周子健，黃紹嵐，楊其宇，徐維超

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006)

0 引 言

在臨床中，呼吸監(jiān)測主要用于對心臟衰竭、焦慮障礙和睡眠障礙等疾病進(jìn)行初步檢測，但實(shí)際上，可靠的呼吸監(jiān)測方法在家庭和門診監(jiān)護(hù)中幾乎不存在。但在某些情況下，像慢性阻塞性肺疾病，為提高醫(yī)學(xué)上診斷疾病確診率，需要有長期的人體生理指標(biāo)檢測過程［1］。因此，提供一種非約束、使用方便、操作簡單和能夠長期實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)護(hù)人體生理指標(biāo)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。

呼吸檢測方法很多，目前在家庭式和移動(dòng)式呼吸檢測方法中，更多是采用可穿戴式呼吸檢測裝置，一般是利用有彈性的織制帶與傳感器集成到可穿戴式的服裝上。而目前在市面上能夠找到可以檢測到呼吸信號的傳感器，但呼吸檢測裝置作為可穿戴式服裝的形式最常見的只是實(shí)驗(yàn)原型形式，還沒有找到普遍的商業(yè)化［2］。其中用到的傳感器和檢測方法有:阻抗式傳感器檢測［3，4］、溫度傳感器檢測［4］、電容式傳感器檢測［5］、霍爾傳感器［6］和應(yīng)變式傳感器檢測［4］等。阻抗式傳感器檢測原理是利用人體某部分呼吸發(fā)生變化，從而引起阻抗變化來進(jìn)行呼吸數(shù)據(jù)的測量;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［7］;電容式傳感器檢測原理是利用當(dāng)人體呼吸時(shí)會(huì)導(dǎo)致電容值變化，通過對電容值的變化進(jìn)行檢測，反映出呼吸信號的變化［2，4］;霍爾傳感器檢測原理是利用人體呼吸時(shí)腹部發(fā)生變化，通過對永磁鐵位置檢測判斷呼吸的過程;應(yīng)變式傳感器檢測原理是利用人在呼吸過程中通過應(yīng)變式傳感器檢測呼吸時(shí)引起的形變，從而檢測到呼吸信號［8］。其他間接的檢測方法包括超聲式流量傳感器［4］、ECG 提取呼吸信號［9］和追蹤臉部圖像處理方法［10］，超聲式流量傳感器主要有多普法［11］和聲時(shí)差法［12］。

本文提出了一種利用光柵傳感器的呼吸檢測方法，是一種可穿戴式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合呼吸感應(yīng)體積描記(RIP)技術(shù)［13］能夠長期實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)有效、高精度地檢測出呼吸頻率和通氣量，并克服了傳統(tǒng)方案易受電平、電磁噪聲干擾的缺點(diǎn)，并利用現(xiàn)代通信技術(shù)，使得本系統(tǒng)能與移動(dòng)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療緊密結(jié)合在一起。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)是一種基于光柵式傳感器和RIP 技術(shù)原理所設(shè)計(jì)的呼吸檢測系統(tǒng)，主要由內(nèi)部嵌入光柵條的彈性縛帶和光柵傳感器組成，在呼氣和吸氣過程中腹腔或胸腔的體積發(fā)生變化，從而引起縛帶周長的變化，導(dǎo)致縛帶上光柵條位置的移動(dòng)，通過光柵傳感器電路檢測光柵條位置的變化，單片機(jī)控制系統(tǒng)判別呼氣和吸氣的過程，并計(jì)算光柵條的位移量，由此分析出呼吸的頻率與通氣量。呼吸傳感器實(shí)物如圖1，呼吸傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。

光柵傳感器工作原理示意圖如圖3。當(dāng)光柵條隨著胸腹部的變化而產(chǎn)生位移時(shí)，光柵傳感器將分別輸出A，B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號。光柵條正向運(yùn)動(dòng)時(shí)A 超前B 為90°，反轉(zhuǎn)時(shí)B 超前A 為90°，利用此相頻特征可判別光柵條的運(yùn)動(dòng)方向，從而準(zhǔn)確區(qū)分出用戶的呼氣與吸氣過程;脈沖的個(gè)數(shù)與位移量呈比例關(guān)系，因此，通過對脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的位移。本系統(tǒng)使用的180LPI 的光柵條及其對應(yīng)的光柵傳感器，測量精度可達(dá)0.07 mm/脈沖。

圖3 光柵傳感器工作原理示意圖Fig 3 Working principle diagram of grating sensor

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理圖如圖4 所示。整個(gè)檢測系統(tǒng)由以下三個(gè)模塊構(gòu)成:呼吸傳感模塊、智能終端、后端服務(wù)器。使用本系統(tǒng)時(shí)，呼吸傳感器模塊把呼吸時(shí)產(chǎn)生的變化量轉(zhuǎn)換為電信號和數(shù)字信號。單片機(jī)控制系統(tǒng)將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存并通過藍(lán)牙上傳到智能終端。智能終端利用RIP 技術(shù)計(jì)算出呼吸頻率、通氣量等生理學(xué)參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，智能終端可通過互聯(lián)網(wǎng)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸至后端服務(wù)器中，由專業(yè)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析及比較;亦可以通過APP終端或者移動(dòng)社交平臺，遠(yuǎn)程監(jiān)控急性呼吸障礙或者年老人群的呼吸狀態(tài)。本系統(tǒng)中的智能終端為具有藍(lán)牙傳輸功能的PC 或智能手機(jī)，采用的是5 V 的紐扣電池，具有體積小、功耗低、精度高等特點(diǎn)。

圖4 系統(tǒng)原理圖Fig 4 Principle diagram of system

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是通過光柵傳感器檢測光柵帶的位移大小與方向，用單片機(jī)控制系統(tǒng)判斷呼氣和吸氣的過程。再結(jié)合RIP 和計(jì)算機(jī)技術(shù)，得到呼吸頻率和通氣量。由于傳感器相位誤差的存在，應(yīng)用了判向計(jì)數(shù)誤差修正算法，通過使用一個(gè)長度為5 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)窗口變量，對單次脈沖的方向性、有效性進(jìn)行判斷;并通過對計(jì)數(shù)窗口變量的變化情況對呼吸過程進(jìn)行判斷。算法的流程框圖如圖5 所示，呼吸頻率計(jì)算框圖如圖6 所示。

圖5 誤差修正算法框圖Fig 5 Block diagram of error correction algorithms

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 呼吸頻率計(jì)算框圖Fig 6 Calculation block diagram of respiratory frequency

選擇9 名測試者，其中(20±2)歲的年齡8 位，50 多歲年齡的1 位，由于人體在正?；顒?dòng)、睡眠和運(yùn)動(dòng)過程，呈現(xiàn)出不同的呼吸頻率，為了驗(yàn)證系統(tǒng)對不同呼吸頻率情況下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率，把測試者分成3 組，模擬不同情況并分為正常頻率組、頻率較低組、頻率較高組(測試者自身控制)。對于睡眠呼吸檢測，為了測試不同睡眠姿勢情況下的呼吸頻率，模擬分別在平躺、側(cè)臥、輾轉(zhuǎn)這三個(gè)不同的睡眠姿勢進(jìn)行測試。測試者在胸部或腹部佩戴呼吸檢測裝置，分別進(jìn)行呼吸頻率測試，每位測試者進(jìn)行3 次測量，對3 次測量結(jié)果求呼吸頻率平均值，實(shí)驗(yàn)過程中，由于市面上應(yīng)用到呼吸檢測設(shè)備總會(huì)存在一定的誤差，為了避免使用其他呼吸檢測設(shè)備作為對照可能會(huì)對測試數(shù)據(jù)的對比精確率造成二次誤差，采用人工計(jì)數(shù)的對照測試方法，因?yàn)槿斯らL時(shí)間計(jì)數(shù)容易出錯(cuò)，采用的是每3min/次的對照測試方法。記錄的對比數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7 所示。

由三個(gè)不同的睡眠姿勢測試結(jié)果計(jì)算的相對平均誤差約為8.0%［14］。

圖7 呼吸頻率數(shù)據(jù)比較Fig 7 Data comparison of respiratory frequency

圖8 描述了本系統(tǒng)佩戴在腹部時(shí)呼吸檢測的原始信號，呼吸伸縮量進(jìn)一步描述了測試者呼吸時(shí)腹部截面積產(chǎn)生的變化量。在圖中當(dāng)測試者呼氣時(shí)，伸縮量為正;吸氣時(shí)，伸縮量為負(fù)。

圖8 腹圍伸縮量Fig 8 Stretching amount of abdominal circumference

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于光柵傳感器可穿戴式呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。采用光柵式光電傳感器進(jìn)行信號采集，系統(tǒng)輸出的結(jié)果只與光柵條相對于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)形成的明暗疊柵光條紋數(shù)有關(guān)，可以很大程度上減少傳統(tǒng)方案易受電平、電磁噪聲干擾，提高了系統(tǒng)對外界環(huán)境的抗干擾能力;單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算脈沖信號，精度可達(dá)0.07 mm，提高了呼吸檢測的穩(wěn)定性和精確度，并且系統(tǒng)的功耗低，最大流耗僅為42 mA，結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證明了系統(tǒng)的精度較高、工作運(yùn)行時(shí)間長、性能良好。

本系統(tǒng)可以在不干擾使用者正?；顒?dòng)的情況下，連續(xù)、移動(dòng)地對使用者實(shí)施監(jiān)護(hù)，且使用方便，只需在智能手機(jī)上安裝對應(yīng)的APP 與呼吸傳感模塊智能配對，即可將用戶的呼吸率、通氣量等生理參數(shù)直觀地顯示在屏幕上;且能將長時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至后端服務(wù)器進(jìn)行多用戶存儲(chǔ)、對比及分析，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院等醫(yī)療場所、家庭保健系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)等場合。

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