CN110123293A - 一种呼吸与心率的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呼吸与心率的测量方法及系统，本发明的柔性传感器的中间层设置有若干通孔，增强了传感器的柔性，在测量时能够产生更大的形变，还可更好的与待测量处贴合，以提高其灵敏度，确保测量结果的准确性；另外，基于频率差异对柔性传感器获得的呼吸心跳耦合电信号进行信号分离以获得呼吸信号和心率信号，基于精度高的柔性传感器的呼吸与心率的测量系统的测量结果更加精确，准确度更高，克服现有技术中存在呼吸与心率的测量系统的准确度和精度低下的技术问题。

Description

一种呼吸与心率的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及生物信号测量领域，尤其是一种呼吸与心率的测量方法及系统。

背景技术

实时监测心率与呼吸信号对心血管疾病、呼吸系统疾病以及运动员训练过程中的身体状况与训练强度具有十分重要的意义。然而，已知的心率与呼吸测量系统的测量数据存在测量结果不准确、精度低下的缺陷，因此，亟需对该技术做出改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种呼吸与心率的测量方法及系统，用于提高心率信号和呼吸信号的测量精度和测量结果准确度。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种呼吸与心率的测量系统，包括柔性传感器和信号处理主控模块，所述柔性传感器包括第一驻极体层、第二驻极体层、中间层、第一电极层及第二电极层，所述中间层固定于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间，所述第一电极层固定于所述第一驻极体层上，所述第二电极层固定于所述第二驻极体层上，所述中间层上设有若干通孔；

所述柔性传感器用于接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将所述机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号，所述信号处理主控模块用于根据频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述信号处理主控模块的输入端连接。

进一步地，所述信号处理主控模块用于根据信号频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行波形处理以获取所述呼吸信号和所述心率信号。

进一步地，所述信号处理主控模块包括低通滤波器和高通滤波器，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述低通滤波器的输入端连接，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述高通滤波器的输入端连接，所述呼吸心跳耦合电信号经过所述低通滤波器后得到所述呼吸信号，所述呼吸心跳耦合电信号经过所述高通滤波器后得到所述心率信号。

进一步地，所述呼吸与心率的测量系统还包括用于显示所述呼吸信号和所述心率信号的显示模块，所述信号处理主控模块的输出端与所述显示模块的输入端连接。

进一步地，所述呼吸与心率的测量系统还包括无线数据传输模块和智能终端，所述信号处理主控模块与所述无线数据传输模块连接，所述无线数据传输模块与所述智能终端连接。

进一步地，所述智能终端包括手机或电脑。

进一步地，所述无线数据传输模块包括Wifi模块、2G移动通信模块、3G移动通信模块、4G移动通信模块、5G移动通信模块中的一种或一种以上的通信模块。

进一步地，所述信号处理主控模块还用于根据所述呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸。

第二方面，本发明提供一种呼吸与心率的测量方法，应用于所述的呼吸与心率的测量系统，包括：

接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将所述机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号；

根据频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号。

进一步地，所述呼吸与心率的测量方法还包括：

根据所述呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸。

本发明的有益效果是：

本发明的柔性传感器的中间层设置有若干通孔，增强了传感器的柔性，在测量时能够产生更大的形变，还可更好的与待测量处贴合，以提高其灵敏度，确保测量结果的准确性；另外，基于频率差异对柔性传感器获得的呼吸心跳耦合电信号进行信号分离以获得呼吸信号和心率信号，基于高精度的柔性传感器的呼吸与心率的测量系统的测量结果更加精确，准确度更高，克服现有技术中存在呼吸与心率的测量系统的准确度和精度低下的技术问题。

附图说明

图1是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的一具体实施例结构示意图；

图2是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的一具体实施例俯视图；

图3是图2中沿A-A方向的剖视图；

图4是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的中间层的一具体实施例结构示意图；

图5是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的一具体实施例示意图；

图6是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的另一具体实施例示意图；

图7是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的测量结果的一具体实施例示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种呼吸与心率的测量系统，包括柔性传感器和信号处理主控模块，柔性传感器用于接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号，信号处理主控模块用于根据频率差异对呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号；其中，参照图1、图2和图3，图1是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的一具体实施例结构示意图；图2是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的一具体实施例俯视图；图3是图2中沿A-A方向的剖视图；柔性传感器包括中间层1、第一驻极体层2、第二驻极体层3、第一电极层4及第二电极层5。中间层1固定于第一驻极体层2与第二驻极体层3之间。第一电极层4固定于第一驻极体层2的外表面，第二电极层5固定于第二驻极体层3的外表面。中间层1上设有若干通孔11，在第一电极层4与第二电极层5上分别引出导线与信号处理主控模块的输入端连接。

参照图3，中间层1的厚度范围为100-500μm，优选的，厚度为150μm。第一驻极体层2与第二驻极体层3的厚度范围为10-50μm。第一电极层4的厚度为50nm，第二电极层5的厚度为10μm。由此可见，整个柔性传感器的厚度极其小。制作该柔性传感器时，在中间层1上打孔，经表面改性后与第一驻极体层2、第二驻极体层3进行化学键合。通过磁控溅射方法在第一驻极体层2的外表面涂覆Au薄层，以形成第一电极层4。将Al带粘附到第二驻极体层3的外表面以形成第二电极层5，并起到对其顶部各层的机械支撑作用。通过使用高压电源(直流高压)、电晕针和接地电极的高压电晕充电方法形成大气电偶极子。键合完成后，中间层1上的通孔11内留有大量空气。将上述制得的半成品置于接地电极顶部，并位于电晕针尖下方3cm处。向电晕针施加15-30kV的高电压以电离通孔11内的空气。由于驻极体具有良好的保存静电荷的能力，可以长期稳定的存储电荷，故上述电离出的自由电荷将被第一驻极体2与第二驻极体3的内表面捕获。第一驻极体2与第二驻极体3之间类似于一个以通孔内空气为介质的电容。由于C＝Q/U＝εS/d。当对传感器施加压力时，中间层1被压缩而使其上的通孔11变小，相当于两极板间的距离d变小，从而使电容C变小。由于第一驻极体2与第二驻极体3上所带的电量Q不变，故外电路中的电压U会产生变化，以此实现机械变形与电信号之间的转换。

参照图4，图4是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的柔性传感器的中间层的一具体实施例结构示意图；在中间层1上均匀分布有若干通孔11。中间层1上的孔洞率为10-70％。通孔11的直径范围1-5mm，相邻的通孔11的中心间距范围为1.2-30mm。优选的，通孔11的直径为2mm，相邻通孔的中心间距为3mm。通孔11的形状优选为圆形，当然，也可以为正多边形或其他不规则形状。对于正多边形孔或其他不规则形状的孔来说，孔径以其内切圆的直径为准。另外，中间层1的材质可选用Ecoflex等超软性加成固化硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等硅橡胶、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等热塑性弹性体或铂金固化液体有机硅化合物(DragonSkin)等硅胶，但不限于上述列举的几种类型。由于中间层1采用上述柔性较好的材质制得，且设置了若干通孔11以进一步增强其柔性。使制得的传感器具有良好的柔性，能根据不同的应用场合设计加工成不同形状，在测量时能够产生更大的形变，可更好的与待测量处的皮肤贴合，以提高其灵敏度，确保测量结果的准确性。

实际测量时，参考图5，图5是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的一具体实施例示意图；将柔性传感器直接贴附于被测量者的胸腔处，也可以贴敷于被测量者的穿戴衣物上，以进行呼吸与心率的同时检测。呼吸引起的胸腔的起伏(0.27～0.33Hz)以及心脏跳动引起的振动(1～1.67Hz)都将引起该柔性传感器的形变，进而产生的电信号输出，从而采集到呼吸与心率信号耦合后的生理信号。由于呼吸与心率信号都是周期信号，信号处理主控模块根据频率有显著差异的特点进行呼吸信号和心率信号的分离处理，最终可以获得独立的呼吸信号和心率信号，基于精度高的柔性传感器的呼吸与心率的测量系统的测量结果更加精确，准确度更高，克服现有技术中存在呼吸与心率的测量系统的准确度和精度低下的技术问题。

实施例2

基于实施例1提供实施例2，参考图5，信号处理主控模块包括低通滤波器、高通滤波器和主控电路，第一电极层、第二电极层分别与低通滤波器的输入端连接，第一电极层、第二电极层分别与高通滤波器的输入端连接，呼吸心跳耦合电信号经过低通滤波器后得到呼吸信号，呼吸心跳耦合电信号经过高通滤波器后得到心率信号，低通滤波器的输出端、高通滤波器的输出端分别与主控电路的输入端连接，主控电路包括单片机等处理器，主控电路的输出端作为信号处理主控模块的输出端。

实施例3

基于实施例1提供实施例3，信号处理主控模块用于根据信号频率差异对呼吸心跳耦合电信号进行波形处理以获取呼吸信号和心率信号。具体地，参考图6，图6是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的另一具体实施例示意图；信号处理主控模块根据信号频率差异对呼吸心跳耦合电信号进行小波变换处理以获取呼吸信号和心率信号，信号处理主控模块包括单片机等处理器。

实施例4

基于实施例1、实施例2或实施例3提供实施例4，呼吸与心率的测量系统还包括用于显示呼吸信号和心率信号的显示模块，信号处理主控模块的输出端与显示模块的输入端连接，显示模块可以为液晶显示模块。进一步地，呼吸与心率的测量系统还包括无线数据传输模块和智能终端，信号处理主控模块与无线数据传输模块连接，无线数据传输模块与智能终端连接。具体地，主控电路的输出端与显示模块的输入端连接，主控电路与无线数据传输模块连接。其中，智能终端包括手机或电脑，电脑包括医疗点的电脑或作为云服务器的电脑，测量结果可以传输至医院的电脑进行存储分析，以做预警处理，例如哮喘、心肺骤停等，而云服务器用于存储大量测量结果数据，用户可以随时从云服务器下载测量结果数据，十分方便。无线数据传输模块包括Wifi模块、2G移动通信模块、3G移动通信模块、4G移动通信模块、5G移动通信模块中的一种或一种以上的通信模块。利用无线数据传输模块，可以将测量结果传输至智能终端进行显示或存储，参考图7，图7是本发明中一种呼吸与心率的测量系统的测量结果的一具体实施例示意图，图7为在手机上的显示界面，包括显示最初的呼吸心跳耦合电信号、处理后提取得到的呼吸信号和心率信号，以及根据呼吸信号和心率信号处理得到的呼吸频率和心率的具体数值，例如，根据心率信号的多个峰值点可以提取得到心率的具体数值。

进一步地，信号处理主控模块还用于根据呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸，为突发心肺疾病的预警提供硬件基础。

实施例5

基于实施例1、实施例2、实施例3或实施例4提供实施例5，实施例5提出一种呼吸与心率的测量方法，应用于所述的呼吸与心率的测量系统，包括：

柔性传感器接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号；

信号处理主控模块根据频率差异对呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号，还根据呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸。

呼吸与心率的测量方法的具体描述参照呼吸与心率的测量系统的具体描述，不再赘述。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种呼吸与心率的测量系统，其特征在于，包括柔性传感器和信号处理主控模块，所述柔性传感器包括第一驻极体层、第二驻极体层、中间层、第一电极层及第二电极层，所述中间层固定于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间，所述第一电极层固定于所述第一驻极体层上，所述第二电极层固定于所述第二驻极体层上，所述中间层上设有若干通孔；

所述柔性传感器用于接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将所述机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号，所述信号处理主控模块用于根据频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述信号处理主控模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述信号处理主控模块用于根据信号频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行波形处理以获取所述呼吸信号和所述心率信号。

3.根据权利要求1所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述信号处理主控模块包括低通滤波器和高通滤波器，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述低通滤波器的输入端连接，所述第一电极层、所述第二电极层分别与所述高通滤波器的输入端连接，所述呼吸心跳耦合电信号经过所述低通滤波器后得到所述呼吸信号，所述呼吸心跳耦合电信号经过所述高通滤波器后得到所述心率信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述呼吸与心率的测量系统还包括用于显示所述呼吸信号和所述心率信号的显示模块，所述信号处理主控模块的输出端与所述显示模块的输入端连接。

5.根据权利要求1至3任一项所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述呼吸与心率的测量系统还包括无线数据传输模块和智能终端，所述信号处理主控模块与所述无线数据传输模块连接，所述无线数据传输模块与所述智能终端连接。

6.根据权利要求5所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述智能终端包括手机或电脑。

7.根据权利要求5所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述无线数据传输模块包括Wifi模块、2G移动通信模块、3G移动通信模块、4G移动通信模块、5G移动通信模块中的一种或一种以上的通信模块。

8.根据权利要求1至3任一项所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，所述信号处理主控模块还用于根据所述呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸。

9.一种呼吸与心率的测量方法，应用于权利要求1至8任一项所述的呼吸与心率的测量系统，其特征在于，包括：

接收由人体呼吸以及心跳引起的机械形变信号，并将所述机械形变信号转化为呼吸心跳耦合电信号；

根据频率差异对所述呼吸心跳耦合电信号进行处理以获取呼吸信号和心率信号。

10.根据权利要求9所述的呼吸与心率的测量方法，其特征在于，所述呼吸与心率的测量方法还包括：

根据所述呼吸信号的频率和幅度对呼吸进行分类，呼吸的类别包括正常呼吸、急促呼吸和深呼吸。