基于差压测量原理的肺功能检测方法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.4MB 72 页 15积分

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摘要

正常的肺功能是人体健康的重要标志，肺功能检测能客观地测试呼吸系统，

识别可能被忽略的因素，评定治疗效果。良好，精确，易操作的肺功能检测装置

对医生和病人来说都非常必要，也是人们日常体检中的重要装置。本文中对基于

差压测量原理的孔板式流量计和层流隔板式流量计进行研究，拟设计一种用于肺

功能检测的流量传感器和适用于临床的肺功能检测系统。根据肺功能检测时的流

量特点和体积流量方程对孔板式流量计进行设计、标定和分析，并根据标定分析

结果，用插值算法得出标定范围内孔板式流量计的输出特性，分析测量过程中产

生的脉动流及其对流量示值的影响；在层流基本原理的基础上，根据肺功能检测

中的流量特点，对专用肺功能检测的层流流量计流动参数和几何参数进行理论分

析计算，参考理论分析计算的结果设计层流隔板式流量计的层流隔板元件参数，

通过大量实验分析确定出层流隔板式流量计的结构，对层流隔板式流量计在肺功

能检测中的应用做初步研究与探索;根据临床上肺功能检测的要求，在 VC 平台下

对肺功能检测的软件系统进行设计开发。

关键词：肺功能检测, 孔板流量计, 层流流量计

ABSTRACT

Normal lung function is the significant symbol of people’s health. Lung function

testing can test the performance of the respiratory system objectively,

distinguish the elements which may be over passed and assess the

treatment. Pulmonary function testing devices which are excellent, accurate, and

easily operated are necessary both for the doctors and the patients, as well as important

daily medical devices. In this article, we will focus on the research of orifice plate

flow meter based on the theory of measuring pressure difference. Designing,

demarcating and analyzing of orifice plate flow meter are designed according to the

flux’s character in lung function testing as well as volume flow equation. Then,

according to the result, one can calculate the output character of orifice plate flow meter

with specialized confine and analyze the impulse and its influence to flux. On the basic

knowledge of laminar flow, according to the flux’s character in lung function testing,

we do academic analyze and calculate the laminar flow meter parameter and

geometrical parameter of specialized lung function testing. Referring to academic

analyses, the parameter of laminar flow’s clapboard component can be designed. At

last, we can confirm the structure of laminar clapboard flow meter and do primary

research in the application of lung function testing, then in related with clinical

requirement, develop the software of lung function testing on the basis of VC platform.

Key Word：lung function, orifice plate flowmeter, laminar flowmeter

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 肺功能检测的重要性 .......................................................................................... 1

§1.2 国内外对肺功能检测方法研究现状 .................................................................. 2

§1.3 本课题意义 ..........................................................................................................4

§1.4 本课题研究内容 ..................................................................................................4

§1.5 本课题研究方法 ..................................................................................................5

第二章肺功能检测的临床意义及要求 .................................... 6

§2.1 肺功能呼吸参数 ..................................................................................................6

§2.2 国内采用的肺功能呼吸参数预计值情况 ........................................................10

§2.3 本课题采用的肺功能呼吸参数预计值 ............................................................ 11

第三章用于肺功能检测的孔板式流量计 ................................. 14

§3.1 孔板式流量计基本原理 ....................................................................................14

§3.1.1 孔板流量计的流体力学分析 ................................................................ 15

§3.1.2 体积流量方程 ........................................................................................ 16

§3.2 用于肺功能检测的孔板式流量计设计 ............................................................20

§3.2.1 实验方法 ................................................................................................ 20

§3.2.2 实验装置 ................................................................................................ 20

§3.2.3 实验环境 ................................................................................................ 22

§3.2.4 实验数据和分析 .................................................................................... 23

§3.3 孔板流量计标定 ................................................................................................28

§3.3.1 标定公式 ................................................................................................ 28

§3.3.2 标定实验装置 ........................................................................................ 28

§3.3.3 标定方法 ................................................................................................ 29

§3.3.4 综合影响系数 B .....................................................................................30

§3.3.5 标定数据处理分析 ................................................................................ 31

§3.3.6 孔板式流量计特性曲线 ........................................................................ 32

§3.4 脉动流对孔板流量计的影响 ............................................................................33

§3.4.1 脉动流对在孔板上下游取压孔处产生差压信号的影响 .................... 34

§3.4.2 脉动差压信号在导压管线及差压变送器腔室中畸变所造成的影响 35

§3.4.3 二次仪表的差压——流量计算方法对脉动流测量的影响 ................ 36

§3.4.4 肺功能测量中复杂脉动流条件的研究 ................................................ 36

§3.5 本章小节 ............................................................................................................37

第四章层流隔板式流量计在肺功能检测中的应用探索 ..................... 38

§4.1 层流流量计原理 ................................................................................................38

§4.1.1 层流流量计结构特点 ............................................................................ 38

§4.1.2 层流流量计基本原理 ............................................................................ 39

§4.2 层流流量计参数及其限值条件 ........................................................................42

§4.2.1 基本方程和限值条件 ............................................................................ 42

§4.2.2 层流流量计相关参数的理论设计 ........................................................ 44

§4.3 层流隔板式流量计设计 ....................................................................................46

§4.3.1 层流隔板设计 ........................................................................................ 46

§4.3.2 层流装置参数设计 ................................................................................ 46

§4.4 本章小结 ...........................................................................................................57

第五章软件开发 ..................................................... 58

§5.1 软件测试界面介绍 ............................................................................................58

§5.2 算法模块介绍 ....................................................................................................60

§5.3 主要模块的实现 ................................................................................................61

§5.3.1 预计值生成模块 .................................................................................... 61

§5.3.2 传感器校正模块 .................................................................................... 62

§5.3.3 开始检测模块 ........................................................................................ 62

§5.3.4 绘制坐标轴和实时曲线模块 ................................................................ 63

第六章总结与展望 ................................................... 66

参考文献 ............................................................ 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 69

致谢 .............................................................. 70

第一章绪论

§1.1 肺功能检测的重要性

肺功能状态是机体代偿机能的主要指标。正常的肺功能是人体健康的一个重

要标志，很多疾病的先兆往往表现为肺功能某些参数的变化，肺功能测定能客观

地测试呼吸系统，识别可能被忽略的因素，评定治疗效果。医生可以通过对肺功

能检测及其参数变化，对疾病做出诊断和提前治疗，避免疾病的恶化和发展；可

以借助检测参数对治疗效果进行客观的分析和评价。肺功能的测定值在以下几个

方面有着举足轻重的意义。

1肺功能检查是胸肺部疾病及呼吸生理在临床上的重要检查内容,是常规

体检中必不可少的一项。

2呼吸功能测定不仅能对机体呼吸生理有更深的了解，肺功能呼吸参数

能够帮助医生较早检出肺、气道病变，鉴别呼吸困难的原因。

3在临床上，检测肺功能的呼吸参数值能够帮助医生判断肺功能对手术

的耐受力及对危重病人的监护等，且对各种疾病所损害的呼吸功能做

出质和量的评价，能为疗效的考核、临床医疗监护、手术风险等提供

客观依据。

4在职业病监测工作中，肺功能检查能早期发现粉尘等有害因素对呼吸

系统的影响，有助于对这些有害因素进行职业卫生学评价，为预防工

作提供科学依据。在对从事粉尘等有害作业工人的劳动能力鉴定中，

用FVC、FEV1、MVV 占预计值百分数作为判定肺功能损伤分级指

标。

5在职业病临床工作中，职业性肺病早期在 X线检查无足够诊断依据，

而肺功能已呈阻塞性通气功能障碍和弥散功能降低，为早期诊断提供

依据。

6在环境与卫生工作中，肺功能测定是大气污染对人体危害的评价指

标，能协助非特异性公害病的诊断：大气污染与慢性阻塞性肺病有

关，可以用 FEV1%和VC%的测定值来协助诊断。为制定有害物质的

卫生标准提供科学依据。

所以良好，精确，易操作的肺功能检测装置对医生和病人来说都说非常必

要。但是，国内市场上的肺功能检查技术、肺功能正常值标准和肺功能检测装置

都存在很多问题。

基于差压测量原理的肺功能检测方法研究

§1.2 国内外对肺功能检测方法研究现状

肺功能检查包括通气功能、换气功能、呼吸调节功能及肺循环功能等，检查

项目及测定指标众多.过去的肺功能仪主要以机械和化学方法检测为主，测定烦

琐，费时费力，而且检测误差较大，限制了其在临床上的广泛应用，医务工作者

对其知识也了解有限。近年来，随着科学技术的发展，生物医学与电子计算机的

应用结合起来，采用新的研究方案，使肺功能检测技术得到了很大的发展。目

前，国内外对肺功能检测方法的研究主要体现在以下几个方面：

① 生物电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）：

主要原理：

EIT 是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人

体注入小的安全电流，测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布

图像[1]。肺具有相对低的电导率，吸气时电导减小，因而，通过呼气和

吸气，可进行电导变化成像，这不但可以反映解剖学结构，更重要的

是有望给出功能性图像结果。

主要困难：

EIT 技术是目前医学成像方面一个全新的技术，但是由于人体结构本身

的复杂性，利用 EIT 技术进行检测时，有两个问题目前尚有两大难题

有待突破：（Ⅰ）在信息的质量、数量问题上缺少高精度、高稳定性

的测量系统和检测系统；（Ⅱ）由于 EIT 是非线性问题，在求解算法

方面还存在很多困难[2]。

2全息生物电检测方法:

将传统医学与现代电子技术结合起来，根据肺部异常会有一种特殊的

生物电波通过经络传导到人体全息胚(手、耳、足、皮肤)对应的反射区

或反射点上这一医学原理，将肺部在身体反射区上的穴位和手腕脉搏

信号和血信号变换成对应的生物电数据，并将此数据与计算机数据库

中的正常值加以对比，进而确定被测试者身体正常与否。

存在的主要问题：

数据库中肺功能正常值的确定尚未有国家标准；检测的精确度有待改

进。

3超声流量测试技术：

通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流

量。声波在流体中传播时，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向

第一章绪论

则会减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与

被测流体流速之间的关系求流量。

4热线流速传感器技术：

通过测量流经截面积一定管路的流体速度，然后求出流量[3]。目前市场

上有用此原理制成的较为成熟的产品，但是其体积过于庞大，价格昂

贵。

5干式滚桶式肺量计[3]：

病人呼出的气体使活塞移动，活塞由滚桶隔样的密封器与圆桶密封。电

压计检测活塞的移动，活塞移动时间接差生的电压信号可反映移动量的

大小，间接反映呼吸气体容量。活塞面积常较大，以减少活塞运动时的

机械阻力。最大的缺点是使用此类肺功能仪器时，病人呼吸为密封式，

易发生交叉感染。

6脉冲振荡法（IOS）：

由强迫振荡技术（FOT）发展而来。IOS 基于强迫振荡原理，外置 IOS

信号源（脉冲发生器产生矩形电脉冲）从口腔给予，加到整个呼吸系统

上，经快速傅立叶转换，被分解为无数个不同频率的正弦波，叠加在被

检测者自主静息呼吸上，其气道压力和流速被连续记录并进行频谱分

析，即可推算出一系列呼吸阻抗值以及各种阻力，进而分析出一系列呼

吸参数值，并使分析测试短时间内完成[4]。将 IOS 与常规肺功能技术结

合起来，对处于 0级COPD 高危人群进行呼吸阻抗的测定，可提高高危

期COPD 患者小气道损害的诊断率[5]。

图1-1 干式滚桶式肺量计示意图

基于差压测量原理的肺功能检测方法研究

§1.3 本课题意义

肺功能检测的重要性有目共睹，国外先进国家已将肺功能检测作为和心电

图、胸部 X线等检查视作同等重要,列为常规体检项目。但是国内对肺功能进行检

测的技术并不乐观。国内很多大医院所使用的肺功能检测仪器大多是依赖进口，

因此很多技术和研究也是基于国外已有的技术水平；一些国产的肺功能测试仪应

技术不够成熟，在测量精度上较低且操作不方便，大多只是用于科学研究，在临

床上的应用却受到各种条件的限制；测量精度比较高的用于肺功能检测的生物电

阻抗断层成像系统不但价格昂贵，而且测试的项目过于专一[6]，无法从多角度反

映肺功能活动情况，也受到很大限制。所以国内绝大多数大医院的肺功能测试仪

都依赖进口，大多数是美国、日本，瑞士和德国的产品，虽然其技术水平比较先

进，但是价格非常昂贵，而且这些肺功能测试仪器所设定的测试标准和肺功能呼

吸参数预计值是西方国家居民的标准，近年来很多研究发现这些标准并不适合中

国人的体质，这样在检测时势必会带来误差[7]。被测试者如果在不同医院采用不

同国家的肺功能测试仪进行肺功能检测，因仪器标准的不同会给检测结果带来很

大误差，这对被测试者肺功能的检测、疾病的诊断和治疗非常不利。因此，研制

适用于中国人自己的肺功能检测装置具有重要的现实意义。本课题旨在研制一种

适用于中国人自己的肺功能检测装置，且成本低廉，便于携带，较为实用，具有

很大的实用意义和开发前景。

§1.4 本课题研究内容

本课题在分析与总结大量技术文献和国内外同类产品现状的基础上，对基于

差压原理的肺功能检测方法进行研究。根据拟检测的肺功能呼吸参数对肺功能检

测系统进行研发，硬件设计和软件开发相结合，对适用于肺功能检测的两种专用

流量计进行研究，主要内容可归为以下几点：

（1）孔板式流量计

基本原理推导；孔板节流元件参数设计；孔板式流量计的标定；误差分

析；

（2）层流隔板式流量计

基本原理和相关参数的公式推导；层流隔板相关参数设计；层流隔板式

流量计的标定和分析；

（3）相关实验仪器的设计加工和改进；

（4）肺功能测试系统软件开发。

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摘要：

I摘要正常的肺功能是人体健康的重要标志，肺功能检测能客观地测试呼吸系统，识别可能被忽略的因素，评定治疗效果。良好，精确，易操作的肺功能检测装置对医生和病人来说都非常必要，也是人们日常体检中的重要装置。本文中对基于差压测量原理的孔板式流量计和层流隔板式流量计进行研究，拟设计一种用于肺功能检测的流量传感器和适用于临床的肺功能检测系统。根据肺功能检测时的流量特点和体积流量方程对孔板式流量计进行设计、标定和分析，并根据标定分析结果，用插值算法得出标定范围内孔板式流量计的输出特性，分析测量过程中产生的脉动流及其对流量示值的影响；在层流基本原理的基础上，根据肺功能检测中的流量特点，对专用肺功能检测的层流流...

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