Page 87 - 《中国医疗器械杂志》2025年第2期
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Chinese Journal of Medical Instrumentation                                         2025 年 第49卷 第2期

                                                     设   计   与   制   造




              盒。完成预热后,使用3 L标定桶对压差式流量传                                 21               O 2
              感器进行流量标定,标定完成后保存参数。接着,                                  20
                                                                      19
              发送浓度标定指令,对氧气传感器和二氧化碳传感                                  18
              器进行浓度标定,获取环境参数并保存。至此,测                                 浓度值 (%)  17
              试准备工作完成。                                                16
                                                                      15
                              开始                                      14
                                                                        1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
                                                                                    时间 (10 ms)       ×10 4
                            系统初始化            流量与浓度                            (a) 氧气浓度信号的特征提取结果
                                             信号采集
                                                                       (a) Feature extraction results of oxygen concentration signal
                            系统预热
                                             特征对齐                                      CO 2
                                                                      5.0
                      否                                               4.5
                                                                      4.0
                           预热是否完成?            每口气                     3.5
                                             数据分割                     3.0
                                是                                    浓度值 (%)  2.5
                                                                      2.0
                            流量标定            计算代谢指标                    1.5
                                                                      1.0
                                                                      0.5
                            浓度标定             展示结果                       1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
                                                                                    时间 (10 ms)        ×10 4
                                                                             (b) 二氧化碳浓度信号的特征提取结果
                           环境参数采集              结束
                                                                     (b) Feature extraction results of carbon dioxide concentration signal
              图7   基于逐口气法的人体能量代谢检测系统软件测试流程                                             CO 2
               Fig.7  Software testing of human energy metabolism detection system  20
                          based on breath-by-breath method
                                                                      10
              2.4.2    信号采集与处理                                      流量值/(L/min)  0
                  测试准备工作完成后,以100 Hz的采样频率实                             −10
              时采集流量信号与浓度信号,并依次进行特征对                                   −20
              齐、每口气数据分割。                                              −30
                                                                        1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
                  流量信号通过安装在主管路上的压差式流量传                                              时间 (10 ms)        ×10 4
              感器进行采集,传输延时和响应延时均在10 ms以                                         (c) 流量信号的特征提取结果
                                                                            (c) Feature extraction results of flow signal
              内。氧气浓度信号和二氧化碳浓度信号采用旁路抽
                                                                            图8   各信号的特征提取结果
              气采样的方式进行采集,存在约2.5 s的传输延时,                                  Fig.8  Feature extraction results of each signal
              其中顺磁氧气传感器的响应延时为200 ms,二氧化
                                                                     25
              碳传感器的响应延时为100 ms。因此,需要在时间                                    氧气浓度     二氧化碳浓度      流量
                                                                                                       20
              上对流量信号、氧气浓度信号和二氧化碳浓度信号                                 20                                15
                                                                                                       10
              进行对齐。由于各信号通过数据流的方式进行采                                  15                                5
              集,所以需要分割出每口气的数据,以便进行指标                                浓度值 (%)  10                        0 −5  流量值/(L/min)
              计算。                                                     5                                −10
                                                                                                       −15
                                                                                                       −20
                  该系统采用特征提取的方法对各信号进行时间                                0





                                                                       0   1000  2000  3000  4000  5000  6000

              对齐与数据分割,实现传输延时和响应延时的修                                                时间 (10 ms)
              正,达到实时测量的目的。首先,提取浓度信号的                                      图9   呼吸信号特征对齐与分割结果
              特征点,即提取呼气相到吸气相的切换点和吸气相                               Fig.9  Result of respiratory signal characteristic alignment and
                                                                                   segmentation
              到呼气相的切换点;其次,提取流量信号的特征
              点,即吸气相到呼气相的切换点,各信号的特征提                            2.4.3    指标计算
              取结果如图8所示;最后,通过特征点对氧气浓度                                基于式(5)~式(8)和每口气的数据,开展人体代
              信号、二氧化碳浓度信号、流量信号进行时间对齐                            谢指标计算,并展示计算结果与波形,测试结果如
              和每口气的数据分割,结果如图9所示。                                图10所示。


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