醫(yī)用肺功能儀流量傳感器模塊的研發(fā)

陳洪彬 深圳市美好創(chuàng)億醫(yī)療科技有限公司 （廣東 深圳 518000）

肺功能檢查是臨床上評價胸、肺疾病及呼吸生理的重要手段，目前在發(fā)達國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于呼吸內(nèi)科、外科、麻醉科、兒科等[1,2]。醫(yī)用肺功能儀是專門用于臨床上進行肺功能檢查的儀器，其測試基本原理為通過流量傳感器采集患者呼吸過程中的流量數(shù)據(jù)，再經(jīng)數(shù)據(jù)計算和分析，最終得到肺功能相關(guān)的參數(shù)指標。

令人遺憾的是，中國自主品牌的肺功能儀產(chǎn)品非常少，在醫(yī)院的應(yīng)用也極為少見，且測量參數(shù)較少，性能較低。研發(fā)團隊經(jīng)過兩年多的努力，自主研制出一款性能強大的便攜醫(yī)用肺功能儀LA10X系列，填補國內(nèi)空白。氣體流量傳感器作為核心部件，是保證肺功能儀設(shè)備測量精度的關(guān)鍵，本文將對氣體流量傳感器模塊的設(shè)計和工藝進行闡述。

1.流量傳感器簡介

本款肺功能儀的技術(shù)指標較高，部分核心指標如VC、FVC、PEF、MVV等達到±3%的精度，反推到流量測量的精度，則要求在整個測量量程在+40～+960L/min以及-40～-960L/min范圍內(nèi)都要保持高精度，這對流量傳感器提出了非常高的要求[3]。經(jīng)過對比分析，最終方案選擇壓差式流量傳感器，包括流量傳感器本體和壓差傳感器兩部分。

壓差式流量傳感器分為可變孔徑式和固定孔徑式?？勺兛讖绞降妮敵鲭娦盘柵c壓差呈現(xiàn)較為線性的關(guān)系，但高分子材料的膜片容易變形和老化，因此不是最優(yōu)選擇。固定孔徑式流量傳感器流量與壓差的輸出關(guān)系為非線性曲線，優(yōu)點是沒有不確定因素，測量結(jié)果偏移定標曲線極??；但缺點是小流量時壓差變化太小而大流量時壓差變化過大。由于傳統(tǒng)的固定孔徑式流量傳感器無法滿足肺功能測試需求，經(jīng)過深入的研究和測試，團隊研發(fā)出新型的透氣薄膜式固定孔徑流量傳感器，較好地達到了產(chǎn)品的需求，具體的設(shè)計要點在下文中介紹。

2.本款肺功能儀流量傳感器設(shè)計實現(xiàn)

2.1 壓差傳感器的選擇

根據(jù)肺功能儀相關(guān)法規(guī)要求，計算得到流量傳感器在16L/S時的最大阻力：0.1kPa/L/s×16L/S=1.6kPa[4,5]。由于最大輸出壓差小于等于最大阻力，流量范圍在16L/S時，最大壓差△P＜1.6kPa，雙向也就是±1.6kPa。

關(guān)于差壓傳感器的選擇，業(yè)內(nèi)主流供應(yīng)商主要有Sensirion、Honeywell、All Sensors、First Sensor等。根據(jù)產(chǎn)品性能的需求，選用All Sensors的DLHR-01D，其輸入的壓力范圍是±2.5kPa，完全涵蓋了±1.6kPa的范圍。高達18位A/D，分辨率和精度都很高，總誤差做到1%以內(nèi)，獨特的雙晶元結(jié)構(gòu)保證了零點穩(wěn)定性。

2.2 傳感器本體設(shè)計

接口方面，流量傳感器的接口尺寸大小需要與肺功能呼吸過濾器匹配。因此設(shè)計為內(nèi)徑29.5mm，外徑33.6mm，外徑帶有一定錐度。

篩網(wǎng)在流量傳感器中產(chǎn)生壓差，是核心部件。在使用情況下需要保證其受溫度、水汽、拉力的影響下透氣度穩(wěn)定。經(jīng)過對比各種篩網(wǎng)材料，最終選擇PES聚酯材料，PES具有良好的耐蠕變性，相比尼龍材料其吸水性極小，良好的耐蒸汽和熱水性，尺寸穩(wěn)定性好等特點。

在流量傳感器的內(nèi)徑確定后，調(diào)整篩網(wǎng)的安裝夾角可以得到不同的面積，并試驗出合適的透氣度篩網(wǎng)規(guī)格。采用篩網(wǎng)與軸線為60?夾角，即保證產(chǎn)生足夠壓差，又保證呼吸阻力較小。經(jīng)試驗驗證，取樣孔分布在篩網(wǎng)兩側(cè)，其中心間距15mm。

傳感器外殼材料要求在環(huán)境溫度、濕度改變的情況下，尺寸穩(wěn)定性好。最終選擇ABS+PC，因為其線膨脹系數(shù)很小，尺寸穩(wěn)定性好，有良好的耐沖擊性能。

由于流量傳感器外殼和篩網(wǎng)都是高分子材料，為保證批量裝配的一致性，二者之間采用較為成熟超聲焊接的方式進行永久性連接。

2.3 主要誤差分析及應(yīng)對

傳感器的主要誤差來源于篩網(wǎng)材料本身的透氣度誤差。篩網(wǎng)供應(yīng)商給出的篩網(wǎng)原料來料的最大透氣度誤差是±2.5%，這是由于篩網(wǎng)編織不均勻?qū)е碌?。其中大部分的誤差在±2%以內(nèi)，可以通過篩選排除誤差超出±2%的篩網(wǎng)，以提高誤差精度。

考慮環(huán)境溫度對篩網(wǎng)尺寸的影響：采用的PES的線膨脹系數(shù)為：12.35×10-5m/mk，假設(shè)環(huán)境溫度從20?C變化到40?C，設(shè)計篩網(wǎng)的長度為50mm時，其長度變化率為0.247‰，尺寸變化量非常微小，可忽略不計。

篩網(wǎng)前后氣體的湍流對壓力采集的波動，隨著流速的增大而增大。湍流的不穩(wěn)定性，采用呼吸過濾器對局部不穩(wěn)定氣流，整流為穩(wěn)定的氣流；為減小管壁不平整所引起的波動，需要將管壁光潔度提高，最終將光潔度要求定在Ra0.4；為盡量減小采壓口的氣體波動，將采壓口直徑減小至2.0mm。

篩網(wǎng)張緊程度直接影響到測量性能，因此流量傳感器超聲焊接加工過程中要保證篩網(wǎng)一定的張緊程度和一致性。篩網(wǎng)四周360?均與外框粘緊。篩網(wǎng)粘緊后網(wǎng)面平整，無松弛，無褶皺，網(wǎng)面無破損。篩網(wǎng)張緊力度需保持一致，力度小于（10±0.5）N，生產(chǎn)過程由特制工裝來保證。

3.流量傳感器后端處理

由于氣體的動力學特性，大流速的情況下，傳感器輸出的壓差波動劇烈，并影響流量測量精度。為了解決壓差波動對精度的影響，在壓差傳遞的路徑中加入一定大小的氣容，并設(shè)計特別的傳遞路徑，過濾掉壓力波動中的高頻部分。壓差信號輸出更平穩(wěn)，提高了測量精度。

關(guān)于后端的信號采樣和濾波，由于所選用的壓差傳感器，具有分辨率高，噪聲小的特點。采樣頻率達到220Hz，所以不需要增加額外的濾波算法，經(jīng)過測試驗證不增加濾波算法時的零點噪聲±0.5Pa以內(nèi)，能夠滿足精度要求。

在后端的壓力信號處理上，采用的高分辨率壓差傳感器，壓力分辨率達0.15Pa，測量精度達到0.5%。同時采用的電壓穩(wěn)定技術(shù)，在線路布局中和電流控制方面入手控制了電路的溫度變化，為壓差傳感器提供一個電壓穩(wěn)定、溫度恒定的工作環(huán)境。

4.小結(jié)

本款流量傳感器模塊采用新型透氣薄膜材料形成壓差，有效提高測試小流量時的壓差值輸出，從而提高了小流量的測量精度；采用傾斜式設(shè)計，在保證測量精度的同時大大降低流量傳感器的體積，實現(xiàn)了小型化。傳感器內(nèi)部采用文丘里效應(yīng)原理，提高了流量測量的分辨率；采用氣容濾波，濾掉壓力波動中的高頻部分，降低了噪聲；采用較高采樣頻率，保證了峰值流速的準確讀取。

[1] 鄭勁平,陳榮昌,鐘南山.肺功能學-基礎(chǔ)與臨床[M].廣東科技出版社,2007.

[2] 鄭勁平,高怡.肺功能檢查使用指南[M].人民衛(wèi)生出版社,2014.

[3] 中華醫(yī)學會呼吸病學分會肺功能專業(yè)組.肺功能檢查指南(第二部分)——肺量計檢查[J].中華結(jié)核和呼吸雜志,2014,37(7):481-486.

[4] 國家食品藥品監(jiān)督管理總局.YY/T 1438-2016麻醉和呼吸設(shè)備 評價自主呼吸者肺功能的呼氣峰值流量計[S].2017-01-01.

[5] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1213-2008 肺通氣功能測試儀校準規(guī)范[S].2009-01-01.