[發明專利]寬量程超聲波肺功能儀及其計算方法

有效

• 申請號: 201410140843.1
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103989488A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 袁滔;海濤;劉友芳
• 申請（專利權）人: 河南邁松醫用設備制造有限公司
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 秦舜生

技術領域

本發明屬醫療檢測技術領域，具體涉及一種利用超聲波對人體肺功能進行測量的寬量程超聲波肺功能儀及其計算方法。

背景技術

目前，超聲波肺功能儀的方案都是參考工業超聲波氣體流量計的設計方法，在吹管的上下游安裝兩個小型超聲波傳感器，利用超聲波在順流和逆流中傳播時間差和氣體流量的關系來測量瞬時流量并通過一定的對應關系取得各項肺功能指標。但是，由于超聲波肺功能儀應用場合是管徑非常小的吹管(內徑一般為20mm左右)，導致在相同的流量情況下，氣體的流速非常大，導致超聲波信號大幅衰減甚至淹沒在噪聲之中，對測量精度造成很大影響，從而限制了測量量程。

超聲波肺功能儀的常規通氣功能中需要測量的基本量是氣體流量，其他的參數(VC、FVC、PEF和MVV等)都是基于流量結合一定的算法換算出來。壓差式肺功能儀需要溫度和壓力補償，受干擾因素多；呼吸阻力大；很難全面清洗；容易堵塞。熱線式肺功能儀需要線性校正；對氣體成分敏感；不耐用；價格昂貴。

一般來講，超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波流量計的電子線路包括發射、接收、信號處理和顯示電路。其測量過程大致為：超聲波流量計中的超聲波發射電路將電信號轉換成超聲波信號發射到待測流體中，隨后超聲波接收電路接受超聲波經放大后轉換成電信號，此時的電信號載有待測液體流速的信息，將其送到顯示和累積系統進行顯示?累積和計算，即可檢測到液體流速，從而得到流量，檢測過程完成。

利用超聲波測量氣體流量的方法大致可分為四種：頻差法、相關法、多普勒法和時差法。由于頻差法和相關法的分辨力較低，實現起來較困難，因此實際應用較少。多普勒效應法是利用超聲波在傳播過程中由于流體中存在的懸浮顆粒或氣泡的反射使其發生頻移的多普勒效應來測量的，主要用于一些雜志顆粒較大的多相流體，適用于雜質較多且分布均勻的流體測量。由于多普勒法測量精度受到溫度變化和散射體的影響，需要進行修正，而且修正過程比較復雜，因此實際應用較少。基于難度和可實現性兩方面因素的考慮，目前生產最多、應用范圍最廣的氣體超聲波流量計主要采用時差法來實現。時差法是利用超聲波在流體中的傳播速度隨流體的速度變化而變化的原理來測量的，通過測量超聲波順流和逆流傳播的時間差△t來計算流速v，而后根據Q=s*v可計算出流量。時差法流量計主要應用于單相液體，適合于工業上潔凈用水測量。由于超聲波在氣體中的傳播效率比較低，信號衰減比較大，并超聲波的頻率高，噪聲大，信噪比難提高，而且肺功能儀的管徑非常小，精度提高比較困難。

發明內容

為解決現有技術存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種雙向流量可測，零壓力損失，量程范圍寬，無需溫度補償和壓力補償的寬量程超聲波肺功能儀。

本發明的另一目的在于提供一種基于寬量程超聲波肺功能儀的計算方法。該計算方法在保證測量精度的前提下加大超聲波肺功能儀測量量程，使超聲波肺功能儀能更好得滿足各種使用情況。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：該寬量程超聲波肺功能儀，具有吹管、位于吹管壁上的上游超聲波換能器和下游超聲波換能器，其特征在于：所述上、下游超聲波換能器為收發一體式，所述上、下游超聲波換能器連線與道壁具有傾斜角；所述上游超聲波換能器連接第一濾波電路和第一隔離驅動電路，所述第一濾波電路連接通道選擇器，所述通道選擇器連接程控放大電路，所述程控放大電路連接電壓比較器，所述電壓比較器連接脈沖發射和精密時間測量芯片；所述下游超聲波換能器連接第二濾波電路和第二隔離驅動電路，所述第二濾波電路將接收到的信號傳至通道選擇器；所述脈沖發射和精密時間測量芯片串行通信連接方式微控制器，所述微控制器接口連接有觸摸屏、藍牙模塊和以太網模塊，所述藍牙模塊連接有藍牙打印機，所述以太網模塊與服務器通訊；所述微控制器分別控制通道選擇器、程控放大電路和電壓比較器；單電源對各電路供電，其中，各部分電路模塊單獨對地覆銅，控制電路和超聲波換能器發射驅動電路的連接只有脈沖信號線和與該脈沖信號線緊密平行的一根地線，測量電路、接收放大濾波電路與超聲波接收限幅耦合電路的連接只有接收信號線和與該接收信號線緊密平行的一根地線；上、下游超聲波換能器發射驅動電路、接收限幅耦合電路模塊分別用鐵殼罩住，屏蔽電磁輻射干擾；所述第一、二隔離驅動電路中通過電阻給電容充電，通過電容快速放電提供瞬時功率；基于以上的硬件連接再配合微控制器的程序就可以利用動態閾值法與程控放大法相互配合實現寬量程超聲波肺功能儀功能。

所述傾斜角為30度。

所述傾斜角為45度。