肺活量计简介和选择电气元件的重要设计注意事项

本应用笔记介绍了肺活量计及其基本功能。它讨论了用于即时检测的实验室单元和便携式设备，并提供了为每类肺活量计选择电气元件的指导。解决的功能模块包括流量检测、信号调理、连接、电源管理和显示。

概述

肺活量计测量吸入和呼出的空气量和速度，以评估肺功能，并为哮喘、肺气肿和囊性纤维化等肺部疾病提供一级诊断测试。

肺活量计有两种基本类别：实验室单元，由训练有素的技术人员操作的台式控制台或机柜大小的机器;和便携式肺活量计，它们是用于一般实践和家庭使用的紧凑型台式设备或手持设备。

实验室肺活量计需要高性能和高精度。台式设备必须提供精确的肺活量测量，并能够执行一系列测试，例如流量、潮汐肺活量和最大自愿通气。

机柜大小的仪器（如人体体积描记仪）用于执行高级肺功能测试，包括总肺活量、功能残余容量和残余容积。

随着护理点从临床实验室转移到全科诊所和家庭，便携式肺活量计越来越受欢迎。全科医生越来越多地使用肺活量计为患者建立基线测量值并检测潜在的肺部疾病。低成本对于在这些新市场中部署肺活量计非常重要。尺寸和功耗也是关键的设计考虑因素。这些设备必须使用 USB 和/或电池供电，包括充电功能，并提供多种连接选项。

肺活量测定法

肺活量计可用于测量几个参数：

FVC（用力肺活量）：完全吸气后可以呼出的空气量。

FEV1（1s 内用力呼气量）：FVC 操作期间第一秒内可以强制呼出的最大空气量。

PEF（呼气峰值流量）：在完全吸气时开始的最大强制呼气期间达到的最大流量（或速度）。

根据装置的复杂程度，可以执行其他参数，例如潮气量、最大自主通气量、流量-容积环和支气管激发。

台式肺活量计的系统框图。

血氧饱和度

包括脉搏血氧仪（无创测量动脉血氧饱和度）可以使哮喘的诊断性检测成为可能。此功能可以为步行测试提供一体化解决方案;它还使肺活量计非常适合运动医学中的健身测试。

肺活量计解决方案

流量传感机制

肺活量计经常使用涡轮传感器进行流量测量。在这种拓扑中，旋转叶片响应主体产生的气流而旋转。叶片的转数在折断光束时被计算在内，以确定气流速率和体积。

差压传感器有时被用来代替涡轮传感器。这些设计通常被称为气管，可以高精度地测量低流速。另一个优点是成本：由于压力传感器相对便宜，因此能够实施一次性气孔。

前端

对于基于涡轮的肺活量计，将流量计连接到微控制器的前端相对简单，因为来自光学编码器的信号可以通过施密特触发器轻松管理（图 1）。

图1.涡轮传感器的典型前端。

如果使用压力传感器，前端会更加复杂（图2）。在这种情况下，需要一个信号调理器来补偿传感器输出并消除最终偏移。然后，必须通过模数转换器（ADC）对产生的信号进行数字化，该转换器的采样速率应约为1ksps，分辨率至少为12位。集成高性能ADC的微控制器是这些设计的理想选择。

图2.压力传感器的典型前端。

连接

台式肺活量计通常具有打印机和键盘，并包括多个通信接口，例如用于远程医疗目的的RS-232，USB和蓝牙®。手持式肺活量计通常使用 USB 进行数据传输和电池充电;它们还可以包括蓝牙功能。

USB 和无线连接选项对于管理肺活量测定数据和监测患者非常重要。它们允许将数据传输到 PC 进行存储、分析，并在远程监控时传输到医疗保健提供商 是必需的。

电源

台式肺活量计通常由线路供电，尽管它们通常也包括锂离子（Li+）或镍氢（NiMH）可充电电池。由于热敏打印机的高压要求，它们通常使用6芯电池组。或者，它们可以由USB供电，在这种情况下，升压转换器用于将5V升压至9V。如图3所示，OR-ing级选择LDO的电源，LDO用于产生一个用于逻辑的3.3V电源轨和一个用于血氧测定的5V电源轨（如果包括）。

图3.台式肺活量计的电源示例。

手持式肺活量计可由纽扣电池或单节可充电Li+电池供电。对于 3V 纽扣电池，可以使用低功耗升压转换器来产生所需的电压（图 4）。对于可充电Li+电池，可以使用具有双输入（USB和AC适配器）的电池充电器自动选择最佳电源（图5）。

图4.使用纽扣电池源的手持式肺活量计的电源示例。

图5.使用单个Li+可充电电池的手持式肺活量计的电源示例。

Maxim的智能电源选择器™电路充分利用有限的USB或适配器电源，使用系统未使用的任何输入电源为电池充电。这种方法具有额外的优势，即允许系统在深度放电的电池甚至根本没有电池的情况下运行。

为了完善电池管理电路，使用电量计来估计可用容量，而升压和降压转换器则从3.3V至5.2V输入电源提供7.4V和2V输出。

显示器/键盘

肺活量计通常采用全彩色背光 LCD 来显示患者信息、肺活量计参数、肺活量图和系统信息，例如剩余电池寿命。现代设备越来越多地将触摸屏与图形用户界面（GUI）结合使用，以使编程过程更加直观。对用户输入的可见、听觉和触觉响应可帮助设计人员改善用户体验。Maxim的高级触摸屏控制器提供触觉反馈、减少总线流量的触摸处理以及用于精确手势识别的自主模式。

对于带有键盘或小键盘的设备，按键开关可由提供静电放电 （ESD） 保护的去抖动器进行管理。集成 ESD 保护可以消除对分立保护元件的需求，同时有助于符合 IEC 61000-4-2 ESD 要求。

审核编辑：郭婷