本應用筆記介紹了肺活量計及其基本功能。它討論了用于即時檢測的實驗室單元和便攜式設備，并提供了為每類肺活量計選擇電氣元件的指導。解決的功能模塊包括流量檢測、信號調理、連接、電源管理和顯示。

概述

肺活量計測量吸入和呼出的空氣量和速度，以評估肺功能，并為哮喘、肺氣腫和囊性纖維化等肺部疾病提供一級診斷測試。

肺活量計有兩種基本類別：實驗室單元，由訓練有素的技術人員操作的臺式控制臺或機柜大小的機器;和便攜式肺活量計，它們是用于一般實踐和家庭使用的緊湊型臺式設備或手持設備。

實驗室肺活量計需要高性能和高精度。臺式設備必須提供精確的肺活量測量，并能夠執行一系列測試，例如流量、潮汐肺活量和最大自愿通氣。

機柜大小的儀器（如人體體積描記儀）用于執行高級肺功能測試，包括總肺活量、功能殘余容量和殘余容積。

隨著護理點從臨床實驗室轉移到全科診所和家庭，便攜式肺活量計越來越受歡迎。全科醫生越來越多地使用肺活量計為患者建立基線測量值并檢測潛在的肺部疾病。低成本對于在這些新市場中部署肺活量計非常重要。尺寸和功耗也是關鍵的設計考慮因素。這些設備必須使用 USB 和/或電池供電，包括充電功能，并提供多種連接選項。

肺活量測定法

肺活量計可用于測量幾個參數：

FVC（用力肺活量）：完全吸氣后可以呼出的空氣量。

FEV1（1s 內用力呼氣量）：FVC 操作期間第一秒內可以強制呼出的最大空氣量。

PEF（呼氣峰值流量）：在完全吸氣時開始的最大強制呼氣期間達到的最大流量（或速度）。

根據裝置的復雜程度，可以執行其他參數，例如潮氣量、最大自主通氣量、流量-容積環和支氣管激發。

臺式肺活量計的系統框圖。

血氧飽和度

包括脈搏血氧儀（無創測量動脈血氧飽和度）可以使哮喘的診斷性檢測成為可能。此功能可以為步行測試提供一體化解決方案;它還使肺活量計非常適合運動醫學中的健身測試。

肺活量計解決方案

流量傳感機制

肺活量計經常使用渦輪傳感器進行流量測量。在這種拓撲中，旋轉葉片響應主體產生的氣流而旋轉。葉片的轉數在折斷光束時被計算在內，以確定氣流速率和體積。

差壓傳感器有時被用來代替渦輪傳感器。這些設計通常被稱為氣管，可以高精度地測量低流速。另一個優點是成本：由于壓力傳感器相對便宜，因此能夠實施一次性氣孔。

前端

對于基于渦輪的肺活量計，將流量計連接到微控制器的前端相對簡單，因為來自光學編碼器的信號可以通過施密特觸發器輕松管理（圖 1）。

圖1.渦輪傳感器的典型前端。

如果使用壓力傳感器，前端會更加復雜（圖2）。在這種情況下，需要一個信號調理器來補償傳感器輸出并消除最終偏移。然后，必須通過模數轉換器（ADC）對產生的信號進行數字化，該轉換器的采樣速率應約為1ksps，分辨率至少為12位。集成高性能ADC的微控制器是這些設計的理想選擇。

圖2.壓力傳感器的典型前端。

連接

臺式肺活量計通常具有打印機和鍵盤，并包括多個通信接口，例如用于遠程醫療目的的RS-232，USB和藍牙?。手持式肺活量計通常使用 USB 進行數據傳輸和電池充電;它們還可以包括藍牙功能。

USB 和無線連接選項對于管理肺活量測定數據和監測患者非常重要。它們允許將數據傳輸到 PC 進行存儲、分析，并在遠程監控時傳輸到醫療保健提供商 是必需的。

電源

臺式肺活量計通常由線路供電，盡管它們通常也包括鋰離子（Li+）或鎳氫（NiMH）可充電電池。由于熱敏打印機的高壓要求，它們通常使用6芯電池組。或者，它們可以由USB供電，在這種情況下，升壓轉換器用于將5V升壓至9V。如圖3所示，OR-ing級選擇LDO的電源，LDO用于產生一個用于邏輯的3.3V電源軌和一個用于血氧測定的5V電源軌（如果包括）。

圖3.臺式肺活量計的電源示例。

手持式肺活量計可由紐扣電池或單節可充電Li+電池供電。對于 3V 紐扣電池，可以使用低功耗升壓轉換器來產生所需的電壓（圖 4）。對于可充電Li+電池，可以使用具有雙輸入（USB和AC適配器）的電池充電器自動選擇最佳電源（圖5）。

圖4.使用紐扣電池源的手持式肺活量計的電源示例。

圖5.使用單個Li+可充電電池的手持式肺活量計的電源示例。

Maxim的智能電源選擇器?電路充分利用有限的USB或適配器電源，使用系統未使用的任何輸入電源為電池充電。這種方法具有額外的優勢，即允許系統在深度放電的電池甚至根本沒有電池的情況下運行。

為了完善電池管理電路，使用電量計來估計可用容量，而升壓和降壓轉換器則從3.3V至5.2V輸入電源提供7.4V和2V輸出。

顯示器/鍵盤

肺活量計通常采用全彩色背光 LCD 來顯示患者信息、肺活量計參數、肺活量圖和系統信息，例如剩余電池壽命。現代設備越來越多地將觸摸屏與圖形用戶界面（GUI）結合使用，以使編程過程更加直觀。對用戶輸入的可見、聽覺和觸覺響應可幫助設計人員改善用戶體驗。Maxim的高級觸摸屏控制器提供觸覺反饋、減少總線流量的觸摸處理以及用于精確手勢識別的自主模式。

對于帶有鍵盤或小鍵盤的設備，按鍵開關可由提供靜電放電 （ESD） 保護的去抖動器進行管理。集成 ESD 保護可以消除對分立保護元件的需求，同時有助于符合 IEC 61000-4-2 ESD 要求。

審核編輯：郭婷