CN103705242A - 一种人体呼吸监测设备中吸气波的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体呼吸监测设备中呼吸波的提取方法，属于信号处理技术领域，该方法包括读取一组呼吸数据并获取该组呼吸数据的基线值，然后读取下一组呼吸数据，连续比较所述下一组呼吸数据中每个呼吸数据与上一组呼吸数据的基线值的大小，获取比基线值大的呼吸数据作为吸气数据，然后获取所述下一组呼吸数据的基线值。本发明提供的呼吸波提取方法，利用前一组呼吸数据计算一个基线值，作为下一组呼吸数据判断吸气波的参考基线值，在呼吸波形整体向上漂移或向下漂移时，能保证提取到比较准确的吸气波。

Description

一种人体呼吸监测设备中吸气波的提取方法

技术领域

本发明涉及信号处理方法，特别是人体呼吸监测设备中吸气波的提取方法。

背景技术

人体呼吸监测设备中首先需要检测呼吸数据，形成可供后续分析利用的呼吸波形。

呼吸数据是通过一个呼吸传感器对呼吸气流或呼吸压力等呼吸生理参数以固定采样率连续采样得到，呼吸数据随时间的推移上下波动形成呼吸波形，如图1所示。通过设备检测到的呼吸数据形成的呼吸波形需要进一步区分呼气波形和吸气波形。

目前，在对呼吸波进行呼气和吸气波形分析时，一种是读取完所有的采样呼吸数据，然后再利用技术手段去分析该段时间内的呼吸数据中哪些数据代表人体当时在吸气，哪些数据代表人体当时在呼气。这种分析，用于不需要实时提取出吸气波进行进一步分析利用的场合。

在需要实时提取出吸气波进行进一步分析利用的场合中，目前的一种提取吸气波的方法是，采用一个固定的预设基线值，将位于预设基线值上方的呼吸数据认为代表人体在吸气，将这些数据提取出来，形成吸气波形。该固定的预设基线值是通过多次实验得到的经验值，采用这种方式，可以实现实时判断人体当前是否处于吸气状态，实时提取出吸气波形。然而，正如图1所示，人体的呼吸波形并不是总在一条水平线上下波动的波形，有时候会整体向上漂移，或整体向下漂移，因此，这种方法的缺陷是提取出来的吸气波误差比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人体呼吸监测设备中吸气波形的提取方法，旨在解决现有技术中提取到的吸气波误差比较大的问题。

本发明是这样实现的，一种人体呼吸监测设备中呼吸波的提取方法，包括以下步骤：

S01、读取一组呼吸数据；

S02、获取该组呼吸数据的基线值；

S03、读取下一组呼吸数据；

S04、连续比较所述下一组呼吸数据中每个呼吸数据与上一组呼吸数据的基线值的大小，获取比基线值大的呼吸数据作为吸气数据；

S05、获取所述下一组呼吸数据的基线值；

重复步骤S03至S05。

优选地，步骤S04中获取吸气数据具体为：

S04a：记录连续的三个采样呼吸数据与基线值的比较结果，当记录结果中第一个呼吸数据小于基线值，第三个呼吸数据大于基线值时，记录第二个呼吸数据为一个吸气波的起始点；当起始点后面的记录结果中第一个呼吸数据大于基线值，第三个呼吸数据小于基线值时，记录第二个呼吸数据为同一个吸气波的终止点；

S04b：提取该吸气波起始点和终止点及之间的呼吸数据，形成一个吸气波形。

优选地，步骤S04a与S04b之间还包括：判断终止点与起始点的间隔是否大于一个预设值，如是，则执行步骤S04b，如否，则清除起始点和终止点记录，重新开始执行步骤S04a。

优选地，还包括步骤S04c：判断提取到的吸气波形与预存的模板吸气波形的相关性，保留相关性大于预设相关性阈值的吸气波形供呼吸监测设备进行后续处理。

优选地，步骤S04的比较过程中，将所述下一组呼吸数据等分成n个小组呼吸数据，一次比较一个小组的呼吸数据。

优选地，所述呼吸数据通过一呼吸传感器采样得到，所述呼吸传感器的采样频率为100HZ，所述一组数据为1000个采样呼吸数据。

优选地，步骤S04的比较过程中，将所述下一组呼吸数据等分成5个小组呼吸数据，一次比较一个小组的呼吸数据。

优选地，所述一组呼吸数据的基线值为一组呼吸数据的平均值。

本发明提供的吸气波提取方法，利用前一组呼吸数据计算一个基线值，作为下一组呼吸数据判断吸气波的参考基线值，因此，在呼吸监测设备整个使用过程中，判断吸气波所使用的基线值是个不断变化的值，只要设定计算基线值所用的一组呼吸数据的时长跨度足够短，则即使呼吸波形整体向上漂移或向下漂移时，也能提取到准确的吸气波。

附图说明

图1、人体呼吸波示意图；

图2、本发明提供的吸气波提取方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明的一种人体呼吸监测设备中呼吸波的提取方法流程图。首先读取一组呼吸数据，根据经验，人体正常呼吸一次的平均时间为4秒钟左右，以10秒钟计算一次基线值为例，一般采用100HZ采样频率的呼吸传感器，则该组呼吸数据包括1000个采样数据(d1，d2，...，d1000)。获取该1000个采样数据的基线值M0，然后再读取下一组呼吸数据，同样为1000个采样数据(d1001，d1002，...，d2000)，前一组呼吸数据的基线值M0作为判断后一组呼吸数据中哪些是吸气数据的参考基线值。连续比较下一组呼吸数据(d1001，d1002，...，d2000)中每个呼吸数据与上一组呼吸数据的基线值M0的大小，获取比基线值M0大的呼吸数据作为这一组数据中的吸气数据。然后计算这一组数据(d1001，d1002，...，d2000)的基线值M1，该基线值M1将用作下一组读取的数据(d2001，d2002，...，d3000)判断其中哪些数据是吸气数据的参考基线值。本实施例提供的吸气波提取方法，利用前一组呼吸数据计算一个基线值，作为下一组呼吸数据判断吸气数据的参考基线值，因此，在整个呼吸监测过程中，判断吸气数据所使用的基线值是个不断变化的值，只要设定计算基线值所用的一组呼吸数据的时长跨度足够短，则能保证提取到比较准确的吸气波。

获取一组呼吸数据的基线值可采用该组呼吸数据的平均值作为基线值。

以一组数据(d1001，d1002，...，d2000)为例，在比较该组数据中每个采样数据与M0的大小时，监测设备提供缓存记录连续的三个采样呼吸数据与基线值M0的比较结果，当记录结果中第一个呼吸数据小于基线值，第三个呼吸数据大于基线值时，记录第二个呼吸数据为一个吸气波的起始点；当起始点后面的记录结果中第一个呼吸数据大于基线值，第三个呼吸数据小于基线值时，记录第二个呼吸数据为同一个吸气波的终止点。提取该吸气波起始点和终止点及之间的呼吸数据，形成一个吸气波形。

比如当前的连续三个比较结果(d1001-M0，d1002-M0，d1003-M0)，其中d1001-M0小于零，d1003-M0大于零，则记录d1002这个点作为为一个吸气波的起始点。

比如当前的连续三个比较结果(d1401-M0，d1402-M0，d1403-M0)，其中d1401-M0大于零，d1403-M0小于零，则记录d1402这个点作为为一个吸气波的终止点。

则提取(1002，1003，...，1401，1402)这一段数据为一个完整的吸气数据，形成一个完整的吸气波形。

在比较过程中，监测设备指定多个存储空间，其中一个缓存用于记录连续的三个比较结果，比如(d1001-M0，d1002-M0，d1003-M0)，当确定d1002为一个呼吸波起始点时，则将d1002存储到指定的存储空间，同时在缓存中将d1001-M0记录清除，将d1002-M0，d1003-M0记录移一位，记录下一个数据的比较结果d1004-M0，即(d1002-M0，d1003-M0，d1004-M0)，再进行这一组比较结果的判断。

在比较过程中，确定不是吸气数据的数据则反之应该是呼气数据或呼吸干扰数据，在判断为呼气数据或呼吸干扰数据时，可即时将数据丢弃，以节省呼吸监测设备的存储空间。对于有需要保留所有数据后续需要复原整个呼吸监测波形的，则可将所有呼吸数据存储到监测设备指定的存储空间。采用这种比较法提取吸气波形，占用的缓存空间很少，判断步骤简单，可以提高监测设备的数据处理速度。

作为本发明的一种改进，可以在获取到一个呼吸波的终止点时，进一步判断该终止点与前面临近的起始点的间隔是否大于一个预设值，以此排除一些小干扰造成的异常波形，进一步提高吸气波提取的准确度。比如，可以设置一个预设值30，按正常一个呼吸4秒钟计算，采样率100HZ，则一个吸气波的采样数据大约为200个。若一个吸气波终止点与其前面的邻近起始点之间的采样数据小于30个，则判断该波形不是一个吸气波，则把这些小于30个的数据清除，重新获取下一个呼吸波的起始点。

作为本发明的一种改进，可以在呼吸监测设备中预存一个模板吸气波形，在提取到一个完整的吸气波形时，判断提取到的吸气波形与模板吸气波形的相关性，如果相关性大于一个预设值，则判断该提取到的呼吸波形为有效呼吸波形，否则认为无效呼吸波形。用此方式，可以排除咳嗽、叹息、吞咽、打嗝等出现的呼吸干扰信号。

获取模板吸气信号，可以预先设置一个长度为L的正常吸气信号，对其做面积归一化处理，即每个点的值都除以吸气信号的平均值后作为模板吸气信号x(n)，为后面的相关性判断提供对照。然后，对提取到吸气信号做线性插值，插值后的信号表示为fs(n)，使其与模板吸气信号长度一致。再对插值后的吸气信号做面积归一并求归一后信号与模板信号的相关系数。相关函数采用如下公式计算得到：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y\left(n\right)}{{[\underset{x=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)\·\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(n\right)]}^{1/2}}$

其中：ρ_xy是相关系数，x(n)是模板信号，y(n)是归一后的吸气信号，L是信号的长度。

设定一个相关性阈值，由于只是排除受干扰的信号，要求的匹配程度并不是很高，阈值取0.68～0.8之间。求得的相关系数大于阈值则保留提取到的吸气波形，小于阈值则舍弃。

作为本发明的一种改进，在进行连续比较一组呼吸数据中每个呼吸数据与上一组呼吸数据的基线值的大小时，比如比较(d1001，d1002，...，d2000)与M0的大小时，可将该组数据等分成n个小组数据，一次比较一个小组数据。比如(d1001，d1002，...，d2000)中共有1000个数据，可以将该1000个数据等分成5份，每次比较200个数据。采用该方法，可以减少对监测设备的缓存资源的占用，提高了数据处理的速度，有利于监测设备的小型化。

以上所揭示的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种人体呼吸监测设备中呼吸波的提取方法，包括以下步骤：

S01、读取一组呼吸数据；

S02、获取该组呼吸数据的基线值；

S03、读取下一组呼吸数据；

S04、连续比较所述下一组呼吸数据中每个呼吸数据与上一组呼吸数据的基线值的大小，获取比基线值大的呼吸数据作为吸气数据；

S05、获取所述下一组呼吸数据的基线值；

重复步骤S03至S05。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S04中获取吸气数据具体为：

S04a：记录连续的三个采样呼吸数据与基线值的比较结果，当记录结果中第一个呼吸数据小于基线值，第三个呼吸数据大于基线值时，记录第二个呼吸数据为一个吸气波的起始点；当起始点后面的记录结果中第一个呼吸数据大于基线值，第三个呼吸数据小于基线值时，记录第二个呼吸数据为同一个吸气波的终止点；

S04b：提取该吸气波起始点和终止点及之间的呼吸数据，形成一个吸气波形。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S04a与S04b之间还包括：

判断终止点与起始点的间隔是否大于一个预设值，如是，则执行步骤S04b，如否，则清除起始点和终止点记录，重新开始执行步骤S04a。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括

步骤S04c：判断提取到的吸气波形与预存的模板吸气波形的相关性，保留相关性大于预设相关性阈值的吸气波形供呼吸监测设备进行后续处理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S04的比较过程中，将所述下一组呼吸数据等分成n个小组呼吸数据，一次比较一个小组的呼吸数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述呼吸数据通过一呼吸传感器采样得到，所述呼吸传感器的采样频率为100HZ，所述一组数据为1000个采样呼吸数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S04的比较过程中，将所述下一组呼吸数据等分成5个小组呼吸数据，一次比较一个小组的呼吸数据。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一组呼吸数据的基线值为一组呼吸数据的平均值。

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