CN114209290B - 一种基于温度测量呼吸流量的系统及方法 - Google Patents

一种基于温度测量呼吸流量的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度测量呼吸流量的系统及方法，其包括：用于测量鼻腔吸入和呼出气体温度的温度传感模块；用于将采集到的温度信息传输到移动计算终端的蓝牙传输模块；用于控制信号采集与传输的中央控制模块；用于给整体装置供电的供电模块；用于扫描鼻孔面积，接收蓝牙传输的温度信息，然后基于温度‑流量算法计算并显示使用者鼻腔呼吸流量变化的移动计算终端。本发明具有装置体积小便于携带、使用舒适、智能化程度高、能够长期测量等特点，且能够为肺功能评估和代谢率测量等提供参考数据。

Description

一种基于温度测量呼吸流量的系统及方法
技术领域
本发明属于温度检测及信号处理方法领域，具体涉及一种适用于代谢率测量中呼吸流量参数的检测装置及方法，用于检测户外运动人员的呼吸流量参数，对他们的肺功能评估和代谢率测量有辅助作用。
背景技术
随着现代社会的快速发展，人们越来越关注自身健康，对于呼吸功能的检查是健康检查中非常重要的一环。对呼吸参数进行检测可以初步了解使用者呼吸系统的生理状态，也能为计算实时代谢量等与呼吸相关的生理参数提供数据参考。
现阶段最常用的监测呼吸状态的仪器是呼吸机，它通过直接测量呼吸气流得到精确的结果，但因其具有的价格高昂、测量地点固定等特点导致其无法大范围地普及，它的医用价值较高而在日常生活中难以推广。除此之外，基于人体呼吸时胸部和腹部发生周期性变化这一特点制造的测量仪器也有一定程度的使用，这类设备使用简单，且较为便携，能够实时测量；但因其测量原理的局限性，很多只能测量呼吸频率，对呼吸流量的测量结果的准确性仍有待提高。
综上所述，目前测量呼吸量的装置虽然较多，但大都存在价格高昂、设备体积较大、无法实时测量；或者体积较小，但测量结果不准确等一系列不足。因此，从便携、舒适、长期测量、智能化这四个方面的需求出发，本发明拟基于呼吸气流使鼻部温度发生变化的原理，通过实时测量吸入或呼出气体的温度来间接计算得出使用者的呼吸流量，测量结果也可以作为参考来协助计算人体代谢率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明拟提供一种基于温度测量呼吸流量的系统及方法，其通过固定于人中处的测量装置进行温度采集后将之转换为电信号并通过蓝牙传输至移动计算终端，利用终端内嵌入的算法实时处理和输出受试者的呼吸流量，以达到便携、舒适、长期测量、智能化的目的。
本发明提供了如下的解决方案：
一种基于温度测量呼吸流量的系统，包括温度传感模块、中央控制模块、蓝牙传输模块、供电模块和移动计算终端；
所述中央控制模块与温度传感模块、蓝牙传输模块间通过串口通信，并通过蓝牙传输模块和移动计算终端间蓝牙连接，将采集到的温度数据传输到所述移动计算终端，所述移动终端根据接收到的温度数据和鼻孔面积计算并显示呼吸流量。
具体地，所述温度传感模块，包括一对热电偶传感器放置于鼻孔呼吸气体通道两个测温点处，实时测量鼻腔吸入或呼出气体的温度；
所述中央控制模块，采用微控制器，用于控制数据采集，将其存储到寄存器中，并由寄存器取出通过串口发送；
所述供电模块，包括锂电池和电源稳压单元，用于给与其他模块提供稳定电压；
所述鼻孔面积是采用所述移动计算终端，在测量开始前扫描计算获得的。
所述温度传感模块、中央控制模块、蓝牙传输模块、供电模块集成在柔性材料上，使用时固定于人体人中处。
本发明还提供了一种基于温度测量呼吸流量的方法，其步骤如下：
S1：根据两个测温点间的温度变化计算吸入或呼出气体的流速u，具体为：
通过温度传感器测得t0时刻彼此间隔Δx的两个测温点的温度以及经过Δtn时间后两个测温点的温度/>此处n＝1,2,…,n，且t0时刻至t0+Δtn时刻应处于一次吸气或呼气的过程中；
计算数据采集时间内气体流速为：单位cm/s；
S2：结合鼻孔面积计算吸入或呼出气体的流量Q，具体为：
数据采集时间内吸入或呼出气体的流量：单位L/min。
与现有技术相比，本基于温度测量呼吸流量的系统及方法的优点是：
(1)本发明通过微型热电偶传感器实时测量使用者鼻呼吸过程中吸入或呼出气体的温度，根据温度-流量算法计算得出使用者的实时呼吸流量，并在移动终端输出显示，装置体积小便于携带，能够在不影响使用者正常生活和运动的条件下监测其呼吸情况，为肺功能评估和代谢率测量等提供参考数据；
(2)本发明仅需要在使用前使用移动终端扫描录入鼻孔面积，测量装置贴好后可自动测量，操作简单、使用便捷；
(3)本发明的适用范围较广，能适应不同使用者进行测量，无需特别调试；
(4)本发明的整体测量过程不会对使用者造成其他影响，使用舒适，且能够实现长期的实时测量，满足使用需求。附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术方案中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得的其他附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明提供的基于温度测量呼吸流量的系统及方法的工作流程图；
图2为本发明提供的基于温度测量呼吸流量的测量装置的模块结构示意图；
图3为本发明提供的基于温度测量呼吸流量的测量装置的使用方式示意图。
符号说明：
图1中 1-供电模块；2-温度传感模块；3-中央控制模块；4-蓝牙传输模块；5-移动计算终端，51-扫描输入单元，52-软件分析单元，53-显示输出单元。
图2中 11-锂电池，12-电源稳压单元；21-热电偶传感器1，22-热电偶传感器2，23-温度传感单元；31-微控制器；41-蓝牙传输单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明，显然，所描述的仅是本发明的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下基于本发明得到的其他所有实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于温度测量呼吸流量的系统，其包括供电模块1、温度传感模块2、中央控制模块3、蓝牙传输模块4和移动计算终端5。
所述装置的工作流程为：所述温度传感模块2从鼻孔附近两个测温点对鼻腔吸入或呼出的气体进行测温，并通过串口将数据发送到所述中央控制模块3中；所述中央控制模块3进行数据存储，再由寄存器通过串口将温度数据发送到所述蓝牙传输模块4；进一步地，所述蓝牙传输模块4将采集到的温度数据传输到移动计算终端5中进行后续的计算处理和显示输出；所述供电模块1对整体测量装置进行供电。
具体地，所述移动计算终端5包括扫描输入单元51、软件分析单元52和显示输出单元53，所述扫描输入单元51能够在测量开始前扫描录入使用者的双侧鼻孔的总面积S，所述软件分析单元52能够实时接收蓝牙传输模块输出的信号，并基于温度-流量算法计算得出使用者在测量期间的呼吸流量，所述显示输出单元53能在移动终端屏幕上绘制实时呼吸流量的曲线。
进一步地，所述扫描输入单元51提供了一种扫描计算获得使用者的双侧鼻孔总面积S的方法，其具体方法为基于灰度值差异对像素点进行图像分割处理，得到鼻孔边缘范围从而精确计算出双侧鼻孔总面积S。
进一步地，所述软件分析单元52的温度-流量算法提供了一种基于温度测量呼吸流量的方法，其步骤如下：
第一步，通过两个测温点间的温度变化推导出吸入或呼出气体的流速，具体包括：
通过温度传感器测得鼻孔附近相距Δx的两个测温点在t0时刻的温度以及经过Δtn时间后两个测温点的温度/>此处n＝1,2,…,n，且t0时刻至t0+Δtn时刻应处于一次吸气或呼气的过程中；
呼吸时鼻腔内气体流速与气体温度之间满足微分方程：其中，等式右边的二阶导数项由于极其微小所以可忽略，则在经过Δt1时间后微分方程可化为：其中u1为经过Δt1时间鼻腔中气体的流速；
整理后得到：在t1到tn时间内对等式左端积分可以得到数据采集时间内呼出气体所形成气柱的长度，对等式右端积分可以得到多项式
据此可以计算出数据采集时间内气体流速为：单位cm/s。
第二步，结合鼻孔面积计算得吸入或呼出气体的流量，具体包括：
根据第一步中所述气体流速表达式，将其与两鼻孔面积S相乘即可得到数据采集时间内吸入或呼出气体的流量：单位L/min。进一步地，供电模块1、温度传感模块2、中央控制模块3、蓝牙传输模块4这四个部分集成在柔性材料上，形成一种一体化的基于温度测量呼吸流量的测量装置，便于批量生产和运输，使用时固定于人体人中处，如图2所示。
具体地，所述供电模块1，与其余三个部分电性连接，对其他模块进行供电，包括：
锂电池11,可选地，在本发明一个实施例中，所述锂电池为3V的纽扣电池，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择；
电源稳压单元12，用于调节锂电池的输出电压，保证对其他模块供电的稳定性；
可选地，在本发明一个实施例中，所述电源稳压单元为同步升压芯片KF2185和稳定降压芯片ASM-1117的结合使用，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择。
具体地，所述温度传感模块2，用于测量鼻孔处两个测温点的温度，包括：
热电偶传感器21和22，分别布置在装置上预设的测温点A1、A2处，装置固定在人体面部后，测温点位于鼻孔附近呼吸气体通道路径上，测量A1、A2处鼻腔吸入或呼出的气体温度，并连续实时输出测量结果；
可选地，在本发明一个实施例中，A1、A2在右侧鼻孔下方垂直分布，A1位于测量装置边沿处，A2位于其下0.60mm处，实际使用时需将A1紧贴于右侧鼻孔放置并使其对准鼻孔呼吸通路，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择。
温度传感单元23，对热电偶传感器测得的结果进行放大、滤波等操作，并通过串口将数据传输到微控制器31中；
可选地，在本发明一个实施例中，所述温度传感单元为基于芯片AD7793的测温系统，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择。
具体地，所述中央控制模块3，用于控制温度数据的采集、存储、取出、发送，包括：
微控制器31，用于控制数据采集，将其存储到寄存器中，并由寄存器取出通过串口发送；
可选地，在本发明一个实施例中，所述微控制器型号为STM32F103C8T6，通过SPI协议与AD7793测温系统进行通讯，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择。
具体地，所述蓝牙传输模块4，用于向移动计算终端传输采集到的温度数据，包括：蓝牙传输单元41，用于将采集到的温度数据通过蓝牙传输到移动计算终端，移动计算终端例如可以是智能手机；
可选地，在本发明一个实施例中，所述蓝牙传感单元为HC-05蓝牙模块，采用蓝牙2.0协议与移动计算终端进行通讯，但并不以此为例，在实际应用中可根据需要进行选择。
如图3所示，本发明提供一种基于温度测量呼吸流量的测量装置的使用方式，使用时贴于面部人中处，整体采用柔性材料制成，具有不影响日常生活及运动、不适感低等特点。
本发明的具体使用方式为在使用前根据移动计算终端的语音指示，通过使用移动计算终端扫描影像录入鼻孔总面积，随后揭下测量装置的背贴纸，将其按照图2、图3所示的使用方式贴于人中处，使得测温点在鼻孔附近，保持均匀呼吸，移动计算终端的显示屏上即可绘制出实时呼吸流量的曲线。
总的来说，本发明通过微型热电偶传感器实时测量使用者吸入或呼出气体的温度，根据温度-流量算法计算得出使用者的呼吸流量变化，并在移动终端输出显示，能够在不影响使用者正常生活和运动的条件下进行测量。与此同时，本发明具有装置体积小便于携带、使用舒适、智能化程度高、能够长期测量等特点，且能够为肺功能评估和代谢率测量等提供参考数据。
需要说明的是，上述实施方式只是用于帮助理解本发明的核心思想和使用方法，本发明并不应局限于此，对于本领域的一般技术人员，在本发明的启示下做出的相关实施方式及应用范围，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于温度测量呼吸流量的系统，其特征在于：包括温度传感模块、中央控制模块、蓝牙传输模块、供电模块和移动计算终端；所述中央控制模块与温度传感模块、蓝牙传输模块间通过串口通信，并通过蓝牙传输模块和移动计算终端间蓝牙连接，将采集到的温度数据传输到所述移动计算终端，所述移动终端根据接收到的温度数据和鼻孔总面积计算并显示呼吸流量；所述温度传感模块，包括一对热电偶传感器放置于鼻孔附近呼吸气体通道路径上的两个测温点处，实时测量鼻腔吸入或呼出气体的温度。
2.如权利要求1所述的一种基于温度测量呼吸流量的系统，其特征在于：所述鼻孔总面积是采用所述移动计算终端，在测量开始前扫描使用者的双侧鼻孔影像计算获得的。
3.如权利要求2所述的一种基于温度测量呼吸流量的系统，其特征在于：所述温度传感模块、中央控制模块、蓝牙传输模块、供电模块集成在柔性材料上，使用时固定于人体人中处。
4.一种基于温度测量呼吸流量的方法，采用权利要求1-3任一项权利要求中的基于温度测量呼吸流量的系统，其步骤如下：
S1：根据两个测温点间的温度变化计算吸入或呼出气体的流速u，具体为：
通过温度传感器测得t0时刻彼此间隔Δx的两个测温点的温度以及经过Δtn时间后两个测温点的温度/>此处n＝1,2,…,n，且t0时刻至t0+Δtn时刻应处于一次吸气或呼气的过程中，计算数据采集时间内气体流速为：/>单位cm/s；
S2：结合鼻孔总面积S计算吸入或呼出气体的流量Q，具体为：
数据采集时间内吸入或呼出气体的流量：单位L/min。
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