一种便携式慢性呼吸疾病监测设备校准装置及方法与流程

本发明涉及电子设备领域，尤其是一种便携式慢性呼吸疾病监测设备的校准装置及方法。

背景技术：

目前国内哮喘病、慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸疾病，是一种常见病，主要病变在气管、支气管、肺部和胸腔。当前由于国内环境问题日益严重，呼吸系统疾病发病率不断上升。据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》显示，2015年慢性呼吸系统疾病死亡率为68/10万，为中国居民第三位慢性病死因。40岁以上人群慢性阻塞性肺病患病率为9.9%。而此前的调查数据也显示，中国的哮喘患者人数超过3000万。呼吸系统疾病对健康的危害巨大，但公众对其知之甚少，疾病控制率也较低。因此便携式的个人家用的慢性呼吸疾病监测设备具有广阔的应用前景和迅猛的发展势头。

然而，对于此类监测设备，如何确保监测精度，是人们首要关注问题，也是核心的技术难点。而校准方法的可靠性也是实现该类监测设备监测精度可靠的重要保障。目前市面上有美国、瑞典等国家生产的模拟肺系统提供了此类设备的校准方案，但是这些模拟肺系统主要面向医用，价格昂贵、操作复杂。用于便携式的慢性呼吸疾病监测设备的校准性价比低。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，且减少成本的一种便携式慢性呼吸疾病监测仪校准装置。

本发明另一个目的是：提供一种便携式慢性呼吸疾病监测设备校准方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。

一种便携式慢性呼吸疾病监测设备校准装置，包括空压机、减压阀、通道选择器、中央控制器和流量控制器组，所述空压机的输出端通过减压阀连接至通道选择器的输入端，所述通道选择器的输出端与流量控制器组的输入端连接，所述中央控制器分别与通道选择器和流量控制器组相连接。

进一步改进的，所述流量控制器组包括第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器和第四流量控制器，所述通道选择器的第一输出端连接至第一流量控制器的输入端，所述通道选择器的第二输出端连接至第二流量控制器的输入端，所述通道选择器的第三输出端连接至第三流量控制器的输入端，所述通道选择器的第四输出端连接至第四流量控制器的输入端，所述第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器和第四流量控制器均与中央控制器连接。

进一步改进的，所述中央控制器包括单片机电路和信号发生器，所述单片机电路分别与信号发生器、通道选择器、第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器和第四流量控制器相连接。

进一步改进的，所述空压机采用大功率、大流量输出的空气压缩机，流量输出范围为0～800LPM。

进一步改进的，所述第一流量控制器的量程为0～100LPM，所述第二流量控制器的量程为0～200LPM，所述第三流量控制器的量程为0～500LPM，所述第四流量控制器的量程为0～800LPM。

进一步改进的，所述第一流量控制器、第二流量控制器、第三流量控制器和第四流量控制器均采用日本山武CMQ-V系列的流量控制器。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是。

利用上述装置的便携式慢性呼吸疾病监测设备校准方法，包括建立用于便携性慢性呼吸疾病监测设备校准的有限状态机，所述建立的有限状态机包括系统初始化状态、通道选择状态、流量控制状态；所述的系统初始化状态，执行系统上电初始化，默认启动第一流量控制器，关闭其他通道；所述的通道选择状态，执行实时监测流量控制器的实际测量值，当流量满量程时，执行启动下一流量控制通道，同时关闭其他通道；所述的流量控制状态，执行具体流量大小控制，设定步进长度为各流量控制器控制精度的一半，在0～100LPM范围内，启动第一流量控制器，气流以1.25LPM步进递增输出，在100～200LPM范围内，启动第二流量控制器，气流以2.5LPM步进递增输出，在200～500LPM范围内，启动第三流量控制器，气流以6.25LPM步进递增输出，在500～800LPM范围内，启动第四流量控制器，气流以10LPM步进递增输出，通过依次采用第一、第二、第三、第四流量控制器完成慢性呼吸疾病监测设备0～800LPM范围内的气流校准。

进一步的，本发明所述的流量控制状态，由单片机电路产生步进信号给信号发生器，信号发生器产生相应控制信号调节流量控制器电磁阀开度，从而流量控制器输出我们需要的气流。将此气流输送到监测设备校准，分别记录流量值与电压值。针对不同流量控制器反复进行上述操作，完成0～800LPM气流标定，监测设备根据气流产生压差再转换成电压信号，每一个气体流量值对应一个电压值。根据这种一一对应关系进行数据拟合处理，建立电压与气流函数关系模型，该模型即可应用于监测设备的校准。

与现有技术相比，本发明的装置有益效果是：

本发明的装置一种便携式慢性呼吸疾病检测仪校准装置结构简单，操作方便，并且成本较低，其通过大功率空压机产生稳定的气源，然后根据气流的大小进行分级，采用通道选择器在流量控制器组中选择合适的流量控制器，由流量控制器精确控制并输出稳定的气流，气流大小满足模拟人体用力呼气量从最小值到最大值的过程。本发明通过采用分级校准的方式，采用相适应量程的流量控制器对气流进行测量，从而能有效降低相对误差，使得校准更为准确、可靠。

本发明采用流量分级控制及测量方法，流量控制器本身具有固有的测量误差，量程越大误差就越大，采用分级测量目的在于用小量程来代替大量程，使测量误差尽可能小，测量值尽可能接近真实值，从而使流量值与电压值映射关系更为真实可靠。利用所述方法，可以将气流与电压建立一一映射关系，根据这种映射关系，采用积分运算以及相关数学算法可实时监测慢性呼吸疾病，例如：哮喘病、慢性阻塞性肺疾病的PEF、FEV1和FEV1%三个与哮喘病病情波动最为相关的参数。该方法流程简单，操作灵活，且成本低，性能稳定，具有可靠的校准精度。

附图说明

图1为本发明一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准装置的结构图；

图2为本发明一种便携式慢性呼吸疾病监测设备校准方法工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

参照图1，一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准装置，包括：

空压机，用于产生稳定的气源，模拟人体用力呼气所需要的气流；

减压阀，用于降低空压机所产生气流的压力，将压力限定在后续设备耐压范围内；

通道选择器，用于控制各个流量控制通道的开闭，选择合适的通道供校准装置使用；

中央控制器，用于控制流量控制器的电磁阀开度以及通道选择器的通道开闭；

第一流量控制器，量程为0～100LPM，精度为±2.5%满量程（±2.5LPM），用于控制流量值位于100LPM以下的气流；

第二流量控制器，量程为0～200LPM，精度为±2.5%满量程（±5LPM），用于控制流量值位于100～200LPM范围内的气流；

第三流量控制器，量程为0～500LPM，精度为±2.5%满量程（±12.5LPM），用于控制流量值位于200～500LPM范围内的气流；

第四流量控制器，量程为0～800LPM，精度为±2.5%满量程（±20LPM），用于控制流量值位于500～800LPM范围内的气流。

所述空压机的输出端通过减压阀连接至通道选择器的输入端，所述通道选择器的输出端与流量控制器组的输入端连接，所述中央控制器分别与通道选择器和流量控制器组相连接。

其中，中央控制器由单片机电路以及信号发生器组成，连接流量控制器的控制端和流量信号输出端，同时连接通道选择器控制端，形成反馈回路。

参照图2，一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准方法，包括：建立用于便携性慢性呼吸疾病监测设备校准的有限状态机，所述建立的有限状态机包括系统初始化状态、通道选择状态、流量控制状态；

所述的系统初始化状态，执行系统上电初始化，默认启动第一流量控制器，关闭其他通道；所述的通道选择状态，执行实时监测流量控制器的实际测量值，当流量控制器满量程时，执行启动下一流量控制通道，同时关闭其他通道；所述的流量控制状态，执行具体的流量大小控制，设定步进长度为各流量控制器控制精度的一半，在0～100LPM范围内，启动第一流量控制器，气流以1.25LPM步进递增输出，在100～200LPM范围内，启动第二流量控制器，气流以2.5LPM步进递增输出，在200～500LPM范围内，启动第三流量控制器，气流以6.25LPM步进递增输出，在500～800LPM范围内,启动第四流量控制器，气流以10LPM步进递增输出，通过依次采用第一、第二、第三、第四流量控制器完成慢性呼吸疾病监测设备0～800LPM范围内的气流校准。

实施例一

参照图1，本发明的第一实施例：

本实施例的一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准装置由空气压缩机、减压阀、通道选择器、中央控制器、第一流量控制、第二流量控制器、第三流量控制器、第四流量控制器以及慢性呼吸疾病监测设备构成。

其中，空压机，用于产生稳定的气源，模拟人体用力呼气所需要的气流，气流输送到减压阀。减压阀，用于降低空压机所产生气流的压力，将压力限定在后续设备耐压范围内。通道选择器初始化状态时默认打开第一流量控制器，其他通道全部关闭，由中央控制器控制开闭，形成反馈回路，根据判断气流是否超量程，选择合适的流量控制器供监测设备校准使用。中央控制器，由单片机电路以及信号发生器组成，单片机电路作为中央总控一方面用于设置步进，调节信号发生器的输出信号大小，另一方面根据流量控制器反馈完成逻辑判断，控制通道选择器。第一流量控制器，量程为0～100LPM，精度为±2.5%满量程（±2.5LPM），用于控制流量值位于100LPM以下的气流。第二流量控制器，量程为0～200LPM，精度为±2.5%满量程（±5LPM），用于控制流量值位于100～200LPM范围内的气流。第三流量控制器，量程为0～500LPM，精度为±2.5%满量程（±12.5LPM），用于控制流量值位于200～500LPM范围内的气流。第四流量控制器，量程为0～800LPM，精度为±2.5%满量程（±20LPM），用于控制流量值位于500～800LPM范围内的气流。这些控制器组成流量控制器组，分别由中央控制器控制，各流量控制器切换完全自适应，将合适的流量输出通道连接待校准设备即可建立流量与电压信号的映射模型，该模型即可用于慢性呼吸疾病监测设备的校准。

本实施例的中央控制器担任核心的中央总控，完成整个工作流程的自动化控制。

本实施例一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准装置的工作原理为：

采用的大功率空气压缩机产生稳定的气源，通过减压阀进行减压，根据气流大小采用通道选择器选择合适的流量控制器，流量控制器由控制器精确控制并测量流量的大小，同时实时显示，气流满足模拟人体用力呼气量从最小值到最大值的过程。在0～800LPM的校准范围内采用分级校准的方式，采用第一流量控制器：量程0～100LPM、第二流量控制器：量程0～200LPM、第三流量控制器：量程0～500LPM、第四流量控制器：量程0～800LPM量程的四台流量控制器完成相应气流的控制与测量，通道选择采用单片机电路自动控制。由于流量控制器本身固有的测量误差，四台流量控制器精度都为±2.5%满量程，通过采用合适量程测量流量可有效降低相对误差，设定步进长度为各流量控制器控制精度的一半，具体实现方法：在0～100LPM内使用第一流量控制器，气流以步进1.25LPM递增输出，100～200LPM内使用第二流量控制器，气流以步进2.5LPM递增输出，200～500LPM内使用第三流量控制器，气流以步进6.25LPM递增输出，500～800LPM内使用第四流量控制器，气流以步进10LPM递增输出。经过流量控制器测量的气流输送至慢性呼吸疾病监测设备，确定的气流会产生确定的电压信号，不同气流与不同电压形成一一映射，同时可通过上述校准装置修改步进，测量更多的气流量值，激励监测设备产生更多的电压信号，基于大量数据分析与处理使气流与电压的映射关系更为准确、可靠，这种映射关系即可用于便携式慢性呼吸疾病监测设备的校准，由监测设备的电压信号反向映射成已经标定的气流，如此完成监测设备校准。校准的映射关系通过积分运算以及相关数学算法可实时测量慢性呼吸疾病，例如：哮喘病、慢性阻塞性肺疾病的PEF、FEV1和FEV1%等参数。

实施例二

参照图2，本发明的第二实施例：

本实施例的一种便携性慢性呼吸疾病监测设备校准方法的有限状态机包括：系统初始化状态、通道选择状态、流量控制状态。

参照图2，本发明工作流程如下：

(1)开机，系统自动初始化，默认开启第一流量控制器，其他通道关闭；

(2)系统初始化完成后，第一流量控制器开始工作，中央控制器产生1.25LPM的步进信号输送到第一流量控制器，同时将稳定的气流输送到待校准监测设备，记录流量值与监测设备产生的电压信号，建立一一映射关系；

(3)中央控制器内的逻辑电路实时判断第一流量控制器内的气流是否超量程，如果没有超量程则继续执行按设定步进递增输出气流，如果超量程，此时中央控制器选择打开第二流量控制器,同时关闭第一流量控制器，气流经由第二流量控制器进行精确控制；

(4)选定第二流量控制器后，中央控制器产生2.5LPM步进的控制信号，将稳定的气流输送到待校准监测设备，记录流量值与待校准设备电压信号，建立一一映射关系，同时实时监控该控制器内气流是否超量程，一旦超量程，中央控制器关闭第二流量控制器,同时打开第三流量控制器；

(5)选定第三流量控制器后，中央控制器产生6.25LPM步进的控制信号，将稳定的气流输送到待校准监测设备，记录流量值与待校准设备电压信号，建立一一映射关系，同时实时监控该控制器内气流是否超量程，一旦超量程，中央控制器关闭第三流量控制器,同时打开第四流量控制器；

(6)选定第四流量控制器后，中央控制器产生10LPM步进的控制信号，将稳定的气流输送到待校准设备，记录流量值与待校准设备电压信号，建立一一映射关系;

(7)完成第（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）步，将0～800LPM内所有标定的数值整理分析，建立准确的映射关系模型，用于便携式慢性呼吸疾病监测设备校准。

本实施例的校准方法的工作原理如下：

a)系统初始化状态:执行系统上电初始化，默认开启第一流量控制器，关闭其他通道；

b)通道选择状态：执行实时监测流量控制器的实际测量值，当流量控制器满量程时，执行启动下一量程流量控制通道，同时关闭其他通道；

c)流量控制状态：执行具体流量大小控制，设定步进长度为各流量控制器控制精度的一半，在0～100LPM范围内，启动第一流量控制器，气流以1.25LPM步进递增输出，在100～200LPM范围内，启动第二流量控制器,气流以2.5LPM步进递增输出，在200～500LPM范围内，启动第三流量控制器, 气流以6.25LPM步进递增输出，在500～800LPM范围内，启动第四流量控制器, 气流以10LPM步进递增输出，通过依次采用第一、第二、第三、第四流量控制器完成慢性呼吸疾病监测设备0～800LPM范围内的气流校准。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。