CN107242874B - 用于肺功能测定的流量传感器、肺功能测试仪及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于肺功能测定的流量传感器，及其在肺功能测定仪中的应用和肺功能的检测方法。所述流量传感器为中空管结构，主要由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上。所述流量传感器以及肺功能测定仪能检测呼气和吸气双向流量，结构紧凑有利于肺功能测定仪器的小型化，且方便仪器的定标和校正，售后维护简单。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及用于肺功能测定的流量传感器、肺功能测试仪及其应用和测定方法。
背景技术
人体各器官的机能只有在氧供应充足的情况下才能正常工作。人体的氧供给全靠肺的呼吸来获得，在呼吸过程中，肺摄入氧气并排出代谢产物二氧化碳。利用肺功能测定可判断测试者的呼吸机能，对鉴别气道梗阻类型、胸腹部外科手术前的肺功能评估等方面具有实际的临床意义。
随着技术的进步，肺功能测定仪已从传统的浮筒式、回转式，逐步发展出现了便于携带的电子测定仪。在这类电子肺功能测试仪中，呼吸流量传感器是其关键的部件之一。
如图1所示，采用文丘里管原理设计的压差式流量传感器，在流量传感器上包括两个取压口（双孔流量传感器），低压取压口1001设置在喉口部1003，高压取压口1002设置在呼气进气部1004。检测呼气参数时，气流先经过高压取压口，再进入喉口部的低压取压口，由于喉口部孔径小，气流被压缩加速，压力损失比较大，流量下降，但是高压取压口在喉口部前，所以不会影响流量测试精度。如果所述流量传感器用于检测吸气参数，气流会先经过喉口部的低压取压口，气流压力损失，流量下降，再进入高压取压口，检测到的流量会明显偏小，因此基于文丘里管原理的压差式流量传感器用两个取压孔不能同时检测呼气和吸气双向流量。
为了能同时检测呼气和吸气双向流量，如图2所示采用文丘里管原理设计压差式流量传感器采用四个取压口的设计，需分别在吸气进气部1005增加一个高压取压口1002，在喉口部再增加一个低压取压口1001，必然会增加喉口部1003的长度，整个流量传感器的长度随之增加，取压口多，结构复杂，不利于检测仪器的小型化。
如图3所示采用孔板原理设计的气体流量传感器，由于孔板1006厚度小于0.02D(管子直径)，气流压力损失小，不影响呼气和吸气双向流量检测精度。但是由于人体吸气流量相对于呼气流量小很多，采用两组取压口来同时检测呼气和吸气流量，吸气检测的灵敏度不够，因此采用四个取压口1007，两个压差传感器1008，包括高量程压差传感器和低量程压差传感器，高量程压差传感器用来检测呼气流量，低量程压差传感器用来检测吸气流量，以提高吸气流量检测灵敏度。不过由于采用了两组不同量程的压差传感器，在流量传感器定标时，需采用两组定标体系，这不但会增加仪器的复杂度，降低可靠性，而且会增加生产工序、制造成本以及售后维护的复杂度。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种用于肺功能测定的流量传感器，为中空管结构，主要由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上。
进一步的，呼气进气部和喉口部呈圆柱形，呼气进气部的直径大于喉口部的直径，第一锥部和第二锥部呈圆台形，第一锥部和第二锥部直径较小的一端分别朝向喉口部。
进一步的，第一取压口开设在第一锥部或呼气进气部，第二高压取压口开设在第二锥部。
优选的，第一高压取压口与低压取压口之间的距离小于第二高压取压口与低压取压口之间的距离。
本发明还提供了一种肺功能测定仪，包括压差传感器和流量传感器，所述流量传感器，为中空管结构，主要由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上；所述压差传感器包括第一压差传感器和第二压差传感器。
进一步的，呼气进气部和喉口部呈圆柱形，呼气进气部的直径大于喉口部的直径，第一锥部和第二锥部呈圆台形，第一锥部和第二锥部直径较小的一端分别朝向喉口部。
进一步的，流量传感器第一高压取压口与第一压差传感器的正压端连接，第二高压取压口与第二压差传感器的正压端连接，两个压差传感器的低压端通过三通管分别与喉口部的低压取压口连接。
进一步的，所述肺功能测定仪还包括微处理器。所述压差传感器的数据由微处理器控制采集、处理。
优选的，所述肺功能测定仪还包括呼气检测和吸气检测两种检测模式的自动判断系统。
本发明还提供了一种肺功能测定的方法，包括以下步骤：
（1）提供本发明所述的肺功能测定仪；
（2）测试者口含流量传感器的呼气进气部的前端，并呼气或吸气；
（3）读取第一和第二压差传感器数据；
（4）判断是否开始呼气或吸气；
（5）判断是否为呼气状态，若判断是，则肺功能测定仪取第一压差传感器的数据；若判断为否，则肺功能测定仪取第二压差传感器的数据；
（6）肺功能测定仪的微处理器得到第一或第二压差传感器的数据，计算出气体流量；
（7）获得肺功能测定参数。
其中步骤（4）呼吸状态的判断方法为：比较两个压差传感器的压差值，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气；或者操作者根据测试者当前或即将进行的动作，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气。
所述的流量传感器应用于测定肺功能指标上。
本发明的有益效果是：采用一个低压取样口和两个高压取样口的流量传感器，有利于肺功能测定仪器的小型化。且生产工序少，制造成本低。采用所述流量传感器的肺功能测定仪，能同时检测呼气和吸气双向流量，且方便肺功能测定仪的定标和校正，利于售后维护。
附图说明
图1 现有技术的双孔流量传感器结构示意图。
图2 现有技术的四孔流量传感器结构示意图。
图3 现有技术的孔板式流量传感器结构示意图。
图4 本发明所述的三孔流量传感器结构示意图。
图5 带有吸气进气部的三孔流量传感器结构示意图。
图6 三孔流量传感器与压差传感器连接的示意图。
图7本发明所述肺功能测定仪的电路线框图。
图8测定过程线框图。
具体实施方式
如图4所示，用于肺功能测定的流量传感器，为中空管结构，主要由呼气进气部1、第一锥部2、喉口部3和第二锥部4依次相连而成，低压取压口5开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口6和第二高压取压口7分别开设在非喉口部两侧的管壁上。呼气进气部1和喉口部3呈圆柱形，呼气进气部的直径大于喉口部的直径。第一锥部2和第二锥部4呈圆台形，第一锥部和第二锥部直径较小的一端分别朝向喉口部。
第一取压口6可以开设在第一锥部2或呼气进气部1。第二高压取压口7可以开设在第二锥部4。如图5所示，在第二锥部直径较大的一端与吸气进气部8相连的实施例中，第二高压取压口7还可以开设在吸气进气部8。当测定呼气时的肺功能参数时，通过压差传感器测定第一高压取压口和低压取压口之间的压差。当测定吸气时的肺功能参数时，通过压差传感器测定第二高压取压口和低压取压口之间的压差。肺功能测定仪根据高、低压取压口之间的压差计算分析出测试者的肺部各种功能指标，提供给医生或测试者以便判断病情或确认疗效。
在流量传感器的管体最大直径、管身长度、第一锥部锥角θ1和第二锥部锥角θ2等参数固定的实施例中，通过调整第一高压取压口与低压取压口之间的距离，获得呼气测定时需要的灵敏度，通过调整第二高压取压口与低压取压口之间的距离，获得吸气测定时需要的灵敏度。
在压差传感器取压点位置是固定的，也即与之配合的流量传感器的高、低压取压口之间的距离是固定的实施例中，通过调整流量传感器的呼气进气部直径、喉口部直径、第一锥部锥角θ1及其长度，或第二锥部锥角θ2及其长度，获得呼吸测定时需要的检测量程。
由于肺功能检测呼气最大流速比吸气最大流速大得多，为提高吸气流量检测的灵敏度，需要增大第二高压取压口的压力。根据流体动力学伯努利原理，流量与压差的关系满足公式（I），式中d为喉口部低压取压口处直径，D为吸气进气部第二高压取压口处直径，ρ为流体的密度。当D变大，一定的流量对应的压差Δp也会相应变大。
(I)
在一个具体的实施例中，通过加大第二高压取压口7与低压取压口5的距离，使第二高压取压口开设于第二锥部4的较大孔径处，以增大吸气流量对应的压差输出。通过调整第一高压取压口和第二高压取压口的位置，使呼气和吸气的流量检测满足量程和灵敏度要求，并可以使呼气压差传感器和吸气压差传感器的压差检测量程一致，即可用同一型号的压差传感器，压差传感器的定标和校正采用同一方法，校正系数的取值范围一致。因此方便肺功能测定仪的定标和校正。
人体呼出的气体湿度大，流量传感器内部容易凝结水汽，为了防止凝结水堵塞取压口，在一个具体的实施例中，取压口孔径取1.0～1.5mm，利用水的表面张力阻止凝结水流入取压孔，同时高压取压口开设在锥部上，使凝结水能往外流而不会停留在取压口，喉口部尽量短，例如小于6mm，确保水汽在喉口部无滞留。
如图6所示，肺功能测定仪包括压差传感器和本发明所述的流量传感器。流量传感器第一锥部的第一高压取压口6与第一压差传感器101的正压端103连接，第二锥部的第二高压取压口7与第二压差传感器102的正压端103连接，两个压差传感器的低压端104通过三通管105分别与喉口部的低压取压口5连接。
压差传感器可以与微处理器106相连，微处理器用于采集压差传感器的信号并进行处理，根据高、低压取压口之间的压差计算分析出测试者肺部各种功能指标，作为测试者当前身体状况或治疗效果的参考指标。所述微处理器可以是肺功能测定仪自带的，也可以是外部设备，例如电脑等。
肺功能测定仪还包括呼气检测和吸气检测两种检测模式的自动判断系统。当流量传感器内的气流为呼气气流时，用第一压差传感器的数据测定第一高压取压口和低压取压口之间的压差，获得呼气时的肺功能参数。当流量传感器内的气流为吸气气流时，用第二压差传感器的数据测定第二高压取压口和低压取压口之间的压差，获得吸气时的肺功能参数。
呼气吸气自动判断系统可以是肺功能检测软件中的部分程序，通过程序控制实现呼气检测和吸气检测之间的切换。尤其是在需要连续检测吸气或呼气时，所述自动判断系统能够迅速地在呼气检测模式和吸气检测模式之间自由切换。
当检测呼气参数时，气流先经过第一高压取压口，再进入喉口部的低压取压口，由于喉口部孔径小，气流被压缩加速，压力损失流量下降，最后经过第二高压取压口，因此第一压差传感器的压差检测值始终大于第二压差传感器的压差检测值；当检测吸气参数时，气流先经过第二高压取压口，再进入喉口部的低压取压口，气流被压缩加速，压力损失流量下降，最后经过第一高压取压口，所以第二压差传感器的压差检测值始终大于第一压差传感器的压差检测值。因此在一个具体的实施例中，呼气吸气自动判断系统通过比较两个压差传感器的压差值以判断当前测试者是呼气还是吸气，根据判断的结果，测定仪自动切换至相应的呼气检测模式或吸气检测模式。
如图7所示为图6肺功能测定仪的电路原理图，包括第一和第二压差传感器、信号放大电路、双通道A/D转换电路、微处理器电路、显示屏、电源管理电路、电源和按键。使用时，按动按键启动肺功能检测，测试者向流量传感器连续呼气吸气，压差传感器将测得的信号经过放大，数模转换后送至微处理器进行处理，处理后的相关信息显示于显示屏上。电源通过电源管理电路为上述单元供电。
如图8所示，一种肺功能测定的方法，包括以下步骤：
（1）提供本发明所述的肺功能测定仪；
（2）测试者口含流量传感器的呼气进气部的前端，并呼气或吸气；
（3）读取第一和第二压差传感器数据；
（4）判断是否开始呼气或吸气；
（5）判断是否为呼气状态，若判断是，则肺功能测定仪取第一压差传感器的数据；若判断为否，则肺功能测定仪取第二压差传感器的数据；
（6）肺功能测定仪的微处理器得到第一或第二压差传感器的数据，计算出气体流量；
（7）获得肺功能测定参数。
其中步骤（5）呼吸状态的判断方法：比较两个压差传感器的压差值，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气；或者操作者根据测试者当前或即将进行的动作，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气。
本发明所述的流量传感器或肺功能测定仪，可应用于常规体检、运动员体能测试、哮喘患者的日常监测、鉴别气道梗阻类型、胸腹部外科手术前的肺功能评估等。
实施例1
实验组为本发明所述的流量传感器，其呼气进气部直径为27mm，第一锥部的锥角为40度，喉口部直径为12mm，第二锥部的锥角为25.4度，吸气进气部直径为27mm。第一高压取压口与低压取压口距离20mm，第二高压取压口与低压取压口距离25mm。
对照组为现有技术的双孔流量传感器，其呼气进气部直径为27mm，第一锥部的锥角为40度，喉口部直径为12mm，第二锥部的锥角为25.4度，吸气进气部直径为27mm。第一高压取压口与低压取压口距离20mm。
将实验组的流量传感器和对照组的流量传感器与标准流量传感器作比较检测，检测结果见表1和表2。
表1实验组流量传感器呼气吸气实验数据
| 标准流量值(L/min) | 呼气检测值(L/min) | 误差(%) | 标准流量值(L/min) | 吸气检测值(L/min) | 误差(%) | |
| 50 | 49.5 | -1.0 | 30 | 29.6 | -1.3 | |
| 80 | 78.8 | -1.5 | 40 | 39.7 | -0.7 | |
| 120 | 118 | -1.7 | 50 | 49.6 | -0.8 | |
| 180 | 179 | -0.6 | 60 | 59.9 | -0.2 | |
| 250 | 248 | -0.8 | 80 | 79.3 | -0.9 | |
| 350 | 350 | 0.0 | 100 | 99.5 | -0.5 | |
| 400 | 401 | 0.3 | 120 | 119 | -0.8 | |
| 450 | 452 | 0.4 | 180 | 179 | -0.6 | |
| 500 | 503 | 0.6 | 250 | 249 | -0.4 | |
| 550 | 553 | 0.5 | 350 | 351 | 0.3 | |
| 600 | 606 | 1.0 | 400 | 400 | 0.0 | |
| 700 | 712 | 1.7 | 450 | 451 | 0.2 | |
| 800 | 809 | 1.1 | 500 | 502 | 0.4 |
表2 对照组流量传感器呼气吸气实验数据
| 标准流量值(L/min) | 呼气检测值(L/min) | 误差(%) | 标准流量值(L/min) | 吸气检测值 (L/min) | 误差(%) | |
| 50 | 49.6 | -0.8 | 30 | 17.9 | -40.3 | |
| 80 | 78.5 | -1.9 | 40 | 23.6 | -41.0 | |
| 120 | 119 | -0.8 | 50 | 32.7 | -34.6 | |
| 180 | 179 | -0.6 | 60 | 43.5 | -27.5 | |
| 250 | 249 | -0.4 | 80 | 71.9 | -10.1 | |
| 350 | 352 | 0.6 | 100 | 92.6 | -7.4 | |
| 400 | 399 | -0.3 | 120 | 113 | -5.8 | |
| 450 | 451 | 0.2 | 180 | 173 | -3.9 | |
| 500 | 502 | 0.4 | 250 | 241 | -3.6 | |
| 550 | 555 | 0.9 | 350 | 333 | -4.9 | |
| 600 | 607 | 1.2 | 400 | 387 | -3.3 | |
| 700 | 709 | 1.3 | 450 | 427 | -5.1 | |
| 800 | 813 | 1.6 | 500 | 473 | -5.4 |
从上述实验检测数据可以看出本发明的流量传感器用于肺功能检测与对照组（现有技术）的传感器相比较，具有较高的检测灵敏度和准确度，特别是在吸气检测时，结果比对照组要好。
实施例2
测定实施例1实验组的流量传感器的最大压差，呼气流量最大量程900L/min，当最大流量时对应压差10kPa；吸气流量最大量程600L/min，当最大流量时对应压差10kPa。因此第一压差传感器和第二压差传感器可以使用相同量程的压差传感器。通过实验测试流量和压差数据（见表3），对两个传感器进行定标。具体校正时，把两个压差传感器并联并施加一样的压差，分别取1kPa和5kPa两个压差点进行线性校正。
表 3
| 呼气流量值 (L/min) | 第一压差传感器 (kPa) | 吸气流量值 (L/min) | 第二压差传感器 (kPa) | |
| 50 | 0.03 | 50 | 0.07 | |
| 100 | 0.12 | 100 | 0.27 | |
| 200 | 0.48 | 150 | 0.6 | |
| 300 | 1.08 | 200 | 1.07 | |
| 400 | 1.93 | 250 | 1.68 | |
| 500 | 3.02 | 300 | 2.42 | |
| 600 | 4.35 | 350 | 3.29 | |
| 700 | 7.36 | 400 | 4.3 | |
| 800 | 7.74 | 500 | 6.73 | |
| 900 | 9.8 | 600 | 9.7 |
Claims (10)
1.一种用于肺功能测定的流量传感器，为中空管结构，由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，其特征在于，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上，第一高压取压口开设在第一锥部，第二高压取压口开设在第二锥部，第一高压取压口与低压取压口之间的距离小于第二高压取压口与低压取压口之间的距离。
2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，呼气进气部和喉口部呈圆柱形，呼气进气部的直径大于喉口部的直径，第一锥部和第二锥部呈圆台形，第一锥部和第二锥部直径较小的一端分别朝向喉口部。
3.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，第一高压取压口与低压取压口之间距离的设置和第二高压取压口与低压取压口之间距离的设置使呼气压差传感器和吸气压差传感器的压差检测量程一致。
4.根据权利要求3所述的流量传感器，其特征在于，呼气进气部直径为27mm，第一锥部的锥角为40度，喉口部直径为12mm，第二锥部的锥角为25.4度，吸气进气部直径为27mm，第一高压取压口与低压取压口距离20mm，第二高压取压口与低压取压口距离25mm，取压口孔径取1.0～1.5mm。
5.一种肺功能测定仪，包括压差传感器和流量传感器，其特征在于，所述流量传感器为中空管结构，由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上，第一高压取压口开设在第一锥部，第二高压取压口开设在第二锥部；所述压差传感器包括第一压差传感器和第二压差传感器，流量传感器第一高压取压口与第一压差传感器的正压端连接，第二高压取压口与第二压差传感器的正压端连接，两个压差传感器的低压端通过三通管分别与喉口部的低压取压口连接，第一高压取压口与低压取压口之间的距离小于第二高压取压口与低压取压口之间的距离。
6.根据权利要求5所述的肺功能测定仪，其特征在于，第一高压取压口与低压取压口之间距离的设置和第二高压取压口与低压取压口之间距离的设置使第一压差传感器和第二压差传感器的压差检测量程一致。
7.根据权利要求5所述的肺功能测定仪，其特征在于，还包括信号放大电路、双通道A/D转换电路、微处理器、显示屏、电源管理电路、电源和按键,压差传感器将测得的信号经过放大，数模转换后送至微处理器进行处理，处理后的相关信息显示于显示屏上。
8.一种肺功能测定的方法，包括以下步骤：
(1)提供权利要求5至7中任一项所述的肺功能测定仪；
(2)测试者口含流量传感器的呼气进气部的前端，并呼气或吸气；
(3)读取第一和第二压差传感器数据；
(4)判断是否开始呼气或吸气；
(5)判断是否为呼气状态，若判断是，则肺功能测定仪取第一压差传感器的数据；若判断为否，则肺功能测定仪取第二压差传感器的数据；
(6)肺功能测定仪的微处理器得到第一或第二压差传感器的数据，计算出气体流量；
(7)获得肺功能测定参数。
9.根据权利要求8所述的肺功能测定的方法，其特征在于，步骤(4)呼吸状态的判断方法选自：比较两个压差传感器的压差值，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气，判断方法为，当测得第一压差传感器的压差检测值大于第二压差传感器的压差检测值时，判断为呼气检测；当第二压差传感器的压差检测值大于第一压差传感器的压差检测值时，判断为吸气检测；或者操作者根据测试者当前或即将进行的动作，以判断出测试者对流量传感器实施的是呼气还是吸气。
10.权利要求1至4中任一项所述的流量传感器在测定肺功能指标上的应用。
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