本發明涉及智能居家和醫療器械領域，尤其涉及一種無束縛檢測呼吸率心率的方法及智能床。

背景技術：

隨著生活水平的提高，人們對自身健康進行監測的需求不斷增大，呼吸率和心率是最基本的人體生理活動，人體的病態體征往往會反映到異常的呼吸頻率與心跳節拍上，因而實現呼吸率、心率的日常監測對健康評估甚至疾病預防有著重要的意義。睡眠監測是獲取生理參數最有效的方法之一，但目前醫療機構所使用的多導睡眠儀、心電圖儀由于束縛性強、操作復雜、費用昂貴，無法用于長期監測，更無法滿足日常使用需要，而現存的無束縛監測方法往往容易受環境干擾影響，存在檢測準確度不高的問題。因此，設計出一種無束縛高準確度提取呼吸率、心率的系統，實現在家庭日常生活中實時監測呼吸、心跳狀況的方法，為呼吸系統、心血管疾病的預防提供有效的監測手段和可靠地臨床診斷依據成為現有技術中亟待解決的關鍵問題。

現已有一種具有心率與呼吸檢測的床位(中國專利申請號：201510632987.3)，使用紅外光束的光電檢測法檢測床上病人的實時心率與呼吸，該檢測方法抗干擾性差，且紅外光束探測需求病人保持一定的姿態，具有一定的約束性。還有一種實時且準確的測量心率及呼吸的算法及系統(中國專利申請號：201610711512.8)，該系統使用集成在床墊中的高靈敏壓電傳感器檢測呼吸與心率，信號來源單一，心跳與呼吸信號耦合在一起，分離過程中容易出現誤檢漏檢。

技術實現要素：

針對現有技術存在技術問題，本發明擬解決的技術問題是，設計一種無束縛檢測呼吸率心率的方法及智能床，該方法利用心沖擊產生的床體振動加速度變化提取心率并利用呼吸運動中胸腔對床體的壓力變化提取呼吸率，實現了心率與呼吸率的無束縛檢測，且輸出準確度高、識別速度快、實時性好，可適用于不同性別、身高、體重的使用者，尤其適用于呼吸、心血管系統疾病患者與老年人；該智能床將心率呼吸率監測設備集成到床體上，能夠不加外設直接進行測量，且使用方便穩定性好。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案如下：

一種無束縛檢測呼吸率心率的方法，無束縛檢測呼吸率心率的方法，該方法由labview平臺實現，需要輸入對稱安裝在護理床底端的2n個壓力傳感器的壓力信號和安裝在護理床左右兩側的加速度傳感器的加速度信號，n為大于1的整數，壓力傳感器采集使用者的呼吸運動壓力信號，加速度傳感器采集使用者的心沖擊振動加速度信號，該方法的步驟如下：

1)心沖擊信號預處理：以采集的加速度信號為加速度原始信號，使用labview中的巴特沃斯濾波器控件對包含心率信息的加速度原始信號進行心沖擊信號預處理，具體預處理過程包括：將加速度原始信號輸入通帶為5～9hz的巴特沃斯濾波器進行去噪，即通過帶通濾波進行去噪處理；然后對去噪后的信號幅值取絕對值；再將取絕對值后的信號輸入通帶為0.8～1.5hz的巴特沃斯濾波器，即再次進行帶通濾波，得到預處理后的加速度信號；

2)呼吸信號預處理：以采集的2n個壓力信號為壓力原始信號，使用巴特沃斯濾波器與小波變換對包含心率信息的壓力原始信號進行呼吸信號預處理，具體預處理過程包括：將壓力原始信號輸入通帶為0.05～1hz的巴特沃斯濾波器進行去噪；然后對去噪后的信號進行db04離散小波變換，消除基線漂移，得到2n個預處理后的壓力信號；

3)信號周期分析：對2n個預處理后的壓力信號和預處理后的加速度信號均進行波峰檢測與閾值判斷，分別得到使用者的呼吸與心跳周期，具體包括：使用labview中的小波多分辨度峰值檢測控件對預處理后的壓力信號和加速度信號進行波峰提取；設定呼吸峰值經驗閾值范圍和心跳峰值經驗閾值范圍，將提取的呼吸和心跳的波峰值分別與設定的相應的經驗閾值范圍進行比較，若處于經驗閾值范圍內則判斷此峰值有效；分別計算兩個有效峰值之差以獲得呼吸周期和心跳周期；

4)計算心率和呼吸率：用60除以步驟3)得到的心跳周期即得使用者的心率；2n個壓力傳感器通過步驟3)得到2n個呼吸周期，計算2n個呼吸周期的平均值得到平均呼吸周期，用60除以平均呼吸周期即得使用者的呼吸率。

一種智能床，該智能床使用上述的無束縛檢測呼吸率心率的方法，包括數據采集箱、一體式pc機、壓力傳感器、加速度傳感器和護理床；所述數據采集箱安裝在護理床尾，包含加速度傳感器數據采集器、壓力傳感器信號放大器和壓力傳感器數據采集器；所述一體式pc機安裝在護理床頭，一體式pc機內加載有無束縛檢測呼吸率心率的方法；所述壓力傳感器的數量為2n個，n為大于1的整數，2n個壓力傳感器對稱安裝在護理床的底端，用于采集由于使用者的呼吸運動對護理床產生的壓力；所述加速度傳感器固定在護理床左右兩側的橫梁上，用于采集由使用者的心沖擊力引起的護理床的振動加速度；所述壓力傳感器依次通過壓力傳感器信號放大器、壓力傳感器數據采集器與一體式pc機連接，所述加速度傳感器通過加速度傳感器數據采集器與一體式pc機連接。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明與目前的呼吸、心率監測手段相比，不僅對使用者完全無束縛，而且與專業的檢測儀器emblan7000多導睡眠的呼吸率心率檢測結果相比，誤差率在5％以下，具有很高的精確度；使用本發明的檢測呼吸率心率的方法，大大減少了波峰檢測的計算量，提高了檢測效率；本發明方法使用了可靠的經驗閾值進行心跳、呼吸檢測，能夠排除大部分環境強干擾造成的異常結果，呼吸率心率結果可信度較高；本發明操作簡便，可以應用于日常家居生活。

附圖說明

圖1為本發明智能床的一種實施例的立體結構示意圖；

圖2為本發明無束縛檢測呼吸率心率的方法的流程圖；

圖中，1、數據采集箱，2、一體式pc機，3、壓力傳感器，4、加速度傳感器，5、護理床，6、使用者。

具體實施方式

為了使本發明實現上述的功能，以下將結合附圖及實施例對本發明做出具體闡述，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發明無束縛檢測呼吸率心率的方法(參見圖2)，由labview平臺實現，需要輸入對稱安裝在護理床底端的2n個壓力傳感器的壓力信號和安裝在護理床左右兩側的加速度傳感器的加速度信號，n為大于1的整數，壓力傳感器采集使用者的呼吸運動壓力信號，加速度傳感器采集使用者的心沖擊振動加速度信號，該方法的步驟如下：

1)心沖擊信號預處理：以采集的加速度信號為加速度原始信號，使用labview中的巴特沃斯濾波器控件對包含心率信息的加速度原始信號進行心沖擊信號預處理，具體預處理過程包括：將加速度原始信號輸入通帶為5～9hz的巴特沃斯濾波器進行去噪，即通過帶通濾波進行去噪處理；然后對去噪后的信號幅值取絕對值；再將取絕對值后的信號輸入通帶為0.8～1.5hz的巴特沃斯濾波器，即再次進行帶通濾波，得到預處理后的加速度信號；

2)呼吸信號預處理：以采集的2n個壓力信號為壓力原始信號，使用巴特沃斯濾波器與小波變換對包含心率信息的壓力原始信號進行呼吸信號預處理，具體預處理過程包括：將壓力原始信號輸入通帶為0.05～1hz的巴特沃斯濾波器進行去噪；然后對去噪后的信號進行db04離散小波變換，消除基線漂移，得到2n個預處理后的壓力信號；

3)信號周期分析：對2n個預處理后的壓力信號和預處理后的加速度信號均進行波峰檢測與閾值判斷，分別得到使用者的呼吸與心跳周期，具體包括：使用labview中的小波多分辨度峰值檢測控件對預處理后的壓力信號和加速度信號進行波峰提?。辉O定呼吸峰值經驗閾值范圍和心跳峰值經驗閾值范圍，將提取的呼吸和心跳的波峰值分別與設定的相應的經驗閾值范圍進行比較，若處于經驗閾值范圍內則判斷此峰值有效；分別計算兩個有效峰值之差以獲得呼吸周期和心跳周期；

4)計算心率和呼吸率：用60除以步驟3)得到的心跳周期即得使用者的心率；2n個壓力傳感器通過步驟3)得到2n個呼吸周期，計算2n個呼吸周期的平均值得到平均呼吸周期，用60除以平均呼吸周期即得使用者的呼吸率。

本發明方法中所述呼吸峰值經驗閾值范圍為0.72n-1.31n，心跳峰值經驗閾值范圍0.31mv-0.86mv，上述經驗閾值范圍通過實踐獲得。

本發明使用無束縛檢測呼吸率心率的方法的智能床(簡稱智能床，參見圖1)包括數據采集箱1、一體式pc機2、壓力傳感器3、加速度傳感器4和護理床5；所述數據采集箱1安裝在護理床尾，包含加速度傳感器數據采集器、壓力傳感器信號放大器和壓力傳感器數據采集器；所述一體式pc機2安裝在護理床頭，一體式pc機2內加載有無束縛檢測呼吸率心率的方法，能夠實時計算、顯示呼吸率和心率；所述壓力傳感器3的數量為2n個，n為大于1的整數，2n個壓力傳感器對稱安裝在護理床5的底端，用于采集由于使用者6的呼吸運動對護理床5產生的壓力；所述加速度傳感器4固定在護理床5左右兩側的橫梁上，用于采集由使用者6的心沖擊力引起的護理床5的振動加速度；所述壓力傳感器依次通過壓力傳感器信號放大器、壓力傳感器數據采集器與一體式pc機2連接，所述加速度傳感器4通過加速度傳感器數據采集器與一體式pc機2連接。

本發明的進一步特征在于所述壓力傳感器3的數量為4個，4個壓力傳感器分別安裝在護理床四個床腿的底端上。

本發明無束縛檢測呼吸率心率的智能床的使用方法及流程是：

使用者6躺到護理床5上，2n個壓力傳感器3實時采集床腿壓力信號，加速度傳感器4實時采集護理床5的加速度信號；安裝在護理床5左右兩側橫梁上的高靈敏電容加速度傳感器4能夠無束縛的采集到由心沖擊力引起的護理床5的振動加速度信號；安裝在護理床底端上的壓力傳感器3能夠無束縛的采集到呼吸運動中胸腹起伏對護理床5產生的壓力變化信號；

數據采集箱1包含加速度傳感器數據采集器、壓力傳感器信號放大器和壓力傳感器數據采集器，加速度傳感器數據采集器將加速度傳感器采集到的加速度電信號經ad轉換以模擬電壓的形式輸入到一體式pc機2上；壓力傳感器信號放大器將壓力傳感器采集到的壓力電信號放大10000倍并輸入壓力傳感器數據采集器中；壓力傳感器數據采集器將放大后的壓力電信號經ad轉換以模擬電壓的形式輸入到一體式pc機2上；然后通過一體式pc機2中的無束縛檢測呼吸率心率的方法對輸入的壓力信號和加速度信號進行處理計算，得到使用者當前的呼吸率和心率，并將該結果顯示在一體式pc機2的顯示屏上。

本發明方法能夠處理實時數據，計算量小，可在極短時間內計算出實時呼吸率及心率；使用了可靠的經驗閾值進行峰值判斷，能夠排除大部分由測量異常和環境強干擾引起的異常信號。

實施例1

本實施例無束縛檢測呼吸率心率的智能床包括數據采集箱1、一體式pc機2、壓力傳感器3、加速度傳感器4和護理床5；所述數據采集箱1安裝在護理床尾，包含加速度傳感器數據采集器、壓力傳感器信號放大器和壓力傳感器數據采集器；所述一體式pc機2安裝在護理床頭，一體式pc機2內加載有無束縛檢測呼吸率心率的方法，能夠實時計算、顯示呼吸率和心率；所述壓力傳感器3的數量為四個，即n＝2，且分別安裝在智能床的4個床腿底部，用于采集由于使用者6的呼吸運動對護理床5產生的壓力；所述加速度傳感器4的數量為1個，固定在護理床5左側的橫梁上，用于采集由使用者6的心沖擊力引起的護理床5的振動加速度；所述壓力傳感器依次通過壓力傳感器信號放大器、壓力傳感器數據采集器與一體式pc機2連接，所述加速度傳感器4通過加速度傳感器數據采集器與一體式pc機2連接。

本實施例所述壓力傳感器3為上海耐創fc-wm單軸壓力傳感器，加速度傳感器4為meggitt-7298三軸加速度傳感器，壓力傳感器數據采集器選用阿爾泰usb3200數據采集器，壓力傳感器放大器為上海耐創fc-szd放大器，加速度傳感器數據采集器為szsc四通道數據采集器。

安裝在護理床側橫梁上的高靈敏電容加速度傳感器能夠無束縛的采集到由心沖擊力引起的護理床的振動加速度信號，安裝在護理床4個床腿底部的壓力傳感器能夠無束縛的采集到呼吸運動中胸腹起伏對護理床產生的壓力變化信號。

加速度傳感器數據采集器將加速度傳感器采集到的加速度電信號經ad轉換以模擬電壓的形式輸入到一體式pc機上；壓力傳感器信號放大器將壓力傳感器采集到的壓力電信號放大10000倍并輸入壓力傳感器數據采集器中；壓力傳感器數據采集器將放大后的壓力電信號經ad轉換以模擬電壓的形式輸入到一體式pc機上；然后通過一體式pc機中的無束縛檢測呼吸率心率的方法對輸入的壓力信號和加速度信號進行處理計算，設定呼吸峰值經驗閾值范圍為0.72n-1.31n，心跳峰值經驗閾值范圍0.31mv-0.86mv，得到使用者當前的呼吸率和心率，并將該結果顯示在一體式pc機的顯示屏上。

本實施例加入了專業呼吸心率測量儀器的對比實驗，專業呼吸心率測量儀器為emblan7000多導睡眠儀。

使用者為男性，28歲，身高187cm，體重91kg。

使用者躺到護理床上，將多導睡眠儀的兩條呼吸帶分別綁在使用者的胸部和腹部用以測得標準的呼吸率，將多導睡眠儀的兩個心電電極貼片分別貼在使用者的左右胸肌部位用以測得標準的心率。

測量結果顯示，本發明智能床輸出的呼吸率為14次/分、心率為68次/分，emblan7000多導睡眠儀測得的呼吸率為14次/分、心率為66次/分，對比結果證明本發明一種無束縛檢測呼吸率心率的方法及智能床的測量誤差在5％以下，測量結果準確可靠。

本發明未述及之處適用于現有技術。