CN102946802A - 用于测量振动的方法、装置、计算机程序和系统 - Google Patents

Abstract

用于测量振动的方法、装置、计算机程序、系统和设备，包括：接收与矢量参数

的方向的多个测量结果有关的多个信号；基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数

的主测量方向；确定在矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数

的测量方向与矢量参数

的主测量方向之间的旋转角(φ_t)。

Description

用于测量振动的方法、装置、计算机程序和系统

发明领域

本发明的实施方式涉及用于测量振动(oscillatory motion)的方法、装置、计算机程序和系统。特别是，其涉及用于测量与呼吸有关的振动的方法、装置、计算机程序和系统。

发明背景

对患者的呼吸的测量在监测和诊断各种呼吸紊乱中是有用的，以及是患者疾病的有用的更广的度量。所关注的测量结果可包括呼吸率(每分钟呼吸次数，BPM)、流量、潮流气量、呼吸模式以及这些量随着时间的过去的变化。

用于监测呼吸的设备一般落在3种主类别中：

i)观察腹部和/或胸部的运动或组织成分的设备，

ii)测量空气的流量的设备，以及

iii)测量血液或呼出的空气中的不同气体的浓度的设备。

类型i)的设备可涉及下列项的测量：经胸廓和腹部阻抗、通过应变的圆周、嵌入皮带和带子中的压力计或光纤计、在呼吸中涉及的肌肉的电活动(肌电图描记法)。这些设备中的几个需要放置在胸部和腹部周围的突出的收缩性皮带的使用，而该收缩性皮带可能对连续的或长期的监测不是有益的，特别是对于具有某些疾病的患者。其它设备需要在患者周围的昂贵且复杂的基础设施和/或需要静止不动的患者来进行测量，因为患者的运动会干扰测量，这有效地阻碍了对家庭监测的能力。

在患者需要氧疗法的场合，这可能干扰测量鼻气体流量的类型ii)的某些设备。此外，不能使用诸如插管的设备来测量嘴呼吸。而且，测量总的呼吸气体流量的设备例如面罩可能是突出的和对于患者而言不舒适的，因而限制了对测量结果的连续或长期监测的能力。

类型iii)的设备往往不给出潮流气量的变化的可靠指示，并可能对呼吸的中断缓慢地作出反应。这样的设备常常是突出的，且对连续的或长期的或远程的家庭监测不是有益的。

早先出版的文件或本说明书中的任何背景的列表或讨论不应一定被理解为承认该文件或背景是最先进技术的部分或是一般共知常识。本公开的一个或多个方面/实施方式可以或可以不处理一个或多个背景问题。本发明的各种实施方式的简要说明

根据本发明的各种的但不一定全部的实施方式，提供了用于测量振动的方法，其包括：接收与矢量参数(a_t-1，a_t)的方向的多个测量结果有关的多个信号；基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数

的主测量方向；确定在矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数(a_t)的测量方向与矢量参数

的主测量方向之间的旋转角(φ_t)。

矢量参数可以是与例如重力场、磁场或传感器所测量的角取向有关的三维矢量。传感器提供指示矢量参数相对于传感器的测量参考坐标系的方向的测量结果的信号，该方向例如是地球的重力场的方向(例如在传感器的坐标系中向下的方向)、地球的磁场的方向(例如，在传感器的坐标系中向北的方向)或传感器的定向。传感器的运动特别是旋转运动使传感器的坐标系中的矢量参数的方向改变。

在一些实施方式中，传感器耦合到身体部分，例如不动的患者(其呼吸被监测)的胸、躯干、胸部或胸腔区域，即，传感器被定位和连接到在呼吸期间经历振动的身体的一部分。在呼吸过程期间，当肺扩张和收缩时，胸区域经历振动。该运动引起所连接的传感器的相应运动，其改变在传感器的坐标系内的矢量参数的测量方向，即，它也经历振动。矢量参数的方向的读数被获取。从在一段时间内的多个测量结果确定矢量参数的测量方向的主方向或平均方向。所计算的主方向提供在确定归因于运动的旋转的角时使用的参考基础。旋转角被定义为在矢量参数的测量方向和矢量参数的主测量方向之间的角。

实施方式提供用于测量振动的新度量，其直接与物理参数例如在振动期间物体的旋转或在呼吸期间患者的胸壁的旋转有关。有利地，度量是相对于从测量结果本身确定的参考方向而确定的角度值，与相对于某个恒定或固定的参考方向的绝对角度值相反。因此，假定有与振动无关的大规模运动(其在传感器的坐标系内转变参考方向)，则参考方向可被重新确定。

各种的但不一定所有的实施方式所提供的优点是，确定直接与物理测量结果，即由振动引起的角运动有关的测量值(旋转角)。在呼吸测量例如与呼吸行动(其中进行躯干的测量)有关的测量的情况下，角度值直接与在呼吸期间躯干相对于所确定的参考方向的角运动有关，该参考方向相应于在振动中的平均方向/中央方向。旋转角相对于所确定的参考方向而被确定，所以独立于患者和捕获测量结果的设备的初始定向。因此，传感器在患者身上的精确和谨慎的初始放置是不需要的。

各种的但不一定所有的实施方式可改善提供连续的不突出的呼吸监测的能力。实施方式可提供通过重新设定参考方向来适应并调节患者重新定向或大规模运动的能力，旋转角对照所述参考方向来确定。各种实施方式不需要限制装置或复杂和笨重的基础设施并且也不需要医疗从业者的参与，并因此可实现低成本和长期远程呼吸监测。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括：确定所测量的矢量参数的方向的旋转所围绕的主旋转轴，并基于围绕主旋转轴的旋转进一步确定旋转角。

作为结果被确定的角涉及在矢量参数的测量方向和矢量参数的主测量方向之间的、围绕主旋转轴的旋转角。事实上，这样的实施方式提供对于角的确定，该角是旋转角在垂直于主旋转轴的平面上的投影。

通过仅考虑被投影到一表面例如垂直于主旋转轴的平面上的一维角运动，这提供作为结果被确定的角的质量和准确度被改善的优点，这是因为例如由于在其它平面中的运动/旋转所导致的任何额外的测量信号或噪声被忽略，其中所述运动/旋转不是由于呼吸相关的运动所导致的。在各种的但不是所有的实施方式中，所确定的旋转角仅涉及围绕主旋转轴的旋转。因此，这样的实施方式提供用于测量呼吸的增强的度量。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括：确定在矢量参数(a_t-1)的测量方向和矢量参数(a_t)的相继(sequential)测量方向之间的旋转角(θ)。

如果旋转角(θ)被发现大于或等于阈值，这可指示将影响矢量参数的主方向以及主旋转轴的方向的相当大的运动，从而干扰所确定的旋转角。患者的这种相当大的或“大规模的”运动涉及与待测量的振动的相对“微小的”运动无关的运动。当探测到超出阈值时，矢量参数的主方向和主旋转轴被重新确定。这样的特征提供了区分有效的测量信号与无效的测量信号的能力，并且使得能够对阈值被超越(其中患者是不动的)之间的时期进行分类，并且可进行未被相当大的运动压倒的测量。有利地，这使实施方式能够适应并调节相当大的运动，否则该运动将引起在参考方向上的偏移并导致不准确的测量结果。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括：基于旋转角(φ)确定角速度(ω)。

有利地，发明人发现，角速度的值紧密地相应于呼吸流率。因此，有利地，实施方式可用于提供与呼吸流率有关的度量。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种用于测量振动的装置，该装置包括：存储计算机程序指令的存储器；被配置成执行计算机程序指令以使装置至少执行上述方法的处理器。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时执行上述方法。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种用于测量振动的装置，该装置包括：被布置成接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号的输入接口；被布置成基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数的主方向的控制器；以及，所述控制器还被布置成确定矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与矢量参数的主测量方向之间的旋转角。

根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了用于测量振动的系统或设备，该系统或设备包括：用于测量矢量参数的方向的装置；用于产生与矢量参数的方向有关的信号的装置；用于发送信号的装置；以及，上述的装置。

附图的简要说明

为了更好地理解本发明的实施方式的各种例子，现在将仅通过举例说明的方法对附图进行参考，其中：

本发明各种实施方式的详细描述

图1示意性示出用于测量振动的方法的流程图；

图2示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图；

图3示意性示出用于测量振动的传感器的例子；

图4示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图；

图5示出角速率和呼吸率相对于时间的曲线图；

图6示意性示出用于测量振动的装置的例子；

图7示意性示出用于测量振动的系统的例子；

图8示意性示出用于测量振动的设备的例子；

图9示出显示了在根据本发明的实施方式的、基于加速计的传感器所测量的角旋转速率相对于时间的曲线与陀螺仪传感器所测量的角旋转速率相对于时间的曲线之间的比较的图；

图10示出显示了根据本发明的实施方式的、基于加速计的传感器所测量的旋转速率相对于时间的曲线和鼻插管压力相对于时间的曲线之间的比较的图；

图11A示出显示了三轴加速计信号相对于时间的曲线；

图11B示出显示了在图A的连续加速度矢量之间的角变化相对于时间的曲线；

图11C示出显示了从图A的加速计信号计算的角速率相对于时间的曲线；

图11D示出显示了在图11C的角速率和插管压力之间的相关系数相应于时间的曲线；

图11E示出显示了从图C的角速率计算的呼吸率和从插管压力得到的数据计算的呼吸率相对于时间的曲线；以及

图12示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图。描述

图1示意性示出用于测量振动的方法100的流程图。在块101中，在给定的时间点(a_t-1，a_t)接收矢量参数的方向的多个测量结果。

矢量参数的测量结果由固定地连接到或物理地耦合到物体(其振动将被测量)的传感器捕获，使得传感器相对于物体以稳定和稳固的状态保持，以便使得物体的运动引起传感器的相应运动。测量结果以预定的频率被捕获。优选地，频率被设定，使得多个测量结果在振动的单个周期的持续时间内被捕获。

在一些实施方式中，传感器被固定地直接或间接连接到患者(其呼吸将被监测)的身体部分例如胸、躯干、胸部、腹部或胸腔区、或患者的衣服。传感器可定位到和连接到在呼吸期间经历振动的身体的一部分。传感器可通过任何适当的装置例如经由固定/附接的装置或粘合剂直接或间接物理地耦合到身体部分。优选地，传感器设备固定到患者的、在中锁骨线上的弓肋的下边缘，以最大化所测量的振动的振幅。此外，在胸廓和腹部上的另一传感器设备的同时放置将允许呼吸的不同阶段和特征的捕获。

矢量参数可以是与重力场、磁场或传感器所测量的角取向有关的三维矢量。传感器提供指示矢量参数在传感器的测量参考坐标系中的方向的测量结果的信号，该方向例如是地球的重力场的方向(例如在传感器的坐标系中向下的方向)、地球的磁场的方向(例如，在传感器的坐标系中向北的方向)或传感器的定向。传感器的运动特别是振荡旋转运动导致传感器的坐标系中的矢量参数的方向发生改变。

在传感器是加速计的场合，由于在呼吸所导致的运动中涉及的微小线性加速度，所测量的加速度矢量参数将接近于在患者不动且呼吸时由于重力g所导致的加速度。当传感器旋转时，重力矢量将在传感器的坐标系中旋转。多个测量结果使重力矢量相对于传感器的参考坐标系的方向能够在呼吸所引起的振动期间被跟踪。

在块102中，确定在预定的时间段(W)内的矢量参数

的主方向。其相应于在所述预定的时间段内在传感器的坐标系中的矢量参数的平均方向。优选地，进行测量的时间段大于或等于振动的一个周期的持续时间，例如一次呼吸的持续时间或一个呼吸周期。这使测量结果能够在振动的至少一个完整周期内被捕获。

矢量参数

的主方向可被计算为：

在块103中，确定旋转角(φ_t)。该角被定义为在矢量参数(a_t)的测量方向中的一个和矢量参数的主测量方向之间的角。

旋转角φ_t可被计算为：

${\mathrm{\φ}}_t={\cos }^{-1}(a_t.{\stackrel{\‾}{a}}_t)$

可确定旋转角φ_t的角旋转速率或角速度ω_t。这可通过取φ_t的导数ω_t来计算，即，

${\mathrm{\ω}}_t=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

其中角速度与呼吸有关，通过应用各种不同的算法来确定呼吸率、呼吸可变性和胸部扩张中的变化，可从角速度确定其它呼吸参数。

图2示意性示出用于测量振动的另一方法200的流程图，该方法涉及矢量参数的旋转轴的确定。

当传感器旋转时，所测量的矢量参数(例如，所测量的重力矢量、磁矢量或方位矢量)在传感器的坐标系中旋转。然而，该旋转轴可在传感器坐标系中被任意定向，并可由于患者在不同时间的呼吸的方式的差异而改变。该轴的定向也可在大规模运动之后改变，即与振动例如患者的整体定向中的变化无关。为了减小所测量的信号中的噪声的影响，只考虑绕着旋转轴的旋转是有利的。因此，确定旋转轴并且当该旋转轴改变时对其进行跟踪是合乎需要的。

在块201中，接收矢量参数(a_t-1，a_t)的方向的多个测量结果。测量结果包括矢量参数的数对被相继测量的测量结果。

类似于块102，在块202中，确定矢量参数的主方向。

在块203中，确定在每对连续的测量结果(a_t-1，a_t)之间的旋转轴(r_t)。旋转轴r_t可被计算为：

r_t＝a_t×a_t-1

对于振荡旋转，当旋转方向反转时，r_t将反转。因此，轴方向通过与参考轴(r_ref)比较而被标准化(r_t’)以便在所选择的半球内。旋转方向的标准化轴r_t’可被计算为：

$r_t^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{r}_t,& r_t\&CenterDot;r_{\mathrm{ref}}\&GreaterEqual;0\\ -r_t,& r_t\&CenterDot;r_{\mathrm{ref}}<0\end{array}\right.$

r_ref的值可被手动选择，或基于初始观察例如通过执行对r_t的值的主要分量分析而被自动选择。

在块204中，确定主旋转轴

其相应于在块203中确定的旋转轴的平均轴。再次，其在预定的时间段(W)内被确定。

通过在预定的时间段(W)内取得所有标准化旋转轴r_t’的平均可计算主旋转轴

即，

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_t=(\underset{i=-W/2}{\overset{W/2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_t^{\&prime;}+i)$

可选地，为了减小噪声对平均值

的确定的影响，旋转方向的每个标准化轴r_t’可由例如与矢量参数(a_t-1，a_t)的每对相继测量的测量结果相关的角变化θ_t适当地加权。此外，为了给在时间上接近于t的估计提供较大的权重，可使用加权平均窗(Hamming window)函数H(n)，即，

其中：

θ_t＝cos^-1(a_t·a_t-1)

在块205中，确定旋转角φ_t，其被定义为在矢量参数(a_t)的测量方向和矢量参数

的主方向之间的、围绕主旋转轴

的旋转角。

旋转角φ_t可被计算为：

${\mathrm{\&phi;}}_t={\sin }^{-1}(({\stackrel{\&OverBar;}{a}}_t\&times;{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_t)\&CenterDot;a_t)$

可将块205考虑为进一步确定旋转角，其在图1的块103中由块103的旋转角到一表面上的投影确定。在块205中，所述表面相应于被定义为垂直于主旋转方向

的平面的平面。然而，可能考虑其它投影表面，例如块103的旋转角到椭圆体的表面上的投影。为了实现这一点，矢量参数(a_t-1，a_t)的方向的初始测量结果可通过应用适当的函数f(a)来适当地修改。

在块206中，确定旋转角φ_t的角旋转速率或旋转速度ω_t。其可通过取φ_t的导数来计算，即，

${\mathrm{\&omega;}}_t=\frac{\mathrm{d\&phi;}}{\mathrm{dt}}$

图3示意性示出用于测量振动的传感器设备300的例子。特别是，附图提供了上面使用的各种轴和矢量的表示。

传感器设备包括可给出设备的运动的指示的传感器。例如：

可探测地球的重力场的测量方向中的变化的加速计(例如，FreescaleMMA7260QT三轴加速计)，

可探测地球的磁场的测量方向中的变化的磁力计(例如，HoneywellHMC1052双轴磁力计)，或

可探测传感器的定向中的变化的陀螺仪(例如Analog DevicesADXRS300速率陀螺仪)。

传感器设备配置成提供使矢量的量例如传感器设备的定向的三维表示能够被确定的测量结果。

传感器设备的坐标平面被显示为三个正交轴：x、y和z。传感器设备包括能够测量在三个正交轴或维度的每个上的矢量参数的三轴传感器。三轴设备的使用允许倾斜度变化被测量，而不考虑定向。如果传感器设备放置在随着时间的过去经历振荡旋转的物体上，则在传感器设备的测量坐标系(a_t-1，a_t)内的矢量参数的测量方向将如所指示的改变。矢量参数

的主方向与随着时间的过去的矢量参数的测量方向的平均方向有关。

旋转轴r_t与矢量参数a_t-1的第一测量方向相对于矢量参数a_t的第二测量方向的旋转所围绕的轴有关。矢量旋转的方向所经过的角是角变化θ_t。旋转轴垂直于第一和第二测量矢量参数中的每一个。

主旋转轴

与旋转轴的平均有关。旋转角(φ_t)与矢量参数(a_t)的测量方向中的一个和矢量参数

的主测量方向之间的角有关。在图2的方法中，所述角此外被定义为基于围绕主旋转轴旋转。

在各种的但不一定所有的实施方式中，加速计被用于测量矢量参数。当能够直接实现角和角速率的测量的陀螺仪微机电系统(MEMS)存在时，使用加速计测量角和角速率可能看起来是违反直觉的。然而，有利地，基于加速计的传感器具有比基于陀螺仪的传感器低的功率消耗。例如，当前的三轴MEMS加速计可具有小至40μA的有功电流消耗，允许使用小的电池供电的设备进行非常长期的监测，而集成的三轴MEMS陀螺仪具有10mA级别的电流消耗。

当患者经历例如导致身体位置改变的大规模运动时，基于加速计的测量方法在这样的运动期间可能是不可行的，这是因为归因于患者运动，即与在研究中的振动无关的运动所导致的、运动引起的信号的幅值极大地超过归因于呼吸的振动。因此，期望探测这样的运动，使得大约在这样的运动时间捕获的测量结果被忽略，因为它们将不可靠地仅与在研究中的振动有关。此外，继患者重新定向之后，矢量的主方向和主旋转轴可能改变，并因此需要被重新计算。

图4示意性示出用于测量振动的另一方法400的流程图，该方法处理这样的问题并提供区分开当患者不动且测量可被可靠地进行时的时期与当患者移动/重新定向时的时期的方法，在后面的时期期间，可忽略测量结果。

方法400从包括块201的图2的前面描述的方法继续进行，在块201中，矢量参数(a_t-1，a_t)的方向的多个测量结果被接收。

在块401中，方法400包括确定矢量参数(a_t-1，a_t)的相继测量的测量结果对中的变化。该变化可以是在相继测量结果之间的所测量的矢量参数的幅值的变化或方向的变化。块401示出与矢量参数(a_t-1，a_t)的相继测量的每个测量结果对的相关的角变化θ_t的确定，例如θ_t＝cos^-1(a_t·a_t-1)。

在块402中，在所测量的矢量参数中的变化与阈值例如θ_T比较。阈值被设定在预定值处，该预定值超过对于在研究中的振动预期的可行变化的量。例如，关于测量呼吸，在两个连续的读数之间的所测量的加速度中的突然增加将可能指示患者的大规模运动，即传感器将继续与呼吸无关的患者的运动。如果传感器使用与呼吸无关的运动的测量，则这将导致错误的测量结果。因此，图4的特征提供探测与待测量的振动无关的这种大规模运动的方法。与这种大规模运动有关的所捕获的测量结果可接着被忽略。此外，继这样的运动之后，传感器的定向可能被明显地改变。这将改变在传感器的参考坐标系中的矢量参数

的主测量方向。此外，还将改变在传感器的参考坐标系中的主旋转轴

因此，这些量将需要被重新确定。

如果在矢量参数的相继测量中的所确定的变化超过参考标记403所指示的阈值水平，则获得矢量参数b_t-1，b_t的方向的另外的测量结果(块405)，其用于重新计算矢量参数

的主测量方向(块405)和主旋转轴

(块406)，其可用于确定旋转角φ_bt(块407)和角速度ω_bt(块408)。

因此，旋转角和角速度的被确定的值是基于在时间窗(在该时间窗期间，没有相当大的运动发生)期间捕获的测量结果，且可压倒仅仅与呼吸有关的运动的测量结果。

所测量的测量结果的范围可被确定并且被用于提供所记录的测量结果是否是次最佳(sub optimal)的指示。如果测量结果的被确定的范围低于阈值水平，则可表明传感器未充分测量振动。例如，传感器可能被不适当地定位，或次最佳地位于未经历与呼吸相关的运动的身体部分上。可选地，传感器可变得从身体部分分离，且因此由于不再固定地连接到该身体部分而且不跟随该身体部分的运动。

可基于测量结果的量的不同度量的加权合来确定旋转角和角速度的置信度(degree of confidence)，这些测量结果例如是矢量参数的测量结果的振幅、在振动的相关频率之外的噪声水平、在旋转平面之外找到的信号的程度和角旋转速率的角度一致性。

图5示出基于使用本发明的实施方式记录的测量结果的角速率和呼吸率501相对于时间的曲线500。该曲线还示出呼吸率502相对于时间的关系。

为了提供从所测量的角速度确定呼吸率，即每分钟呼吸次数的方法，定义角速度值的范围的第一区域(B_H)，其中角速度值大于第一阈值(ω_H)。此外还定义角速度值的范围的第二区域(B_L)，其中角速度值小于第二阈值(ω_L)。此外还定义角速度值的范围的第三区域(B_M)，其中角速度值在第一和第二阈值(φ_H，ω_L)之间。

连续角速度测量数据的值被监测，且每当角速度的值通过四个区域转换时，例如从B_M到B_H的T1、从B_H到B_M的T2、从B_M到B_L的T3和从B_L到B_M的T4，相应于振动的一个周期(例如一次呼吸)的完成的计数的登记被记录。随后呼吸率基于在测量时间段内的计数的数量来确定。

确定呼吸率的、涉及波形的特殊分析的现有方法在探测单独的呼吸时有困难，其中患者的呼吸模式是不规则的。有利地，上面的状态转变方法提供识别单独的呼吸(包括不规则频率的呼吸)的能力。此外还减少了多次呼吸从噪声信号记录的问题，正如使用单阈值方法时可能出现的、在重复穿过单个阈值时将导致错误结果的问题。

图6示意性示出用于测量振动的装置600的例子。

装置600包括：控制器，例如处理器或数字信号处理器604；以及，存储器601，其包括计算机程序602，计算机程序602包括程序代码603。存储器601和计算机程序代码603配置成使用处理器604使装置600至少执行上面参考图1、2和4描述的方法。

图1、2和4所示的块可代表方法中的步骤和/或计算机程序602中的代码段。块的特定顺序的图示并不一定暗示对块有需要的或优选的顺序，以及块的布置和顺序可改变。此外，一些步骤有可能被省略。

处理器604被配置成从存储器601进行读取并向存储器601进行写入。处理器也可包括输出接口606和输入接口605，数据和/或命令经由输出接口606由处理器输出，以及数据和/或命令经由输入接口605被输入到处理器。

存储器601存储包括计算机程序指令602的计算机程序602，计算机程序指令602在被载入处理器604时控制装置600的操作。处理器604通过读取存储器601能够载入和执行计算机程序602。计算机程序指令603提供使装置能够执行在图1、2和4中示出并在上面讨论的方法的逻辑和例程。

计算机程序602可经由任何适当的输送机制到达装置600。输送机制可以是例如计算机可读存储介质、计算机程序产品、存储设备、记录介质例如光盘只读存储器或数字通用盘、有形地体现计算机程序602的制品。输送机制可以是被配置成可靠地传输计算机程序602的信号。

控制器604的实现可以只通过硬件(电路、处理器...)，具有只通过软件(包括固件)的某些方面，或可以是硬件和软件(包括固件)的组合。

控制器604可使用指令603来实现，指令603例如通过使用在通用或专用处理器中的可执行计算机程序指令来实现硬件功能，计算机程序指令可存储在计算机可读存储介质(磁盘、存储器等)上或由这样的处理器执行的信号载波携带。

图7示意性示出用于测量振动的系统700的例子。该系统包括用于测量矢量参数的方向的装置，例如传感器设备300和701，其耦合到用于产生与矢量参数的方向有关的信号的装置，例如控制器702。

优选地，每个传感器设备能够测量在3维的矢量参数。此外，在两个或多个传感器设备被使用的场合，每个传感器设备测量不同的矢量参数是优选的。例如，传感器设备300是用于测量重力场的基于加速计的传感器设备，且传感器设备701是用于测量磁场的基于磁力计的传感器设备。在只有单个类型的传感器设备例如仅仅基于加速计的传感器设备被使用的场合，位于垂直轴上，即与重力场的方向对齐的任何旋转分量将不被加速计探测或测量。然而，通过额外地包括另一类型的传感器例如磁力计或陀螺仪，与重力场的方向对齐的这样的旋转将是可探测的和可测量的。类似地，在传感器只基于磁力计的场合，沿着与地球的磁场的方向对齐的轴定位的任何旋转分量将不被磁力计探测到。额外地包括加速计或陀螺仪将使这样的旋转能够被探测和测量。

控制器702耦合到用于将信号发送到如图6所示的装置600的装置，例如发射机703。传输706可经由有线的或优选无线的通信来实现，以便于测量结果的远程捕获和监测。

可选地，存储器704被提供以存储测量结果，使得测量结果不需要一被测量就被不断地发送/传输。在一些实施方式中，传感器、控制器、发射机和可选的存储器都容纳在外壳705内。优选地，外壳和内部部件尽可能小地形成所需尺寸，使得设备在连接到患者时将是最低限度地突出的。这样的小外壳可使用标准医用胶带连接到患者。

图8示意性示出用于测量振动的设备800的例子。设备800实际上包括如关于图6讨论的、用于处理测量信号的装置以及还包括用于测量并产生都被容纳在外壳801内的测量信号的传感器设备300(和可选地，701)。

设备800包括控制器604、存储器601、计算机程序602和程序代码603。传感器设备300和701捕获由处理器605的输入接口605接收的不同矢量参数的测量结果。存储器601和计算机程序代码603配置成使用处理器604使设备801至少执行上面参考图1、2和4描述的方法。所确定的旋转角φ_t和角速度ω_t是从接口606到发射机703的输出，用于到达基站、计算设备或服务器802的有线的或无线的传输803。优选地，设备800包括其自己的机载电源例如电池和给电池(未示出)再充电的能力。

可选地，两个或多个设备固定地连接到患者(其呼吸将被测量)。这些设备中的至少一个固定地连接到经历归因于呼吸的振动的身体部分。这些设备中的至少一个固定地连接到不经历归因于呼吸的振动的身体部分。来自两个或多个设备的测量结果可随后被组合以移除与在研究中的振动无关的测量结果的分量。这实现只与呼吸有关的测量结果的分量的更精确的确定。

图9示出根据本发明的实施方式的基于加速计的传感器和陀螺仪传感器中的每一个所测量的角旋转速率ω_t相对于时间的曲线之间的比较的图。正如可看到的，已适当地按比例调整的、从加速计得到的角速率提供与经由陀螺仪设备得到的角速率的良好匹配。该图示出由每个曲线可见的不同呼吸率和深度的范围。

图10示出显示了根据本发明的实施方式的基于加速计的传感器所测量的旋转速率ω_t相对于时间的曲线和鼻插管压力相对于时间的曲线之间的比较的图。

该图示出角旋转速率ω_t和由连接到鼻插管的压力换能器(RespironicsPTAF2)测量的鼻插管压力的相应性。已知插管压力与鼻呼吸的气流速率成比例。因此，在该图中示出的相关性也指示了在角旋转速率ω_t和流率之间的相关性。此外，这表示在角旋转速率ω_t和在呼吸期间胸部的容积的变化之间的相关性。

该相关性是重要的，因为流率波形的形状为在呼吸率的简单测量中不存在的呼吸问题的诊断提供重要的额外信息。对不同的吸气流量形状的分析暗示出呼吸的形状可以是对不同的呼吸条件的有用指示。其也可表明所述形状可用于识别障碍物。

本发明的方法、装置和系统的实施方式的评估，其在对术后患者的6.9小时的夜间捕获中被执行。来自该评估的关键数据被绘制在图11A到E中。

图11A示出显示了在x轴(中间曲线)、y轴(下面的曲线)和z轴(上面的曲线)的每一个中的三轴加速计信号相对于时间的曲线。患者定向的几个大的变化是可见的，作为在每个轴上的加速中的逐步变化。

图11B示出显示了图A的连续加速度矢量之间的角变化θ_t相对于时间的曲线。在该曲线中有相应于主定向变化的清晰尖峰以及指示较少的运动的较小尖峰。此外，还示出了用于运动探测的阈值θ_T。每1/16秒的采样间隔5毫弧度的阈值被使用。阈值的选择代表准确度和覆盖范围之间的折衷。较低的阈值增加对运动的敏感度，丢弃更多的数据集，但在保留的时期内实现与插管数据的较高相关性。

图11C示出显示了从图A的加速计信号计算的角速率相对于时间的曲线。单独的呼吸以该水平标度是不可见的，但所述曲线示出被探测到的静止时期，在该静止时期内执行方法算法，这与没有由患者的运动/重定向所引起的测量的空白时期相反，即其中角变化θ_t超过运动探测的阈值θ_T。由于旋转的垂直分量的变化所引起的信号在不同方位上的标度的变化也是明显的。

图11D示出显示了对于每个静止时期图11C的角速率与插管压力之间的相关系数相对于时间的曲线。平均值是0.9148。

图11E示出显示了对于每个静止时期从图C的角速率计算出的呼吸率和从插管压力得到的数据计算出的呼吸率相对于时间的曲线。基于加速计的速率只关于由角速率信息的全窗所围绕的时间而被定义，并因此覆盖进一步减小的时间段集合。

在上面讨论的几个例子中，旋转角φ_t或角速度ω_t的值被用于提供与呼吸相关的信号，例如用以识别患者躯干的角旋转和旋转速率，以便监测呼吸和呼吸率。然而，旋转角φ_t或角速度ω_t的值也可用于确定额外的与患者运动相关的参数，例如患者说话以及患者的运动例如行走、跑步或爬楼梯。

可在确定患者的活动的时期(当呼吸的测量将不可能时，因为测量信号的呼吸运动分量将被额外的运动掩蔽或淹没)和患者不动的静止期(其中呼吸测量将是可行的)时使用这样的额外运动的探测和识别。此外，这样的额外运动的探测和识别可通过指示例如患者何时睡眠、行走、谈话或跑步来提供φ_t和ω_t的被监测的值的环境。此外，可估计额外运动的水平的强度，其将实现例如密集锻炼的时期的识别。

为了进一步改善呼吸测量的准确度，在活动或额外运动(即，除了仅仅与呼吸相关的运动以外的运动)的被探测到的时期期间所捕获的测量结果可被忽略并且只在患者不活动的被确定的时期期间被利用。

图12示意性示出用于测量振动的另一方法120的流程图。

在块121中，如前所述确定了旋转角φ_t或角速度ω_t的一系列值。

在块122中，模式识别算法被应用于旋转角φ_t或角速度ω_t的所述一系列值以便探测在相应的φ_tω_t波形中的模式、形状和频率。波形的此类模式、形状和频率可指示某些运动，例如如上所述当患者述静止时的与呼吸相关的运动，但也指示其它与呼吸不相关的运动，例如患者讲话、行走或跑步。

在块123中，基于模式识别的结果来作出对运动的识别。例如，运动将被识别为例如呼吸、讲话或患者运动(例如行走或跑步)中的任一种。

在块124中，响应于所识别的运动产生控制信号。例如，如果运动被识别为仅仅是呼吸，则控制信号可导致测量结果的使用可确定呼吸信号。如果运动被识别为某个其它运动(即，不仅仅与呼吸有关)例如讲话、行走或跑步，则控制信号可以是要被忽略的测量结果，用于确定呼吸信号的使用。

虽然上面参考各种例子描述了本发明的各种实施方式，应认识到，可作出对给定的例子的修改，而不偏离如所主张的本发明的范围。可在除了明确描述的组合以外的组合中使用在前面的描述中描述的特征。

虽然参考某些特征描述了一些功能，这些功能可通过其它特征(不管是否被描述过)来执行。虽然参考某些实施方式描述了一些特征，这些特征也可存在于其它实施方式(不管是否被描述过)中。

虽然在前述说明书中努力引起对被认为具有特别的重要性的本发明的特征的注意，应理解，申请人要求在上文中提到和/或在附图中示出的任何可取得专利的特征或这些特征的组合的方面的保护，而不管是否特别强调过这些特征。

Claims (31)

1.一种用于测量振动的方法，包括：

接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号；

基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主测量方向；以及

确定在所述多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与所述矢量参数的主测量方向之间的旋转角。

2.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述多个测量结果包括所述矢量参数的方向的多对相继测量结果；所述方法还包括：

为每对相继测量结果确定旋转轴，其中所述旋转轴被定义为所述矢量参数的所述测量方向旋转所围绕的、在所述矢量参数的方向的一对相继测量结果之间的轴；

基于所确定的旋转轴确定主旋转轴；以及

其中所述旋转角还基于围绕所述主旋转轴的旋转而被确定。

3.如任一前述权利要求所述的方法，还包括基于所述旋转角来确定角速度。

4.如任一前述权利要求所述的方法，其中从耦合到物体的至少一个传感器接收与所述矢量参数的方向的测量结果有关的信号，所述物体的振动将被测量。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述物体是身体部分。

6.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述矢量参数包括重力场、磁场和角取向中的至少一个。

7.如任一前述权利要求所述的方法，其中与所述矢量参数的方向的测量结果有关的每个信号包括在三个正交的轴上的所述矢量参数的方向的表示。

8.如任一前述权利要求所述的方法，其中下列操作中的至少一个在预定的时间段内出现：

接收与所述矢量参数的方向的多个测量结果有关的所述多个信号，

确定所测量的矢量参数的主方向，或

确定所述主旋转轴。

9.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述预定的时间段大于或等于所述振动的周期的持续时间。

10.如任一前述权利要求所述的方法，还包括确定在所述矢量参数的测量结果和所述矢量参数的相继测量结果之间的变化。

11.如前述权利要求10所述的方法，还包括确定所述变化是否大于阈值；以及

如果所述变化大于阈值，则：

接收与所述矢量参数的方向的多个测量结果有关的另外的多个信号；

基于另外的多个测量结果重新确定所述矢量参数的主方向；以及

确定所述矢量参数的方向的所述另外的多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与所述矢量参数的重新确定的主方向之间的旋转角。

12.如任一前述权利要求所述的方法，还包括：

确定多个角速度；

监测角速度的值；

定义角速度值的范围的第一区域，其中角速度值大于第一阈值；

定义角速度值的范围的第二区域，其中角速度值小于第二阈值；

定义角速度值的范围的第三区域，其中角速度值在所述第一阈值和所述第二阈值之间；以及

一旦确定所监测的角速度值经历4个区域转变时登记所述振动的周期的计数。

13.如任一前述权利要求所述的方法，还包括：

接收与第二矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号；

基于所述第二矢量参数的方向的所述多个测量结果来确定所述第二矢量参数的主方向；以及

确定所述第二矢量参数的测量方向与所述第二矢量参数的所述主方向之间的旋转角。

14.如前述权利要求13所述的方法，其中所述第二矢量参数不同于所述矢量参数。

15.如任一前述权利要求所述的方法，还包括确定投影角，其中所述投影角被定义为所述旋转角在一表面上的投影。

16.如前述权利要求15所述的方法，其中所述表面包括平面或椭球体的至少部分中的一个。

17.如权利要求3所述的方法，还包括：

确定角速度或旋转角的一系列值；以及

将模式识别算法应用于角速度或旋转角的所述一系列值。

18.如权利要求17所述的方法，还包括将模式识别算法应用于角速度或旋转角的所述一系列值，以便识别运动。

19.如权利要求18所述的方法，还包括响应于所述运动的识别来产生控制信号。

20.一种用于测量振动的装置，包括：

存储器，其存储计算机程序指令；以及

处理器，其被配置成执行所述计算机程序指令以使所述装置至少执行权利要求1到19中的任一项所述的方法。

21.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时执行权利要求1到19中的任一项所述的方法。

22.一种载波信号，所述载波信号携带如权利要求21所述的计算机程序。

23.一种使用指令来编码的计算机可读存储介质，所述指令在由处理器实施时执行权利要求1到19中的任一项所述的方法。

24.一种用于测量振动的装置，包括：

用于接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号的装置；

用于基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主方向的装置；以及

用于确定所述多个测量结果中的一个的所述矢量参数的测量方向与所述矢量参数的所述主测量方向之间的旋转角的装置。

25.一种用于测量振动的装置，包括：

输入接口，其被布置成接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号；

控制器，其被布置成基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主方向；以及

所述控制器还被布置成确定所述多个测量结果中的一个的所述矢量参数的测量方向与所述矢量参数的所述主测量方向之间的旋转角。

26.一种用于测量振动的系统，包括：

用于测量矢量参数的方向的装置；

用于产生与所述矢量参数的方向有关的信号的装置；

用于发送信号的装置；以及

根据权利要求20和24到25中的任一项所述的装置。

27.一种用于测量振动的设备，包括：

用于测量矢量参数的方向的装置；

用于产生与所述矢量参数的方向有关的信号的装置；

用于发送信号的装置；以及

根据权利要求20和24到25中的任一项的装置。

28.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置被布置成耦合到身体部分。

29.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置包括下列项中的一个：

用于测量重力场的装置，

用于测量磁场的装置，以及

用于测量角取向的装置。

30.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置被布置成测量在三维中的所述矢量参数的方向。

31.用于测量实质上如上文参考附图描述和/或如附图所示的振动的方法、装置、计算机程序、系统和设备。

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