CN109549648A - 一种智能呼吸内科用肺功能训练控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于肺功能训练技术领域，公开了一种智能呼吸内科用肺功能训练控制系统及方法，所述智能呼吸内科用肺功能训练控制系统包括：肺活量测量模块、呼吸频率采集模块、心电数据采集模块、主控模块、时间模块、训练等级设定模块、语音播放模块、评估模块、数据存储模块、显示模块。本发明通过肺活量测量模块采用高频高速ADC转化处理，数字滤波，以及后续算法处理，可以获得精准的肺活量数据而且易维护；同时，通过评估模块利用多变量时间序列分析技术来分析心肺耦合，对心动周期，呼吸，血压等多个变量采用频域和信息学的分析方法进行分析，很好地弥补了单变量的分析不足，从而更精确更全面地量化心肺系统间的复杂的调节机制。

Description

一种智能呼吸内科用肺功能训练控制系统及方法

技术领域

本发明属于肺功能训练技术领域，尤其涉及一种智能呼吸内科用肺功能训练控制系统及方法。

背景技术

肺是人体的呼吸器官，也是人体重要的造血器官，位于胸腔，左右各一，覆盖于心之上。肺活量的大小，与呼吸肌的力量和胸廓扩张的范围有关。在相对安静时，呼吸比较浅；而运动时，呼吸深度和呼吸次数都剧增。这时，就要求呼吸肌加强活动，加大胸廓扩张的能力，使大部分的肺泡得到扩张。这样，久而久之就能增强呼吸肌的力量，扩大胸廓活动范围，使充满气体的肺泡数量增多，所以肺活量也增大了；参加任何体力活动，都能增大肺活量。但是，由于运动项目的特点不同，对人体各器官影响程度也不一样：如游泳、潜水、长跑、武术、球类等运动项目，对呼吸器官机能的影响就较明显，相反举重等运动对呼吸机能的影响就较小，其肺活量相应也小。除了运动项目，腹式呼吸能增大肺活量，减轻肺部压力，比如唱歌时进行深呼吸可增大肺活量。然而，现有智能呼吸内科用肺功能训练控制系统测量的肺活量数据不准确，不能获取吹气速度数据信息；同时，现有采用单一生理参数判断心肺功能，不能准确全面地描述肺功能状态。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有智能呼吸内科用肺功能训练控制系统测量的肺活量数据不准确，不能获取吹气速度数据信息；同时，现有采用单一生理参数判断心肺功能，不能准确全面地描述肺功能状态。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能呼吸内科用肺功能训练控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种智能呼吸内科用肺功能训练控制方法，所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法包括：

(1)通过肺活量测量模块利用肺活量计测量用户肺活量数据；通过呼吸频率采集模块利用呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；通过心电数据采集模块利用心电检测仪采集用户心电数据信息；

(2)主控模块通过时间模块利用电子时间表显示时间信息；通过训练等级设定模块设定肺功能训练的等级难度；通过语音播放模块利用语音播报器播放训练提示信息；通过评估模块利用评估程序对用户的心肺功能进行评估；

(3)通过数据存储模块利用存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；最后，通过显示模块利用显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

进一步，所述肺活量测量模块测量方法包括：

用肺活量计旋转涡轮额定转速2倍以上整数倍的采集频率，采集一个吹气时间周期内的连续脉冲波形；

获取连续脉冲波形每一个脉冲波周期内波形平均值，作为连续波形基准值线；

依据基准值线以及叶片正转时电压一个周期内波形最大幅值点接近波形起始端的特征，统计叶片正转连续脉冲波形最大值拐点的个数，拐点的个数就是一个吹气有效时间段内的叶片正转脉冲波个数M；

根据公式：T＝一个脉冲波周期内采样点数/采样频率，获取每个脉冲的周期时长T₁、T₂……T_n；由公式：L＝M×α获得肺活量，系数α是肺活量计标称的每转对应的容量；由公式：获得第n个脉冲波周期的吹气速度以及一个吹气周期的平均速度。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法的智能呼吸内科用肺功能训练控制系统，所述智能呼吸内科用肺功能训练控制系统包括：

肺活量测量模块，与主控模块连接，用于通过肺活量计测量用户肺活量数据；

呼吸频率采集模块，与主控模块连接，用于通过呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；

心电数据采集模块，与主控模块连接，用于通过心电检测仪采集用户心电数据信息；

主控模块，与肺活量测量模块、呼吸频率采集模块、心电数据采集模块、时间模块、训练等级设定模块、语音播放模块、评估模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

时间模块，与主控模块连接，用于通过电子时间表显示时间信息；

训练等级设定模块，与主控模块连接，用于设定肺功能训练的等级难度；

语音播放模块，与主控模块连接，用于通过语音播报器播放训练提示信息；

评估模块，与主控模块连接，用于通过评估程序对用户的心肺功能进行评估；

数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法的计算机。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过肺活量测量模块节约电路设计成本，降低硬件电路风险，减少元器件频率限制及环境引入的干；采用高频高速ADC转化处理，数字滤波，以及后续算法处理，可以获得精准的肺活量数据而且易维护，通过本方法可以读取任意时刻的吹气速度；同时，通过评估模块利用多变量时间序列分析技术来分析心肺耦合，对心动周期，呼吸，血压等多个变量采用频域和信息学的分析方法进行分析，很好地弥补了单变量的分析不足，从而更精确更全面地量化心肺系统间的复杂的调节机制，而且这不仅量化心肺交互作用的耦合强度，还能对心肺交互作用的方向进行判断，对机体健康状态相关的生理病理信息描述更加详细精确，对心肺耦合分析评价自主神经系统功能具有极大的帮助。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能呼吸内科用肺功能训练控制系统结构示意图；

图中：1、肺活量测量模块；2、呼吸频率采集模块；3、心电数据采集模块；4、主控模块；5、时间模块；6、训练等级设定模块；7、语音播放模块；8、评估模块；9、数据存储模块；10、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的智能呼吸内科用肺功能训练控制系统包括：肺活量测量模块1、呼吸频率采集模块2、心电数据采集模块3、主控模块4、时间模块5、训练等级设定模块6、语音播放模块7、评估模块8、数据存储模块9、显示模块10。

肺活量测量模块1，与主控模块4连接，用于通过肺活量计测量用户肺活量数据；

呼吸频率采集模块2，与主控模块4连接，用于通过呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；

心电数据采集模块3，与主控模块4连接，用于通过心电检测仪采集用户心电数据信息；

主控模块4，与肺活量测量模块1、呼吸频率采集模块2、心电数据采集模块3、时间模块5、训练等级设定模块6、语音播放模块7、评估模块8、数据存储模块9、显示模块10连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

时间模块5，与主控模块4连接，用于通过电子时间表显示时间信息；

训练等级设定模块6，与主控模块4连接，用于设定肺功能训练的等级难度；

语音播放模块7，与主控模块4连接，用于通过语音播报器播放训练提示信息；

评估模块8，与主控模块4连接，用于通过评估程序对用户的心肺功能进行评估；

数据存储模块9，与主控模块4连接，用于通过存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；

显示模块10，与主控模块4连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

本发明提供的肺活量测量模块1测量方法如下：

a，用肺活量计旋转涡轮额定转速2倍以上整数倍的采集频率，采集一个吹气时间周期内的连续脉冲波形；

b，获取连续脉冲波形每一个脉冲波周期内波形平均值，作为连续波形基准值线；

c，依据基准值线以及叶片正转时电压一个周期内波形最大幅值点接近波形起始端的特征，统计叶片正转连续脉冲波形最大值拐点的个数，拐点的个数就是一个吹气有效时间段内的叶片正转脉冲波个数M；

d，根据公式：T＝一个脉冲波周期内采样点数/采样频率，获取每个脉冲的周期时长T₁、T₂……T_n；由公式：L＝M×α获得肺活量，系数α是肺活量计标称的每转对应的容量；由公式：获得第n个脉冲波周期的吹气速度以及一个吹气周期的平均速度。

本发明提供的评估模块8评估方法如下：

1)采集受试者7小时的体表心电信号、呼吸气流信号及食指末端的脉搏波信号；

2)对采集的体表心电信号逐拍提取RR间期序列{RRi，i＝1，2，3，…，N}，对采集的脉搏波信号逐拍提取PP间期序列{PPi，i＝1，2，3，…，N}，对采集的呼吸气流信号逐拍提取RA间期序列{RAi，i＝1，2，3，…，N}，并根据同步的体表心电信号和脉搏波信号，计算脉搏波传导时间PTT序列{PTTi，i＝1，2，3，…，N}；

4)从截取的4种时间序列的连续5分钟片段序列中提取2个特征参数，作为受试者不的心血管及肺系统的功能变化的判断指标；

5)将截取的4种时间序列的连续5分钟片段序列进行特定配对，并提取1个特征参数，作为受试者心血管及肺系统交互作用的判断指标；

6)建立神经网络心肺系统交互作用评估模型，将上述提取的3个特征参数作为神经输入矢量，训练神经网络，确定神经网络参数；

7)利用训练完成的神经网络对受试者进行心肺功能评估。

本发明工作时，首先，通过肺活量测量模块1利用肺活量计测量用户肺活量数据；通过呼吸频率采集模块2利用呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；通过心电数据采集模块3利用心电检测仪采集用户心电数据信息；其次，主控模块4通过时间模块5利用电子时间表显示时间信息；通过训练等级设定模块6设定肺功能训练的等级难度；通过语音播放模块7利用语音播报器播放训练提示信息；通过评估模块8利用评估程序对用户的心肺功能进行评估；然后，通过数据存储模块9利用存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；最后，通过显示模块10利用显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种智能呼吸内科用肺功能训练控制方法，其特征在于，所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法包括：

(1)通过肺活量测量模块利用肺活量计测量用户肺活量数据；通过呼吸频率采集模块利用呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；通过心电数据采集模块利用心电检测仪采集用户心电数据信息；

(2)主控模块通过时间模块利用电子时间表显示时间信息；通过训练等级设定模块设定肺功能训练的等级难度；通过语音播放模块利用语音播报器播放训练提示信息；通过评估模块利用评估程序对用户的心肺功能进行评估；

(3)通过数据存储模块利用存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；最后，通过显示模块利用显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

2.如权利要求1所述的智能呼吸内科用肺功能训练控制方法，其特征在于，所述肺活量测量模块测量方法包括：

用肺活量计旋转涡轮额定转速2倍以上整数倍的采集频率，采集一个吹气时间周期内的连续脉冲波形；

获取连续脉冲波形每一个脉冲波周期内波形平均值，作为连续波形基准值线；

依据基准值线以及叶片正转时电压一个周期内波形最大幅值点接近波形起始端的特征，统计叶片正转连续脉冲波形最大值拐点的个数，拐点的个数就是一个吹气有效时间段内的叶片正转脉冲波个数M；

根据公式：T＝一个脉冲波周期内采样点数/采样频率，获取每个脉冲的周期时长T₁、T₂……T_n；由公式：L＝M×α获得肺活量，系数α是肺活量计标称的每转对应的容量；由公式：获得第n个脉冲波周期的吹气速度以及一个吹气周期的平均速度。

3.一种实现权利要求1所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法的智能呼吸内科用肺功能训练控制系统，其特征在于，所述智能呼吸内科用肺功能训练控制系统包括：

肺活量测量模块，与主控模块连接，用于通过肺活量计测量用户肺活量数据；

呼吸频率采集模块，与主控模块连接，用于通过呼吸频率测试仪采集用户呼吸频率数据；

心电数据采集模块，与主控模块连接，用于通过心电检测仪采集用户心电数据信息；

主控模块，与肺活量测量模块、呼吸频率采集模块、心电数据采集模块、时间模块、训练等级设定模块、语音播放模块、评估模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

时间模块，与主控模块连接，用于通过电子时间表显示时间信息；

训练等级设定模块，与主控模块连接，用于设定肺功能训练的等级难度；

语音播放模块，与主控模块连接，用于通过语音播报器播放训练提示信息；

评估模块，与主控模块连接，用于通过评估程序对用户的心肺功能进行评估；

数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示控制系统界面及采集的肺活量、呼吸频率、心电数据信息。

4.一种应用权利要求1～2任意一项所述智能呼吸内科用肺功能训练控制方法的计算机。