本發明涉及醫療器械技術領域，特別涉及一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置。

背景技術：

呼吸監測是評估生命狀態最重要的手段之一，其重要性不言而喻。由于呼吸障礙具有不可預測性，一旦發生了呼吸障礙，短時間內就會有生命危險。因此呼吸障礙高危人群，包括手術后的病人、易患上嬰兒猝死綜合癥(Sudden Infant Death Syndrome,SIDS)的嬰兒、睡眠呼吸中止癥患者等，對呼吸監測系統有著迫切而廣泛的應用需求。

人們通過呼吸波可以了解到至少三種參數并推斷出相應人體狀態，比如(1)呼吸頻率：呼吸每分鐘超過24次稱為呼吸頻率加快，見于呼吸疾病、心血管疾病、貧血和發熱等癥狀；每分鐘少于10次稱為呼吸頻率減慢，是呼吸中樞抑制的表現，見于麻醉、安眠藥中毒、顱內壓增高、尿毒癥、肝昏迷等癥狀；(2)呼吸深度：呼吸加深見于糖尿病及尿毒癥酸中毒，呼吸深而慢稱為庫斯莫爾(Kussmaul's respiration)呼吸；呼吸變淺見于肺氣腫，呼吸肌麻痹及鎮靜劑過量等；(3)呼吸節律：表現為一段呼吸暫停之后，隨之以一連串吸氣量逐次增大的通氣，速率加快，出現氣促，隨后呼吸的深度與速率迅速降低，又進入一段呼吸暫停，如此有規律地反復循環，這是一種呼吸中樞興奮性降低的表現，表示病情嚴重，見于中樞神經系統疾病和腦部血液循環障礙如腦動脈硬化、心力衰竭、顱內壓增高、尿毒癥、糖尿病昏迷和高山病等癥狀；以及間期多變，節律嚴重不規律的呼吸困難癥狀，如比奧呼吸(Biot breathing)等，見于腦炎、腦膜炎、中暑、顱腦損傷等。因此，及時而準確地掌握此類信息可以有效幫助用戶獲得體征信息，便于醫護人員診斷。

中國專利CN103169449A中主要涉及一種在強噪聲環境下(例如超寬帶雷達應用于地質災害廢墟下生命搜救等)識別呼吸信號的方法，該專利采用呼吸信號的諧波結構確定濾波參數，進行濾波處理，從而確定是否存在呼吸信號。當呼吸信息存在時，該方法還包括后續的呼吸率計算和目標距離估算模塊。但是，該專利提出的技術只涉及呼吸頻率率一個參數，沒有檢測和利用呼吸波信號，影響檢測信息的準確性。中國專利CN201210007225提供了一種呼吸信息檢測方法及裝置，對信號進行預處理，濾除高頻的噪聲信號后再進行A/D轉換得出呼吸信號，該方法濾除的是電子設備的熱噪聲，無法對抗人體運動造成的噪聲。

另一方面，也有一些現有技術采用了氣囊作為氣壓檢測的部件，但氣囊設置不合理導致對氣壓的檢測不準確。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的主要目的是提供一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置，以提供一種高精度、低功耗、實時對人體呼吸波檢測的新型檢測裝置。

一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置，包括：皮帶203，所述皮帶203上設置有通過數據線207相連接的氣壓傳感器206和呼吸波探測器208，所述氣壓傳感器206通過橡膠管205與氣囊204相連接；

所述呼吸波探測器208包括：加速度傳感器2082，以及與所述氣壓傳感器206和加速度傳感器2082耦接的微控制器2081；

所述微控制器2081利用氣壓傳感器206傳來的信息和加速度傳感器2082傳來的信息得到人體運動時的呼吸波。

優選地，所述皮帶203還帶有皮帶卡扣201和皮帶卡孔202，所述皮帶卡孔202用于固定皮帶卡扣201。

優選地，所述氣囊204設置在皮帶203的內側，通過系帶209均勻地固定在皮帶203上。

優選地，所述數據線207設置在皮帶203的夾層中

優選地，所述加速度傳感器2082為三軸加速度傳感器ADXL362。

優選地，所述氣壓傳感器206為MS5540-CM。

優選地，所述微控制器2081為STM32F103處理器。

優選地，所述微控制器2081利用氣壓傳感器206傳來的信息和加速度傳感器2082傳來的信息得到人體運動時的呼吸波，包括：

步驟A：對加速度傳感器采集到的人體三維加速度信息進行加權平均運算，得到人體運動時的噪聲信號；

步驟B：將氣壓傳感器采集到的人體呼吸信號與加速度傳感器采集到的人體運動噪聲信號進行差分運算，得到第一變換信號；

步驟C：對第一變換信號進行z變換得到第二變換信號；

步驟D：設計呼吸低通濾波器傳遞函數；

步驟E：利用呼吸濾波器對第二變換信號進行濾波，得到第三變換信號；

步驟F：將第三變換信號進行復頻域轉換逆變換得到第四變換信號；

步驟G：對第四變換信號進行數字形態學濾波得到第五變換信號，用數字形態學濾波器去除基線漂移；

步驟H：對第五變換信號進行平滑濾波，得到人體運動時的呼吸波信號

本發明采用皮帶結構來構建檢測裝置，方便使用，并且采用氣壓和加速度信號來檢測呼吸波信號，提高了檢測準確性，并對檢測信號進行多次濾波，分階段濾除噪聲和干擾，檢測性能極大提高。

附圖說明

圖1是本發明一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置優選實施例結構示意圖；

圖2是本發明一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置另一優選實施例結構示意圖；

圖3是本發明優一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置呼吸波探測器優選實施例結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明涉及一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置的優選實施例進行詳細的描述，對于未描述的實現方式，可以采用現有技術。通過下面對實施例的描述，將更加有助于公眾理解本發明，但不能也不應當將申請人所給出的具體的實施例視為對本發明技術方案的限制，任何對部件或技術特征的定義進行改變和/或對整體結構作形式的而非實質的變換都應視為本發明的技術方案所限定的保護范圍。

圖1所示為本發明一種基于氣壓和加速度的非穩態呼吸波檢測裝置優選實施例結構示意圖，包括：皮帶203，所述皮帶203上設置有通過數據線207相連接的氣壓傳感器206和呼吸波探測器208，所述氣壓傳感器206通過橡膠管205與氣囊204相連接；

所述皮帶203還帶有皮帶卡扣201和皮帶卡孔202，所述皮帶卡孔202用于固定皮帶卡扣201，以便于將整個裝置緊緊地圍在人體腰部、胸部等，得到準確的測試數據；皮帶所用材料不限于牛皮、人造革、尼龍，且皮帶上的皮帶卡孔202可有多個，用于調節皮帶的松緊。

優選地，如圖2所示，所述皮帶203內側設置有凹槽(圖中未示出)，所述氣囊204通過系帶209設置在皮帶203內側的該凹槽中，以便將氣囊204均勻地固定在皮帶上，本方式使得氣囊204均勻地分布在皮帶203的內側，當氣囊204與人體身體部位接觸時可以提高接觸面積，本實施例合理地設置氣囊以便提高檢測氣壓變化的準確性。

優選地，所述數據線207設置在皮帶203的夾層中，一般來說皮帶203有兩層結構，將數據線207設置在兩層結構之間，一是可以使數據線的長度最短，二是可以較好地保護數據線207不受損壞。

圖3所示為本發明一種非穩態呼吸波檢測裝置呼吸波探測器208的結構示意圖，包括：加速度傳感器2082，以及與所述氣壓傳感器206和加速度傳感器2082耦接的微控制器2081，微控制器2081可將處理后的數據經由有線/無線的方式發送至遠端服務器，或者將處理后的數據發送到顯示器2084，其中，所述顯示器2084可以與呼吸波探測器208集成，也可以與呼吸波探測器208分離設置。所述微控制器2081綜合利用氣壓傳感器206傳來的信息和加速度傳感器2082傳來的信息得到人體運動時的呼吸波。

本發明加速度傳感器2082可以為三軸加速度傳感器ADXL362；ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，輸出數據速率為100Hz時功耗低于2μA，它采用全數據速率對傳感器的整個帶寬進行采樣，提供12位輸出分辨率；測量范圍為±2g、±4g及±8g，±2g范圍內的分辨率為1mg/LSB。括闕值可調的睡眠和喚醒工作模式，在該模式下當測量速率為6HZ左右時功耗低至270nA。

本發明氣壓傳感器206可以為MS5540-CM；MS5540是一個SMD模塊，包括一個壓力傳感器和一個模數轉換電路，輸出是16位的數字信號，該模塊包含6個可讀取的系數用于高精度的軟件補償，MS5540C具有自動電源開關(ON/OFF)、低功耗、低電壓的特點，一個3線的接口完成與單片機的所有通信，金屬SPI接口，大氣壓的測量范圍為10～1100mb(200PSI)，大氣壓分辨率為0.1mbar，16AD轉換，溫度檢測范圍為-40℃～+85℃，工作溫度為-40℃～+85℃，工作電壓為2.2V～3.6V靜態電壓。

本發明微控制器2081可以為STM32F103處理器，比如屬于意法半導體(ST)公司的32位ARM微控制器，其內核Cortex-M3。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能；最高72MHz工作頻率，最大64K字節的SRAM，2.0-3.6V供電和I/O引腳，2個12位模數轉換器，1us轉換時間(多達16個輸入通道)-3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入多達9個通信接口，2個I2C接口SMBus/PMBus，3個USART接口，2個SPI接口(18M位/秒)。

微控制器2081綜合利用氣壓傳感器206傳來的信息和加速度傳感器2082傳來的信息得到人體運動時的呼吸波信號，包括：

步驟A：對加速度傳感器采集到的人體三維加速度信息(即運動噪聲)進行加權平均運算，得到人體運動時的噪聲信號：

$\stackrel{\‾}{S_i}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{X}_i+Y_i+Z_i}{3}---\left(1\right)$

上式中X_i，Y_i，Z_i為三軸加速度信息，取值范圍為0—65533；為人體運動時的噪聲信號，i表示序號。

步驟B:將氣壓傳感器采集到的人體呼吸信號W_i與加速度傳感器采集到的人體運動噪聲信號S_i進行差分運算，得到第一變換信號：

$X\left(n\right)=W_i-\stackrel{\‾}{S_i}---\left(2\right)$

步驟C：對第一變換信號X(n)進行z變換得到第二變換信號X(z)；

z變換采用本領域常用技術，不作詳細描述。

步驟D：設計呼吸低通濾波器傳遞函數H(z)；

成人平靜時的呼吸頻率約為每分鐘12-20次，所以在設計低通數字濾波器的時候設置帶通截止頻率為f_p＝2hz，帶通最大衰減為a_P＝3dB，阻帶截止頻率

f_s＝10hz，阻帶最小衰減a_s＝60dB，設計流程如下

確定呼吸低通濾波器的階數：

$K_{SP}=\sqrt{\frac{{10}^{0.1a_p}-1}{{10}^{0.1a_s}-1}}=0.0316;{\mathrm{\λ}}_{sp}=\frac{2{\mathrm{\πf}}_s}{2{\mathrm{\πf}}_p}=5;N=-\frac{\lg k_{sp}}{{\mathrm{lg\λ}}_{sp}}=4.29$

確定濾波器階數N＝5；

得出其極點為：S₂＝e^jπ；

歸一化傳遞函數為：

$H_a\left(p\right)=\frac{1}{\underset{k=0}{\overset{4}{\Π}}(P-P_K)}---\left(3\right)$

得到的極點值：-0.3090±j0.9511；-0.8090±j0.5878；-1.0000

將極點代入到歸一化函數中，得到H_a(p)的分母是P的N階多項式，用下式表示：

$H_a\left(p\right)=\frac{1}{b_0+b_{1}p+b_2{p}^2+b_3{p}^3+b_4{p}^4+p^5}---\left(4\right)$

查表得式中b₀＝1.0000，b₁＝3.2361，b₂＝5.2361，b₃＝5.2361，b₄＝3.2361

$H_a\left(p\right)=\frac{1}{(p^2+0.6180p+1)(p^2+1.06180p+1)(p+1)}---\left(5\right)$

將H_a(p)去歸一化，求3dB的截止頻率Ω_c

${\mathrm{\Ω}}_c={\mathrm{\Ω}}_p{({10}^{0.1a_p}-1)}^{-\frac{1}{2N}}=2\mathrm{\π}\·5.2755rad/s---\left(6\right)$

將p＝s/Ω_c代入H_a(p)中得到濾波器傳遞函數，

$H_a\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\Ω}}^5}_c}{s^5+b_4{\mathrm{\Ω}}_c{s}^4+b_3{\mathrm{\Ω}}_c^2{s}^3+b_2{\mathrm{\Ω}}_c^3{s}^2+b_1{\mathrm{\Ω}}_c^4{s}^1+b_0{\mathrm{\Ω}}_c^5}---\left(7\right)$

將s平面上的H_a(s)轉換到轉換成Ζ平面的H(z)，即令T為采樣間隔，得到：

$H\left(z\right)=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}+...+a_5{z}^{-5}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}+...+b_5{z}^{-5}}---\left(8\right)$

步驟E：利用呼吸濾波器對第二變換信號進行濾波，得到第三變換信號Y(z)：

Y(z)＝X(z)·H(z) (9)

步驟F：將第三變換信號Y(z)進行復頻域轉換逆變換得到第四變換信號Y(n)；

該處復頻域轉換是指對頻域信號Y(z)變換為時域信號Y(n)，可以采用本領域常用技術，如IFFT變換(離散傅里葉逆變換)等，不再詳述。

步驟G：對第四變換信號Y(n)進行數字形態學濾波得到第五變換信號F(n)，用數字形態學濾波器去除基線漂移，Y(n)為通過數字低通濾波器后的數據，f₁為形態學結構元素，·表示閉運算，ο表示開運算。其公式為：

F(n)＝(Y(n)·f₁οf₁+Y(n)οf₁·f₁)/2 (10)

步驟H：對第五變換信號F(n)進行平滑濾波，得到人體運動時的呼吸波信號B(n)，平滑濾波公式為:

B(n)＝1/4[F(n-1)+2F(n)+F(n+1)] (11)

本發明通過人體呼吸相對運動擠壓氣囊導致氣囊內部氣壓變化，將該氣壓變化情況傳遞至氣壓傳感器，氣壓傳感器采取該信號后發送至呼吸波探測器，本發明呼吸波探測器的微控制器將來自氣壓傳感器的信號與呼吸波探測器內的加速度傳感器測算的人體噪聲信號進行差分運算，并將該差分運算后的信號進行濾波處理，得到最終的呼吸波信號。

本發明采用皮帶結構來構建檢測裝置，方便使用，并且采用氣壓和加速度信號來檢測呼吸波信號，提高了檢測準確性，并對檢測信號進行多次濾波，分階段濾除噪聲和干擾，檢測性能極大提高。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。