基于時差法超聲波肺功能儀的研究與應用

楊俊成，李巧君

(河南工業職業技術學院計算機工程系，河南南陽473000)

1 引 言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)［1］是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎或肺氣腫，可進一步發展為肺心病或呼吸衰竭的常見慢性疾病。由于其患病人數多、死亡率高、社會經濟負擔重，已成為世界性的公共衛生問題。在我國COPD同樣是嚴重的慢性呼吸系統疾病，鐘南山［2］對我國7個地區的成年人群進行調查，發現40歲以上人群COPD的患病率為8．2%。鮑俊等［3］在合肥的調查研究發現COPD患病率為6．7%，其中COPD患者中輕度患者占76．7%，輕度無癥狀者43%。有研究表明［4］在我國COPD漏診率高達70%。COPD早期可無任何臨床癥狀，待出現明顯咳嗽、咳痰、呼吸困難等癥狀時肺功能已經受到損害，因此COPD的早期診斷至關重要。基于時差法超聲波肺功能儀通過對患者的肺活量(VC)、用力肺活量(FVC)、每分鐘最大通氣量(MVV)和每分鐘通氣量(MV)這四個方面的檢測能夠早期診斷出COPD，成為該領域的一個研究熱點。

目前市場上的肺功能儀［5－6］有日本美能肺功能檢測儀AS－507，采用熱絲式流速傳感器，流量范圍為0～14 L/s，精度是3%或者50 ml的誤差，需要線性校正，對氣體成分敏感，不耐用且價錢昂貴。德國康訊肺功能儀、日本的捷斯特HI－105肺功能采用的是壓差式流速傳感器，需要溫度和壓力補償，受干擾因素多，呼吸阻力大，很難全面清洗且容易堵塞。

肺功能儀利用超聲波測量氣體流量的方法［7－8］大致可分為四種:頻差法、相差法、多普勒法和時差法。頻差法精度高，受溫度影響小，但對噪音、環境敏感，工作不穩定;相差法檢測原理簡單，精度較高，但易受環境影響;多普勒法測量在實際應用較少，因為精度受到散射體和溫度變化的影響。

時差法的基本原理［9］是聲波在流體中傳播時，傳播距離相同但有不同的傳播時間，逆流方向聲波傳播速度會減小，順流方向則會增大。利用傳播時間之差與被測流體流速的關系求取流速，流速乘以管路截面積就是流量。時差法測量精度高，受溫度、環境影響小，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［10－11］采用時差法來實現。時差法具有如下特點:

(1)精度提高比較困難。由于超聲波在氣體中的傳播效率比較低，信號衰減比較大，并且超聲波的頻率高，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。

(2)時間差要求比較精確。為了保證測量的下限范圍，超聲波順流和逆流的時間差測量的分辨率需到ns級，這個時間差的測量相當困難。

以30 mm管徑，換能器夾角45°，聲速340 m/s，K=1 為例

其中:Q瞬是瞬間流量;D是管徑的直徑;K為動力因子。

要將 Q瞬測到 0．05 L/s，(t12－t21)的分辨率至少要到 0．05/1．362 μs，即 36．7 ns。

2 基于時差法的超聲波肺功能儀

肺功能的檢測對基礎醫學和臨床醫學都具有重要的意義，但超聲波［12－13］在氣體中的傳播效率比較低，頻率高，噪聲大，信噪比難提高，因此對它的有效提取方法需要很高的要求。本文針對目前臨床提出的對精度和時間差要求比較高的情況下，采用高性能的處理器和時間芯片，選擇適當的動力學因子，提出用閥值法和自動增益放大電路來提高信號的穩定性和檢測的精確性。

本文所使用的肺功能儀使用了如下的技術:

(1)采用基于 ARM Cortex－M內核的STM32F103ZE為處理器，時鐘頻率可達72 MHz，采用時間數字轉換芯片TDC－GP21作為計時芯片，計時精度可達45 ps，而且在TDC－GP21內部高度集成化。利用其可實現500 ns～4 ms的時間計時，外部只需晶振和電容設計出高精度的時間測量系統，能滿足系統對時間精度的要求。

(2)動力學因子K的選擇。超聲波順流從傳感器2傳送到傳感器1，則被流體流速加快為:

超聲波逆流從傳感器1傳送到傳感器2，則被流體流速減慢為:

式(1)－式(2)并整理，得:

因為測量得到的順、逆向上的傳播時間t12，t21包含了換能器、電纜、電路等產生的固有電聲延時r12，r21，須扣除其影響，所以式(3)可以改寫為:

由于兩路超聲波的電路基本一致，r12=r21，并且t12和t21的數量級為幾百μs，r12和r21的數量級為幾ns，所以理論上可以忽略r12和r21的影響。

由于管壁的摩擦黏滯作用使流體在管道載面上存在著流速分布，對于在中心線上的單通道超聲波流量計，其測量的流速v實際上是管道截面內直徑上的線平均速度，而測量流量需要的是管道內截面的面平均流速vm，它們并不相等。當雷諾數大于4 000時，流體呈紊流狀態，線平均流速與面平均流速之間的關系存在一動力學因子K，即:

管路的直徑為D，從而可得瞬時體積流量:

式(3)代入式(6)得:

只需測量出t21和t12就可以求出流量Q瞬，在連續測量中，只要逐次將測得的Q瞬值對時間積分，就可得到任意時間段內的累積流量Q累。根據實際的需要，采樣頻率設在50～250 Hz，即最快每4 ms測量一次t12和t21。

(3)利用閥值過零檢測法來確定超聲波形的到達時刻。首先在上電初始化時，STM32會分別控制上下游超聲波探頭發射接收，然后逐步增加電壓比較器的閾值并測量這個時候的回波時間，由此方法可以找到超聲波回波的最合適閾值。想要準確地測試超聲波信號在氣體的傳播時間，就要準確地捕捉到超聲波接收信號到達的時刻，根據超聲波換能器的固有頻率，為防止干擾設置一閥值，當接收信號到達閥值電壓后的第一個過零點設為信號到達的時刻。

(4)自動增益技術。在實際測量流量的過程中，因為超聲波回波會隨著氣體流速增加，幅值會衰減，所以需要程控放大器(根據峰值監測電路反饋的峰值電壓來調整放大倍數)，結合動態閾值算法來完成整個流量量程的測量。

3 實驗結果

3.1 FVC 數據測試

FVC是被測試者用力呼氣時所能呼出的最大氣量。當受試者沒有呼氣到最后時，FVC容量曲線會變得很小，FEV1．0/FVC的測量值總是會被高估(FEV1．0%肺活量的一秒率=第一秒的用力肺活量容積占總用力肺活量的比率)，如圖1所示。

圖1 FVC實驗結果圖Fig．1 Experiments figure of FVC

被測試者是否存在COPD的一個判定標準是FEV1．0/FVC＜70%。但是在上述情況下是不能進行正確的COPD階段分類根據測試結果繪制曲線。根據測得的時間差來算出瞬時流量，對瞬時流量積分得出氣體體積，根據流量與時間的關系，體積與時間的關系，流量與體積的關系可以畫出VC，MV，MVV三個測試項目的曲線并求出相應的參數。從圖1不難看出，本文所提出的方法能高效地計算出FEV1．0/FVC的值，從而進一步判定COPD的存在。

3.2 VC 數據測試

當確認最大吸氣水平和最大呼氣水平容量曲線不再改變后(平臺期)有2 s的平臺期，呼氣和吸氣是均恒的。

3.3 MV/MVV 數據測試

演算處理是根據結尾點的通氣容量進行的，回到測試數據窗口，并且顯示測量結果，如圖2所示。

圖2 MVV/MV測試畫面圖Fig．2 Test figure of MVV/MV

4 總 結

本文根據超聲波測量氣體的方法，研究超聲波測量氣體的基本原理和方法。依據超聲波的處理方法和臨床檢測標準，為了便于觀察信號的時域圖、頻域圖、時頻分布圖和定量指標相關率與信噪比，采用圖形化編程語言Labview建立信號處理系統，并搭建了以STM32和TDC－GP21為核心的硬件電路，用增益放大電路來提高系統的穩定性，最后實驗結果表明該方法的可行性。。

［1］ 李文強，黃剛，楊錄．數字化時差法超聲采集卡設計與實現［J］．太原理工大學學報，2014(2):255－258．LI Wenqiang，HUANG Gang，YANG Lu．Design and implementation of ultrasonic capture card base on digital time difference method［J］．Journal of Taiyuan University of Technology，2014(2):255－258．

［2］ 金影．肺功能儀的數據采集及處理系統［J］．電子技術與軟件工程，2014(4):220－221．YIN Ying．The data acquisition and processing system of spirometer［J］．Electronic Technology and Software Engineering，2014(4):220－221．

［3］ 趙政．基于超聲波時差法的非接觸式流量傳感器［J］．自動化應用，2014(7):82－85．ZHAO Zheng．Non-contact flow sensor based on ultrasonic time difference method［J］．Automation Applications，2014(7):82－85．

［4］ 王飛，官龍騰，張福春，等．數字式時差法超聲流量計的設計與實現［J］．自動化儀表，2014(9):80－83．WANG Fei，GUANG Longteng，ZHANG Fuchun，et al．Design and implementation of the digital transit-time ultrasonic flowmeter［J］．Automation Instrumentation，2014(9):80－83．

［5］ 王民意，鐘新躍．時差法在超聲波氣體流量計中的應用研究［J］．儀表技術與傳感器，2013(7):26－28．WANG Minyi，ZHONG Xinyue．Applied research on time difference method in ultrasonic gas flow meter［J］．Instrument Technique and Sensor，2013(7):26－28．

［6］ 鄧凱．基于時差法超聲波流量計的設計與研究［D］．廣州:華南理工大學，2013．DENG Kai．Design and research of ultrasonic flow meter based on time difference method［D］．Guangzhou:South China University of Technology，2013．

［7］ 邵慧．TDC－GP21在時差法超聲波流量計中的應用［J］．現代電子技術，2012(12):134－136．SHAO Hui．Application of TDC － GP21 in ultrasonic flowmeter based on time difference method［J］．Modern Electronics Technique，2012(12):134－136．

［8］ 楊亞，王讓定，姚靈，等．時差法超聲波流量計中時間間隔測量及誤差分析［J］．寧波大學學報:理工版，2012(4):35－39．YANG Ya，WANG Rangding，YAO Ling，et al．Interval measuring and error analysis in transit-time ultrasonic flowmeter［J］．Journal of Ningbo University:Natural Science，2012(4):35－39．

［9］ 牛朋恩，薄秀江，程浩．時差法超聲波流量計原理及應用案例［J］．自動化應用，2011(6):68－69．NIU Pengen，BO Xiujiang，CHENG Hao．Principle and application cases of ultrasonic time difference flow meter［J］．Automation Applications，2011(6):68－69．

［10］ Willatzen M．Ultrasonic flowmeters:temperature gradients and transducer geometry effects［J］．Ultrasonics，2003，41(2):105－114．

［11］ Huang Y S．An ultrasonic temperature and distance measurement system with self interference and self temperature compensation techniques［D］．Tainan:Department of Electrical Engineering，National Cheng Kung University，2009．

［12］ 王雪峰．基于時差法氣體超聲波流量計的關鍵技術研究［D］．大連:大連理工大學，2011．WANG Xunfeng．Research on the key technologies of transit time ultrasonic gas flowmeters［D］．Dalian:Dalian University of Technology，2011．

［13］ 姚濱濱，張宏建，唐曉宇，等．基于時差法和TDC－GP2的超聲波流量測量方法［J］．自動化與儀表，2011(8):17－20．YAO Binbin，ZHANG Hongjian，TANG Xiaoyu，et al．Method of Ultrasonic flow rate measure based on Delta_T and TDC － GP2［J］．Automation and Instrumentation，2011(8):17－20．