本應(yīng)用筆記介紹了肺活量計(jì)及其基本功能。它討論了用于即時(shí)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室單元和便攜式設(shè)備，并提供了為每類肺活量計(jì)選擇電氣元件的指導(dǎo)。解決的功能模塊包括流量檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理、連接、電源管理和顯示。

概述

肺活量計(jì)測(cè)量吸入和呼出的空氣量和速度，以評(píng)估肺功能，并為哮喘、肺氣腫和囊性纖維化等肺部疾病提供一級(jí)診斷測(cè)試。

肺活量計(jì)有兩種基本類別：實(shí)驗(yàn)室單元，由訓(xùn)練有素的技術(shù)人員操作的臺(tái)式控制臺(tái)或機(jī)柜大小的機(jī)器;和便攜式肺活量計(jì)，它們是用于一般實(shí)踐和家庭使用的緊湊型臺(tái)式設(shè)備或手持設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)室肺活量計(jì)需要高性能和高精度。臺(tái)式設(shè)備必須提供精確的肺活量測(cè)量，并能夠執(zhí)行一系列測(cè)試，例如流量、潮汐肺活量和最大自愿通氣。

機(jī)柜大小的儀器（如人體體積描記儀）用于執(zhí)行高級(jí)肺功能測(cè)試，包括總肺活量、功能殘余容量和殘余容積。

隨著護(hù)理點(diǎn)從臨床實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到全科診所和家庭，便攜式肺活量計(jì)越來越受歡迎。全科醫(yī)生越來越多地使用肺活量計(jì)為患者建立基線測(cè)量值并檢測(cè)潛在的肺部疾病。低成本對(duì)于在這些新市場(chǎng)中部署肺活量計(jì)非常重要。尺寸和功耗也是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。這些設(shè)備必須使用 USB 和/或電池供電，包括充電功能，并提供多種連接選項(xiàng)。

肺活量測(cè)定法

肺活量計(jì)可用于測(cè)量幾個(gè)參數(shù)：

FVC（用力肺活量）：完全吸氣后可以呼出的空氣量。

FEV1（1s 內(nèi)用力呼氣量）：FVC 操作期間第一秒內(nèi)可以強(qiáng)制呼出的最大空氣量。

PEF（呼氣峰值流量）：在完全吸氣時(shí)開始的最大強(qiáng)制呼氣期間達(dá)到的最大流量（或速度）。

根據(jù)裝置的復(fù)雜程度，可以執(zhí)行其他參數(shù)，例如潮氣量、最大自主通氣量、流量-容積環(huán)和支氣管激發(fā)。

臺(tái)式肺活量計(jì)的系統(tǒng)框圖。

血氧飽和度

包括脈搏血氧儀（無(wú)創(chuàng)測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度）可以使哮喘的診斷性檢測(cè)成為可能。此功能可以為步行測(cè)試提供一體化解決方案;它還使肺活量計(jì)非常適合運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的健身測(cè)試。

肺活量計(jì)解決方案

流量傳感機(jī)制

肺活量計(jì)經(jīng)常使用渦輪傳感器進(jìn)行流量測(cè)量。在這種拓?fù)渲校D(zhuǎn)葉片響應(yīng)主體產(chǎn)生的氣流而旋轉(zhuǎn)。葉片的轉(zhuǎn)數(shù)在折斷光束時(shí)被計(jì)算在內(nèi)，以確定氣流速率和體積。

差壓傳感器有時(shí)被用來代替渦輪傳感器。這些設(shè)計(jì)通常被稱為氣管，可以高精度地測(cè)量低流速。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是成本：由于壓力傳感器相對(duì)便宜，因此能夠?qū)嵤┮淮涡詺饪住?/p>

前端

對(duì)于基于渦輪的肺活量計(jì)，將流量計(jì)連接到微控制器的前端相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)閬碜怨鈱W(xué)編碼器的信號(hào)可以通過施密特觸發(fā)器輕松管理（圖 1）。

圖1.渦輪傳感器的典型前端。

如果使用壓力傳感器，前端會(huì)更加復(fù)雜（圖2）。在這種情況下，需要一個(gè)信號(hào)調(diào)理器來補(bǔ)償傳感器輸出并消除最終偏移。然后，必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，該轉(zhuǎn)換器的采樣速率應(yīng)約為1ksps，分辨率至少為12位。集成高性能ADC的微控制器是這些設(shè)計(jì)的理想選擇。

圖2.壓力傳感器的典型前端。

連接

臺(tái)式肺活量計(jì)通常具有打印機(jī)和鍵盤，并包括多個(gè)通信接口，例如用于遠(yuǎn)程醫(yī)療目的的RS-232，USB和藍(lán)牙?。手持式肺活量計(jì)通常使用 USB 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和電池充電;它們還可以包括藍(lán)牙功能。

USB 和無(wú)線連接選項(xiàng)對(duì)于管理肺活量測(cè)定數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)患者非常重要。它們?cè)试S將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并在遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)傳輸?shù)结t(yī)療保健提供商 是必需的。

電源

臺(tái)式肺活量計(jì)通常由線路供電，盡管它們通常也包括鋰離子（Li+）或鎳氫（NiMH）可充電電池。由于熱敏打印機(jī)的高壓要求，它們通常使用6芯電池組?；蛘撸鼈兛梢杂蒛SB供電，在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器用于將5V升壓至9V。如圖3所示，OR-ing級(jí)選擇LDO的電源，LDO用于產(chǎn)生一個(gè)用于邏輯的3.3V電源軌和一個(gè)用于血氧測(cè)定的5V電源軌（如果包括）。

圖3.臺(tái)式肺活量計(jì)的電源示例。

手持式肺活量計(jì)可由紐扣電池或單節(jié)可充電Li+電池供電。對(duì)于 3V 紐扣電池，可以使用低功耗升壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生所需的電壓（圖 4）。對(duì)于可充電Li+電池，可以使用具有雙輸入（USB和AC適配器）的電池充電器自動(dòng)選擇最佳電源（圖5）。

圖4.使用紐扣電池源的手持式肺活量計(jì)的電源示例。

圖5.使用單個(gè)Li+可充電電池的手持式肺活量計(jì)的電源示例。

Maxim的智能電源選擇器?電路充分利用有限的USB或適配器電源，使用系統(tǒng)未使用的任何輸入電源為電池充電。這種方法具有額外的優(yōu)勢(shì)，即允許系統(tǒng)在深度放電的電池甚至根本沒有電池的情況下運(yùn)行。

為了完善電池管理電路，使用電量計(jì)來估計(jì)可用容量，而升壓和降壓轉(zhuǎn)換器則從3.3V至5.2V輸入電源提供7.4V和2V輸出。

顯示器/鍵盤

肺活量計(jì)通常采用全彩色背光 LCD 來顯示患者信息、肺活量計(jì)參數(shù)、肺活量圖和系統(tǒng)信息，例如剩余電池壽命。現(xiàn)代設(shè)備越來越多地將觸摸屏與圖形用戶界面（GUI）結(jié)合使用，以使編程過程更加直觀。對(duì)用戶輸入的可見、聽覺和觸覺響應(yīng)可幫助設(shè)計(jì)人員改善用戶體驗(yàn)。Maxim的高級(jí)觸摸屏控制器提供觸覺反饋、減少總線流量的觸摸處理以及用于精確手勢(shì)識(shí)別的自主模式。

對(duì)于帶有鍵盤或小鍵盤的設(shè)備，按鍵開關(guān)可由提供靜電放電 （ESD） 保護(hù)的去抖動(dòng)器進(jìn)行管理。集成 ESD 保護(hù)可以消除對(duì)分立保護(hù)元件的需求，同時(shí)有助于符合 IEC 61000-4-2 ESD 要求。

審核編輯：郭婷