肖小玉， 黃善洛， 陳淑靖， 宋元林， 金慶輝， 趙建龍

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050；2.復(fù)旦大學(xué) 附屬中山醫(yī)院，上海 200032； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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一種基于壓力傳感器的穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

肖小玉1,3， 黃善洛1,3， 陳淑靖2， 宋元林2， 金慶輝1， 趙建龍1

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050；2.復(fù)旦大學(xué) 附屬中山醫(yī)院，上海 200032； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要:為指導(dǎo)慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者完成標(biāo)準(zhǔn)的呼吸操康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)了一種穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括呼吸波傳感器、數(shù)據(jù)采集電路板和手機(jī)APP軟件。通過該系統(tǒng)，患者能實(shí)時(shí)觀測(cè)自身呼吸波形和各項(xiàng)呼吸參數(shù)，通過比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)呼吸曲線，根據(jù)同步提示音修正并完成標(biāo)準(zhǔn)呼吸操。臨床實(shí)驗(yàn)表明：患者使用該系統(tǒng)鍛煉可增加肺部通氣量，改善肺功能。

關(guān)鍵詞：穿戴式設(shè)備； 呼吸監(jiān)測(cè)； 手機(jī)APP軟件； 呼吸操； 慢性阻塞性肺疾病

0引言

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary di-sease，COPD)是一種嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量的呼吸系統(tǒng)疾病，居世界疾病死因的第四位[1,2]。研究發(fā)現(xiàn)堅(jiān)持呼吸操鍛煉能改善COPD患者的肺功能[3],但大多數(shù)患者因不知道做呼吸操的方法或是覺得枯燥而不能堅(jiān)持進(jìn)行呼吸操鍛煉。

現(xiàn)有的穿戴式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多用于急性病(心臟病、睡眠窒息癥等)的監(jiān)護(hù)和預(yù)警[4,5]，以及慢性疾病的診斷[6,7]和病情評(píng)估[8]，無(wú)法指導(dǎo)COPD患者進(jìn)行呼吸操康復(fù)訓(xùn)練。愛爾蘭都柏林城市大學(xué)的研究者設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)患者做呼吸操有一定的指導(dǎo)作用[9]，但該系統(tǒng)還存在一些不足：1)它是將采集到的數(shù)據(jù)在電腦上進(jìn)行顯示，用戶不能隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)；2)只是簡(jiǎn)單地顯示出患者的呼吸波形，不能讓患者清楚地看到自己的各項(xiàng)呼吸參數(shù)；3)不能根據(jù)患者的具體情況調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)呼吸波形。

為了幫助患者隨時(shí)隨地和長(zhǎng)期堅(jiān)持進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的呼吸操鍛煉，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)穿戴式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將腹帶式(胸帶式)的呼吸傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)軟件進(jìn)行處理和顯示。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用單片機(jī)信息采集系統(tǒng)和手機(jī)軟件相結(jié)合的方法。系統(tǒng)主要包括三部分：呼吸波傳感器(HXH—2)、信號(hào)采集電路板、手機(jī)應(yīng)用軟件，系統(tǒng)實(shí)物如圖1。

圖1　系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 1　Physical map of wearable system

1.1呼吸波傳感器

系統(tǒng)中采用的是腹帶式(或胸帶式)的呼吸波傳感器。人體呼吸時(shí)，腹部(或胸腔)會(huì)周期性地?cái)U(kuò)張或收縮，這就會(huì)引起綁在腹部(或胸部)的傳感帶產(chǎn)生壓力的變化。人體吸氣時(shí)，腹部(或胸腔)擴(kuò)張，壓力傳感器的輸出變大；呼氣時(shí)，腹部(或胸腔)收縮，壓力傳感器的輸出變小，可用壓力信號(hào)輸出的波形來(lái)表征人體的呼吸波形。原始呼吸信號(hào)采集的過程如圖2。

圖2　原始呼吸信號(hào)采集Fig 2　Original respiration signal acquisition

1.2信號(hào)采集電路

原始呼吸信號(hào)輸出后，需要硬件電路對(duì)其進(jìn)行放大和數(shù)字化等處理，隨后傳輸?shù)绞謾C(jī)軟件。信號(hào)采集電路是以微處理器為中心的信號(hào)處理系統(tǒng)，主要包括微處理器、放大電路、電源充電和電量管理電路、藍(lán)牙模塊這幾個(gè)部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　硬件電路設(shè)計(jì)Fig 3　Hardware circuit design

1.3手機(jī)軟件

手機(jī)軟件的主要功能有：1)實(shí)時(shí)清晰地顯示呼吸波形和各項(xiàng)呼吸參數(shù)；2)生成可自定義的標(biāo)準(zhǔn)呼吸波形，患者可模擬這個(gè)波形實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的呼吸操鍛煉；3)提示音和標(biāo)準(zhǔn)波形相結(jié)合，指導(dǎo)患者的呼吸節(jié)奏；4)異常呼吸數(shù)據(jù)的判定、存儲(chǔ)以及查詢。這些功能的實(shí)現(xiàn)，都依賴于手機(jī)軟件后臺(tái)的算法，將在關(guān)鍵技術(shù)部分予以介紹。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1呼吸模態(tài)識(shí)別

要想得到呼氣吸氣的時(shí)間比、呼吸頻率、呼吸強(qiáng)度等這些參數(shù)，都需要做到對(duì)呼氣、吸氣動(dòng)作的識(shí)別。如圖4所示，“開始吸氣”到下一次的“開始吸氣”的時(shí)間間隔就是呼吸周期，進(jìn)而可以推算出當(dāng)前的呼吸頻率；另外，“開始吸氣”和“開始呼氣”之間的縱坐標(biāo)差值可表示呼吸強(qiáng)度。

圖4　呼吸模態(tài)識(shí)別Fig 4　Breathing modal identification

觀察發(fā)現(xiàn)，可根據(jù)呼吸曲線的斜率判斷人體的呼氣/吸氣狀態(tài)。呼吸曲線的斜率從小于0變到大于0，表示“開始吸氣”；斜率從大于0變到小于0，表示“開始呼氣”。而曲線斜率的計(jì)算，可取曲線上的若干點(diǎn)擬合一條直線，求得這條直線的斜率，近似為該曲線當(dāng)前位置的斜率。這里使用了一種簡(jiǎn)易的算法[10]。

M=

2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的生成

呼吸過程中，吸氣時(shí)為遞增曲線，呼氣時(shí)為遞減曲線，用正弦曲線的不同區(qū)間來(lái)模擬吸氣和呼氣的過程。取正弦曲線0～T/4內(nèi)的曲線模擬吸氣的過程，而用T/2～3T/4區(qū)間內(nèi)的曲線模擬呼氣的過程。

如此便得到一個(gè)呼吸周期內(nèi)的呼吸曲線，而后面的曲線都是這個(gè)周期的重復(fù)。

2.3異常判斷

系統(tǒng)中設(shè)定了四種異常原因：1)設(shè)備穿戴不正?；驘o(wú)呼吸信號(hào)。當(dāng)用戶的呼吸狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間停留在呼氣或吸氣，而沒有呼吸交替時(shí)，判定為第1種異常；2)呼吸強(qiáng)度過小，判定為第2種異常；3)呼吸頻率過快，判定為第3種異常；4)呼吸強(qiáng)度過小，且呼吸頻率過快，判定為第4種異常。呼吸數(shù)據(jù)異常判定的流程如圖5。除了異常判斷外，手機(jī)還會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)每一次呼吸的參數(shù)和提取出的異常呼吸數(shù)據(jù)。

圖5　異常判斷流程圖Fig 5　Flow chart of abnormal judgement

2.4時(shí)間軸自同步

對(duì)于不同的微處理器，盡管電路和軟件設(shè)計(jì)都一樣，由于外界環(huán)境與晶振誤差的影響，各個(gè)電路板之間的時(shí)鐘頻率是有差別的，這就導(dǎo)致了不同的采樣間隔。若手機(jī)軟件中相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔和實(shí)際的采樣間隔不一致，就會(huì)出現(xiàn)顯示的呼吸波形和實(shí)際呼吸波形不符的情況。

因此，在手機(jī)軟件中，設(shè)計(jì)了時(shí)間自同步的方法。每次工作之前，先讓手機(jī)端采集1000個(gè)樣點(diǎn)并計(jì)時(shí)采集的時(shí)間為t，那么就可以計(jì)算出這塊信號(hào)采集板的信號(hào)的實(shí)際采樣間隔為t/1000。這樣就避免了由于硬件和軟件的時(shí)鐘頻率不一致而引起的顯示誤差，保證呼吸信號(hào)曲線的準(zhǔn)確性。

3臨床實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

參與實(shí)驗(yàn)的患者均為2014～2015年就診于上海市徐匯區(qū)中山醫(yī)院的COPD患者，在患者和家屬簽署知情同意書后參與實(shí)驗(yàn)。本研究中共納入11例COPD患者，患者的基本情況見表1。

表1　患者基本情況

注：FEV1(%)記FEV1實(shí)際值與其預(yù)計(jì)值的百分比。

3.2治療方法

將采集呼吸信號(hào)的腰帶系于患者的腹部，將手機(jī)軟件和信號(hào)采集電路通過藍(lán)牙連接，患者在軟件的提示音和標(biāo)準(zhǔn)呼吸波形的引導(dǎo)下進(jìn)行腹式呼吸結(jié)合縮唇式呼吸康復(fù)訓(xùn)練。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 16.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)使用設(shè)備鍛煉前后動(dòng)脈血?dú)夥治鼋Y(jié)果進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，p<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

讓患者在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下進(jìn)行呼吸操康復(fù)訓(xùn)練，并且在鍛煉前后對(duì)患者進(jìn)行動(dòng)脈血?dú)夥治觯Y(jié)果如表2所示。

表2　使用設(shè)備鍛煉前后動(dòng)脈血?dú)夥治鰠?shù)的比較±s,n=11)

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明：在“穿戴式呼吸康復(fù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”引導(dǎo)下進(jìn)行呼吸操鍛煉，能有效幫助患者增加肺通氣量，有利于肺泡進(jìn)行氣體交換，改善COPD患者缺氧和CO2潴留癥狀。長(zhǎng)期堅(jiān)持在該設(shè)備引導(dǎo)下進(jìn)行呼吸操鍛煉可增加患者的呼吸肌力量，增加咳嗽、咳痰能力，緩解呼吸困難癥狀。

參考文獻(xiàn):

[1]趙文芳,周衛(wèi).呼吸操訓(xùn)練對(duì)慢性阻塞性肺疾病病人影響的研究進(jìn)展[J].護(hù)理研究,2008,22(5月下旬版):1317-1319.

[2]劉洪君,姚翠玲,許占英,等.呼吸操對(duì)慢性阻塞性肺病患者肺功能及血?dú)獾挠绊慬J].臨床肺科雜志,2006,11(1):63-64.

[3]Weiner P,Azgad Y,Ganam R.Inspiratory muscle training combined with general exercise reconditioning in patients with COPD[J].Chest Journal,1992,102:1351-1356.

[4]Huang A,Chen C,Duan X,et al.We-Care:An intelligent mobile telecardiology system to enable mhealth applications[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2014,18(2):693-702.

[5]Sannino G,Falco I D,Pietro G D.Monitoring obstructive sleep apnea by means of a real-time mobile system based on the automatic extraction of sets of rules through differential evolution[J].Journal of Biomedical Informatics,2014,49:84-100.

[6]Schivo M,Seichter F,Aksenov A,et al.A mobile instrumentation platform to distinguish airway disorders[J].Journal of Breath Research,2013,7:1-9.

[7]Salman S,Wang Z ,Colebeck E,et al.Pulmonary edema monitoring sensor with integrated body-area network for remote medical sensing[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(5):2787-2794.

[8]Bellos C C,Papadopoulos A,Rosso R,et al.Identi?cation of COPD patients’health status using an intelligent system in the CHRONIOUS wearable platform[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2014,18(3):731-738.

[9]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,2010:56-61.

[10] 郭振華.直線擬合中確定最佳斜率的一個(gè)簡(jiǎn)易方法[J].大學(xué)物理,1985(11):31-32.

Design of a wearable respiration monitoring system based on pressure sensor*

XIAO Xiao-yu1,3, HUANG Shan-luo1,3, CHEN Shu-jing2, SONG Yuan-lin2, JIN Qing-hui1, ZHAO Jian-long1

(1.State Key Laboratory of Transducers Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2.Zhongshan Hospital,Fudan University,Shanghai 200032,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:A wearable respiration monitoring system is designed to help COPD patients complete standard breathing exercise,and system includes respiratory wave sensor,data acquisition circuit board and an application (APP)software in cell phone.respiratory waveform and respiratory parameters can be shown in real time to patients,compared with standard waveform,according to synchronization prompt tone to correct and complete breathing exercise.Clinical trials prove that this monitoring system can increase lung ventilation of COPD patients and improve their lung function.

Key words:wearable device; respiration monitoring; mobile phone APP software; breathing exercise; chronic obstructive pulmonary disease(COPD)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0126—04

收稿日期：2015—05—15

*基金項(xiàng)目：上海市科委資金資助項(xiàng)目(14521106200)

中圖分類號(hào)：R 318.6；TP 319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0126—04

作者簡(jiǎn)介:

肖小玉(1989-)，女，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事穿戴式人體呼吸監(jiān)測(cè)研究與Android軟件開發(fā)。

金慶輝，通訊作者，E—mail:jinqh@mail.sim.ac.cn。