本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种柔性肺泡容积获取系统及肺泡容积获取方法。
背景技术：
机械通气(mv)是各种原因所致呼吸衰竭的主要支持手段。机械通气的目的在于为机体提供足够气体交换的同时使呼吸肌获得休息。然而，其也会引起呼吸肌相关肺损伤(vali)。呼吸机相关性肺损伤的出现是由于在肺容积(绝对值)增高时进行通气，进而导致肺泡破裂，气体泄漏和各种气压伤(如，气胸，纵隔气肿，和皮下气肿)。同时会直接(损伤各种细胞)或间接(激活上皮细胞，内皮细胞，或炎症细胞的细胞信号通路)造成各种细胞内介质的释放。某些介质能直接损伤肺组织；某些的介质会使肺逐渐形成肺纤维化。其他的介质则作为归巢分子使得细胞(如中性粒细胞)向肺部聚集，向肺部聚集的细胞所释放出的分子可对肺部造成更大的伤害。
因此监控肺泡通气时扩张程度，也即肺泡的容积对进行机械通气的患者来说十分重要。
技术实现要素：
有鉴于此，本公开提出了一种柔性肺泡容积获取系统，所述柔性肺泡容积获取系统包括：
发声模块，用于产生不同频率的第一声音信号；
传感器模块，用于接收肺部传来的第二声音信号，所述第二声音信号为肺部因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号；
信号处理及传输模块，电连接于所述传感器模块，用于将所述第二声音信号转换生成第三声音信号，并对所述第三声音信号进行传输，所述第三信号为数字信号；及
计算模块，电连接于所述信号处理及传输模块，用于接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
在一种可能的实现方式中，所述传感器模块包括多个声音传感器，所述多个声音传感器分别由传感元件及共振腔构成，传感元件位于共振腔内，所述传感元件由多个mems麦克风、驻极体麦克风或者他们的组合制成。
在一种可能的实现方式中，所述传感器模块设置在贴敷于肺部表面的支撑体，所述支撑体使用柔性材料制造，所述支撑体包括柔性板及柔性封装层，所述传感器模块设置于所述柔性板上，所述柔性封装层用于封装所述传感器模块及柔性板。
在一种可能的实现方式中，所述柔性材料为聚酰亚胺。
在一种可能的实现方式中，所述信号处理及传输模块通过有线或者无线方式将所述第三信号传输至所述计算模块，其中，所述无线方式包括蓝牙、wifi、gprs、3g或5g。
在一种可能的实现方式中，所述柔性肺泡容积获取系统还包括显示模块，所述显示模块电连接于所述计算模块，用于显示所述肺泡容积及/或所述频率。
在一种可能的实现方式中，所述柔性肺泡容积获取系统还包括控制模块，所述控制模块电连接于所述发声模块及显示模块，用于控制所述发声模块及显示模块的工作。
在一种可能的实现方式中，根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积，包括：
根据第一公式计算所述肺泡容积，所述第一公式为：
其中，f0为所述第三声音信号的频率，c为声速，s为连接肺泡的细支气管截面的面积，d是连接肺泡的细支气管截面的直径，l是连接肺泡的细支气管的长度，v是所述肺泡容积。
根据本公开的一方面，本公开还提出了一种肺泡容积获取方法，其特征在于，所述方法包括：
发声模块产生不同频率的第一声音信号；
传感器模块接收肺部传来的第二声音信号，所述第二声音信号为肺部因第一声音信号产生振动发出的声音信号；
信号处理及传输模块将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输，所述第三信号为数字信号；及
计算模块接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
在一种可能的实现方式中，该方法还包括：
显示模块显示所述肺泡容积及所述频率；及
控制模块控制所述发声模块及显示模块的工作。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：发声模块发出不同频率的第一声音信号；传感器模块接收肺部因第一声音信号振动后传来的第二声音信号；信号处理及传输模块将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输，计算模块接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积，通过各模块的配合，本公开可以快速、实时获取患者/用户的肺泡容积大小，对患者/用户的肺泡容积大小进行实时监测。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出本公开一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
图2示出了图1所示柔性肺泡容积获取系统的运用场景图。
图3(a)为传感器模块12的俯视图，图3(b)为传感器模块12的正视图，图3(c)示出了细支气管及其连接的肺泡的模型示意图。
图4为柔性容积获取系统模块示意图对应的部分结构示意图。
图5示出了本公开又一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
图6示出了本公开又一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
图7示出了一种基于柔性肺泡容积获取系统的肺泡容积获取方法的流程图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出本公开一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
如图1所示，该柔性肺泡容积获取系统包括：发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，以及计算模块14。其中，传感器模块12、信号处理及传输模块13，以及计算模块14依次电连接，发声模块11发出的声音引起肺部振动后产生的声音可被传感器模块12接收。
发声模块11，用于产生不同频率的第一声音信号。
在一种可能的实现方式中，发声模块11可以由电源，开关，带有i/o管脚的芯片，扬声器等组成，在一些实施方式中，可以将这些元件分成模块，例如可分为信号产生模块以及扬声器模块，信号产生模块可由开关，带有i/o管脚的芯片等组成，用于产生脉冲电信号。扬声器模块包括扬声器，受信号产生模块的驱动发出声音。所述的芯片可以是专门设计的用于产生脉冲信号的芯片，也可以是诸如at89系列的8位集成芯片及其它类型的集成芯片。
在一种可能的实施方式中，发声模块11产生不同频率的第一声音信号的方式可为：芯片通过程序控制，输出脉冲电信号驱动扬声器产生所述第一声音信号。
在一种可能的实施方式中，发声模块11还可以通过扫频的方式产生不同频率的第一声音信号。例如，可以通过对芯片编写程序，使得芯片产生扫频信号，该扫频信号驱动扬声器从而产生所述第一声音信号。
在一种可能的实施方式中，第一声音信号可包含一定频段内离散或连续的、不同频率的声音信号。
请一并参考图2。
图2为图1所示柔性肺泡容积获取系统的运用场景图。如图2所示，发声模块11朝向人体的口/鼻发出声音信号，声音信号可随气流经呼吸系统传播到肺部，声音信号与肺部相互作用后产生另一声音信号可被传感器模块12接收，举例而言，该相互作用的方式可为，发声模块11发出的声音信号引起肺部振动产生另一声音信号。
传感器模块12，用于接收肺部传来的第二声音信号，第二声音信号为肺部因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。
请一并参阅图3(a)、图3(b)、图3(c)。
图3(a)及图3(b)示出根据本公开一实施例的传感器模块示意图，其中图3(a)为传感器模块12的俯视图，图3(b)为传感器模块12的正视图，图3(c)示出了细支气管及其连接的肺泡的模型示意图。
在一种可能的实施方式中，传感器模块12包括多个声音传感器，声音传感器可分别由传感元件21及共振腔22构成，传感元件21位于共振腔22内，传感元件21可由多个mems麦克风、驻极体麦克风或者他们的组合制成。
在一种可能的实施方式中，传感器模块12设置在贴敷于肺部表面的支撑体2上，支撑体2使用柔性材料制造，包括柔性板24及柔性封装层23，传感器模块12设置于所述柔性板24上，柔性封装层23用于封装所述传感器模块12及柔性板24。柔性封装层23可覆盖柔性板24。举例而言，柔性材料可以是聚酰亚胺，支撑体2可由以聚酰亚胺制成的柔性板24及柔性封装层23制成。通过以上方式的实施，可以极大的增加系统柔性和透气性。在其他实施方式中，柔性材料可根据需要选择，本发明不做限定。
在一种可能的实施方式中，共振腔22的外轮廓可以为喇叭状或梯台状，共振腔22内部中空，形成腔体，以对声音起到较好的收集和集中作用。共振腔22两端为开口，较小的开口可固定于柔性板24，传感元件21可位于较小开口围绕的范围内，并设置在柔性板24上。在使用中，共振腔22的较大开口可贴敷于肺部，收集肺部传出的声音信号，共振腔22中的传感元件21感测声音信号，并将声音信号从声波转换为电信号，通过柔性板24上的电路将作为电信号的声音信号传输至信号处理及传输模块13。信号处理及传输模块13可以柔性电路的方式在柔性板24上实现。
在一种可能的实施方式中，发声模块11发出的多种频率的第一声音信号可通过人体的呼吸系统，例如气管和支气管，传播到肺部。举例而言，可以将发声模块11紧贴或朝向患者/用户的口部、鼻部发声，发声模块11发出的声音信号就可以通过人体的呼吸系统传播的肺部。人体的肺部包括大小形状不一的肺泡，第一声音信号经过与肺部、肺泡相互作用后产生第二声音信号被传感器模块12捕捉，举例而言，该相互作用的方式可为，发声模块11发出的第一声音信号引起肺部振动产生第二声音信号。
在一种可能的实施方式中，传感器模块12捕捉到的声音信号与肺泡容积大小有关的原理在于，人体中的肺泡与细支气管相连，而细支气管及其末端肺泡相当于一个亥姆霍兹共鸣器(图3(c))，其声阻抗与肺泡容积有关。因此肺泡的大小会影响接收到的声音信号的频谱，即声音信号被肺泡接收后，会与肺泡相互作用，不同大小的肺泡，会产生不同的频谱响应。通过分析传感器模块12的声音信号的频谱能够判断该处肺泡的扩张程度。因此，被传感器模块12接收的第二声音信号与肺泡容积高度相关。
信号处理及传输模块13，电连接于所述传感器模块，用于将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输，第三信号为数字信号。
在一种可能的实施方式中，第二声音信号为模拟信号，信号处理及传输模块13将第二声音信号转换为数字信号，其过程包括但不限于将第二声音信号进行去噪、放大、a/d转换，经过处理后的第二声音信号成为第三声音信号，该第三声音信号为数字信号，方便存储及传输。
在一种可能的实施方式中，信号处理及传输模块13将第三信号进行传输，例如，可通过有线的方式进行传输。当通过有线的方式进行传输时，信号处理及传输模块13通过信号线电连接于计算模块14，将第三信号传输至计算模块14。信号处理及传输模块13还可通过无线的方式将第三信号进行传输，无线的方式包括但不限于蓝牙、wifi、gprs、3g或5g，以及其他的无线传输方式。需要说明的是，在本实施方式中，信号处理及传输为两个过程，他们可以集成于同一个模块，也可以分开成两个模块，例如可将信号处理及传输模块13分割为信号处理模块、传输模块，当然，这两种方式的作用是相似的。在其他实施方式中，信号处理及传输模块13还可以包括存储器对第三声音信号进行存储，以提高数据传输的效率，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
计算模块14，电连接于所述信号处理及传输模块13，用于接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
在一种可能的实施方式中，计算模块14接收到第三声音信号后，可通过扫频的方法得到第三声音信号的频响曲线，通过傅里叶变换等方法从第三声音信号的频响曲线中获取该第三声音信号的频谱特性，由该第三声音信号的频谱特性获取其频率，并根据公式1计算该频率对应的肺泡容积。
在公式1中，f0为所述第三声音信号的频率，c为声速，s为连接肺泡的细支气管截面的面积，d是连接肺泡的细支气管截面的直径，l是连接肺泡的细支气管的长度，v是所述肺泡容积。其中，除f0及v外，其他诸如c，s，d，l等参数均为已知参数，s，d，l可通过实际测量或经验值获得。
在一种可能的实施方式中，计算模块14可进一步包括存储器、处理器，计算模块14通过存储器存储信号处理及传输模块13传来的数据，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。处理器可由一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。当信号处理及传输模块13通过无线方式传输数据的时候，计算模块还可包括无线接收模块，例如，蓝牙接收模块、wifi接收模块等与信号处理及传输模块传输数据的传输方式对应的接受模块。
计算模块14可通过专用硬件实现，也可通过通用计算机及其它具有处理功能的终端设备实现，或通过网络计算服务资源来实现。
请参考图4，图4为柔性容积获取系统模块示意图对应的部分结构示意图。
如图4所示，该部分结构示意图包括发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13及支撑体2，传感器模块12可设置于支撑体2上，信号处理及传输模块13也可以设置于支撑体上。
基于以上柔性肺泡容积获取系统，可以得到患者/用户肺泡容积的实时数据。
图5示出了本公开又一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
如图5所示，柔性肺泡容积获取系统包括：发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14，以及显示模块15，传感器模块12、信号处理及传输模块13、计算模块14及显示模块15依次电连接，发声模块11发出的声音经引起肺部振动后产生的声音可被传感器模块12接收。
发声模块11，用于产生不同频率的第一声音信号。
传感器模块12用于接收肺部传来的第二声音信号，第二声音信号为肺部因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。
信号处理及传输模块13，电连接于所述传感器模块，用于将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输。
计算模块14，电连接于所述信号处理及传输模块13，用于接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
图5中的发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14与图1相同，在此，对其具体介绍不再赘述，可参考之前的描述。
显示模块15，用于显示计算模块14计算得到的肺泡容积及/或所述频率。
在一种可能的实施方式中，显示模块15可为led显示屏、lcd显示屏，等等。显示模块15显示肺泡容积及其对应的频率的方式可以是实时显示，当发声模块持续不断地发出多种不同频率的声音时，柔性肺泡容积获取系统一直处在工作模式下，因此肺泡的容积在不停的更新，可以理解，患者/用户在呼吸的过程中，肺泡会在舒张、紧缩的状态之间来回变动，肺泡的容积也处在不停的变化之中。
在一种可能的实施方式之中，显示模块15可分组显示肺部不同区域对应的肺泡容积大小。由之前的描述可知，传感器模块12包括多个传感器设置在支撑体2上，支撑体2贴敷于肺部表面。不同的传感器监测的部位不同，因此可按照需要对传感器模块12上的传感器进行分组，并对分组后的肺泡容积进行分组显示，采用这样的方式进行显示更加直观。分组方式可根据需要设置，可根据肺部的结构进行分组。
基于以上柔性肺泡容积获取系统，可以得到患者/用户肺泡容积的实时数据，并显示给监测者，监测者可以方便、直观地观察到患者/用户肺泡容积的变化。
图6示出了本公开又一实施例的柔性肺泡容积获取系统的模块示意图。
如图6所示，柔性肺泡容积获取系统包括：发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14，显示模块15，以及控制模块16，传感器模块12、信号处理传输模块13、计算模块14、显示模块15及控制模块16依次电连接，发声模块11发出的声音引起肺部振动后发出的声音可被传感器模块12接收。
发声模块11，用于产生不同频率的第一声音信号。
传感器模块12用于接收肺部传来的第二声音信号，第二声音信号为肺部因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。
信号处理及传输模块13，电连接于所述传感器模块，用于将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输。
计算模块14，电连接于所述信号处理及传输模块13，用于接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
显示模块15，电连接于计算模块14，用于显示所述肺泡容积及/或所述频率。
参阅图6，图6中的发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14，显示模块15与图1、图5相同，在此，对其具体介绍不再赘述，可参考之前的描述。
在一种可能的实施方式之中，控制模块16电连接于发声模块，用于控制所述发声模块11及显示模块15的工作。例如，控制模块16可以控制发声模块11发出不同频率的声音，也可以控制发生模块11发出特定频率的声音，还可以控制发声模块11发出声音持续的时间，等等。控制模块16可以控制显示模块15显示包括但不限于计算模块14计算得到的第三声音信号的频率及根据该频率计算的肺泡容积。应该明白，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14，显示模块15之间均可以是电连接的关系，因此，控制模块16还可以控制其他模块的工作，即，控制模块16可以控制整个柔性肺泡容积获取系统的工作。应该说明的是，上述“工作”不限于各模块本身应当完成的工作，还可以包括控制模块16可通过程序、指令控制各模块进行的工作，例如，控制模块16可以重置、复位、关闭、使能各模块。
在一种可能的实施方式之中，控制模块16可由一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。
需要说明的是，以上对柔性肺泡容积获取系统各模块的设定是示例性的，本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定柔性肺泡容积获取系统的各个模块。
进一步地，本公开还提供一种柔性肺泡容积获取系统的测试步骤与实施方式，该测试步骤与实施方式可包括：
将柔性肺泡容积获取系统组装好，准备开始测试；
将支撑体2贴合于患者/用户的肺部；
发声模块11产生脉冲信号，发声模块11发射脉冲声音信号；
传感器模块12开始采集相应的声音信号；
信号处理及传输模块13对接收的声音信号进行处理传输；
监测人员可以在显示模块15上看到不同区域肺泡的相对容积。
基于以上柔性肺泡容积获取系统，可以得到患者/用户肺泡容积的实时数据，并显示给监测者，监测者可以方便、直观地观察到患者/用户肺泡容积的变化，同时控制模块16的存在，可对整个系统及各模块进行控制。
测量时，可以先测得人呼气时声音频谱，再测量吸气时声音频谱，相比较得到人呼吸时的频谱差异，即可得到肺泡开闭容积范围。
图7示出了一种基于柔性肺泡容积获取系统的肺泡容积获取方法的流程图。
参阅图1-图6，柔性肺泡容积获取系统可包括发声模块11，传感器模块12，信号处理及传输模块13，计算模块14，显示模块15，以及控制模块16。
如图7所示，肺泡容积获取方法包括：
步骤s110，发声模块产生不同频率的第一声音信号。
步骤s120，传感器模块接收肺部传来的第二声音信号，所述第二声音信号为肺部因所述第一声音信号产生振动发出的声音信号。
步骤s130，信号处理及传输模块将所述第二声音信号转换生成第三声音信号并对所述第三声音信号进行传输，所述第三信号为数字信号。
步骤s140，计算模块接收所述第三声音信号，计算所述第三声音信号的频率，并根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积。
在一种可能的实现方式中，根据所述第三声音信号的频率计算肺泡容积可包括：
根据第一公式计算肺泡容积，所述第一公式为：
其中，f0为所述第三声音信号的频率，c为声速，s为连接肺泡的细支气管截面的面积，d是连接肺泡的细支气管截面的直径，l是连接肺泡的细支气管的长度，v是所述肺泡容积。
进一步地，该方法还可以包括以下步骤：
显示模块显示所述肺泡容积及所述频率；及
控制模块控制所述发声模块及显示模块的工作。
需要说明的是，尽管以步骤作为示例介绍了肺泡容积获取方法，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定该方法的步骤。
基于上述柔性肺泡容积获取方法，可以对患者/用户的肺泡容积进行实时监测。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。