CN105326506A - 一种非接触式呼吸检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式呼吸检测装置，该装置包括光发射模块、光接收模块、图像采集模块和数据处理器，可用于对人体的呼吸进行检测。使用时，通过光发射模块发射出光，照射在人体的胸部或腹部，光反射出来后照射光接收模块上，反射出来的光的方向会随着呼吸引起的胸部或腹部的运动而发生改变，显示在光接收模块上的光点的位置也会随之改变。通过对光点的图像进行采集和处理分析，自动提取出光点的位置变化信息，就可以得到人体的呼吸信号。采用该装置可以将较小的表征人体呼吸的胸部或腹部的运动进行放大，从而提高呼吸信号检测的准确性，同时，非接触式的呼吸检测方式还可以避免接触式呼吸检测给被检测者所带来的不适。

Description

一种非接触式呼吸检测装置

技术领域

本发明属于生理信号检测领域，具体涉及一种非接触式呼吸检测装置。

背景技术

呼吸是反映人体健康状态的一个重要生理特征。目前有多种检测呼吸的方法和装置，根据检测时是否与人体接触可分为接触式呼吸检测和非接触式呼吸检测这两类。

接触式呼吸检测通过传感器与人体直接接触，检测人体呼吸时引起的某些物理参数的变化，例如鼻腔内的温度和气流、胸腔和腹部的形变、胸腔的阻抗等的变化。接触式呼吸检测目前有压电式检测、压阻式检测、热敏电阻法、气体流量式检测、阻抗式检测、电容式检测等方法。如名称为“一种电容式呼吸波检测装置”(公开号为CN204654937)的专利文献采用电容式检测方法，使用一个由两块金属片组成的平板电容作为呼吸检测模块，呼吸使得金属片之间呈现相互远离或相互靠近的动作，通过测量金属片之间的电容量的变化可实现对呼吸波的检测。名称为“光电式腹式呼吸传感器”(公开号为CN2885122Y)的专利文献通过检测束在人体腹部上的传感器装置上的栅盘的转动来检测呼吸引起的腹部变化，从而实现对呼吸的检测。名称为“阻抗式呼吸测量系统”(公开号为CN103300861A)的专利文献，通过电极检测胸部阻抗的变化，并将其转化为电压信号的变化，从而检测出呼吸信号。接触式呼吸检测需要将传感器与人体进行接触，往往会给被检测者带来不适。

非接触式呼吸检测通过间接检测呼吸引起的身体状态变化来检测呼吸，在检测的过程中，检测装置无需与人体进行接触。如名称为“一种婴儿呼吸暂停的无线监测装置”(公开号为CN102499686A)的专利文献，采用微波信号传感器向婴儿的胸壁定向发送微波信号，并接收含有婴儿呼吸信息的微波反射信号，经过放大和滤波电路得出呼吸信号。名称为“呼吸运动检测装置”(公开号为CN102869305A)的专利文献，采用照射器向人体胸部照射图案，并检测、分析该图案随人体呼吸而发生的细微变化，得出呼吸信号。上述两种方法的优点是检测装置无需和人体直接接触，可以避免接触式呼吸检测给人所带来的不适。方法1的缺点是发送、接收和处理微波信号的过程中，微波信号易受到其他电信号的干扰，从而影响检测的准确性。方法2的缺点是照射在人体上的图案随呼吸运动的变化很小，不易被检测到，且容易受到噪声的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提出一种非接触式的呼吸检测装置，该装置可用于检测人体的呼吸信号。

本发明提供的一种非接触式的呼吸检测装置，其特征在于，该系统包括光发射模块、光接收模块、图像采集模块和数据处理器；光发射模块用于发射可聚集的光，照射在人体的胸部或腹部；光接收模块用于接收光发射模块发射的照射在人体胸部或腹部后反射出来的光，在其表面形成光点；图像采集模块用于采集光接收模块上显示的光点的图像，并通过有线或者无线的方式，发送到数据处理器；数据处理器用于对图像处理模块发送过来的每一帧图像进行处理和分析，得到呼吸信号波形和呼吸频率等呼吸信息，并以图形、数字的形式显示出来。

数据处理器内设置有图像处理模块、呼吸信号生成模块、呼吸频率计算模块和呼吸信号显示模块；图像处理模块用于对数据处理器接收到的图像进行处理，从中自动检测出光点，并计算出光点质心的位置，然后将该位置信息发送给呼吸信号生成模块；呼吸信号生成模块用于接收图像处理模块发送过来的位置信息，将这些位置信息按时间进行排序，形成光点的位置序列P₁,P₂,Λ,P_k、x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k，并根据这些序列信号生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，将呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k发送给呼吸频率计算模块和呼吸信号显示模块；呼吸频率计算模块根据呼吸信号生成模块发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f，并将呼吸频率f发送至呼吸信号显示模块；呼吸信号显示模块用于接收呼吸信号生成模块发送过来的呼吸信号波形和呼吸频率计算模块发送过来的呼吸频率，并将其以图形和数字的形式显示出来。

呼吸信号生成模块采用以下方法中的一种或其它方法来完成从光点的x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

选择x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

选择y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k。

本发明所述呼吸频率计算模块根据呼吸信号生成模块发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f的具体过程为：

检索由呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k所形成的波形中的所有波峰值，得到波峰值的个数l、第1个波峰值的时刻tm₁和最后一个波峰值的时刻tm_l，根据下式计算平均呼吸频率；

本发明装置不仅可单独使用，用于检测人体的呼吸信号，还可配合其它装置一起使用，为其它装置提供实时采集的呼吸信号。该装置通过将光照射在人体的胸部或腹部，并对反射出来的光的运动轨迹进行检测，从而放大呼吸引起的胸部或腹部运动，提高呼吸检测的准确性。装置采用非接触的方式，在采集人体的呼吸信号时，无需与人体进行接触，因此可以避免因接触式呼吸检测给被检测者所带来的不适。同时，该装置成本低，对被检测者没有特殊的要求，因此具有较好的通用性。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明实例的安装示意图；

图4是本发明实例的呼吸状态示意图；

附图标记说明：1—光发射模块；2—光接收模块；3—图像采集模块；4—数据处理器；5—图像处理模块；6—呼吸信号生成模块；7—呼吸频率计算模块；8—呼吸信号显示模块；9—治疗床。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计的非接触式呼吸检测装置，包括光发射模块1、光接收模块2、图像采集模块3和数据处理器4；

光发射模块1是任何可以产生可聚焦光的装置，该装置用于发射光照射在人体的胸部或腹部，并反射出来，反射出来的光的方向会随着由呼吸引起的胸部或腹部的运动而发生改变，其变化的方向间接地反应了人体的呼吸运动。

光接收模块2是任何具有一个平面的可以接收光的装置。该装置用于接收光发射模块1发射出来的照射在人体胸部或腹部并反射出来的光，在其表面形成一个光点，该光点的运动轨迹是人体胸部或腹部的运动信号的放大。

图像采集模块3是任何可以采集到光点图像的采集装置，用于连续采集光接收模块2上的光点的图像，并通过有线或者无线的方式，发送到数据处理器4。

数据处理器4是计算机或者任何一种能够进行计算处理的装置，它用于接收图像采集模块3发送过来的每一帧图像，对其进行图像处理，从中自动检测出光点的位置，并根据得到的光点位置序列生成呼吸信号波形，根据呼吸信号波形自动计算出呼吸频率，同时将呼吸信号波形和呼吸频率以图形的形式显示出来。

现举例说明数据处理器4内软件模块的具体设计方式，它包括图像处理模块5、呼吸信号生成模块6、呼吸频率计算模块7和呼吸信号显示模块8，其结构如图2所示。

图像处理模块5用于对数据处理器4接收到的每一幅图像进行处理，从中自动检测出光点，并计算出光点质心的位置，然后将该位置信息发送给呼吸信号生成模块6。

呼吸信号生成模块6用于接收图像处理模块5发送过来的位置信息，将这些位置信息按时间进行排序，形成光点的位置序列P₁,P₂,Λ,P_k、x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k，并根据这些序列信号生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，将呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k发送给呼吸频率计算模块7和呼吸信号显示模块8。根据光点的x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，可以采用以下方法中的一种或其它方法来完成。

(1)选择x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

(2)选择y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

(3)将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

(4)将y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

(5)将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k。

呼吸频率计算模块7根据呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f，并将呼吸频率f发送至呼吸信号显示模块8。计算呼吸频率f的具体过程为：

(1)检索由呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k所形成的波形中的所有波峰值，得到波峰值的个数l、第1个波峰值的时刻tm₁和最后一个波峰值的时刻tm_l；

(2)根据式(1)计算平均呼吸频率。

呼吸信号显示模块8用于接收呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号波形和呼吸频率计算模块7发送过来的呼吸频率，并将其以图形和数字的形式显示出来。

如图3所示，本发明非接触式呼吸检测装置使用时，先按以下方式进行安装：将图像采集模块3通过有线或无线的方式与数据处理器4相连，将光发射模块1放置在被检测者前方的某个位置，使光发射模块1所发射出来的光能以一定角度照射到被检测者的胸部或腹部，将光接收模块2放置在被检测者前方的某个位置，使光接收模块2可以接收到光发射模块1所发射出来的照射在被检测者的胸部或腹部并反射出来的光，将图像采集模块3放置在光接收模块2的前方，使光接收模块2的用于接收光的平面位于图像采集模块3的成像视野中。

安装完成后，按以下步骤使用本发明装置：

(1)打开光发射模块1的电源，使其发射出光；

(2)光发射模块1发射出来的光照射在被检测者的胸部或腹部，反射出来后照射在光接收模块2上，形成光点；

(3)图像采集模块3以一定的帧率采集光接收模块2上光点的图像，并将其通过有线或无线的方式发送给数据处理器4；

(4)图像处理模块5对数据处理器4接收到的每一帧图像进行处理，从中自动检测出光点，并计算出光点质心的位置，然后将该位置信息发送给呼吸信号生成模块6；

(5)呼吸信号生成模块6接收到图像处理模块5发送过来的位置信息，将这些位置信息按时间进行排序，形成光点的位置序列P₁,P₂,Λ,P_k、x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k，并根据这些序列信号生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，将呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k发送给呼吸频率计算模块7和呼吸信号显示模块8；

(6)呼吸频率计算模块7根据呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f，并将呼吸频率f发送至呼吸信号显示模块8；

(7)呼吸信号显示模块8接收到呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号波形和呼吸频率计算模块7发送过来的呼吸频率后，将其分别以图形和数字的形式显示出来；

(8)如果继续检测呼吸，则转至(2)，否则检测结束。

实施例：

为了使本发明的技术方案、有益效果及所要解决的技术问题更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。本实施例为操作者对患者的呼吸进行检测。

如图3所示，选择普通激光发射器作为光发射模块1，它会发射出对人体没有伤害的激光。选择一块白板作为光接收模块2，选择普通数字摄像头作为图像采集模块3，选择计算机作为数据处理器4。

先按以下方式进行安装：将数字摄像头通过USB数据线与计算机相连。患者躺在治疗床9上，将普通激光发射器通过支架固定在患者前方的某个位置，使普通激光发射器发射出来的光能够照射到患者的胸部，且激光与患者胸部平面成45°(也可以是其它角度)。将白板通过支架固定在患者前方的某个位置，使普通激光发射器所发射出来的照射在被检测者的胸部或腹部后反射出来的光始终都会照在白板上。将普通数字摄像头通过支架固定在白板的前方，使白板上运动的光点始终位于图像采集模块3的成像视野中。

安装完成后，按以下步骤使用本发明装置：

(1)打开普通激光发射器的电源，使其发射出激光；

(2)普通激光发射器发射出来的激光照射在患者的胸部，反射出来后照射在白板上，形成光点；

(3)普通数字摄像头以25帧/秒的帧率(或其它帧率)采集白板上光点的图像，并将其通过USB数据线发送给计算机；

(4)图像处理模块5对计算机接收到的每一帧图像进行处理，从中自动检测出光点，并计算出光点质心的位置，然后将该位置信息发送给呼吸信号生成模块6；

(5)呼吸信号生成模块6接收到图像处理模块5发送过来的位置信息，将这些位置信息按时间进行排序，得到光点的x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k，并以该序列信号作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，如图4所示，然后将呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k发送给呼吸频率计算模块7和呼吸信号显示模块8；

(6)呼吸频率计算模块7根据呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f，并将呼吸频率f发送至呼吸信号显示模块8；

(7)呼吸信号显示模块8接收到呼吸信号生成模块6发送过来的呼吸信号波形和呼吸频率计算模块7发送过来的呼吸频率后，将其分别以图形和数字的形式显示在计算机的屏幕上；

(8)如果继续检测呼吸，则转至(2)，否则呼吸检测结束。

以上所述为本发明的较佳实例，但本发明不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种非接触式呼吸检测装置，其特征在于，该系统包括光发射模块(1)、光接收模块(2)、图像采集模块(3)和数据处理器(4)；光发射模块(1)用于发射可聚集的光，照射在人体的胸部或腹部；光接收模块(2)用于接收光发射模块(1)发射的照射在人体胸部或腹部后反射出来的光，在其表面形成光点；图像采集模块(3)用于采集光接收模块(2)上显示的光点的图像，并通过有线或者无线的方式，发送到数据处理器(4)；数据处理器(4)用于对图像处理模块(3)发送过来的每一帧图像进行处理和分析，得到呼吸信号波形和呼吸频率等呼吸信息，并以图形、数字的形式显示出来。

2.根据权利要求1所述的非接触式呼吸检测装置，其特征在于，数据处理器(4)内设置有图像处理模块(5)、呼吸信号生成模块(6)、呼吸频率计算模块(7)和呼吸信号显示模块(8)；图像处理模块(5)用于对数据处理器(4)接收到的图像进行处理，从中自动检测出光点，并计算出光点质心的位置，然后将该位置信息发送给呼吸信号生成模块(6)；呼吸信号生成模块(6)用于接收图像处理模块(5)发送过来的位置信息，将这些位置信息按时间进行排序，形成光点的位置序列P₁,P₂,Λ,P_k、x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k，并根据这些序列信号生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k，将呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k发送给呼吸频率计算模块(7)和呼吸信号显示模块(8)；呼吸频率计算模块(7)根据呼吸信号生成模块(6)发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f，并将呼吸频率f发送至呼吸信号显示模块(8)；呼吸信号显示模块(8)用于接收呼吸信号生成模块(6)发送过来的呼吸信号波形和呼吸频率计算模块(7)发送过来的呼吸频率，并将其以图形和数字的形式显示出来。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式呼吸检测装置，其特征在于，呼吸信号生成模块(6)采用以下方法中的一种或其它方法来完成从光点的x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k生成呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

选择x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

选择y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算(如乘以某个系数)，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k；

将x坐标序列Px₁,Px₂,Λ,Px_k和y坐标序列Py₁,Py₂,Λ,Py_k进行某种运算，运算的结果作为呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k。

4.根据权利要求1或2所述的非接触式呼吸检测装置，其特征在于，呼吸频率计算模块(7)根据呼吸信号生成模块(6)发送过来的呼吸信号R₁,R₂,Λ,R_k自动计算呼吸频率f的具体过程为：

检索由呼吸信号序列R₁,R₂,Λ,R_k所形成的波形中的所有波峰值，得到波峰值的个数l、第1个波峰值的时刻tm₁和最后一个波峰值的时刻tm_l，根据下式计算平均呼吸频率；