CN110200447A - 一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫，床垫本体上设有一体结构且连通设置的真空层和凹型空气槽，声表面波传感器通过信号传输天线模块与阅读器之间进行信号传递；压电基底设于凹型空气槽的下侧且其顶面与凹形空气槽的底部相触碰，输入叉指换能器和输出叉指换能器分别对称地分布于压电基底的两端且分别设于凹形空气槽的左右两侧。本发明可实现无源无线实时检测，在检测过程中采用非接触式测量，对采集到的数据通过信号处理可以实时快速准确的检测到婴儿的心率和呼吸状况数据，避免了高强度的检测电磁波及漏电等不确定因素对婴儿的伤害。

Description

一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫及其控制方法

技术领域

本发明涉及健康状态数据采集装置领域，特别涉及到一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，现代科技逐渐融入人们的日常生活，利用一些简单方便的科学装置对人体的心率和呼吸状况实时监测是非常重要的，特别是婴幼儿的各个器官都处于快速发育阶段，心率和呼吸对婴儿的身体健康有至关重要的作用，同时心率和呼吸也是婴幼儿身体发育最重要的生理参数，就目前对于心率和呼吸检测的方式有以下几种情况。1.通过目前市面上很多穿戴式电子产品对心率和呼吸进行检测，然而这些穿戴式的检测设备均是与婴幼儿身体有直接或者间接的接触，而且这些穿戴式设备自身比较繁重或复杂，对于刚出生的婴幼儿穿戴不太方便和安全；2.采用红外序列图像对人体全方位扫描分析其心率和呼吸，这种方法采用非接触式测量；3.采用雷达式非接触测量系统，通过辐射源发射电磁辐射并接收从身体反射回来的信号，对信号进行采样分析得到心率和呼吸数据，但是方式2和方式3都是非接触式测量，但是产生的电磁波等辐射对于新生婴儿身体有很大的伤害。

现有技术中，中国专利公开号CN101822542A公开了一种胸腹呼吸检测器,将压电陶瓷片束缚在胸部，被测对象呼吸时胸腔体积发生变化，进而造成压电陶瓷片表面压力变化，压电陶瓷片将压力信号转换为电信号，并通过导线输出。该方法虽然轻便灵活了许多，但固定带有较强的束缚感,传输线也会影响到被测对象的活动；并且需要供电，容易引入高压危险。

中国专利CN106175695A公开了一种睡眠呼吸暂停综合征的检测系统，所述检测系统是利用指端信号采集装置采集指端血管中的表示血液容积变化的光电信号，并将上述光电信号转化为光电容积脉搏波数据，并将所述光电容积脉搏波数据实时无线传输到所述信号转换模块；信号转换模块接收指端信号采集装置输出的光电容积脉搏波数据，通过滤波处理和计算，获得血氧饱和度数据、心率变异性数据和脉率数据，并将数据传输到数据处理模块；数据处理模块基于光电容积脉搏波数据等输出睡眠状态数据以及呼吸事件数据，然而这种测量方式也是需要电源供电，在采集过程中采集装置需要和人体进行直接接触，对婴儿的健康也会产生一些影响，且整个测量过程相对比较繁琐，在复杂的信息转换过程中会对测量结果产生了一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫及其控制方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫，包括床垫本体、声表面波传感器、信号传输天线模块和阅读器，所述床垫本体的内部设有真空层，所述真空层的底部向下凹陷形成凹型空气槽，凹型空气槽底部的口径小于其顶部的口径；所述声表面波传感器设于床垫本体内，声表面波传感器包括压电基底、输入叉指换能器和输出叉指换能器，压电基底设于凹型空气槽的下侧且其顶面与凹形空气槽的底部相触碰，输入叉指换能器和输出叉指换能器分别对称地分布于压电基底的两端且分别设于凹形空气槽的左右两侧；声表面波传感器与信号传输天线模块电连接，信号传输天线模块用于声表面波传感器与阅读器之间进行信号传递。

进一步的，所述信号传输天线模块包括信号接收天线和信号发射天线，信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连，信号接收天线用于接收阅读器发射的激励信号，信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。

进一步的，所述凹型空气槽为条状结构，凹型空气槽沿床垫本体的宽度方向开设，压电基底沿床垫本体的长度方向设置，若干声表面波传感器以阵列形式沿床垫本体的宽度方向依次设于凹型空气槽的下方。

进一步的，所述真空层的厚度为2～5cm。

进一步的，所述压电基底为铌酸锂基片，压电基底的厚度为0.1mm，宽度为0.5mm，长度为25mm；输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指均为20μm。

进一步的，所述声表面波传感器为延迟线型贴片式声表面波传感器。

进一步的，所述真空层设于床垫本体中且设于床垫本体的中间位置，床垫本体内还设有基座，所述基座设于真空层的下方，声表面波传感器通过基座固定于真空层的下侧。

一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫的控制方法：将婴儿放至床垫本体上后，阅读器向输入叉指换能器发出激励信号，声表面波传感器接收到外界的问询信号后将该信号转化为声表面波信号并在压电基底表面进行传输，声表面波信号与婴儿的心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中，此时声表面波传感器检测到的信号为婴儿自身压力产生的信号，将此时的信号作为最初的参考信号；待婴儿处于静息状态时，婴儿的心跳和呼吸产生的微小压力促使真空层内气压发生变化，凹型空气槽内产生的气压变化即为心跳和呼吸传导的微小压力，从而引起声表面波信号发生改变，声表面波信号与心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中，阅读器将收集到的信号接入滤波电路去噪，去噪后的信号接入单片机进行判断，判断是否为有效的心率呼吸信号，如果该信号为有效信号，则将该信号进行两路处理，一路进行形态滤波和测量峰峰值信号处理，最终得到心率数据；另一路进行低通滤波两次得到呼吸的频率数据，然后将测量到的心率数据和呼吸数据反馈到控制终端，最后根据婴儿的心率和呼吸数据对应婴儿的身体状况进行相应的评估和对婴儿箱进行相应的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本装置为非接触式测量装置，采用的声表面波传感器可实现心跳呼吸压力信号与电信号的转化，无需供电即可实现，通过真空层将检测装置与婴儿隔离开使得检测装置无需与被检测对象直接接触，避免了漏电等危险因素，安全系数高，也不会出现断电导致数据未记录的情况。

(2)本装置采用带天线的声表面波器件作为检测传感器，只需外界的阅读器给予一定的问询激励信号就可以工作，无需向其提供电源，即为无源无线。

(3)本装置采用延迟线型的声表面波传感器，声表面波传感器输出的信号进行形态滤波、自相关运算、测量峰峰值和低通滤波等信号处理，最终得到心率和呼吸数据，最后根据婴儿的心率和呼吸数据对应婴儿的身体状况进行相应的评估和对婴儿箱进行相应的控制；本装置采用的传感器对于心率和呼吸所引起的压力变化检测灵敏度高，并且采用了真空层进行微小压力传导，便于从反馈信息中提取出检测者的心率和呼吸状况信息。

(4)本发明在信号检测方面根据呼吸和心跳的频率和振动提出了一种呼吸和心跳同时检测的方法(正常情况下呼吸频率大约为心跳频率的四分之一，呼吸产生的振动通常比心跳产生的振动大)。信号处理模块将声表面波传感器采集到心率呼吸信号分成两路，并进行卡尔曼滤波的信号处理就可以到去躁的心率呼吸信号：一路采用形态滤波、自相关运算、峰峰间期提取就可以获得心率信息；另外一路对去躁后的心率呼吸信号进行低通滤波处理获取到呼吸信息。

(5)本装置在有效测量范围内具有良好的线性度，且在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点。整体体积小、成本低且操作方便简单，便于使用。

附图说明

图1为本发明所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫的结构示意图。

图2为本发明所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫的局部剖面图。

图3为本发明所述的声表面波传感器的结构示意图。

图4为本发明所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图4，本发明所述的一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫，包括床垫本体1、声表面波传感器4、信号传输天线模块和阅读器6。真空气垫层、声表面波传感器、信号传输天线模块、信号处理模块和外部实时数据显示依次相连。床垫本体的内部设有真空层2，真空层2的底部向下凹陷形成凹型空气槽3，凹型空气槽3底部的口径小于其顶部的口径。凹型空气槽3与真空层2为一体结构且相互连通，凹型空气槽的作用就是作为一个压力传感器检测时的一个施力点，可集中心跳和呼吸产生的微小压力；这种上大下小的结构可集中作用力的受力点，从而使得人体心跳和呼吸产生的微小压力挤压真空层中的空气，使所有的力集中到凹型空气槽3，方便了测量，提高了灵敏度。真空气垫层设于床垫的顶层，一方面防止在平放婴儿过程中受到硬床垫的磕碰，起缓冲的作用，避免了传感器与身体直接接触，增加了床垫的舒适性；另一方面能够实时传输微小的心跳和呼吸压力，便于声表面波传感器测量时能够精确检测出心跳和频率。床垫本体和真空层共同构成了心率呼吸检测的婴儿床垫的检测平台，采用的材质以轻薄为益，其主要的作用就是能够传力，将婴儿身体内心脏和肺所产生的微小力传输到声表面波传感器检测点位置。凹型空气槽主要是为了让婴儿心脏和肺产生的微小压力推动真空层中的空气向凹槽中流动，从而致使传感器能够检测到微弱的压力变化，提高了测量的敏感度和准确性。声表面波传感器与信号传输天线模块电连接。信号传输天线模块用于声表面波传感器与阅读器之间进行信号传递。阅读器一方面主要是负责发射激励信号来促使传感器进行测量工作，另一方面负责收集传感器反馈回来的信号，同时收集传感器采集到的所有信息，一般情况下阅读器和传感器可以在3～5米的距离进行实时的信息采集。

信号处理模块是将声表面波传感器采集到心率呼吸信号分成两路，并进行卡尔曼滤波的信号处理就可以到去躁的心率呼吸信号；将该信号分为相同的两路信号，一路信号接入到形态滤波电路中，然后将输出信号连接到控制器中进行自相关运算和峰峰间期提取，最后控制器将收集到的信息即为心率信息。另外一路对去躁后的心率呼吸信号接入到低通滤波电路进行两次低通滤波处理获取到呼吸信息。

外部实时数据显示就是将信号处理后的两路信息进行D/A转换之后得到婴儿准确的心率和呼吸数据，通过分析婴儿的心率和呼吸数据进而对婴儿身体健康状态进行评估。

声表面波传感器设于床垫本体内，包括压电基底43、一个能接收信号的输入叉指换能器42、一个发射信号的输出叉指换能器41以及外围保护装置。叉指换能器为延迟线型叉指换能器，叉指换能器与射频发射接收单元的天线相连。压电基底43设于凹型空气槽3的下侧且其顶面与凹形空气槽3的底部相触碰。输入叉指换能器42和输出叉指换能器41分别对称地分布于压电基底43的两端且分别设于凹形空气槽3的左右两侧。

信号传输天线模块一方面是将外部激励信号发射到声表面波传感器促使传感器工作，另一方面接收声表面波传感器反馈回来信号。信号传输天线模块包括两个信号发射器，即信号接收天线和信号发射天线7，接收天线和信号发射天线均位于压电材料基片上，且为微型天线。信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连。信号接收天线用于负责接收阅读器发射过来的激励信号，信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。

凹型空气槽为条状结构且设于真空层的下侧，凹型空气槽沿床垫本体的宽度方向开设。压电基底沿床垫本体的长度方向设置，若干声表面波传感器以阵列形式沿床垫本体的宽度方向依次设于凹型空气槽的下方。阵列式测量的好处在于能够通过分析每一个传感器的数据，最终采用合理的算法校正后得到更加准确的值，由于传感器位置的差异也会得到不同的结果，通过阵列式设计可大大减少测量的误差。

声表面波传感器的信号传输是通过基带的微小传输线完成，传输线的一端与叉指换能器相连另，一端与微型天线直接相连；信号传输天线模块的微型天线长度之和为28mm左右，微型天线在传感器的边上间隙处存放设置，阅读器有多个信道可以接收传感器反馈回来的信号，所有的信号在阅读器中进行汇总。

真空层设于床垫本体中且设于床垫本体的顶层的中间位置，即真空层设于床垫本体的内部且设于靠近与婴儿接触的一侧。真空层的形状为婴儿平躺时肩部到臀部这个区间，这样减少了其他地方产生的扰动对检测产生的干扰。为了检测的灵敏度，真空层离床垫本体顶面的距离越小越好，这样能够减少作用力的损耗，真空层距离顶面为0.3～0.7cm，实际生产时可设为0.5cm。床垫本体内还设有基座，基座设于真空层的下方，声表面波传感器通过基座和粘黏剂固定于真空层的下侧。基座的高度是由凹型空气槽决定的，使得将凹型槽底部刚好接触声表面波传感器的受力点。

真空层的厚度为2～5cm，真正实现了一种非接触式测量。床垫本体上罩设有防护架5，防护架主要是对婴儿起保护作用。

压电基底的厚度为0.1mm，宽度为0.5mm，长度为25mm。

输入叉指换能器接收到来自外部阅读器的问询信号之后，将该信号转化为声表面波信号，声表面波在压电材料基片上传输并与心跳和呼吸压力产生的声表面波信号进行混合后传输到输出叉指换能器，输出叉指换能器将接收到的信号转化为电磁波信号由与之连接的微型天线发射到外部阅读器中。在本发明中采用的压电材料为具有较好机电耦合系数的铌酸锂基片，即压电基底为铌酸锂基片，压电基底的厚度约为0.1mm，宽为0.5mm，长度为25mm，输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指均为20微米。由于心跳和呼吸产生的压力为0～0.2N，利用铌酸锂的压电效应和声表面波的无源无线传输实现对微小压力的测量。

声表面波传感器为延迟线型贴片式无源无线声表面波压力传感器，主要是以阵列式形式依次安放到凹型空气槽处进行实时监测。

本发明在使用时，将婴儿放至检测平台的床垫本体上后，阅读器向输入叉指换能器发出激励信号，声表面波传感器接收到外界的问询信号后将该信号转化为声表面波信号并在的压电材料的压电基底表面进行传输。声表面波信号与婴儿的心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中。由于婴儿放入检测平台上时就会产生一定的压力，此时声表面波传感器检测到的信号为婴儿自身压力产生的信号，将此时的信号作为最初的参考信号。待婴儿处于静息状态时，婴儿的心跳和呼吸产生的微小压力促使真空层内气压发生变化，凹型空气槽内产生的气压变化即为心跳和呼吸传导的微小压力，从而引起敏感的声表面波信号发生改变。声表面波信号与心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中。阅读器将收集到的一系列心率呼吸信号接入滤波电路去噪，去噪后的信号接入单片机进行判断，判断是否为有效的心率呼吸信号。因为有时会受到婴儿身体的翻动等因素的影响，如果该信号为有效信号，则将该信号进行两路处理，一路进行形态滤波和测量峰峰值等信号处理，最终得到心率数据；另一路进行低通滤波两次得到呼吸的频率数据，然后将测量到的心率数据和呼吸数据反馈到控制终端，最后根据婴儿的心率和呼吸数据对应婴儿的身体状况进行相应的评估和对婴儿箱进行相应的控制。反之，该信号为无效信号时，则阅读器重新发出激励信号，促使声表面波传感器启动工作，并接收传感器反馈回来的心率呼吸信号。

本发明利用声表面波微纳结构设计和传感器参数检测，通过声表面波传感器对婴儿心率和呼吸同时检测并进行数据采集，检测装置不需要电源供电，检测信号的传输采用无线传输形式，检测过程中检测装置采用非接触式测量，无需佩戴繁重的穿戴式设备，也不会产生电磁辐射对婴儿体产生影响，只需要将婴幼儿平放到装备了声表面波传感器的智能检测床垫上就可以实时快速准确的检测到婴儿的心率和呼吸状况数据。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：包括床垫本体、声表面波传感器、信号传输天线模块和阅读器，所述床垫本体的内部设有真空层，所述真空层的底部向下凹陷形成凹型空气槽，凹型空气槽底部的口径小于其顶部的口径；所述声表面波传感器设于床垫本体内，声表面波传感器包括压电基底、输入叉指换能器和输出叉指换能器，压电基底设于凹型空气槽的下侧且其顶面与凹形空气槽的底部相触碰，输入叉指换能器和输出叉指换能器分别对称地分布于压电基底的两端且分别设于凹形空气槽的左右两侧；声表面波传感器与信号传输天线模块电连接，信号传输天线模块用于声表面波传感器与阅读器之间进行信号传递。

2.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述信号传输天线模块包括信号接收天线和信号发射天线，信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连，信号接收天线用于接收阅读器发射的激励信号，信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。

3.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述凹型空气槽为条状结构，凹型空气槽沿床垫本体的宽度方向开设，压电基底沿床垫本体的长度方向设置，若干声表面波传感器以阵列形式沿床垫本体的宽度方向依次设于凹型空气槽的下方。

4.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述真空层的厚度为2～5cm。

5.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述压电基底为铌酸锂基片，压电基底的厚度为0.1mm，宽度为0.5mm，长度为25mm；输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指均为20μm。

6.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述声表面波传感器为延迟线型贴片式声表面波传感器。

7.根据权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫，其特征在于：所述真空层设于床垫本体中且设于床垫本体的中间位置，床垫本体内还设有基座，所述基座设于真空层的下方，声表面波传感器通过基座固定于真空层的下侧。

8.一种如权利要求1所述的具有心率呼吸检测的婴儿床垫的控制方法，其特征在于：将婴儿放至床垫本体上后，阅读器向输入叉指换能器发出激励信号，声表面波传感器接收到外界的问询信号后将该信号转化为声表面波信号并在压电基底表面进行传输，声表面波信号与婴儿的心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中，此时声表面波传感器检测到的信号为婴儿自身压力产生的信号，将此时的信号作为最初的参考信号；待婴儿处于静息状态时，婴儿的心跳和呼吸产生的微小压力促使真空层内气压发生变化，凹型空气槽内产生的气压变化即为心跳和呼吸传导的微小压力，从而引起声表面波信号发生改变，声表面波信号与心跳和呼吸产生的压力信号进行叠加后由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中，阅读器将收集到的信号接入滤波电路去噪，去噪后的信号接入单片机进行判断，判断是否为有效的心率呼吸信号，如果该信号为有效信号，则将该信号进行两路处理，一路进行形态滤波和测量峰峰值信号处理，最终得到心率数据；另一路进行低通滤波两次得到呼吸的频率数据，然后将测量到的心率数据和呼吸数据反馈到控制终端，最后根据婴儿的心率和呼吸数据对应婴儿的身体状况进行相应的评估和对婴儿箱进行相应的控制。