比較考究，所以他們的產(chǎn)品性能穩(wěn)定，但是價(jià)格也相當(dāng)昂貴。我國(guó)的體質(zhì)測(cè)試根本不可能選用此類(lèi)測(cè)量?jī)x器。
相對(duì)于國(guó)外，由于我們的電子信息業(yè)起步較晚，技術(shù)也相對(duì)落后，不可避免地造成電測(cè)化儀表技術(shù)也相對(duì)滯后。尤其是醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)所用的比較先進(jìn)的醫(yī)療儀器基本上都是進(jìn)口產(chǎn)品。
由于技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制等種種原因，我國(guó)至今在體質(zhì)測(cè)試中仍沿用30多年前就己經(jīng)開(kāi)始使用的老式機(jī)械式的容積測(cè)定型肺活量計(jì)。如浮筒式肺活量計(jì)和回旋式肺活量計(jì)，這類(lèi)老產(chǎn)品突出的缺點(diǎn)是:體積大、重量重、系統(tǒng)誤差大、線性度不高、溫度補(bǔ)償不完善、數(shù)據(jù)讀取困難等等。但這些產(chǎn)品也有其突出的優(yōu)點(diǎn):價(jià)格便宜。
1.4 本設(shè)計(jì)的具體要求
結(jié)合實(shí)際情況對(duì)本設(shè)計(jì)提出了以下幾點(diǎn)要求：
1)硬件方面：盡可能選用高穩(wěn)定、高集成的電路以代替以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所選用的過(guò)多離散器件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2)要進(jìn)一步降低成本，精簡(jiǎn)電路，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，有些功能盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣才能適應(yīng)即將到來(lái)的全國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試和全民體質(zhì)健康測(cè)試這個(gè)大市場(chǎng)的需求。
3)對(duì)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種與標(biāo)準(zhǔn)文丘利管結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)大小不同的，能夠適合于便攜式儀器上應(yīng)用的小型節(jié)