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信号放大至适合采样的幅度,从而提高RIP技术测量呼吸信号的适用性。信号采集端采用MSP430F5438单片机作为微处理器,MSP430F5438单片机将完成呼吸数据的采样、打包、存储、发送和显示等功能。本文的A/D转换电路选取了16位的逐次逼近结构的A/D转换器AD7705, A/D转换电路将采集到的呼吸模拟信号进行模数转换,并将转化的数字数据发送到单片机中,单片机可以将接收到的数据通过串口通信的方式传给上位机PC端,也可以将采集到的数据存储到基于CH376的USB存储模块中供使用人员后续的数据处理和分析,同时单片机也会将数据显示到液晶显示屏上。设计大大提高了RIP系统的实用性和便携性,即使不带PC机也可以记录和显示数据。PC端的数据处理模块采用的是MATLAB编程方式来编写的,在MTALAB环境中读取由单片机MSP430F5438传送的数据或者直接读取USB所存储的数据,再对数据进行低通和带通滤波处理,消除干扰、漂移、噪声等信号,并根据校准方法的设定对数据进行分析与处理,计算出肺功能的各项参数。经实际测试,PC端的数据处理软件能够稳定地运行、准确地计算和有效地显示、保存计算结果,这证明了本文的设计合理可靠,达到了设计的预期效果。测试实验(1)对本文设计的RIP呼吸检测系统进行硬件测试,包括检验高精度恒流源的电流精度和稳定性；锁相放大电路模块的线性度和降噪能力；基于CH376的USB存储模块的存储速度测试。(2)本文选择的RIP校准技术为改进型最小二乘法,校准的参照系统为已经福禄克气流分析仪校准过的由流量传感器等组成的呼吸速度描记仪(PN),另外采用了RIP参考系统与本文的RIP呼吸检测系统进行小范围的实验测试。(3)实验一共测试了14名身体健康、无吸烟史的成年人,6名男性,8名女性,年龄24±0.74,身高165±5.2mm,体重62±3.45Kg。(4)采用统计分析软件SPSS分析数据,对比分析RIP参考系统、本文设计的RIP系统和PN系统在测量受试者不同呼吸模式下的潮气量和呼吸频率的相关性分析。结果与讨论(1)电路上电后用示波器观察可知本文设计的高精度恒流源实现的激励电流稳定性高,其负载电流随频率变化的变化较小,最大相对偏差小于0.2%,能为电感线圈提供精度较高的激励电流,能从整体上提高RIP系统的稳定性和测量精度。(2)锁相放大器低通滤波的输出与输入信号的相关系数R=0.9696,P<0.001。另外,从滤波器的频谱分析图中可看到噪声明显下降。这说明本文所涉及的锁相放大电路具有稳定的线性,适合用于RIP系统检测呼吸的信号。(3)通过示波器测试和计算,CH376的USB存储模块最大的存储量为67KBite/s,对于本文采样频率为150HZ的RIP呼吸检测系统,完全能满足本文系统对呼吸信号存储的要求。(4)在平静呼吸模式下,本文设计的RIP呼吸检测系统测得的潮气量为504.45±93ml,呼吸频率为16.478±1.875bpm；参考的RIP系统测得的潮气量为619.94±156.84m1,呼吸频率为15.78±1.97bpm；PN测得的潮气量为495.37±94m1,呼吸频率为16.843±1.861bpm。在用力呼吸模式下,本文设计的RIP呼吸检测系统测得的潮气量为1839.90±727.38m1,呼吸频率为11.792±1.48bpm；参考的RIP系统测得的潮气量为1668.60±761.59,呼吸频率为11.5±1.59bpm；PN测得的潮气量为1847.60±715.30m1,呼吸频率为11.692±1.208bpm。其次,对三种呼吸测量系统都进行了误差分析。另外,还对本文的改进型RIP系统和PN系统以及RIP参考系统和PN系统分别进行了相关性分析。结果分析表明,在平静呼吸模式和用力呼吸模式下测得的潮气量和呼吸频率时,本文设计的改进型RIP系统的相对误差比参考的RIP系统要低,与PN系统的相关程度要比参考的RIP系统更好。与PN系统相比,本文的改进型RIP系统操作简单,无需佩戴口鼻罩与配合,测量的结果相关性差异较小；与RIP参考系统相比,准确性更高,相关性更好,更适用于测量呼吸潮气量和呼吸频率,本文设计的改进型可用于监测人体日常生活中的呼吸状况。研究不足与展望首先,本文设计的RIP呼吸检测系统集成度还不够高,使用操作还需要简化。其次在设计过程中没有对特定的异常情况作处理,系统的实用性还需提高。再者,由于时间的仓促和规模比较小,系统的实验只涉及到小部分的正常成年人的呼吸测量,在后续工作中应该扩大实验的范围,对患有呼吸困难的患者、儿童和婴幼儿等特定人群的呼吸进行检测,并根据实验结果调试系统设计和校准方法,进一步提高系统的适用性。