高小強(qiáng)，劉洪英，朱 蘭，宮兆濤，皮喜田，吳雪莉

（1．重慶大學(xué)生物工程學(xué)院生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030;2．重慶市微系統(tǒng)醫(yī)療工程技術(shù)研究中心，重慶 401120）

0 引言

呼吸是人體重要的生理過程，而呼吸頻率是急性呼吸功能障礙的敏感指標(biāo)。在現(xiàn)代監(jiān)護(hù)技術(shù)中，呼吸頻率檢測是其重要組成部分。

呼吸是人體內(nèi)外環(huán)境之間進(jìn)行氣體交換的必需過程，人體通過呼吸系統(tǒng)吸進(jìn)氧氣、呼出二氧化碳，從而維持正常的生理功能。每分鐘的呼吸次數(shù)即呼吸頻率。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異。成人平靜時的呼吸頻率約為16～18次/min;兒童約為20次/min;一般女性比男性快1～2次。臨床診斷中醫(yī)生利用呼吸頻率可以初步檢測人體是否患有疾病。

呼吸的檢測方法有很多種，但常用的傳感器與檢測方法包括:應(yīng)變式傳感器檢測、溫度傳感器檢測、流量傳感器檢測、阻抗法檢測［1］、電容式傳感器檢測等。應(yīng)變式傳感器檢測原理是利用人在呼吸過程中由于呼氣和吸氣的交替引起食道和胸腹部會產(chǎn)生周期性的形變，通過應(yīng)變式傳感器可以感受到這種形變，從而檢測到呼吸信號［13～15］。當(dāng)傳感器選擇的不同，應(yīng)變式傳感器又可以分為壓電式傳感器檢測和硅壓阻式傳感器檢測;溫度傳感器檢測是利用溫度傳感器采集鼻腔內(nèi)外的呼吸溫度差轉(zhuǎn)換為電量輸出的方法;流量傳感器檢測是通過檢測流過某一固定橫截面積的呼吸氣體的速度來檢測呼吸［12］;阻抗法檢測是通過測量人體胸部在呼吸過程中阻抗的變化來檢測呼吸;電容式傳感器檢測原理是，當(dāng)面積為A的電容器平板靠近人體時，平板與人體間構(gòu)成電容C，人在呼吸過程中引起電容值C的變化，通過對C值的變化進(jìn)行檢測來達(dá)到對呼吸信號的檢測目的［2］。

1 霍爾傳感器檢測呼吸原理

本設(shè)計采用呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)（respiratory inductive plethysmography，RIP）［3］進(jìn)行呼吸率的檢測，呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)是一種新穎的呼吸監(jiān)測技術(shù)，該方法能夠準(zhǔn)確地描記出胸、腹呼吸波［4］，通常的呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)是利用一條圍繞著胸部或者腹部的導(dǎo)線作為電感傳感，通過調(diào)頻方式檢測到呼吸的周期和頻率［5］。本系統(tǒng)是一種基于霍爾傳感器陣列和呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)原理所設(shè)計的呼吸檢測系統(tǒng)，主要由帶永磁鐵的腹帶和呼吸傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。呼吸傳感器通過腹帶穿戴在腹部，傳感器電路板上集成8只霍爾傳感器LN4913，每只霍爾傳感器間距為1．5mm。在呼氣和吸氣過程中腹部的體積發(fā)生變化，從而引起腹帶周長的變化，導(dǎo)致腹帶上磁鐵位置的移動，通過霍爾傳感器陣列電路檢測磁鐵位置的變化，單片機(jī)控制系統(tǒng)判別呼吸和吸氣的過程，由此分析出呼吸的頻率。傳感器實物圖如圖3。

圖1 呼吸檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of respiratory detecting system

圖2 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Internal structure diagram of system

圖3 呼吸傳感器實物圖Fig 3 Physical diagram of respiration sensor

2 系統(tǒng)設(shè)計與實驗

2．1 系統(tǒng)原理圖設(shè)計

圖4為系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)主要包括:霍爾傳感陣列、單片機(jī)控制采集、無線發(fā)送和接收模塊、PC顯示存儲、Flash存儲。系統(tǒng)原理主要是通過霍爾傳感器陣列檢測呼吸的腹部位移的變化轉(zhuǎn)換為電信號，單片機(jī)控制采集霍爾陣列的輸出信號來判別呼氣和吸氣的過程，計算出患者的呼吸率，呼吸頻率通過Flash存儲，并通過串口或者無線藍(lán)牙［6］發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示、分析與存儲。由于本系統(tǒng)功耗比較低，采用3．6 V的紐扣電池，單片機(jī)系統(tǒng)對電池電壓進(jìn)行電源管理。

圖4 系統(tǒng)原理框圖Fig 4 Principle block diagram of system

2．2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過單片機(jī)對開關(guān)信號的霍爾傳感器陣列數(shù)據(jù)的采集，從而計算出呼吸的頻率，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

單片機(jī)在固定周期時間內(nèi)對霍爾傳感器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷呼吸的過程中永磁體的位置，采集數(shù)據(jù)的時間間隔為5 ms，即采集頻率為200 Hz。通過單片機(jī)對永磁體的位置的判斷，從而判斷呼吸的運動過程，即計算出固定時間（30 s）內(nèi)呼吸的過程次數(shù)N，進(jìn)而得出1 min時間內(nèi)呼吸率的計算公式

2．3 系統(tǒng)實驗

本實驗主要目的是驗證此呼吸率檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并與BIAPAC公司CO2100C設(shè)備進(jìn)行呼吸率檢測的結(jié)果進(jìn)行對比。

選擇10名志愿者，20～30歲年齡的3人、30～50歲年齡的4人，50～60歲年齡的3人，分別進(jìn)行呼吸率檢測，每名自愿者重復(fù)測量進(jìn)行3次，對3次測量結(jié)果求平均值，記錄的對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

測量相對誤差公式［7］表示為

式中e為呼吸率檢測系統(tǒng)的相對誤差，R為呼吸率檢測系統(tǒng)所測量的呼吸率，r為BIOPAC公司的CO2100C設(shè)備所測量的呼吸率［7］。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data

通過分析可得，此系統(tǒng)測量的呼吸率的平均測量精確度在95%以上。

3 主要應(yīng)用

基于霍爾傳感器陣列的呼吸檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對呼吸頻率檢測的準(zhǔn)確率高，抗干擾性強(qiáng)，可連續(xù)、實時地檢測患者的呼吸頻率，用途廣泛。

由于系統(tǒng)輸出的信號是通過數(shù)據(jù)算法處理之后的數(shù)字信號，無需對模擬信號進(jìn)行復(fù)雜的放大濾波等處理，有效地防止了其他信號的干擾。本系統(tǒng)設(shè)計的輸出可通過串口、無線通信等接口輸出，或者直接用于LCD顯示屏顯示，也可以用于其他呼吸檢測設(shè)備，或者是相關(guān)治療設(shè)備檢測輸入，比如:用于基于慢呼吸的高血壓治療儀的呼吸檢測。此系統(tǒng)檢測到的呼吸頻率通過UART串口協(xié)議發(fā)送到治療儀的MCU控制芯片，控制芯片對呼吸頻率進(jìn)行分析處理。根據(jù)生物信息反饋原理，設(shè)計以呼吸信號為反饋生理量的慢呼吸引導(dǎo)算法，以直觀的音樂信號和進(jìn)度條指示受試者進(jìn)行呼氣和吸氣［8，10，11］。此設(shè)計的呼吸頻率檢測系統(tǒng)也可以用于便攜式的睡眠呼吸暫停監(jiān)測儀［9］等設(shè)備。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種基于呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)的呼吸頻率檢測腹帶。由于利用開關(guān)霍爾傳感器陣列進(jìn)行檢測呼吸，傳感器輸出的信號是開關(guān)信號，有效地防止了外圍環(huán)境的干擾。而且，在數(shù)據(jù)處理方面簡單化，硬件成本低。實驗證明:本系統(tǒng)設(shè)計的呼吸頻率計準(zhǔn)確度比較高，能夠應(yīng)用于睡眠呼吸檢測儀、慢呼吸高血壓治療儀等設(shè)備。

［1］ 劉寶華．一種新的阻抗式呼吸檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2003，20（3）:527 －530．

［2］ 郝連旺，宋 濤．呼吸信號檢測方法的研究［J］．微納電子技術(shù)，2007，7（8）:12 －16．

［3］ 張政波，王衛(wèi)東，吳 昊，等．全數(shù)字呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)［J］．中國醫(yī)療器械雜志，2007，31（3）:179 －181．

［4］ Wu Dan，Wang Lei，Zhang Yuanting，et al．A wearable respiration monitoring system based on digital respiratory inductive plethysmography［C］∥Proceedings of the 31st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society on Engineering the Future of Biomedicine，2009:4844 －4847．

［5］ Jongyoon C，Ricardo G O．Estimating mental stress using a wearable cardio-respiratory sensor［C］∥The 9th IEEE Sensors 2010 Conference，2010:150 －154．

［6］ 吳 丹，徐效文，王 磊，等．穿戴式動態(tài)睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（3）:322 －325．

［7］ 劉官正，吳 丹，梅占勇，等．基于體域網(wǎng)的動態(tài)呼吸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］．中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2012，31（2）:316 －320．

［8］ 皮喜田，趙素文，師小荃，等．基于微型呼吸傳感器的高血壓治療系統(tǒng)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（12）:70 －73．

［9］ 郭興明，彭承琳，孫豐艷，等．睡眠呼吸暫停監(jiān)測方法及儀器研究［J］．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，2000，17（3）:358 －359．

［10］ Diao Ziji，Liu Hongying，Zhu Lan，et al．Therapeutic hypertension system based on a micro-breathing pressure sensor system［J］．Medical Devices:Evidence and Research，2011，4:51 －57．

［11］ Holtzman M，Townsend D，Goubran R，et al．Breathing sensor selection during movement［C］∥The 33rd Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2011:381－384．

［12］ Roopa G，Rajanna K，Nayak M M．Non-invasive human breath sensor［C］∥The 10th IEEE Sensors Conference，2011:1788 －1991．

［13］ Mitchell E，Coyle S，O’Connor N E，et al．Breathing feedback system with wearable textile sensors［C］∥2010 International Conference on Body Sensor Networks，IEEE Computer Society，2010:56－61．

［14］ Bailon R，Laguna P，Mainardi L，et al．Analysis of heart rate variability using time varying frequency bands based on respiratory frequency［C］∥The 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2007:6674 －6677．

［15］ Yang Changming，Huang Wen-tzeng，Yang Tsu-lin，et al．Textiles digital sensors for detecting breathing frequency［C］∥The 5th Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks in Conjunction With the 5th Summer School and Symp on Medical Devices and Biosensors，2008:276 －279．