关键词：
呼吸感应体积描记
肺功能
高精度恒
流源适用性
摘要：
研究背景 肺功能检测在研究呼吸系统的诊治与应用方面都有着非常重要的临床价值,自从肺功能测定应用到临床上,肺功能检测的应用范围就不断扩大,肺功能检测的结果能够在很大程度上帮助临床医师判断受试者的呼吸功能是否减损,以及减损的程度和类型;鉴别诊断具有呼吸困难的临床症状;评判职业病患者肺功能损害程度和指导相关医学的研究,如流行病学、运动医学、航天医学和高原病等。而且肺功能的应用科室也不仅仅局限于呼吸科,在手术室、急诊科、重症监护中心和外科等科室都在逐渐利用肺功能测量技术对患者的病情发展和治疗效果进行临床评价。 近几十年来,检测肺功能的技术不断地改进,现在临床上经常使用的肺功能检测仪主要有测量流经口鼻气体体积和流量的肺量计,检测和分析呼吸气体中气体成分的气体分析仪,针对呼吸肌肉力量和肺顺应性的压力计,电阻抗式呼吸检测仪和体积描记箱。虽然肺量计、气体分析仪、体积描记箱和压力计测量较准确,但是它们是侵入式的呼吸测量方式,并都需要受试者佩戴口鼻面罩,不仅使得部分病人无法配合,而且佩戴的口鼻面罩会影响呼吸模式,使测量的准确性下降。因此,临床上需要一种安全、准确、低廉、便携和非入侵式的肺功能仪。 研究目的 呼吸感应体积描记法是通过测量围绕在人体胸部和腹部的电感线圈电感量的变化,并采用校准技术计算出人体胸腔和腹腔体积的变化,再通过呼吸感应体积描记的校准技术,如等容校准法、诊断性定性校准法、多元线性回归法、最小二乘法等等,将RIP测得的数据转换成气体容积数据。转换得到的气体容积跟测得的时间参数一起就可以算得呼吸的多项参数,如潮气量、分钟通气量、吸气量和吸气分数、胸腹呼吸贡献比等等。与传统的呼吸参数测量技术,如速度描记技术相比,RIP技术无需被测者佩戴鼻面罩、鼻夹或者咬口器;降低被测者在测量过程中的不适和紧张;不改变被测者的呼吸模式;具有较小的呼吸死腔;可在不限制被测者活动下长时间动态地监测病患的呼吸参数。与胸阻抗测量法相比,该技术准确性和精度更高,在监测婴幼儿呼吸方面有更好的表现。RIP技术在对测量人体呼吸参数方面有着广阔的应用前景,如用于呼吸睡眠的监测,对人体在不同温度环境下呼吸信号的监测,对患有呼吸系统疾病而影响其肺功能的病者进行连续性动态监测等等,是近年来生物医学工程领域的研究热点之一。 虽然基于RIP技术的肺功能检测仪采集呼吸信号具有准确性高、非侵入式的测量、操作简单等优点,但是由于现有的RIP肺功能检测仪受测量环境的温度和电磁环境等因素造成的噪声较高,适应性不足,使用的功耗较高和价格昂贵等缺点,导致了RIP技术无法在临床上普及应用。因此,针对现有的RIP呼吸检测系统存在的缺点,课题组深入研究并改进RIP呼吸检测系统的设计方案,致力于开发出一套稳定性强、操作简单、测量准确和成本低的RIP呼吸检测系统。以此在提高基于RIP技术的肺功能检测系统的适应性和降噪能力,同时能降低系统的功耗和成本,可让RIP技术在临床中得到广泛的应用。 检测系统的设计 由于呼吸运动引起电感线圈的电感变化微小,这就要求激励电感线圈的信号具有较高的稳定性。本文采用分时激励的设计和CPLD的设计平台来完成高精度恒流源的激励信号源的电路设计,设计包括了基于CPLD的数字信号发生器、DAC电路、八阶低通滤波电路和压控恒流源电路。本文采用Analog Device公司的AD5445作为D/A转换的芯片,ADR421作为其基准电压电路的基准源芯片。经D/A转换后,信号被输入到由芯片AD822所组成的八阶巴特沃斯低通滤波器,然后送至压控恒流源电路。 在呼吸测量的过程中,人体呼吸运动引起电感线圈的变化比较微弱,幅值只有几百nH,呼吸频率基本在0.3-1.2Hz的范围内,加之电感线圈容易被周围环境的噪声干扰。并且传感线圈易受周围环境以及人体除呼吸运动以外的其他动作的影响,同时恒流源电路中的噪声也会激励电感线圈产生信号,增大检测系统的误差。因此,在信号处理模块的设计中,不仅要求信号处理模块中的放大器要做到高灵敏度、低噪声、低功耗,还要做到提高传感线圈变化量的相对百分比（即电感线圈变化的电感量与电感线圈总电感量之比）。因此,本文采用了Analog Device公司的AD630芯片设计了锁相放大电路,电路是由一个基本的同步解调器AD630与后接的一个低通滤波器构成。锁相放大电路的动态范围很宽,可以更好地抑制噪声,提高RIP系统的测量精度。此外,不同个体之间的肺活量、胸围和腹围存在一定的差异,因此在放大锁相放大电路的输出信号时容易出现饱和溢出或者放大不足的现象,影响了RIP技术测量呼吸信号的适用性。针对这一问题,本文设计了以AD603为核心的自动增益控制电路,将锁相放大器的输出信号放大在规定的电压范围内,先用减法器减去一定的基准量,然后用后置放大器将
