CN107260174A - 一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统及方法，其特征在于：其包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统；所述RC正弦波振荡电路用于提供两路正弦波信号，一路作为基准比较信号发送到所述相位差检测模块，另一路以胸腔为传导介质加入到人体，并利用电极提取出呼吸率检测信号后发送到所述相位差检测模块；所述相位差检测模块对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行相位检测，输出稳定的相位差矩形波脉冲信号并发送到所述呼吸率计算及无线通信模块；所述呼吸率计算及无线通信模块根据接收到的相位差矩形波脉冲信号实现呼吸率计算，并通过无线通信与所述上位机进行数据交换。

Description

一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统及方法
技术领域
本发明涉及穿戴式人体呼吸生理状态检测领域，特别是涉及一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统及方法。
背景技术
在人体生理活动中，呼吸率是反映人体肺部和呼吸系统生理功能的重要参数和指标，呼吸率对人体生理状态、能量消耗、呼吸系统疾病以及神经系统病症的预测和辅助康复具有非常重要的意义。
近年来，呼吸率的检测方法主要有传统的呼吸机检测、压电式检测和基于呼吸感应描记法呼吸率检测。其中，呼吸机检测主要用于危重病人的病理诊断，但是其体积庞大，辅助设备繁琐，不适用于运动监护和穿戴测量。压电式检测是指采用压电式的方法进行，通过检测呼吸过程中胸腔形变实现呼吸率的检测，其原理是利用应变片或者压电片作为传感器，在呼吸过程中，呼吸运动带动胸腔外部肌肉形变，通过检测肌肉形变产生的压力，来检测呼吸动作，测量呼吸率。基于呼吸感应描记法呼吸率检测是采用呼吸感应体积描记法实现呼吸信号检测计算呼吸率，该方法由于采用金属线圈，以胸腔活动作为人体等效电容填充物质，利用谐振原理实现测量，因此线圈的弹性和与身体的接触程度决定测量的稳定性和准确性，该方法目前仅适合于静止状态下的呼吸率检测。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统及方法，能够为患有呼吸系统疾病的穿戴者提供稳定的病理性和生理性检测和监控，也可以为其他健康穿戴者提供日常生活中的呼吸健康监护。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其特征在于：其包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统；所述RC正弦波振荡电路用于提供两路正弦波信号，一路作为基准比较信号发送到所述相位差检测模块，另一路以胸腔为传导介质加入到人体，并利用电极提取出呼吸率检测信号后发送到所述相位差检测模块；所述相位差检测模块对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行相位检测，输出稳定的相位差矩形波脉冲信号并发送到所述呼吸率计算及无线通信模块；所述呼吸率计算及无线通信模块根据接收到的相位差矩形波脉冲信号实现呼吸率计算，并通过无线通信与所述上位机进行数据交换。
所述相位差检测模块包括信号整形电路和相位做差电路，所述信号整形电路用于对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行整形，生成矩形波信号并发送到所述相位做差电路；所述相位做差电路用于对两路矩形波信号进行做差，得到两矩形波信号的相位差矩形脉冲信号，并发送到所述呼吸率计算及无线通信模块。
所述呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，通过计算单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到所述上位机系统。
一种基于所述系统的基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)设置一基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统；2)将RC正弦波振荡电路的输出端分两路，一路作为基准比较信号直接与相位差检测模块相连，另一路通过电极以胸腔为传导介质加入到人体，利用电极提取出呼吸率检测信号，并发送到相位差检测模块；3)相位差检测模块根据接收到的正弦波基准比较信号和呼吸率检测信号，进行信号整形和相位做差，生成相位差矩形脉冲信号，发送到呼吸率计算及无线通信模块；4)呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，根据单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到上位机系统。
所述步骤3)中，正弦波基准比较信号U1为：
U1＝VS＝U0mcos(ωt)；
式中，VS为RC正弦波振荡电路的振荡信号源，U0m为RC正弦波振荡电路输出信号峰值，ω为RC正弦波振荡电路的振荡频率。
所述呼吸率检测信号U2为：
式中，为通过胸腔呼吸运动后产生的相移；电阻R为固定电阻，电容C为呼吸作用等效电容。
所述相位差矩形脉冲信号为：
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用呼吸相位差的方式实现呼吸率检测，与呼吸机检测的方式相比，更加适用于穿戴式呼吸率检测和运动状态下呼吸率检测。2、本发明采用呼吸相位差的方式实现呼吸率检测，综合考虑了人体运动状态下的干扰和影响，与压电式的呼吸检测方法和基于呼吸感应体积描记法进行呼吸率检测相比降低了外界干扰和影响，更适合人体呼吸率的日常生活中检测。本发明结构简单，操作方便，可以广泛应用于穿戴式人体呼吸生理状态检测领域。
附图说明
图1是本发明呼吸率测量原理模型图；
图2是本发明基于呼吸相位差的呼吸率检测系统总体框图；
图3是本发明RC正弦波振荡电路示意图；
图4是本发明基于呼吸相位差法实现呼吸率检测的波形变换过程图。
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以解释本发明，并不用于限定本发明。
人体胸腔的特殊性可以等效为一个人体电容，呼吸过程导致电容的填充物质发生变化，从而出现一定的相位偏移，与基准信号相比，二者之间存在一个相位差，每一个相位差都对应着一次呼吸运动。
如图1所示，呼吸率测量原理模型图包括RC振荡电路、信号整形模块、信号比较模块、呼吸率计算及无线通信模块四部分。RC振荡电路中，Vs为RC振荡信号源，用于产生100KHz的稳定正弦波信号；电阻R为固定电阻，电容C为呼吸作用等效电容，用于体现胸腔呼吸过程。RC振荡电路用于产生稳定的两路100KHz正弦波信号，其中一路正弦波信号作为基准比较信号U1传送到信号整形模块，另一路正弦波信号则通过电极加载到胸腔左侧部分作为测量信号输入，该正弦波信号经过胸腔后，随着呼吸作用，产生信号相位差，生成呼吸率测量信号U2，由电极检测后发送到信号整形模块。信号整形模块根据接收到的基准比较信号U1和呼吸率测量信号U2生成两路矩形波信号，并发送到信号比较模块。信号比较模块根据生成的两路矩形波信号，获得相位差信号并发送到呼吸率计算及无线通信模块。呼吸率计算及无线通信模块根据单位时间内获得的相位差个数，计算呼吸率，并通过无线通信将数据传递给上位机做进一步分析。
如图2所示，本发明提供的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统。RC正弦波振荡电路用于提供两路正弦波信号，一路作为基准比较信号直接发送到相位差检测模块，另一路以胸腔为传导介质加入到人体，并利用电极提取出呼吸率检测信号后发送到相位差检测模块；相位差检测模块对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行相位检测，输出稳定的相位差矩形波脉冲信号并发送到呼吸率计算及无线通信模块；呼吸率计算及无线通信模块根据接收到的相位差矩形波脉冲信号实现呼吸率计算，并通过无线通信与上位机进行数据交换。
如图3所示，RC正弦波振荡电路包括电阻R1～R5、电容C1、C2、二极管D1、D2以及一运算放大器。运算放大器的同相输入端引出两支路，其中一支路上串联连接电阻R1、R2后与运算放大器的输出端相连，另一支路上串联电阻R5后接地。运算放大器的反相输入端引出两支路，其中一支路上串联连接电阻R3和电容C1后与运算放大器的输出端相连，另一支路上并联连接电阻和电容C2后接地。其中，电阻R3和电容C1、电阻R4和电容C2构成用于稳定频率选择的串并联选频网络；电阻R1、R2、R5以及运算放大器构成用于保证电路起振并真反馈网络；两二极管D1、D2分别并联连接在电阻R2两端，且两二极管的导通方向相反，用于起振后保持振荡稳定。运算放大器的输出端作为整个RC振荡电路的输出端，该输出端分为两路，一路直接与相位差检测模块的一输入端相连，另一路通过电极以胸腔为传导介质加入到人体，并利用电极提取出呼吸率检测信号后与相位差检测模块的另一输入端相连。
相位差检测模块包括信号整形电路和相位做差电路，信号整形电路用于对接收到的两路正弦波信号进行整形，生成矩形波信号并发送到相位做差电路。相位做差电路用于对两路矩形波信号进行做差，得到两矩形波信号的相位差矩形脉冲信号，并发送到呼吸率计算及无线通信模块(如图4所示)。
呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，通过计算单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到上位机系统进行进一步处理。
上述实施例中，电阻R3和电阻R4阻值相同，电容C1和电容C2的电容值相同。
根据上述提出的基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，本发明还提供一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，包括以下步骤：
1)将RC正弦波振荡电路的输出端分两路，一路作为基准比较信号直接与相位差检测模块相连，另一路通过电极以胸腔为传导介质加入到人体，利用电极提取出呼吸率检测信号，并发送到相位差检测模块。
RC正弦波振荡电路中，根据起振要求，电阻R1、R2和R5保证初始状态下，放大倍数和相位符合振荡要求。其中二极管D1、D2起稳定电路的作用，当未起振时，二极管D1、D2接近于开路，由二极管D1、D2和第三电阻R3组成的并联支路的等效电路近似为有利于起振；当电路起振后，信号幅值很大时，二极管D1或者D2导通，由第三电阻R3和二极管D1、D2导通电阻组成的并联支路的等效电阻减小，放大倍数随之下降，输出信号幅值趋于稳定。
2)相位差检测模块根据接收到的正弦波基准比较信号和呼吸率检测信号，进行信号整形和相位做差，生成相位差矩形脉冲信号，发送到呼吸率计算及无线通信模块。
由图1可知，RC振荡电路产生的基准比较信号U1为：
U1＝VS＝U0mcos(ωt) (1)
其中，VS为RC正弦波振荡电路的振荡信号源，U0m为RC正弦波振荡电路的输出信号峰值，ω为RC正弦波振荡电路的振荡频率。
经呼吸作用后输出的呼吸率检测信号U2为：
其中，为通过胸腔呼吸运动后产生的相移，ω为RC正弦波振荡电路的振荡频率，且：
将式(1)和(2)写成模和幅角的形式，为：
即经过呼吸运动后两路正弦波信号产生的相位差为：
如图4所示，为本发明基于呼吸相位差法实现呼吸率检测的波形变换过程图。其中，U1为基准比较信号正弦波，U2为经过呼吸过程提取出的呼吸率检测信号，U11和U22为经过相位差检测模块后生成的矩形波信号，Uo为相位差计算后生成的相位差矩形脉冲信号，用于计算呼吸率。
3)呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，根据单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到上位机系统进行进一步处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其特征在于：其包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统；
所述RC正弦波振荡电路用于提供两路正弦波信号，一路作为基准比较信号发送到所述相位差检测模块，另一路以胸腔为传导介质加入到人体，并利用电极提取出呼吸率检测信号后发送到所述相位差检测模块；所述相位差检测模块对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行相位检测，输出稳定的相位差矩形波脉冲信号并发送到所述呼吸率计算及无线通信模块；所述呼吸率计算及无线通信模块根据接收到的相位差矩形波脉冲信号实现呼吸率计算，并通过无线通信与所述上位机进行数据交换。
2.如权利要求1所述的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其特征在于：所述相位差检测模块包括信号整形电路和相位做差电路，所述信号整形电路用于对接收到的基准比较信号和呼吸率检测信号进行整形，生成矩形波信号并发送到所述相位做差电路；所述相位做差电路用于对两路矩形波信号进行做差，得到两矩形波信号的相位差矩形脉冲信号，并发送到所述呼吸率计算及无线通信模块。
3.如权利要求1所述的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其特征在于：所述呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，通过计算单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到所述上位机系统。
4.一种基于权利要求1～3任一项所述系统的基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)设置一基于呼吸相位差法的呼吸率检测系统，其包括RC正弦波振荡电路、相位差检测模块、呼吸率计算及无线通信模块以及上位机系统；
2)将RC正弦波振荡电路的输出端分两路，一路作为基准比较信号直接与相位差检测模块相连，另一路通过电极以胸腔为传导介质加入到人体，利用电极提取出呼吸率检测信号，并发送到相位差检测模块；
3)相位差检测模块根据接收到的正弦波基准比较信号和呼吸率检测信号，进行信号整形和相位做差，生成相位差矩形脉冲信号，发送到呼吸率计算及无线通信模块；
4)呼吸率计算及无线通信模块接收到相位差矩形脉冲信号后，根据单位时间内相位差个数计算得到呼吸率，并通过无线通信模块发送到上位机系统。
5.如权利要求4所述的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，正弦波基准比较信号U1为：
U1＝VS＝U0mcos(ωt)；
式中，VS为RC正弦波振荡电路的振荡信号源，U0m为RC正弦波振荡电路输出信号峰值，ω为RC正弦波振荡电路的振荡频率。
6.如权利要求4所述的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，其特征在于：所述呼吸率检测信号U2为：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>j</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>j</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>R</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
式中，为通过胸腔呼吸运动后产生的相移；电阻R为固定电阻，电容C为呼吸作用等效电容。
7.如权利要求4所述的一种基于呼吸相位差法的呼吸率检测方法，其特征在于：所述相位差矩形脉冲信号为：
<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mfrac> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 2
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