CN107997768A - 一种穿戴式呼吸测量装置和呼吸测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种穿戴式呼吸测量装置和呼吸测量方法，所述呼吸测量装置包括：呼吸传感器和与所述呼吸传感器连接的胸带，所述胸带用于将所述呼吸传感器束缚在胸部躯干；所述呼吸传感器包括：封装壳体和位于封装壳体内的压力检测单元；所述压力检测单元包括：基板、压电感测元件、信号处理装置、施压部和第一形变片。本发明采用微压力模型技术，将呼吸时胸腔产生的张力转化为垂直于胸腔的横向力，通过精确地采集微压力信号，经过电路处理后得到精确的呼吸频率与呼吸幅度值。

Description

一种穿戴式呼吸测量装置和呼吸测量方法

技术领域

本发明涉及穿戴式设备技术领域和生理参数测量技术领域，特别涉及一种穿戴式呼吸测量装置和呼吸测量方法。

背景技术

现有的呼吸频率测量方法有差压式气流检测法、热敏元件检测法、生物阻抗式检测法等。

差压式气流检测法测呼吸频率的原理是，人体在做呼气与吸气动作时，佩戴在鼻孔处的密闭呼吸罩内的压强会发生变化，气压传感器将压强的变化转化为电压信号的变化输出，通过对电压信号变化的识别得到呼吸频率。这种方法要求佩戴在鼻孔处的呼吸罩必须是密闭的，有一些群体无法正常佩戴呼吸罩。另外，这种测量方法不符合人体工效学，呼吸罩的佩戴舒适性直接影响被试者的测量结果。

热敏元件检测法是根据呼气和吸气过程中鼻腔内温度随之变化这一原理，利用由热敏元件构成的温度传感器去感知温度的变化，经电路把温度信号转化为反应温度变化的电压信号，通过对气流温度信号变化的识别，从而识别出呼吸状态的改变，检测到呼吸频率。这一方案也有一定的局限性，当外界环境温度与人体温度相近时，呼吸气流温度的变化很小，而且呼吸气流的温度变化很小，一般为1℃至2℃，以至于检测到的信号很弱，从而影响检测灵敏度与准确性。

生物阻抗式检测法，依据人体在做呼吸运动过程中体内某部分阻抗会发生变化这一自然现象。但是由于呼吸信号是低频信号，容易受到心脏跳动，血流，运动干扰等因素的影响，其中身体运动所带来的运动位差的影响尤其显著，这将影响呼吸频率值计算的准确性。

因此，需要一种能准确测量呼吸频率及呼吸幅度、佩戴舒适，能够在运动环境下进行测量的方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能准确测量呼吸的呼吸测量装置和呼吸测量方法。

一方面，本发明实施例提供一种穿戴式呼吸测量装置，所述呼吸测量装置包括：呼吸传感器和与所述呼吸传感器连接的胸带，所述胸带用于将所述呼吸传感器束缚在胸部躯干；所述呼吸传感器包括：封装壳体和位于封装壳体内的压力检测单元；所述压力检测单元包括：基板、压电感测元件、信号处理装置、施压部和第一形变片；

所述压电感测元件和信号处理装置固定在基板上；

所述施压部位于所述压电感测元件和第一形变片之间；

所述第一形变片中心与所述施压部的远离压电感测元件的一端固定连接，且具有面向所述压电感测元件方向弯曲的弧度；

所述第一形变片的在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述胸带的两个端部连接；

其中，所述压电感测元件检测来自施压部的压力并产生相应的电信号，所述信号处理装置用于将所述压电感测元件产生的电信号进行处理，生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。

优选地，所述呼吸测量装置还包括与信号处理装置连接的有线和\或无线信号传输模块。

优选地，所述压力检测单元还包括拉环，所述第一形变片的两个端部通过所述拉环分别与所述胸带的两个端部连接。

优选地，所述压力检测单元还包括：

差分放大器，用于对所述压电感测元件产生的电信号进行差分放大；以及

低通滤波器，用于将所述差分放大器放大后的电信号进行滤波。

优选地，所述基板为集成有所述信号处理装置、所述差分放大器和所述低通滤波器的印刷电路板。

优选地，所述施压部包括：固定在所述压电感测元件上的球形触点，以及与所述球形触电接触的、位于所述球形触点与所述第一形变片之间的施压杆。

优选地，所述第一形变片为聚碳酸酯软片。

优选地，所述压力检测单元还包括第二形变片，所述第二形变片位于所述基板的下方，且具有面向所述基板方向弯曲的弧度；所述第二形变片在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述胸带的两个端部连接。

另一方面，本发明实施例还提供一种穿戴式呼吸传感器，所述呼吸传感器包括：封装壳体、两个拉环和位于封装壳体内的压力检测单元；所述压力检测单元包括：基板、压电感测元件、信号处理装置、施压部和第一形变片；

所述压电感测元件和信号处理装置固定在基板上；

所述施压部位于所述压电感测元件和第一形变片之间；

所述第一形变片中心与所述施压部的远离压电感测元件的一端固定连接，且具有面向所述压电感测元件方向弯曲的弧度；

所述第一形变片的在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述两个拉环的一端部连接，所述两个拉环从所述封装壳体的两端部伸出；

其中，所述压电感测元件检测来自施压部的压力并产生相应的电信号，所述信号处理装置用于将所述压电感测元件产生的电信号进行处理，生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。

另一方面，本发明实施例还提供一种呼吸测量方法，所述呼吸测量方法包括以下步骤：

通过胸带连接形变片，使得呼吸时因胸腔扩张而沿胸带产生的拉力带动形变片发生形变，并使得该形变在形变片的面向被测者一侧产生压向被测者胸腔的压力；

利用压电感测元件感测所述压力，基于所述压力的变化生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。

优选地，将所测得的呼吸信息通过有线或无线信号传输方式传递给外部装置。

本发明实施例采用微压力模型技术，将呼吸时胸腔产生的张力转化为垂直于胸腔的横向力，通过精确地采集微压力信号，经过电路处理后得到精确的呼吸频率与呼吸幅度值。

本领域技术人员应当理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本发明实施例中呼吸测量方法的流程图；

图2为本发明实施例中穿戴式呼吸传感器的立体图；

图3为本发明实施例中压电感测元件的剖面示意图；

图4为本发明实施例中呼吸传感器的主视图；

图5为本发明实施例中呼吸测量装置的电气部分框图；

图6为本发明实施例中呼吸测量装置受力转换过程示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明实施例中，是通过利用胸带将呼吸传感器束缚于被测者的胸腔躯干，并通过将呼吸时胸腔收缩或扩张而引起的胸带的拉力变化转换为垂直于该拉力面向被测试者皮肤的压力的变化来测试呼吸信息，该呼吸信息可包括呼吸频率和/或呼吸幅度。图1为本发明实施例中呼吸测量方法的流程图，如图1所示，本发明提供了一种呼吸测量方法，包括以下步骤：

步骤S100，通过胸带连接形变片，使得呼吸时因胸腔扩张而沿胸带产生的拉力带动形变片发生形变，并使得该形变在形变片的面向被测者一侧产生压向被测者胸腔的压力。

步骤S110；利用压电感测元件感测上述压力，基于压力的变化生成呼吸信息。

作为本发明的优选实施方案，可将所测得的呼吸信息通过有线或无线信号传输方式传递给外部装置，例如，可通过设在呼吸传感器外壳上的USB接口传输给外部手机或其他终端，也可以通过设置在呼吸传感器中的蓝牙模块或Wi-Fi无线通信模块将测得的信号传递给手机或其他外部终端。

本发明实施例提供的呼吸测量方法，通过胸带环绕胸腔一圈、将形变片穿戴在胸腔附近，能够将呼吸时胸腔收缩、扩张时在胸带上产生的拉力变化通过形变片转化为对压电感测元件的压力，压电感测元件受到不同的压力输出不同的电信号，通过对收集的电信号进行处理便可计算出呼吸频率和\或呼吸幅度等信息。

基于如上方法，本发明提供了一种可穿戴式呼吸测量装置，呼吸测量装置包括呼吸传感器和与呼吸传感器连接的胸带10，胸带10用于将呼吸传感器束缚在胸部躯干。本发明实施例中，胸带优选地为长度可调节的胸带。图2为本发明实施例中呼吸传感器的立体图。图3示出了本发明实施例传感器中的压力检测单元的剖面图，图4为本发明实施例中穿戴式呼吸传感器的主视图。

如图2所示，呼吸传感器整体呈盒状，其包括封装壳体9和位于封装壳体9内的压力检测单元(图2中未示出)。

如图3所示，压力检测单元包括：基板7、固定在基板7上的压电感测元件6、固定在基板7上的信号处理装置(未示出)、施压部和第一形变片2。施压部位于压电感测元件6和第一形变片2之间。

在本发明优选实施例中，压电感测元件6可以是利用压电晶体、压电陶瓷等的压电效应制成的感测器件。由于现有技术中存在多种压电感测器件，在此不再一一赘述。

在本发明一实施例中，施压部可以是一个连杆4，连杆一端固定在形变片2中心位置，另一端与压电感测元件紧密接触；连杆可以通过胶体或螺丝3等方式固定在形变片内壁。

在本发明另一实施例中，施压部包括可连杆4和球形触点5，连杆一端固定在第一形变片2中心位置，另一端与球形触点紧密接触。球形触点固定在压电感测元件上，设置球形触点是为了保证连杆传导的压力均匀地作用到应变底座上，避免因受力方向或受力面过小带来的测量误差，同时使得连杆不容易受外力而变形或折断。

此外，优选地，连杆与球形触点接触的一端可具有半球形内凹部，以与球形触点紧密扣合。

第一形变片2中心与施压部的远离压电感测元件的一端固定连接，且具有一弧度，该弧度为面向压电感测元件方向弯曲。

第一形变片2优选为常温下易于发生弹性形变但抗拉程度高、不易被撕裂、不易被拉长的薄片，如聚碳酸酯(PC)软片、金属弹片等，但并不限于此。封装壳体9为常温下硬度较高、不易发生形变的材质，如塑料等(并不限于此)，避免影响到形变片的形变，对测量结果造成影响。

第一形变片2的在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与胸带10的两个端部连接，在被测者呼吸而胸腔收缩或扩张时，通过胸带伸缩带来的拉力变化使得形变片发生形变。

在一优选实施例中，压力检测单元还可包括拉环1，第一形变片2的两个端部通过拉环分别与胸带10的两个端部连接，两端的拉环从封装壳体9伸出，并在拉环被拉伸时可相对于封装壳体移动。设置拉环便于更换胸带，降低后期维修成本。

第一形变片2受到胸带10的拉伸后产生压向被测者胸腔的压力，压迫施压部，压电感测元件6检测来自施压部的压力并产生相应的电信号，信号处理装置用于将压电感测元件产生的电信号进行处理，生成呼吸信息。

作为本发明的优选实施方案，呼吸传感器还包括与信号处理装置连接的有线和\或无线信号传输模块，用于传输压电感测元件采集的电信号和\或信号处理装置生成的呼吸信息。有线信号传输模块例如为USB接口11，或其他类型的接口。无线信号传输模块例如为蓝牙模块或Wi-Fi模块等，但并不限于此。

在本发明一实施例中，压力检测单元还可包括第二形变片8，第二形变片8位于基板7的下方，且具有面向基板7方向弯曲的弧度；第二形变片8在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与胸带10的两个端部连接。第二应变片8可以与第一应变片的材料相同或不同。

在一优选实施例中，压力检测单元还包括差分放大器和低通滤波器。测量时，可利用差分放大器对电压信号进行放大，便于后续处理；然后，放大后的电压信号经低通滤波器过滤掉高频信号以排除无关信号的干扰，提高测量精度；随后将滤波后的信号传输到信号处理装置中进行运算处理，通过信号处理装置输出呼吸频率和呼吸幅度。

在发明一实施例中，基板7可为印刷电路板(PCB)，其可以将信号处理装置、差分放大器和低通滤波器等进行集成，从而提高元件的集成度，缩小呼吸处理装置的体积，降低成本。

本发明实施例中，呼吸传感器优选地采用恒压源作为电源以驱动电路。

如图5为本发明实施例中呼吸测量装置的电气部分框图，在利用本发明提供的呼吸测量装置时，首先通过胸带将呼吸传感器固定在胸腔附近，呼吸时呼吸测量装置的受力转换过程如图6所示，呼吸时胸腔会产生张力，张力作用于胸带产生拉力F1、F2，使得传感器的两端的拉环拉紧，呼吸测量装置的第一形变片受力形变，压迫施压部，将拉力F1、F2转化成垂直于胸腔的横向力F3，并作用于压电感测元件，压电感测元件根据受到的作用力产生相应的电压信号；电压信号经差分放大器进行放大，放大后的信号再经低通滤波器进行滤波；随后利用信号处理装置对滤波后的信号进行处理，生成呼吸频率和呼吸幅度等信息并输出。整个过程中可由呼吸传感器内置的恒压源作为电源以驱动电路。

与传统的呼吸频率检测技术相比，本发明所提供的技术方案无需被试者佩戴鼻面罩、鼻夹或者咬口器，更符合人体工效学，因而对人因工程的研究或者心理学领域的研究起到积极的作用。本发明降低了被试者在被测量过程中的不适和紧张感；可以不限制被试者活动、长时间动态地检测被试者的呼吸频率；此外，本发明的呼吸传感器提高了测量精度，可以在运动的情况下实时监测信号；方便易携带，安全无隐患，操作简单且价格低廉，灵敏度高。

在实际实用过程中，可以通过对被测试者在运动过程中产生的呼吸频率和/或幅度来检测被测试者的状态。在对被测试者进行测量之前，优选地先可先基于非运动状态下各个被测试者的正常呼吸状态对呼吸传感器进行初始设置，从而可以针对不同用户均能进行精确测量。

在本发明另一实施例中，在测量时，压电感测元件产生的电信号利用有线或无线信号传输模块传输到外部电路进行后续放大、滤波、计算等处理操作。呼吸测量装置中的基板不集成差分放大器、低通滤波器，转而将压电感测元件产生的电压信号通过有线或无线信号传输模块传输到外部电路，通过外部电路上的差分放大器、低通滤波器以及处理器进行上述电压信号放大及滤波步骤和呼吸频率及呼吸幅度计算步骤。

这种方案相较于前一优选实施方式的好处在于：集成在内部基板上的差分放大器、低通滤波器以及处理器受限于基板的大小、散热等因素不能做的太复杂；将这些元件独立出来放到外部电路，能够根据不同测量精度的需求更换精度更高的差分放大器、低通滤波器、处理器等，更好地适用于不同的测量场合，降低生产成本以及后期维护成本。

本发明的目的在于改善传统的呼吸参数测量技术中信号检测不明显、易受环境温度影响、佩戴不舒适、易受躯体运动干扰等问题。

本发明采用微压力模型技术，将呼吸时胸腔产生的张力转化为垂直于胸腔的横向力，通过精确地采集微压力信号，经过电路处理后得到精确的呼吸频率与呼吸幅度值。

本发明提供的呼吸测量装置小巧，易于携带，并且操作简单，适用领域广；相较于传统的呼吸测量方式，本发明提供的呼吸测量装置测量精度更高，并且防抖动，佩戴舒适，可以在运动时同步测量，并且可长时间动态测量呼吸频率和呼吸幅度。

如上针对一个实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述呼吸测量装置包括：呼吸传感器和与所述呼吸传感器连接的胸带，所述胸带用于将所述呼吸传感器束缚在胸部躯干；所述呼吸传感器包括：封装壳体和位于封装壳体内的压力检测单元；所述压力检测单元包括：基板、压电感测元件、信号处理装置、施压部和第一形变片；

所述压电感测元件和信号处理装置固定在基板上；

所述施压部位于所述压电感测元件和第一形变片之间；

所述第一形变片中心与所述施压部的远离压电感测元件的一端固定连接，且具有面向所述压电感测元件方向弯曲的弧度；

所述第一形变片的在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述胸带的两个端部连接；

其中，所述压电感测元件检测来自施压部的压力并产生相应的电信号，所述信号处理装置用于将所述压电感测元件产生的电信号进行处理，生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。

2.根据权利要求1所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述呼吸测量装置还包括与信号处理装置连接的有线和\或无线信号传输模块。

3.根据权利要求1所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述压力检测单元还包括拉环，所述第一形变片的两个端部通过所述拉环分别与所述胸带的两个端部连接。

4.根据权利要求1所述的穿戴式器呼吸测量装置，其特征在于，所述压力检测单元还包括：

差分放大器，用于对所述压电感测元件产生的电信号进行差分放大；以及

低通滤波器，用于将所述差分放大器放大后的电信号进行滤波。

5.根据权利要求4所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述基板为集成有所述信号处理装置、所述差分放大器和所述低通滤波器的印刷电路板。

6.根据权利要求1所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述施压部包括：固定在所述压电感测元件上的球形触点，以及与所述球形触电接触的、位于所述球形触点与所述第一形变片之间的施压杆。

7.根据权利要求1所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述第一形变片为聚碳酸酯软片。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的穿戴式呼吸测量装置，其特征在于，所述压力检测单元还包括第二形变片，所述第二形变片位于所述基板的下方，且具有面向所述基板方向弯曲的弧度；所述第二形变片在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述胸带的两个端部连接。

9.一种穿戴式呼吸传感器，其特征在于，所述呼吸传感器包括：封装壳体、两个拉环和位于封装壳体内的压力检测单元；所述压力检测单元包括：基板、压电感测元件、信号处理装置、施压部和第一形变片；

所述压电感测元件和信号处理装置固定在基板上；

所述施压部位于所述压电感测元件和第一形变片之间；

所述第一形变片中心与所述施压部的远离压电感测元件的一端固定连接，且具有面向所述压电感测元件方向弯曲的弧度；

所述第一形变片的在弯曲的弧度方向上的两个端部分别与所述两个拉环的一端部连接，所述两个拉环从所述封装壳体的两端部伸出；

其中，所述压电感测元件检测来自施压部的压力并产生相应的电信号，所述信号处理装置用于将所述压电感测元件产生的电信号进行处理，生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。

10.一种呼吸测量方法，其特征在于，所述呼吸测量方法包括以下步骤：

通过胸带连接形变片，使得呼吸时因胸腔扩张而沿胸带产生的拉力带动形变片发生形变，并使得该形变在形变片的面向被测者一侧产生压向被测者胸腔的压力；

利用压电感测元件感测所述压力，基于所述压力的变化生成呼吸信息，所述呼吸信息包括呼吸频率和/或呼吸幅度信息。