CN105251089B - 一种基于心跳监测的呼吸控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于心跳监测的呼吸控制器，包括心跳信号采集单元，比较器，单片机控制与处理单元，声音提示模块，键盘控制单元，LCD显示单元和记录/显示单元；心跳信号采集单元包括心跳信号采集传感器，信号滤波和放大电路，经心跳信号采集单元的信号分两路输出，一路直接输出到其他设备进行记录和显示，另一路通过比较器整形为数字脉冲信号；单片机控制与处理单元对脉冲信号进行计数，并通过LCD显示单元实时显示心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块输出声音指示；所述键盘控制单元用于初始值预设和心率测试的启动和停止，发明主要用于基于心跳检测的呼吸控制，通过同步心率和呼吸，研究心肺之间的耦合机理。

Description

一种基于心跳监测的呼吸控制器

技术领域

本发明涉及心肺耦合研究技术领域，具体涉及一种基于心跳监测的呼吸控制器。

背景技术

心脏做功与肺呼吸活动是人体新陈代谢中的两个重要过程。两个系统不完全独立，相互调节彼此的功能，其相互调节过程复杂，众多影响机制不明。研究心血管系统和呼吸系统之间的耦合关系对于某些疾病的诊疗，以及人体保健具有一定的指导意义。虽然对于心肺同步是否表示更好的生理状态还不清楚，但是目前的研究表明，运动员的心肺同步要强于一般人，在练习禅宗冥想的时候心肺同步比自然呼吸时增强。这些结果暗示，在相位同步时心肺系统以更好的耦合状态工作，呼吸系统通过与心率同步来调节心输出量，从而提高肺部血气交换的效率，改善人体能量代谢。除了众所周知的呼吸对心跳的影响外，心跳对呼吸的影响对于同步现象的存在也十分重要。

基于心跳监测的呼吸控制器就是用于研究心肺耦合关系和机理的一种控制呼吸模式的装置。现有的用于控制呼吸模式的方法和装置通常通过语音提示指示被试控制呼吸频率，一般事先录制好控制呼吸的节拍，然后播放指导被试按照提示进行呼吸。这种控制呼吸方式和节拍器，其呼吸频率固定，且启动呼吸的初始相位无法掌握，未考虑心肺同步的因素，另外只考虑了呼吸系统对心脏的单向作用，不能用于心脏对呼吸的影响研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于心跳监测的呼吸控制器，能通过心跳控制呼吸模式，解决了研究心肺双向影响和增强心肺耦合同步性的实验设备问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于心跳监测的呼吸控制器，包括心跳信号采集单元、比较器、单片机控制与处理单元、声音提示模块、键盘控制单元、LCD显示单元和记录/显示单元；

所述心跳信号采集单元包括心跳信号采集传感器，信号滤波和放大电路，心跳信号采集单元得到的信号分两路输出，一路直接输出到记录/显示单元，另一路通过比较器整形为数字脉冲信号；

所述单片机控制与处理单元用于对脉冲信号进行计数，并通过LCD显示单元实时显示心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块输出声音指示被测控制呼吸；所述键盘控制单元用于初始值预设和心率测试的启动和停止。

进一步，所述心跳信号采集传感器采用红外传感器，心跳信号采集单元包括红外传感器、脉搏信号一级放大电路、脉搏信号二级放大电路和基准电位抬高电路，通过红外传感器接收到的脉搏信号，经过交流耦合滤除直流分量，输入到脉搏信号一级放大电路和脉搏信号二级放大电路放大后，输入至基准电位抬高电路抬高输出信号基准电位，脉搏信号一级放大电路和脉搏信号二级放大电路采用滑动变阻器调节放大倍数都可调。

进一步，所述脉搏信号一级放大电路、脉搏信号二级放大电路和基准电位抬高电路均采用集成运放OPA2277来实现。

进一步，所述心跳信号采集单元包括心电电极，输入保护电路，心电信号前置放大器，心电信号滤波电路，心电信号二次放大电路和直流电位抬高。

进一步，所述输入保护电路包括高压保护电路，高频滤波电路和低压保护电路；高压保护电路采用氖泡将引入的外界干扰高压限制到60-70V，再由高频滤波电路滤除高频干扰。

进一步，所述低压保护电路由运放组成的电压跟随器在输入和输出并联两个方向相反的二极管搭建而成，将大于0.7V的干扰电压大大减小，高频滤波电路采用电阻和电容组成的RC低通滤波器实现，其截至频率约为32KHz。

进一步，所述比较器采用运放OPA2333和滑动变阻器，利用滑动变阻器调节阈值，将心跳信号转成与心跳信号周期相同的数字脉冲信号。

进一步，通过心跳信号采集单元得到的模拟信号和比较器输出的脉冲数字信号，同时输出到记录/显示单元进行记录和显示。

进一步，所述键盘控制单元包括左移、上移、下移、启动和停止5个键。

本发明基于心跳检测的呼吸控制器，包括心跳信号采集单元，比较器，单片机控制与处理单元，声音提示模块，键盘控制单元，LCD显示单元和记录/显示单元；通过心跳信号采集单元得到一定信噪比、幅度合适的能反映心动周期和频率的信号，经过比较器转成可直接用计数器计数的数字脉冲信号，送到单片机控制与处理单元中的计数器计数，得到心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块输出声音指示来控制呼吸；本发明提供的基于心跳检测的呼吸控制器，能通过放大倍数、比较器阈值和声音提示模块延迟时间的调节来改变启动呼吸控制的初始相位，改变心脏和呼吸的同步性。

与现有的用于控制呼吸模式的方法和装置相比，本发明在控制呼吸模式时，通过心跳去控制呼吸，在此基础上，再研究呼吸对心脏的影响，引入了心脏的反馈控制，考虑了心肺的双向耦合；通过控制启动呼吸的初始相位，可控制并增强心肺耦合的同步性。

附图说明

图1为本发明实例中的基于心跳监测的呼吸控制器的总原理结构图；

图2为图1所示实例中心跳信号采集单元1的原理结构图1；

图3为图1所示实例中心跳信号采集单元1的原理结构图2；

图4为图3所示实例中心电信号采集输入保护电路的原理结构图；

图5为图1所示实例中单片机控制与处理单元的功能结构图；

图6为基于心跳监测的呼吸控制器应用于研究心肺耦合实验方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有的控制呼吸模式方法和装置的不足，为了在改变心肺耦合的同步性基础上研究心肺系统的相互作用，本发明设计了一种基于心跳监测的呼吸控制器。该装置的总体设计原理结构图如附图1所示，包括心跳信号采集单元1，比较器2，单片机控制与处理单元3，声音提示模块4，键盘控制单元5，LCD显示单元6和记录/显示单元7。

心跳信号采集单元1主要包括滤波和放大电路，通过传感器采集到人体的心跳信号，滤波、放大之后输入到后级的比较器2，比较器2采用运放OPA2333和滑动变阻器设计，利用滑动变阻器调节阈值，将心跳信号转成与心跳信号周期相同的数字脉冲信号，直接送到单片机控制与处理单元3的计数器进行计数，计数值同时送到LCD显示单元6实时显示心跳次数。通过心跳信号采集单元1得到的模拟信号和比较器2输出的脉冲数字信号，也都可以同时输出到其他的记录/显示单元7进行记录和显示，供进一步的数据分析使用。键盘控制单元5包括左移，上移，下移，启动和停止5个键，用于初始值预设和心率测试的启动和停止。

心跳信号采集单元1可通过两种方法实现，一种采集动脉血管的容积变化信号，如附图2所示。包括红外传感器111，脉搏信号一级放大电路112，脉搏信号二级放大电路113和基准电位抬高电路114。红外传感器111可放置于指端，桡动脉或其他动脉处，当红外传感器置于指端时，其发射端和接收端位于指尖两侧，采用的是透射式的信号接收方式；测桡动脉脉搏信号时，红外发射和接收位于同侧，采用的是反射式信号接收方式；类似的红外传感器置于其他动脉处，依据放置位置采用透射式或反射式的信号接收方式。通过红外传感器111接收到的脉搏信号，经过交流耦合滤除直流分量，输入到脉搏信号一级放大电路112和脉搏信号二级放大电路113，两级放大电路的放大倍数都可调，采用滑动变阻器调节，放大器采用低噪声、高精度的集成运放OPA2277，通过两级放大输出后的脉搏信号最高幅值为2V左右，为避免输出信号出现负电位，以便与后续的比较器电路匹配，在放大电路之后加一级基准电位抬高电路114电路抬高输出信号基准电位，该电路采用运放OPA2277搭建的加法器来实现，电位约抬高1.5V左右。

心跳信号采集单元1的另一种实现方式是采集人体的心电信号，如附图3和附图4所示。包括心电电极121，输入保护电路122，心电信号前置放大器123，心电信号滤波电路124，心电信号二次放大电路125和直流电位抬高126。心电电极采用金属表面电极，从人体表面采集到的心电信号在进行放大之前，先要通过输入保护电路来保护电路和人体的安全。输入保护电路122的原理结构图如附图4所示，包括高压保护电路1221，高频滤波电路1222和低压保护电路1223三部分。高压保护电路采用氖泡将引入的外界干扰高压限制到60-70V，再由高频滤波电路滤除高频干扰，此高频滤波电路采用电阻和电容组成的RC低通滤波器实现，其截至频率约为32KHz，低压保护电路由运放组成的电压跟随器在输入和输出并联两个方向相反的二极管搭建而成，可将大于0.7V的干扰电压大大减小而不影响正常的心电信号通过。从输入保护电路122输出的心电信号首先经过前置放大器的放大，心电信号前置放大器123采用运放OPA2277组成三运放同相并联结构的差分放大器，放大倍数可调，通过前置放大器输出的信号约为输入信号的20倍左右。经过初步放大的心电信号再经过心电信号滤波电路124，该滤波电路由高通滤波和低通滤波组成带通滤波器，其截至频率为0.05-30Hz，滤波后的心电信号在通过二次放大使其整体放大倍数约为1000倍，最后再将已经放大到合适幅值的心电信号直流电位抬高2V左右，以避免其出现负电位，与后续比较器相匹配。

另外，需要说明的是本发明提供的基于心跳监测的呼吸控制器上述实施例中的单片机控制与处理单元3实质就是采用单片机实现一个电子计数器，其功能模块结构如附图5所示。主要包括心跳次数计数模块，参数设置模块，计时模块，键盘处理模块和LCD显示模块五部分功能。心跳次数计数模块就是通过单片机的计数器对前端比较器2输出的脉冲信号进行累加计数。通过参数设置模块主要设置“延时时间”和“计数初值”。计数器对心跳次数进行累加计数，当计数值与初始设置的“计数初值”相等时，间隔时间等于设置的“延时时间”，就输出语音提示。被试则根据语音提示开始吸气或呼气，控制呼吸。计时模块利用单片机的定时器计时，用于实现上述延时时间到进行语音提示的“延时时间”功能。键盘处理模块和LCD显示模块主要进行延时时间和计数初值的设置、调节与显示，并在计数过程中实时显示心跳次数。

本发明提供的基于心跳监测的呼吸控制器的应用方法通过附图6来说明。附图6是利用基于心跳监测的呼吸控制器研究心肺耦合实验方法的流程图。

首先设置延时时间和计数初值，计数初值决定了控制呼吸时呼吸频率与心跳频率的比值，例如需要控制呼吸频率与心跳频率的比值为6，即6次心跳对应一次呼吸，则需要设置“计数初值为6”；延时时间可用于调节启动呼吸开始的时间，即用于调节呼吸和心跳信号之间的相位。在设置完参数之后，按开始键启动控制器开始对心跳次数进行计数，计数次数等于设置的计数初值时，根据延时时间输出语音提示，被试听到语音提示，开始呼吸，听到一次语音提示，呼吸一次，实现呼吸的控制。

Claims (7)

1.一种基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：包括心跳信号采集单元(1)、比较器(2)、单片机控制与处理单元(3)、声音提示模块(4)、键盘控制单元(5)、LCD显示单元(6)和记录/显示单元(7)；

所述心跳信号采集单元(1)包括心跳信号采集传感器，信号滤波和放大电路，心跳信号采集单元(1)得到的信号分两路输出，一路直接输出到记录/显示单元(7)，另一路通过比较器(2)整形为数字脉冲信号；

所述单片机控制与处理单元(3)用于对脉冲信号进行计数，并通过LCD显示单元(6)实时显示心跳次数，当心跳次数与预设值相等时通过声音提示模块(4)输出声音指示被测控制呼吸；

所述键盘控制单元(5)用于初始值预设和心率测试的启动和停止；

通过心跳信号采集单元(1)得到的模拟信号和比较器(2)输出的脉冲数字信号，同时输出到记录/显示单元(7)进行记录和显示；

所述比较器(2)采用运放OPA2333和滑动变阻器，利用滑动变阻器调节阈值，将心跳信号转成与心跳信号周期相同的数字脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述心跳信号采集传感器采用红外传感器(111)，心跳信号采集单元(1)包括红外传感器(111)、脉搏信号一级放大电路(112)、脉搏信号二级放大电路(113)和基准电位抬高电路(114)，通过红外传感器(111)接收到的脉搏信号，经过交流耦合滤除直流分量，输入到脉搏信号一级放大电路(112)和脉搏信号二级放大电路(113)放大后，输入至基准电位抬高电路(114)抬高输出信号基准电位，脉搏信号一级放大电路(112)和脉搏信号二级放大电路(113)采用滑动变阻器调节放大倍数都可调。

3.根据权利要求2所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述脉搏信号一级放大电路(112)、脉搏信号二级放大电路(113)和基准电位抬高电路(114)均采用集成运放OPA2277来实现。

4.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述心跳信号采集单元(1)包括心电电极(121)，输入保护电路(122)，心电信号前置放大器(123)，心电信号滤波电路(124)，心电信号二次放大电路(125)和直流电位抬高(126)。

5.根据权利要求4所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述输入保护电路(122)包括高压保护电路(1221)，高频滤波电路(1222)和低压保护电路(1223)；高压保护电路(1221)采用氖泡将引入的外界干扰高压限制到60-70V，再由高频滤波电路(1222)滤除高频干扰。

6.根据权利要求5所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述低压保护电路(1223)由运放组成的电压跟随器在输入和输出并联两个方向相反的二极管搭建而成，将大于0.7V的干扰电压大大减小，高频滤波电路(1222)采用电阻和电容组成的RC低通滤波器实现，其截至频率约为32KHz。

7.根据权利要求1所述的基于心跳监测的呼吸控制器，其特征在于：所述键盘控制单元(5)包括左移、上移、下移、启动和停止5个键。