CN105520734A - 一种呼吸检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种呼吸检测装置，具有体积小、功耗低、精度高的优点。本发明包括壳体和可伸缩带，其目的是提供一种根据呼吸时胸腹部产生的周期性变化，记录和检测呼吸频率和幅值的装置。所述壳体的内部安装有光电传感器。所述的伸缩带穿过壳体，有弹性的一侧安装有条纹带，有弹性的另一侧与壳体固定。所述的条纹带位于壳体内部，其穿过所述光电传感器中间并留一定的间隙。通过拉伸所述伸缩带，所述条纹带与光电传感器之间产生相对运动，从而得到移动的位移量。因为所输出的结果只与条纹带移动的位置有关，所以其抗干扰能力强。伸缩带长度可调，可满足不同人群需求。

Description

一种呼吸检测装置

技术领域

本发明涉及一种呼吸检测装置，尤其是一种呼吸频率和幅度检测装置

背景技术

呼吸是生理检测中的一个重要参数，能够对其进行非接触、动态的检测，在睡眠疾病诊断、临床监护、心血管系统的反馈调节等各个研究领域都有其重要的研究价值，从而在现代监护技术中，呼吸频率检测是其重要组成部分。

呼吸的检测有很多种方法，常用的检测方法有：1、压力法2、温感法3、阻抗法；常使用到的传感器包括：电阻应变式传感器，温度传感器，流量传感器，电容式传感器等，但这些呼吸检测方法在一定程度上都存在某些缺点。

第一种方法主要使用的是电阻应变式传感器，通过检测人体呼吸过程中，利用呼吸气时胸腹部产生的形变，而应变式传感器可以检测到这种形变从而检测到呼吸信号，但电阻应变式传感器中的电阻太小，则所需驱动电流太大，造成应变片发热产生的温度过高，输出的信号发生零点漂移明显，从而使设计的调零电路复杂化；而电阻太大会消减对外界的抗电磁干扰能力；第二种方法主要是利用温度传感器采集鼻腔或空腔内外的呼吸温度差转换为电量输出的方法，但传感器要与人体皮肤接触，往往会给人带来不适，并由于对外界环境温度敏感，从而使检测结果受外界影响过高；第三种方法主要是通过胸腹部变化时引起的阻抗变化实现对呼吸信号的检测，但一般需要在人体皮肤上贴电极片，相对比较麻烦并且精度低。

发明内容

本发明的目的在于结合光电传感技术和生物医学技术，设计出一种可穿戴式动态呼吸检测装置，是一种可根据胸腹部的周期性变化检测呼吸频率和幅值的装置。

本发明的呼吸检测装置包括壳体和伸缩带，所述壳体内部安装有光电传感器，所述伸缩带穿过壳体，所述的伸缩带有弹性的一侧安装有条纹带；所述条纹带和有弹性段的伸缩带位于所述壳体内部，条纹带二侧分别正对着光源发射器和光电检测器，并分别保持一定的间隙；通过拉伸所述伸缩带，使得所述条纹带与光电传感器之间发生相对运动，从而得到移动的位移量。

本发明所公开的装置，在使用时，将伸缩带缠绕使用者的腹部或胸部一周。应当适度调节伸缩带的松紧，使得安装有光电传感器的壳体紧密接触使用者的腹部或胸部。由于使用者呼吸时腹部或者胸部发生起伏变化，即拉伸或放松所述伸缩带必然会带动条纹带发生位移。当条纹带相对于光电传感器移动时，光源发射端产生的平行光穿过条纹带投影在光电检测器上，会形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅光条纹；明暗相间的叠栅光条纹通过光电检测器中的光敏二极管，使光信号转化成电脉冲信号；光敏二极管分成二组，一组正对着条纹膜片的透光面，一组正对着条纹膜片的暗光面；通过放大比较集成电路，从二个输出端分别得到二组相位相差90度的电脉冲信号。通过单片机处理模块对二组电脉冲信号放大、整形、辨向和累加计数产生数字信号输出，从而可以得到条纹带相对于光电传感器移动的位移量，并可判断条纹带相对于光电传感器的移动方向。再通过信号分析处理模块获得使用者呼吸频率和幅值的准确数值，所述信号分析处理模块为智能终端，即具有蓝牙通讯功能的智能手机或电脑。

本发明采用的是光电传感器，其输出的结果只与条纹带相对于条纹膜片移动时形成的明暗叠栅光条纹数有关，可以很大程度上减少外界环境的干扰，提高呼吸检测的准确率。同时本发明体积小，使用方便，性能稳定，抗电磁干扰，可以使用具有调节型的插扣式伸缩带，有利于不同人群使用。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明提供的一种呼吸检测装置的结构示意图；

图2为本发明壳体内伸缩带的结构示意图；

图3为本发明提供的一种呼吸检测装置的壳体结构示意图；

图4为本发明使用的光电传感器工作原理示意图；

图5为本发明总体系统设计结构框图；

图6为本发明单片机数据采集和处理的流程原理框图；

图中：1.伸缩带，2.固定点，3.壳体，4.连接点，5.条纹带，6.光电传感器，6-1.光源发射器，6-2.光电检测器，7.条形孔，8.夹槽，9.电路板，10.有弹性伸缩带，11.发光二极管，12.透镜，13.光敏二极管，14.比较集成电路，15.条纹膜片，16.插扣。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

在图1中，一种呼吸检测装置，包括壳体(3)、伸缩带(1)和所述壳体(3)内部安装的光电传感器(6)；所述伸缩带(1)穿过壳体(3)，所述伸缩带(1)中间连接有条纹带(5)并呈扁平状；所述条纹带(5)位于壳体(3)内部，穿过光电传感器(6)正中间；通过拉伸所述伸缩带(1)，使得条纹带(5)在光电传感器(6)中间移动；为便于不同人群使用，壳体外部伸缩带(1)由具有可调型插扣(16)连接；

在使用时，将本实施例的呼吸检测装置系于使用者的腹部或者胸部。调整伸缩带(1)的松紧度，使得不管使用者呼气还是吸气，壳体(3)都能够贴在使用者的腹部或者胸部。在系于使用者的腹部情况下，当使用者吸气时，腹腔扩张，相当于拉伸了伸缩带(1)；当使用者吸气时，腹腔收缩，之前被拉伸的伸缩带(1)恢复原来的状态。反之，在系于使用者的胸部情况下，当使用者呼吸气时，胸腔起伏动作与腹腔相反。由于本装置的结构，在使用者呼吸之间，伸缩带(1)必然会带动条纹带(5)作周期性的往复运动，导致穿过所述光电传感器(6)中的产生的明暗叠栅光条纹数发生变化。

在图1所示实施例中，位于所述壳体(3)内部、所述有弹性伸缩带(10)通过固定点(2)与壳体(3)固定连接，而其余部分的伸缩带(1)不具有弹性或弹性较小。从而在使用的时候，当腹部或者胸部随着呼吸而起伏时，由于腹部或者胸部产生的拉伸作用，使伸缩带(1)也产生水平方向的拉伸力，使得与伸缩带(1)和有弹性伸缩带(10)相连接的条纹带(5)会水平方向往复运动。在系于使用者的腹部情况下，当吸气时，由于腹部会向外扩张，从而使伸缩带(1)向右拉伸，所述条纹带(5)会水平向右移动，直到达到吸气时腹部扩大的最大值。当呼气的时候，由于腹部的收缩使所述有弹性伸缩带(10)的弹力作用下，伸缩带(1)水平向左收缩，所述条纹带(5)会水平向左移动，直到达到呼气时腹部收缩的最小值。在上述过程中，所述条纹带(5)往复运动一次表征了呼吸一次，所述条纹带(5)往复运动的位移量表征了呼吸的强弱，所述条纹带(5)往复运动的周期时间表征了呼吸一次所需时间。反之，在系于使用者的胸部情况下，当使用者呼吸气时，胸腔起伏动作与腹腔相反。

参见图2和图3，为了增加所述条纹带(5)与光电传感器(6)之间发生相对运动的位移幅度，所述伸缩带(1)通过固定点(2)与壳体(3)固定连接，使得在所述壳体(3)内部的伸缩带分成三部分，第一部分为有弹性伸缩带(10)，第二部分为条纹带(5)，第三部分为无弹性伸缩带(1)。所述有弹性伸缩带(10)和无弹性伸缩带(1)分别在条纹带(5)二端，通过连接点(4)连接在一起。

进一步，为了防止条纹带(5)在进行水平方向移动的时候，受到垂直方向移动干扰；所述壳体(3)内的有弹性伸缩带(10)和无弹性伸缩带(1)分别用夹槽(8)上下卡住并保持一定的间隙，保证伸缩带能顺利水平方向拉伸。壳体(3)的一端与有弹性伸缩带(10)固定并封闭；一端开有条形孔(7)，使得壳体(3)外部的伸缩带(1)只可以单向拉伸。

在图4所示实施例中，所述的光电传感器(6)包括光源发射器(6-1)和光电检测器(6-2)，二者正对并保持一定距离，条纹带(5)从中间穿过，所述光源发射器(6-1)包括发光二极管(11)和透镜(12)，所述发光二极管(11)位于透镜(12)前方；所述透镜(12)的作用在于，使发光二极管(11)发出的单一光源，通过透镜(12)发射出去的是平行光。所述光电检测器(6-2)包括条纹膜片(15)、光敏二极管(13)、比较集成电路(14)和二个输出端AB；所述条纹膜片(15)位于光敏二极管(13)正前方，并位于光电检测器(6-2)内。通过条纹带(5)与条纹膜片(15)的相对移动，从而导致穿过所述光电传感器(6)中的产生的明暗叠栅条纹数发生变化，并引起二个输出端AB的相位也发生变化，从而以此作进一步分析。

参见图1，在图4所示实施例中，当条纹带(5)相对于光电传感器(6)移动时，光源发射端(6-1)产生的平行光穿过条纹带(5)和条纹膜片(15)投影在光电检测器(6-2)上，会形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅光条纹。明暗相间的叠栅光条纹通过光电检测器(6-2)中的光敏二极管(13)，使光信号转化成电脉冲信号。所述光敏二极管(13)分成二组，一组正对着条纹膜片(15)的透光面，一组正对着条纹膜片(15)的暗光面，通过放大比较集成电路(14)，从二个输出端分别得到二组相位相差90度的电脉冲信号。输出的二组电脉冲由电路板(9)上的单片机接收，再通过单片机处理模块对二组电脉冲信号放大、整形、辨向和累加计数产生数字信号输出，从而可以得到条纹带(5)相对于光电传感器(6)移动的位移量，并可判断条纹带(5)相对于光电传感器(6)的移动方向。再通过信号分析处理模块获得使用者呼吸频率和幅值的准确数值。

本实施例所使用的光电传感器(6)和所述的夹槽(8)都安装在电路板(9)上。

在图5所示实施例中，本发明主要有三个模块，包括无线呼吸传感模块、信号分析处理模块和后端服务器。在其中单片机采用MSP430芯片，电源采用的是3.6v的锂电池并由单片机系统进行电源控制。其呼吸采集电路的主要工作原理是通过光电传感器(6)将条纹带(5)水平方向的移动量转化为电信号。所述信号分析处理模块为智能终端。

参见图4，由于光电传感器(6)输出有二个端口并输出的信号的相位相差90度，再通过单片机根据端口AB输出的信号来判断条纹带(5)是水平向左或向右运动，进而可以判断出使用者是呼气或吸气，并分别把呼吸气的幅度和呼吸一次的往复时间储存到存储模块，之后通过蓝牙发送到信号分析处理模块，再由专门编写的APP(第三方应用程序)进行显示、记录、分析和处理，从而得到呼吸频率和幅度。后端服务器可以记录、比较和分析用户数据，并进行远程监护。

本实施例中，所述条纹带(5)的精度可达到0.1mm，单片机采集数据的采集频率为2000Hz，时间间隔为500us。

在图6所示实施例中，说明了本发明数据采集和处理的流程。为了减少传感器的相位误差，采用了误差修正算法，单片机在对单次脉冲完成判向后，并不马上存入相应的计数变量中，而是经过一系列流程判断后，决定本次计数结果的去向。在本发明的算法中，通过使用一个长度为5个计数脉冲的计数窗口变量，对单次脉冲的方向性、有效性进行判断；并通过对计数窗口变量的变化情况对呼吸过程进行判断。

参见图6中，数据采集和处理算法的基本工作原理如下：

①对呼吸数据第i个计数脉冲进行方向判定，若连续5个计数脉冲为正向运动脉冲(Flag＞＝FLAGMAX)，则就认为处于方向稳定的正向计数状态，进行下一步判别；否则，就认为该脉冲处于非稳定状态，将此次脉冲计入临时计数变量(Temp)中。

②若上一次方向稳定的计数状态为反向计数(Flag_Past＝＝FLAGMIN)，则认为上次反向计数状态已结束，进入结果运算及数据存储过程，并将该脉冲计入正向计数变量(DrawCount)中；否则，仅仅将该脉冲计入正向计数变量(DrawCount)中。

③按照①②类似的方法对反向脉冲进行处理。

进一步通过单片机对条纹带(5)向左或向右的判断，假设所述条纹带(5)向右移动或者向左移动，分别得到正向脉冲或反向脉冲；通过单片机对脉冲的计数、判向和分析处理，从而得到水平移动的位移量和往复周期时间数据，并存储位移量和往复周期时间数据，再通过蓝牙发送到智能终端，再通过APP专门的信号处理算法对一定时间内的位移量和往复时间数据的分析处理，从而得到判断出呼吸的频率和幅度。后端服务器可以实现对呼吸数据存储、比较和分析，并对急性呼吸障碍或者老年人的呼吸状态可以进行远程监护。

Claims (7)

1.一种呼吸检测装置，其特征包括：包括壳体(3)、伸缩带(1)和所述壳体(3)的内部安装有光电传感器(6)，所述伸缩带(1)穿过壳体(3)呈扁平状，所述伸缩带(1)中间连接有条纹带(5)；所述条纹带(5)位于壳体(3)内部，所述条纹带(5)呈扁平状，穿过光电传感器(6)正中间；通过拉伸所述伸缩带(1)，使得条纹带(5)在光电传感器(6)中间移动；壳体(3)外部伸缩带(1)由插扣(16)连接。

2.根据权利要求1所述条纹带(5)，其特征在于由一定长度和宽度的透膜片，再按一定同等的间隔涂上同等条形面积黑色涂料特制而成，从而形成等间隔的黑白条纹膜片；为了提升条纹带(5)的拉伸强度和持久度，再用一块硬韧性良好的透明膜将其紧密包封，并二端用铁片紧固。

3.根据权利要求1所述的光电传感器(6)，其特征包括光源发射器(6-1)和光电检测器(6-2)。

所述光源发射器(6-1)，其特征在于：包括发光二极管(11)和透镜(12)，所述发光二极管(11)位于透镜(12)前方；

所述光电检测器(6-2)，其特征在于：包括条纹膜片(15)、光敏二极管(13)、比较集成电路(14)和二个输出端AB。

所述条纹膜片(15)位于光敏二极管(13)正前方，由一定长度和宽度的透膜片，再按一定同等的间隔涂上同等条形面积黑色涂料特制而成，从而形成等间隔的黑白条纹膜片，且固定在所述光电检测器(6-2)内部。

4.根据权利要求1所述的呼吸检测装置，其特征在于：所述条纹带(5)位于壳体(3)内，二端分别与伸缩带(1)的连接点(4)连接，属于伸缩带(1)的组成部分。

5.根据权利要求4所述的，其特征在于：所述伸缩带(1)通过固定连接点(2)与壳体(3)固定连接，所述固定连接点(2)位于所述条纹带(5)一侧。

6.根据权利要求4～5所述的呼吸检测装置，其特征在于：所述伸缩带(1)位于壳体(3)内的固定点(2)到连接点(4)段具有弹性为具有弹性段伸缩带(10)，其余部分伸缩带(1)没有弹性，位于壳体(3)内的伸缩带(1)穿过位于条纹带(5)二端的夹槽(8)，所述夹槽(8)位于壳体(3)内，夹槽(8)固定在壳体(3)上。

7.根据权利要求1和权利要求4～6所述的呼吸检测装置，其特征在于：所述伸缩带(1)为扁平状，所述壳体(3)的一端与有弹性伸缩带(10)固定并封闭；一端开有条形孔(7)，一端开有条形孔(7)，所述伸缩带(1)穿过所述条形孔(7)，在壳体(3)内，分别穿过二个夹槽(8)和光电传感器(6)，使得壳体(3)外部的伸缩带(1)只可以单向拉伸。