一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法及系统与流程

1.本发明涉及一种压力采集装置，特别是涉及一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法、一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统。


背景技术：

2.在医疗手术过程中，可以通过对人体的自然腔道或组织缝隙进行压力检测，进而判断相应的器官或组织的健康状态。如眼压一般为10mmhg-21mmhg，脑灌注压一般为70mmhg-100mmhg，膀胱压一般不高于40cmh2o(约29.4mmhg)。
3.现有用于测量人体自然腔道或组织缝隙的压力采集装置包括接触式压力采集装置和非接触式压力采集装置。采用非接触式压力采集装置进行测量时，人体体内液体(如血液、组织积液、眼内房水)或腔道空气等对测量结果造成干扰，实际测量的压力值存在较大误差。而采用接触式压力采集装置进行测量时，由于体内环境与外界空气环境的差异，对测量结果造成误差，导致测量精度低。且由于人体自然腔道或组织缝隙的测量环境与空气环境差距较大，采用现有的校准方法难以对压力采集装置精确修正。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有用于人体腔道或组织缝隙的压力采集装置校准精确度低的问题，提供一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法。
5.本发明通过以下技术方案实现：一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法用于检测压力采集装置实时显示的气压值、待测区域的实际气压值与压力采集装置的内腔的实际气压值之间的误差，进而对压力采集装置进行修正以减小或消除误差。
6.压力采集装置包括探头、气管、储气管和光纤压力传感器。探头内设置有探测腔，储气管内设置有储气室。探头包括环形刚体和弹性薄膜。弹性薄膜覆盖在环形刚体上，环形刚体和弹性薄膜共同围成探测腔。在探头的内外压力不同时，弹性薄膜受内外压力差作用发生形变，以使探头的内外压力趋于一致。因此，只需将探头导入待测量区域，即可通过直接测量探测腔的气压作为待测量区域的压力值。探测腔与储气室之间通过气管连通。探测腔、气管内腔和储气室共同构成检测腔。检测腔为密闭腔体，检测腔内任意一处的气压值均相同。光纤压力传感器安装在储气室内，用于检测储气室内的气压。通过光纤压力传感器测量储气室的气压，即可作为检测腔的气压，也即待测量区域的实际压力值。
7.校准方法包括如下步骤：
8.s1：对压力采集装置进行抽真空直至压力采集装置的检测腔气压低于一个预设的阈值。在一个气压值为p0的恒压环境下，向检测腔内注入空气，直至光纤压力传感器显示的实时气压值保持不变，记录此时光纤压力传感器显示的实时气压值p1。继续向检测腔内注入空气，直至光纤压力传感器显示的实时气压值刚好发生变化。
9.s2：设置校准温度范围为[t1，t
max
]。设置校准气压范围为[p0，p
max
]。将压力采集装置放置在一个平均温度为t1的恒温密闭容器内。对密闭容器进行注气或排气，直至密闭容
器内的平均气压为p0。
[0010]
s3：向密闭容器内每次注入n1mol空气以调节密闭容器内的平均气压，实时测量密闭容器内的平均气压p
ni
。读取光纤压力传感器显示的实时气压值pi。
[0011]
s4：判断平均气压p
ni
是否高于p
max
，是则将密闭容器内的平均温度调高δt，并将对密闭容器进行排空气以使平均气压p
ni
恢复至p0。同时根据获取的多个平均气压p
ni
和相应的实时气压值pi，采用曲线拟合的方法构建在当前温度条件下的修正函数和弥补函数。修正函数表征理想气压p
hi
和实时气压值pi之间的映射关系。弥补函数表征理想气压p
hi
和平均气压p
ni
之间的映射关系。否则重复步骤s3直至平均气压p
ni
高于p
max
。其中，修正函数的构建方法如下：
[0012]
s41：根据每个平均气压p
ni
和压力采集装置的总体积vd计算压力采集装置的理想气压p
hi
。
[0013]
s42：将采集的多个实时气压值pi、多个相应的理想气压值p
hi
映射到一个平面坐标系中得到多个坐标点ai。
[0014]
s43：对多个坐标点ai进行曲线拟合，将拟合的曲线函数r
fi
作为修正函数。
[0015]
弥补函数的获取方法如下：
[0016]
s44：将采集的多个平均气压p
ni
和多个相应的理想气压值p
hi
映射到另一个平面坐标系中得到多个坐标点bi。
[0017]
s45：对多个坐标点bi进行曲线拟合，将拟合的曲线函数pf作为弥补函数。
[0018]
s5：判断密闭容器内的平均温度是否达到t
max
，是则根据拟合的多个修正函数r
fi
对光纤压力传感器的参数进行修正。修正后的光纤压力传感器实时显示测量的内腔气压，并根据多个弥补函数显示待测量区域的实际气压值。否则重复步骤s4直至密闭容器内的平均温度达到t
max
。
[0019]
上述校准方法首先通过对压力采集装置进行抽真空后，向压力采集装置内注入气体，以使压力采集装置达到其量程范围内的最大体积，消除因压力采集装置的体积变化造成的校准误差。随后，通过在不同温度、不同气压环境下采集压力采集装置显示的实时气压值以及密闭容器的平均气压，进而根据密闭容器的容积、压力采集装置的总体积和压力采集装置的总容积计算出相应的理想气压，进而根据理想气压与实际气压值之间的映射关系构建修正函数，对压力采集装置的光纤压力传感器进行参数修正，以使光纤压力传感器的测量精度满足测量需求。最后根据测量的平均气压与理想气压之间的映射关系构建弥补函数，以减小消除因压力采集装置自身性能产生的误差，提高实际测量中的测量精度，满足压力采集装置在人体自然腔道或组织缝隙内的压力探测的精度需求。
[0020]
在其中一个实施例中，当密闭容器的平均气压刚好达到p0时，判断光纤压力传感器显示的实时气压值是否也为p0，是则继续进行校准。否则同步调节密闭容器内的平均气压和检测腔的气压，直至平均气压p
ni
和气压值pi均为p0。。
[0021]
在其中一个实施例中，每次注入的空气的量通过以下方法计算：
[0022]
s31：根据密闭容器的当前温度、密闭容器的初始气压p0、密闭容器的容积vc和压力采集装置的初始总体积vd计算密闭容器内空气的初始物质的量n0。则n0表达为：
[0023]
n0＝p0(v
c-vd)/rt1[0024]
其中，n0为密闭容器内气体的初始物质的量，vc为密闭容器的容积，vd为压力采集
装置的初始总体积，t1为初始温度。
[0025]
s32：根据期望气压差δp计算每次注入的空气的物质的量n1，则n1表达为：
[0026]
n1＝δpn0/p0[0027]
其中，δp为校准过程中密闭容器内的平均气压期望调节的气压值。
[0028]
在其中一个实施例中，理想气压p
hi
表达为：
[0029][0030]
其中，n0为压力采集装置内气体的物质的量，tj为环境温度，v0为压力采集装置的初始总容积，δv为压力采集装置的总容积的变量，m为向密闭容器内注入气体的总次数，ni为密闭容器第i次测量时的空气的物质的量，p
ai
为密闭容器第i次测量的平均气压，vc为密闭容器的总容积，vd为压力采集装置的总体积。
[0031]
在其中一个实施例中，压力采集装置内气体的物质的量nd表达为：
[0032]
nd＝p
0v0
/rt1[0033]
第i次测量时密闭容器内空气的物质的量ni表达为：
[0034]
ni＝n0+(i-1)n1。
[0035]
在其中一个实施例中，修正函数r
fi
表达为：
[0036][0037]
其中，pi为压力采集装置实时显示的气压值，pc为修正基值，kj为第j次调温后的修正系数，k
j+1
为第j+1次调温后的修正系数，k1为温度为t1时的修正系数。
[0038]
在其中一个实施例中，弥补函数表达为：
[0039]
pf＝ε+kjpi[0040]
其中，pf为待测区域的实际气压值，ε为干扰因子，kj为在不同温度条件下的弥补系数。
[0041]
本发明还提供一种用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统，校准系统包括密闭容器、气泵、气压检测装置、控温装置、处理器和参数设定装置。
[0042]
密闭容器用于收容压力采集装置。密闭容器还用于提供校准过程所需的恒温环境。阀门与密闭容器连通，用于控制密闭容器与空气的连通状态。
[0043]
气泵的一端与密闭容器的阀门连通，另一端与空气连通。气泵用于调节密闭容器内的气压。气压检测装置用于实时监测密闭容器内的平均气压。控温装置用于调节密闭容器的平均温度。
[0044]
在其中一个实施例中，处理器用于：a、根据实时采集的平均气压在一个转换表中获取理想气压，转换表表征平均气压与理想气压的映射关系。b、根据计算的多个理想气压和压力采集装置实时测量的多个实时气压值计算理想气压与实时气压值之间的映射关系。c、根据测量的平均气压和相应的理想气压计算压力采集装置测量的实时气压值与待测位置的实际气压的映射关系。
[0045]
在其中一个实施例中，参数设定装置用于根据理想气压与实时气压值之间的映射关系设定压力采集装置的参数，以使压力采集装置测量的实时气压值与待测位置的实际气
压值之间的误差不超过一个预设的误差范围。
[0046]
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0047]
1.本发明的校准方法首先通过对压力采集装置进行抽真空，再向压力采集装置内注入气体，以使压力采集装置达到其量程范围内的最大体积，消除因压力采集装置的体积变化造成的校准误差。随后，通过在不同温度、不同气压环境下采集压力采集装置显示的实时气压值以及密闭容器的平均气压，进而根据密闭容器的容积、压力采集装置的总体积和压力采集装置的总容积计算出相应的理想气压，进而根据理想气压与实际气压值之间的映射关系构建修正函数，对压力采集装置的光纤压力传感器进行参数修正，以使光纤压力传感器的测量精度满足测量需求。最后根据测量的平均气压与理想气压之间的映射关系构建弥补函数，以减小消除因压力采集装置自身性能产生的误差，提高实际测量中的测量精度，满足压力采集装置在人体自然腔道或组织缝隙内的压力探测的精度需求。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例1的用于人体自然腔道或组织缝隙的压力采集装置的主视剖面结构示意图；
[0049]
图2为图1中探头在未注气时的侧视结构示意图；
[0050]
图3为图1中探头在预注压后的侧视结构示意图；
[0051]
图4为图1中环形刚体的立体结构示意图；
[0052]
图5为本发明实施例2的用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法的流程图；
[0053]
图6为本发明实施例3的用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统的剖面结构示意图；
[0054]
图7为图6中用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统的框架结构示意图。
[0055]
主要元件符号说明
[0056]
图中标号为：1、探头；11、环形杆体；12、弹性薄膜；2、气管；3、鲁尔接头；4、储气管；5、逆止阀组件；51、弹簧；52、导轨；53、阀芯；6、活塞组件；61、活塞；62、连杆；63、推块；7、光纤压力传感器；8、手柄；9、密封套；10、压力采集装置；20、密闭容器；30、气压检测装置；40、气泵；50、控温装置；a、探测腔；b、气管内腔；c、储气室；d、注气室；e、通孔二；f、进气孔；g、通孔一。
[0057]
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
[0060]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0061]
实施例1
[0062]
请参阅图1，其为本发明实施例1的用于人体自然腔道或组织缝隙的压力采集装置的主视剖面结构示意图。用于人体自然腔道或组织缝隙的压力采集装置包括：探头1、气管2、储气管4、光纤压力传感器7、活塞组件6、手柄8、密封套9、处理器图未示和显示器图未示。
[0063]
请结合图2、图3和图4，图2为图1中探头在未注气时的侧视结构示意图；图3为图1中探头在预注压后的侧视结构示意图；图4为图1中环形刚体的立体结构示意图。探头1包括环形刚体11和弹性薄膜12。弹性薄膜12包覆在环形刚体11的外表面上，弹性薄膜12与环形刚体11共同围成一个探测腔a。环形刚体11的一端与气管2的一端固定连接，且环形刚体11上开设有用于连通探测腔a与气管2的通孔一g。环形刚体11与气管2连接的一侧厚度大于环形刚体11另一侧的厚度。
[0064]
在探测腔a内未注入气体时，探头1的顶面呈圆形且探头1的侧面呈楔形。当探测腔a内注入一定气体后，探头1整体呈椭球状。在实际测量人体腔道或组织缝隙的压力时，探头1远离气管2的一端作为前端，用于引导气管2深入人体腔道或组织缝隙内。探测腔a内注入气体以使弹性薄膜12向外凸起，使人体组织与探头1柔性接触，避免损伤人体组织。在探测腔a内气压与外部环境压力有差异时，弹性薄膜12产生形变以改变探测腔a内的气体体积，进而调节探测腔a内的气压以使探测腔a内气压与外部压力趋于一致。
[0065]
环形刚体11可以采用金属件、木制件、高分子材料件或陶瓷件等，只要能在压力采集装置的量程范围内进行检测时不产生形变即可。弹性薄膜12可以采用橡胶材料或其他具有可逆性变的高弹性材料。在本实施例中，采用不锈钢制环形刚体11以及乳胶制弹性薄膜12。不锈钢材料具有硬度高、耐腐蚀性强等特点，能够满足长期使用的需求。乳胶材料具有柔韧性高、环保无污染的特点，且对人体无害。
[0066]
在其他实施例中，环形刚体11也可以替换为空心楔形块、空心椭球体、空心球体或空心椎体等，只要能与弹性薄膜12共同构成探测腔a，并使得弹性薄膜12可以向探测腔a的内外两个方向自由形变即可。环形刚体11远离气管2的一端为尖端，环形刚体11的尖端作为前端，用于引导探头1深入人体自然腔道或组织缝隙中。当弹性薄膜12向外凸起达到充盈状态时，探头1在任意一处的径向截面均为圆形或近圆形，探头1在导入人体自然腔道或组织缝隙时与人体组织柔性接触，可以避免损伤人体。
[0067]
在实际测量时，人体自然腔道或组织缝隙的压力与探测腔a内气压不一致时，探头1的弹性薄膜12受压力差作用产生形变，以使探头1内外压力一致，即探测腔a内内的气压值与待检测区域的压力值一致。因此，只需对探测腔a内的气压进行探测，即可获得待检测区域的实际压力值。本实施例中，将探测腔a与储气管4连通形成密闭的检测腔，进而仅需测量储气管4内的气压即可作为待检测区域的实际压力值。
[0068]
气管2为软管，且在气管2发生形变时，气管2的总容积的变化率低于一个预设的误差范围。本实施例中，预设的误差范围为[-0.01,0.01]。气管2可以通过一个鲁尔接头3与储气管4可拆卸式连接。气管2可以采用金属管、塑料管等。气管2用于延长探头1与储气管4的
间距，以使探头1深入人体自然腔道或组织缝隙内时，储气管4位于人体外侧。在实际测量中，可以根据具体测量的腔道或组织缝隙的位置选择不同长度、不同材料的气管2。本实施例中采用记忆金属软管，且记忆金属软管与储气室c的总容积小于探测腔a的总容积。记忆金属材料具有较高的柔韧性，能够在不规则的人体腔道或组织缝隙中自由移动，且在其整体弯曲的状态下，其内部腔体的体积几乎无变化，对测量结果几乎无影响。
[0069]
当待测量的人体自然腔道或组织缝隙可以从体外呈直线导入时，气管2也可以采用刚性管道，如不锈钢管等。
[0070]
鲁尔接头3是一种标准化的微量无渗接头，通过公鲁尔接头3与相匹配的母鲁尔接头3部分实现气管2与储气管4之间的密封连接。鲁尔接头3便于安装与拆卸，通过公母鲁尔接头3的拆装，便于排出储气管4或探头1内的气体。
[0071]
储气管4的内部设置有一个储气室c和一个注气室d。储气室c与气管2的另一端连通，进而实现储气室c与探测腔a之间的连通。注气室d的一端通过一个通孔二e与储气室c连通。注气室d的另一端通过一个进气孔f与空气连通。储气室c、气管内腔b与探测腔a相互连通并共同构成一个检测腔，则在检测腔内的每一位置处的气压值均相等。
[0072]
光纤压力传感器7安装在储气室c内。光纤压力传感器7用于探测储气室c内的气压。光纤压力传感器7是具有压敏元件的光纤传感器，根据测量原理的不同，光纤压力传感器7一般包括以下几种类型：微弯型光纤压力传感器、透射型光纤压力传感器、反射型光纤压力传感器、频率调制光纤压力传感器、mach一zehnder干涉式光纤压力传感器、光栅光纤压力传感器、分布式光纤压力传感器等。本实施例采用光栅光纤压力传感器，测量原理如下：光纤布拉格光栅贴在形变体上，当压力加在被测物体上时，形变体受到外界压力产生形变，光纤光栅的有效折射率和光纤周期都将发生变化，光源发出的宽带光经发生形变的光纤光栅反射，布拉格波长产生移位，通过光谱仪测量反射光的光谱，进而得到测量的压力大小。光栅光纤压力传感器具有精度高、大量程测量分辨率高、抗干扰能力强等特点，对于腔道压力的测量精确度更高。
[0073]
在其他实施例中，光纤压力传感器7也可以替换为其他压力传感器，如压阻式压力传感器、压电式压力传感器或电容式压力传感器等。
[0074]
逆止阀组件5安装在储气室c内，用于控制通孔二e的通断状态。逆止阀组件5包括阀芯53、弹簧51和导轨52。导轨52固定连接在储气室c内，导轨52与通孔二e位置相对。弹簧51的一端固定安装在导轨52上。弹簧51的另一端与阀芯53固定连接，以使阀芯53盖合在通孔二e上。当注气室d内的气压对阀芯53的压力小于弹簧51对阀芯53的弹力时，阀芯53盖合在通孔二e上，储气室c、气管2与探测腔a形成密封空间。
[0075]
在其他实施例中，弹簧51还可以直接连接在阀芯53与储气室c的内壁之间，只要满足将阀芯53盖合在通孔二e上即可。阀芯53上还可以设置一个导向杆，导向杆滑动连接在通孔二e内且导向杆的内径小于通孔二e的内径。在通过通孔二e向储气室c内注气时，注气的气压对阀芯53的驱动力大于弹簧51的弹力，则阀芯53远离通孔二e，弹簧51向内收缩。当气体被注入储气室c后，储气室c内外气压趋于一致，阀芯53受弹簧51弹力复位，盖合在通孔二e上。
[0076]
逆止阀组件5还可以直接采用具有弹性的半球形阀芯53。半球形阀芯53的一端固定连接在储气室c的内壁上，受弹力作用，半球形阀芯53盖合在通孔二e上。半球形阀芯53与
通孔二e紧密盖合，能提高储气室c的密封性能。
[0077]
活塞组件与注气室d共同构成注气装置。注气装置用于向储气室c内注入气体，进而调整储气室c内的气压。活塞组件6包括活塞61、连杆62和推块63。活塞61滑动连接在注气室d内，活塞61与注气室d的内壁贴合。连杆62的一端与活塞61固定连接，连杆62的另一端穿过储气管4与推块63固定连接。
[0078]
操作者推动推块63，进而驱动活塞61在注气室d内滑动，当活塞61向通孔二e靠近直至位于通孔二e和进气孔f之间时，活塞61将注气室d分隔为靠近通孔二e的密闭腔和远离通孔二e的连通腔。当活塞61继续向通孔二e移动时，密闭腔内的空气被压缩，密闭腔内气压急剧提高，进而使得密闭腔内的气压对阀芯53的驱动力大于弹簧51对阀芯53的弹力，进而打开通孔二e，将部分空气注入储气室c内。此时，储气室c与密闭腔连通，具有相同的气压，因此，阀芯53收到弹簧51复位的弹力再次盖合在通孔二e上。将推块63回拉，密闭腔体积增大，气压减小。继续回拉推块63，直至密闭腔与进气孔f连通，则受到气压差作用，空气补充到密闭腔内。反复推动推块63，则可以持续向储气室c内注入空气。
[0079]
当然，在其他实施例中，也可以采用电动打气筒、高压气筒、气泵等作为活塞组件6。相较于手动注气，电动打气筒和气泵具有充气速度快、充气速率可控等特点，但需要额外消耗电能，且装置体积大、质量大，不易安装。高压气筒同样为手动操作的活塞组件6，高压气筒具有省力的特点，但同样体积大、不易安装。
[0080]
本实施例提供的压力采集装置的测量方法具体如下：
[0081]
首先，对压力采集装置进行预注压，以使弹性薄膜12向外凸起达到充盈状态。预注压的具体方法如下：通过活塞组件6向储气室c内注入气体，当压力采集装置显示的实时压力值不发生变化后，观察弹性薄膜12是否充盈，在弹性薄膜12处于充盈状态时停止注气。
[0082]
其次，通过引导装置或直接通过气管2将探头1导入待测量的人体自然腔道或组织缝隙内。在探测腔a内的气压与人体自然腔道或组织缝隙的压力存在差异时，弹性薄膜12受压力差作用产生形变，进而改变探测腔a的体积，以使探测腔a内的气压与人体自然腔道或组织缝隙的压力趋于一致，进而直接读取光纤压力传感器7测量的气压值作为人体自然腔道或组织缝隙的实际压力值。
[0083]
为了提高测量的精确度，还可以先设置预注压的气压值为10mmhg。然后在气压值为10mmhg的恒压环境下，通过活塞组件6向储气室c内注入气体，以使压力采集装置显示的实时气压值为10mmhg。在实际测量时，将10mmhg作为零位参考点，则可以将最终测量的数据通过预设的公式转换为实际测量值。
[0084]
手柄8包覆在储气管4上。手柄8上设置有供推块63滑动的滑槽。在预注压的过程中，操作者一手持手柄8，另一手推拉推块63，以实现对储气室c的注气操作。手柄8可以是塑料件、木制件、橡胶件等。本实施例中，采用塑料手柄8，不仅质量轻、硬度高、便于操作，而且能降低制作成本。
[0085]
密封套9套设在光纤压力传感器7上，以实现光纤压力传感器7与储气室c之间的密封。光纤压力传感器7的一端位于储气室c内，另一端穿过储气管4。密封套9固定连接在光纤压力传感器7外侧，且密封套9的外壁与储气室c的内壁紧密贴合。密封套9可以采用橡胶材料丁睛橡胶，氟橡胶等或塑料材料聚四氟乙烯，尼龙等，也可以采用金属材料。本实施例中采用丁晴橡胶，不仅密封性强，而且便于拆装，有利于压力采集装置的检修。
[0086]
处理器通过一根光纤导线与光纤压力传感器7连通。处理器用于根据光纤压力传感器7传输的压力信号计算储气室c内的气压。光纤压力传感器7是通过敏感元件受力发生形变，进而将光信号的变化转换为电信号，通过对电信号进行解析而获取实际压力值，进而根据预存的转换公式或转换表得到相应的压力值。光纤压力传感器7仅能显示压力值，而处理器则用于将压力值转换为相应的气压值，再转换为待检测区域的实际压力值。当然，光纤压力传感器7也可以仅作为压力感应及信号传输的工具，而处理器则可以完成对光信号的转换以及对电信号的解析，进而得到相应的压力值和气压值。
[0087]
处理器在计算实际压力值时，还可以根据弹性薄膜12的张力变化，对实际压力值进行修正。如根据弹性薄膜12的材质，计算出在受力不同的条件下，弹性薄膜12的实际张力，进而在实际测量中消除因张力变化造成的误差，以提高压力采集装置的实际测量精度。
[0088]
显示器与处理器连通，显示器用于实时显示测量的压力值。显示器可以是电子显示屏、手机、液晶显示屏或其他智能显示屏等。显示器可以直接安装在压力采集装置上，也可以通过远程连接对实时测量的压力值进行显示。
[0089]
本实施例提供的压力采集装置还可以应用在其他动物体内压力测量或其他小型孔道的压力测量上。例如，在给动物进行手术时，可以通过与测量人体内部压力相同的方式，即先将探头1导入动物体内，然后通过光纤压力传感器7直接测量动物的体内压力。
[0090]
在测量其他小型孔道时，可以在探头1的外侧增加镂空的球形防护支架，以避免弹性薄膜12在深入孔道内时被划伤。球形防护支架的内径应大于弹性薄膜12在量程范围内的最大内径，以避免对实际测量结果造成干扰。
[0091]
实施例2
[0092]
在实施例1中的压力采集装置进行实际压力检测之前，需要对压力采集装置进行校准，以使压力采集装置测量的压力值与实际压力值之间的误差不高于预设的阈值范围，进而提高压力采集装置在实际测量中的精确度。
[0093]
请结合图5，其为本实施例的用于人体自然腔道的压力采集装置的校准方法的流程图。本实施例提供一种压力采集装置的校准方法，校准方法包括以下步骤：
[0094]
s1：对压力采集装置进行抽真空直至压力采集装置的检测腔气压低于一个预设的阈值。在一个气压值为p0的恒压环境下，向检测腔内注入空气，直至光纤压力传感器显示的实时气压值保持不变，记录此时光纤压力传感器显示的实时气压值p1。继续向检测腔内注入空气，直至光纤压力传感器显示的实时气压值刚好发生变化。
[0095]
由于压力采集装置在量程范围(本实施例中，压力采集装置的量程范围为10-100mmhg)内，探头受内外气压差作用自动调节体积，以使探头内外的气压趋于一致。因此，在对腔道气压采集进行预注压时，可以先对压力采集装置进行抽真空，以使检测腔内的气压远低于其量程范围(本实施例中，抽真空后检测腔的气压低于0.1mmhg)，此时探头的体积缩小至最小状态(弹性薄膜向内凹陷至部分贴合)。当然，在其他实施例中，也可以在一个气压值低于压力采集装置的环境中(如5mmhg)进行排气或抽真空，直至弹性薄膜开始向内凹陷即可。
[0096]
在向抽真空后的压力采集装置内注入空气时，光纤压力传感器显示的实时气压值逐渐提高直至趋近于p0。继续注入空气后，光纤压力传感器显示的实时气压值先保持不变，后缓慢提升。记录此时光纤传感器显示的实时气压值p1。在本实施例中，需要将压力采集装
置在保持实时气压值等于p1的前提下，尽可能注入更多的空气，以使压力采集装置达到处于量程范围内的最大体积，进而满足校准条件。
[0097]
s2：设置校准温度范围为[t1，t
max
]。设置校准气压范围为[p0，p
max
]。将压力采集装置放置在一个平均温度为t1的恒温密闭容器内。向密闭容器内注入或排出空气直至密闭容器内的平均气压为p0。
[0098]
根据校准精度的需求，还可以设置每次校准的温度变量δt以及气压变量δp。其中，为了便于计算压力采集装置的理想气压，可以根据气压变量δp计算出每次注入的空气量，进而通过向密闭容器内注入定量空气来调节密闭容器内的平均气压。
[0099]
在密闭容器的气压值也达到p0时，光纤压力传感器显示的实时气压值保持为p1，且光纤压力传感器的总体积无变化，可以消除因压力差导致的体积变化对实际校准结果造成的误差。
[0100]
在本实施例中，将校准温度范围(即密闭容器的温度范围)设置为[0℃，50℃]，校准气压范围(即密闭容器的气压范围)设置为[5mmhg，105mmhg]。虽然人体体温一般在36-37.5℃，但考虑压力采集装置在不同环境下(如动物体内压力检测等)的应用，将校准温度范围扩大。同时满足弹性薄膜在测量范围内张力无明显变化，以提高测量的精确度。考虑到压力采集装置的测量精度，将δt设置为5℃，将δp设置为5mmhg。则本次校准过程中，应获取11组校准数据，且每组校准数据包含至少21个平均气压p
ni
和相应的实时气压值pi。
[0101]
s3：向密闭容器内每次注入n1mol空气以调节密闭容器内的平均气压，实时测量密闭容器内的平均气压p
ni
。读取光纤压力传感器显示的实时气压值pi。通过每次向密闭容器内注入等量空气，以使密闭容器内的平均气压均匀提升，直至达到或超出校准气压范围。采用定量注入空气的方法，不仅可以简化计算过程，便于计算压力采集装置内的理想气压值，同时能提高校准的精确度，减小或消除因气压变化率过大造成的测量误差。
[0102]
每次注入的空气的量通过以下方法计算：
[0103]
s31：根据密闭容器的当前温度、密闭容器的初始气压p0、密闭容器的容积vc和压力采集装置的初始总体积vd计算密闭容器内空气的初始物质的量n0。
[0104]
气体压强的一般计算公式为：
[0105]
pv＝nrt
[0106]
其中，p为气压，v为气体体积，n为物质的量，r为普适气体常数，t为温度。
[0107]
则n0表达为：
[0108]
n0＝p0(v
c-vd)/rt1[0109]
其中，n0为密闭容器内气体的初始物质的量，vc为密闭容器的容积，vd为压力采集装置的初始总体积，t1为初始温度。
[0110]
s32：根据期望气压差δp计算每次注入的空气的物质的量n1，由于密闭容器的温度不变，在不考虑密闭容器的气体总体积变化的前提下，则有：
[0111]
n1/n0＝δp/p0[0112]
则n1表达为：
[0113]
n1＝δpn0/p0[0114]
其中，δp为校准过程中密闭容器内的平均气压期望调节的气压值。
[0115]
在实际校准的过程中，由于密闭容器的气压提高会导致压力采集装置的气压跟随
提高，进而导致压力采集装置的总容积减小。则密闭容器内的气体总体积变大，密闭容器的实际平均气压的变化量低于预设的期望气压差δp。
[0116]
s4：判断平均气压p
ni
是否高于p
max
，是则将密闭容器内的平均温度调高δt，并将对密闭容器进行排空气以使平均气压p
ni
恢复至p0。同时根据获取的多个平均气压p
ni
和相应的实时气压值pi，采用曲线拟合的方法构建在当前温度条件下的修正函数和弥补函数。修正函数表征理想气压p
hi
和实时气压值pi之间的映射关系。弥补函数表征理想气压p
hi
和平均气压p
ni
之间的映射关系。否则重复步骤s3直至平均气压p
ni
高于p
max
。
[0117]
当密闭容器的平均气压p
ni
高于p
max
时，则表明在当前温度下，校准所需的数据已经采集完成，可以采集下一温度条件下的校准数据。根据已采集的平均气压和实时气压值可以计算出在当前温度下，平均气压与实时气压值之间的映射关系。考虑到光纤压力传感器自身的测量精度，本实施例通过计算压力采集装置的理想气压值，进而计算理想气压值与实时气压值之间的映射关系，对光纤压力传感器进行参数修正，以使光纤压力传感器可以在不同检测环境下或在匹配不同探头时继续使用。
[0118]
其中，修正函数的构建方法如下：
[0119]
s41：根据每个平均气压p
ni
和压力采集装置的总体积vd计算压力采集装置的理想气压p
hi
。
[0120]
则理想气压p
hi
表达为：
[0121]
p
hi
＝(ndrtj)/(v
0-δv)，(i＝1，2，3，......m)。
[0122]
其中，nd为压力采集装置内气体的物质的量，tj为环境温度，v0为压力采集装置的初始总容积，δv为压力采集装置的总容积的变量，m为向密闭容器内注入气体的总次数。
[0123]
在以上公式中，除外，其他参数均为定值。由于密闭容器的气体总体积的变量与压力采集装置的总容积的变量相等，则有：
[0124]
δv＝(p
ni
/nirtj)-(p0/n0rtj)＝(pi/ndrtj)-(p1/ndrtj)
[0125]
其中，
[0126]v0
＝p1/ndrt
[0127]vc-vd＝p0/n0rt
[0128]
整理得：
[0129]
δv＝(nirtj)/p
ai-vc+vd[0130]
则理想气压p
hi
可以表达为：
[0131][0132]
其中，ni为密闭容器第i次测量时的空气的物质的量，p
ai
为密闭容器第i次测量的平均气压，vc为密闭容器的总容积，vd为压力采集装置的总体积。
[0133]
压力采集装置内气体的物质的量nd表达为：
[0134]
nd＝p
0v0
/rt1[0135]
第i次测量时密闭容器内空气的物质的量ni表达为：
[0136]
ni＝n0+(i-1)n1。
[0137]
s42：将采集的多个实时气压值pi、多个相应的理想气压值p
hi
映射到一个平面坐标系中得到多个坐标点ai。以实时气压值作为横坐标，理想气压值作为纵坐标建立平面坐标
系。则在同一时刻的实时气压值与理想气压值则可以构成一个坐标点ai(pi，p
hi
)。
[0138]
s43：对多个坐标点ai进行曲线拟合，将拟合的曲线函数作为修正函数r
fi
。
[0139]
修正函数r
fi
表达为：
[0140][0141]
其中，pi为压力采集装置实时显示的气压值，pc为修正基值，kj为第j次调温后的修正系数，k
j+1
为第j+1次调温后的修正系数，k1为温度为t1时的修正系数。
[0142]
弥补函数的获取方法如下：
[0143]
s44：将采集的多个平均气压p
ni
和多个相应的理想气压值p
hi
映射到另一个平面坐标系中得到多个坐标点bi。以平均气压为横坐标，理想气压值为纵坐标建立平面坐标系，则在同一时刻的平均气压和理想气压值可以构成一个坐标点bi(p
ni
，p
hi
)。
[0144]
s45：对多个坐标点bi进行曲线拟合，将拟合的曲线函数作为弥补函数pf。
[0145]
弥补函数可以表达为：
[0146]
pf＝ε+kjpi[0147]
其中，pf为待测区域的实际气压值，ε为干扰因子，kj为在不同温度条件下的弥补系数。
[0148]
干扰因子ε与探头的弹性薄膜相关，用于表征在不同气压下，因弹性薄膜形状变化产生的应力或张力对测量结果造成的误差值。
[0149]
s5：判断密闭容器内的平均温度是否达到t
max
，是则根据拟合的多个修正函数r
fi
对光纤压力传感器的参数进行修正。修正后的光纤压力传感器实时显示测量的内腔气压，并根据多个弥补函数显示待测量区域的实际气压值。否则重复步骤s4直至密闭容器内的平均温度达到t
max
。
[0150]
在实际应用中，若由温度造成的误差值处于预设的修正误差范围内(如-0.01至0.01)，则可以将温度参数移除，对多个修正函数进行均值整合后作为最终的修正函数。则修正后的光纤压力传感器显示的实时气压值为确定值，此时的光纤压力传感器可直接用于测量其他环境压力，如血压、液压或气压等。
[0151]
本实施例提供的压力采集装置的校准方法，首先通过对压力采集装置进行抽真空后，向压力采集装置内注入气体，以使压力采集装置达到其量程范围内的最大体积，消除因压力采集装置的体积变化造成的校准误差。随后，通过在不同温度、不同气压环境下采集压力采集装置显示的实时气压值以及密闭容器的平均气压，进而根据密闭容器的容积、压力采集装置的总体积和压力采集装置的总容积计算出相应的理想气压，进而根据理想气压与实际气压值之间的映射关系构建修正函数，对压力采集装置的光纤压力传感器进行参数修正，以使光纤压力传感器的测量精度满足测量需求。最后根据测量的平均气压与理想气压之间的映射关系构建弥补函数，以减小消除因压力采集装置自身性能产生的误差，提高实际测量中的测量精度，满足压力采集装置在人体自然腔道或组织缝隙内的压力探测的精度需求。
[0152]
为了更直观的了解待测区域的压力值与光纤压力传感器实际测量的压力值之间的关系，光纤压力传感器除了直接显示实时气压值外，还根据弥补函数计算待测区域的实
际压力值。与修正函数相同的是，当由温度造成的误差值处于预设的弥补误差范围内时，同样可以将温度参数从弥补函数中移除，则最终的弥补函数可以表达为：
[0153]
pf＝ε+pi。
[0154]
本实施例中的压力采集装置在实际测量中，气管与储气管通过鲁尔接头可拆卸式连接。则在测量不同的人体腔道或组织缝隙时，可以选择不同长度或不同材质的气管，以使探头导入待测量区域后，储气管位于人体外侧且储气管与人体间距不超过3cm。
[0155]
在实际测量中，压力采集装置实时显示两组气压值，其中一组为根据压力传感器直接读取的探测腔气压，另一组为根据理想气压与实际气压的映射关系计算得到的待测区域的实际气压。
[0156]
为了验证校准后的压力采集装置的精确度是否达到预设的标准，本实施例还提供一种实验验证方法，实验验证方法的具体步骤如下：
[0157]
一、准备过程：
[0158]
选择一个或多个可供液体流动的容器，如管道或水箱等。准备不同密度的液体，优先选择水、酒精等，并配备用于调节密度的固体材料，如水溶性重金属盐(硝酸铅、醋酸铅、氯化锌、四氯化锡、氯化钙等)。准备一台微型水泵或电动注射器。准备一个高精度压力传感器。
[0159]
将固体材料以不同比例分别融入水中，得到多个密度不同且均大于水密度的液体。将酒精与水按不同比例混合，得到多个密度不同且均处于酒精密度与水密度之间的液体。
[0160]
二、实验过程：
[0161]
将水管连通在微型水泵的输出口上。将压力采集装置的探头与高精度压力传感器的探头并排安装在水管的同一高度位置上，并使压力采集装置的探头与高精度压力传感器的探头均正对微型水泵的输出口。将配备好的多种液体依次连通在微型水泵的输入端。
[0162]
设置微型水泵的输出功率的变化范围及周期。微型水泵的输出功率由最低到最高进行往复调节，以使液体流速跟随变化。设置采样周期。在微型水泵的输出功率的变化周期内，应至少采样10次。
[0163]
启动微型水泵，根据采样周期实时采集高精度压力传感器显示的压力值pa以及压力采集装置显示的压力值pb(弥补后的压力值)。观察每组pa和pb的差值是否处于预设的误差范围内。
[0164]
三、实验解析：
[0165]
人体自然腔道或组织缝隙内大多存在成分各异的液体，而根据液体密度、液体流速以及液体总量的不同，腔道或组织缝隙内的液体对于人体器官或组织的压力也各不相同。在人体器官或组织存在疾病或损伤时，其腔道或缝隙内的液体压力也随之发生变化。通过对相应的腔道或组织缝隙进行测压，可以简单判断人体器官或组织是否健康。
[0166]
本实施例提供的验证实验用于模拟人体自然腔道或组织缝隙内的液体环境，将现有满足精度要求的压力传感器作为对比，观察本实施例的压力采集装置显示的实时压力值是否满足精度要求。若本实施例的压力采集装置在实验模拟的环境下，能够满足测量精度的要求，则可以直接应用于人体腔道或组织缝隙的实际测量，能够克服人体内复杂环境的干扰。
[0167]
实施例3
[0168]
请结合图6和图7，图6为本实施例的用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统的剖面结构示意图；图7为图6中用于人体自然腔道的压力采集装置的校准系统的框架结构示意图。为了实现实施例2的校准方法，本实施例还提供一种用于人体自然腔道的压力采集装置10的校准系统，校准系统包括密闭容器20、气泵40、气压检测装置30、控温装置50、处理器和参数设定装置。
[0169]
密闭容器20用于收容压力采集装置10。密闭容器20还用于提供校准过程所需的恒温环境。密闭容器20可以是金属容器、玻璃容器等，只要具备良好的密封性能，满足在校准过程中不发生形变、无气体泄露即可。本实施例中，密闭容器20采用方形的玻璃箱，玻璃箱上连通一个阀门，用于控制玻璃箱内腔与空气的连通状态。
[0170]
气泵40用于调节密闭容器20内的气压。气泵40的一端与密闭容器20的阀门连通，另一端与空气连通。在校准的初始阶段，采用气泵40对密闭容器20进行注气或排气，以使密闭容器20内的气压达到预设值p0。气泵40还可以根据计算的每次注入的空气量向密闭容器20内注入空气。
[0171]
气压检测装置30用于实时监测密闭容器20内的平均气压。气压检测装置30可以采用现有的压力传感器(如压阻式压力传感器、压电式压力传感器或电容式压力传感器等)或气压传感器，只要满足校准所需的测量范围和测量精度即可。
[0172]
控温装置50用于调节密闭容器20的平均温度。控温装置50可以采用机械控温器、电子控温器或数字控温器等，只要满足能在0-50℃内精确控温(误差不超过0.1℃)即可。
[0173]
处理器用于：a、根据实时采集的平均气压计算理想气压。
[0174]
理想气压p
hi
可以表达为：
[0175][0176]
其中，nd为压力采集装置10内气体的物质的量，r为普适气体常数，tj为环境温度，v0为压力采集装置10的初始总容积，δv为压力采集装置10的总容积的变量，m为向密闭容器20内注入气体的总次数，ni为密闭容器20第i次测量时的空气的物质的量，p
ai
为密闭容器20第i次测量的平均气压，vc为密闭容器20的总容积，vd为压力采集装置10的总体积。
[0177]
压力采集装置10内气体的物质的量nd表达为：
[0178]
nd＝p
0v0
/rt1[0179]
第i次测量时密闭容器20内空气的物质的量ni表达为：
[0180]
ni＝n0+(i-1)n1。
[0181]
b、根据理想气压p
hi
和实时测量的气压值pi计算理想气压与气压值之间的映射关系。
[0182]
以实时气压值作为横坐标，理想气压值作为纵坐标建立平面坐标系。将采集的多个实时气压值pi、多个相应的理想气压值p
hi
映射到平面坐标系中得到多个坐标点ai。则在同一时刻的实时气压值与理想气压值则可以构成一个坐标点ai(pi，p
hi
)。
[0183]
对多个坐标点ai进行曲线拟合，将拟合的曲线函数作为修正函数r
fi
，也即理想气压与气压值之间的映射关系。
[0184]
c、根据测量的平均气压和相应的理想气压计算压力采集装置10测量的实时气压
值与待测位置的实际气压的映射关系。
[0185]
以平均气压为横坐标，理想气压值为纵坐标建立另一平面坐标系，将采集的多个平均气压p
ni
和多个相应的理想气压值p
hi
映射到另一个平面坐标系中得到多个坐标点bi。则在同一时刻的平均气压和理想气压值可以构成一个坐标点bi(p
ni
，p
hi
)。
[0186]
对多个坐标点bi进行曲线拟合，将拟合的曲线函数作为弥补函数pf，也即实时气压值与待测位置的实际气压的映射关系。
[0187]
参数设定装置用于根据理想气压与气压值之间的映射关系设定压力采集装置10的参数，以使压力采集装置10实时测量的气压值与实际气压值之间的误差不超过一个预设的误差范围。在本实施例中，预设的误差范围为[-0.005，0.005]。
[0188]
采用本实施例提供的压力采集装置10的校准系统，可以实现如实施例1中的压力采集装置10的校准方法，对压力采集装置10中的光纤压力传感器进行参数修正，进而得到满足测量精度的光纤压力传感器，以提高人体自然腔道或组织缝隙的压力测量精度。
[0189]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0190]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。