CN114271808A

CN114271808A - 一种穿戴式呼吸生理参数测量装置

Info

Publication number: CN114271808A
Application number: CN202111309279.8A
Authority: CN
Inventors: 皮喜田; 吴沁莹; 陈浩哲; 刘洪英
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2021-11-06
Filing date: 2021-11-06
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本发明公开一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，包括呼吸传感器和可调式腰带(1)；所述可调式腰带(1)将呼吸传感器束缚在使用者腰部；所述呼吸传感器包括封装壳体基部(2)、封装壳体顶部(3)、压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块；本发明结构简单，可以将呼吸时胸腹部的起伏转化为连续电信号，经电路处理后可以得到呼吸频率与深呼吸完成度信息。

Description

一种穿戴式呼吸生理参数测量装置

技术领域

本发明涉及穿戴式装置技术领域和生理参数测量技术领域，具体是一种穿戴式呼吸生理参数测量装置。

背景技术

呼吸生理参数测量通常应用于医疗、健身锻炼等技术领域，现有技术中，呼吸频率、幅度测量的方式较多，但是，现有测量设备结构复杂、灵敏度较差、准确性较低，采集到的数据中有用的信息较少，有效信息容易丢失，难以探测到完整信号。而通过氧化石墨烯气凝胶膜检测呼吸过程中呼出气体和吸入气体的湿度变化以测量呼吸生理参数的方法，获取得到的呼吸信息较为单一，且实施方式复杂，不便于携带和使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，包括呼吸传感器和可调式腰带。

所述可调式腰带将呼吸传感器束缚在使用者腰部。

所述呼吸传感器包括封装壳体基部、封装壳体顶部、压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块。

所述封装壳体基部包括第一施压部。

所述封装壳体顶部包括第二施压部。

所述压力检测模块包括电桥式压电传感器。

所述电桥式压电传感器的一部分与第一施压部固定，另一部分与第二施压部固定；

所述电桥式压电传感器监测第一施压部、第二施压部对电桥式压电传感器施加的压力，并将压力电信号传输至信号处理模块。

所述信号处理模块对压力电信号进行处理，得到呼吸频率与深呼吸完成度，并传输至数据传输模块。

所述数据传输模块将呼吸频率与深呼吸完成度传输至外部设备。

进一步，所述封装壳体基部还包括至少一对腰带连接梁。所述腰带连接梁分别与所述可调式腰带两端固定。所述腰带连接梁将可调式腰带连接为一个闭环。

进一步，所述电桥式压电传感器为基于悬臂梁的电桥式压电传感器。

进一步，所述封装壳体基部与封装壳体顶部不固定。

进一步，用户佩戴可调式腰带后，吸气时胸腹扩张推动封装壳体顶部向封装壳体基部移动，呼气时胸腹压缩，封装壳体顶部向远离封装壳体基部的方向移动。

进一步，所述信号处理模块对压力电信号进行处理，得到呼吸频率与深呼吸完成度的步骤包括：

1)所述信号处理模块对压力电信号进行预处理，包括滤波、放大。

2)所述信号处理模块根据预处理后的压力电信号生成呼吸曲线。

3)根据时间t内呼吸曲线波峰出现的次数确定呼吸频率；

计算时间t内平均深呼吸完成度C_ave，即：

式中，n表示时间t内深呼吸次数；

其中，时间t内第i次深呼吸的深呼吸完成度C_i如下所示：

式中，f_i为第i次深呼吸的呼吸幅度；f_max为时间t内n次深呼吸中的最大呼吸幅度；所述呼吸幅度为呼吸曲线波峰、波谷数值之差。

进一步，所述信号处理模块、数据传输模块和电源模块集成在PCB电路板上。所述PCB电路板固定在所述封装壳体基部上。

进一步，还包括集成在PCB电路板上的指示模块；所述指示模块将所述信号处理模块生成的呼吸曲线转化为吸气曲线和呼气曲线，从而指示呼吸时胸腹部的起伏变化；

进一步，所述指示模块还用于指示测试者的佩戴状态；

在使用前的测试状态下，指示模块将所述信号处理模块生成的呼吸曲线转化为吸气曲线和呼气曲线，从而指示测试者的佩戴状态；

当所述吸气曲线缺失波峰时，所述指示模块发出警报，提示佩戴过紧；

当所述呼气曲线缺失波峰时，所述指示模块发出警报，提示佩戴过松。

进一步，还包括为压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块、指示模块供电的电源模块。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明结构简单，可以将呼吸时胸腹部的起伏转化为连续电信号，经电路处理后可以得到呼吸频率与深呼吸完成度信息。

附图说明

图1为穿戴式呼吸生理参数测量装置立体图；

图2为封装壳体基部示意图；

图3为PCB电路板示意图；

图4为封装壳体顶部示意图；

图5为基于悬臂梁的电桥式压电传感器示意图；

图6为基于悬臂梁的电桥式压电传感器电路原理图；

图7为本装置与其他装置采集到的呼吸曲线对比示意图；

图中，可调式腰带1、封装壳体基部2、封装壳体顶部3、第一施压部4、腰带连接梁5、PCB电路板6、第二施压部7、电桥式压电传感器8、固定孔A9、固定孔B10、固定孔C11、固定孔D12、基台13和挡板14。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1、2、3、4、5、6、7，一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，包括呼吸传感器和可调式腰带1。

所述可调式腰带1将呼吸传感器束缚在使用者腰部。

所述呼吸传感器包括封装壳体基部2、封装壳体顶部3、压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块。

所述封装壳体基部2包括第一施压部4。

所述封装壳体顶部3包括第二施压部7。

所述压力检测模块包括电桥式压电传感器8。

所述电桥式压电传感器8的一部分与第一施压部4固定，另一部分与第二施压部7固定；具体而言，所述电桥式压电传感器8、第一施压部4、第二施压部7均开设有供螺栓穿过的固定孔；所述固定孔带有螺纹。所述电桥式压电传感器8的一部分与第一施压部4通过螺栓连接，所述电桥式压电传感器8的另一部分与第二施压部7通过螺栓连接。

具体而言，第一施压部4的固定孔与所述基于悬臂梁的电桥式压电传感器8的固定孔A(图5中9)、固定孔B(图5中10)相对应，且通过螺栓连接，所述基于悬臂梁的电桥式压电传感器8的固定孔C(图5中11)、固定孔D(图5中12)与第二施压部7的固定孔相对应，且通过螺栓连接。

所述电桥式压电传感器8监测第一施压部4、第二施压部7对电桥式压电传感器8施加的压力，并将压力电信号传输至信号处理模块。

所述封装壳体基部2还包括至少一对腰带连接梁5。所述腰带连接梁5分别与所述可调式腰带1两端固定。所述腰带连接梁5将可调式腰带1连接为一个闭环。

所述电桥式压电传感器8为基于悬臂梁的电桥式压电传感器。

所述封装壳体基部2与封装壳体顶部3不固定。

用户佩戴可调式腰带1后，吸气时胸腹扩张推动封装壳体顶部3向封装壳体基部2移动，呼气时胸腹压缩，封装壳体顶部3向远离封装壳体基部2的方向移动。

所述信号处理模块对压力电信号进行处理，得到呼吸频率与深呼吸完成度的步骤包括：

3)根据时间t内呼吸曲线波峰出现的次数确定呼吸频率；

计算时间t内平均深呼吸完成度C_ave，即：

式中，n表示时间t内深呼吸次数；

其中，时间t内第i次深呼吸的深呼吸完成度C_i如下所示：

所述信号处理模块、数据传输模块和电源模块集成在PCB电路板6上。所述PCB电路板6固定在所述封装壳体基部2上。

还包括集成在PCB电路板6上的指示模块。

指示模块包括两个功能：1.指示呼吸时胸腹部的起伏变化；2.在正式使用前的测试状态下指示调整佩戴松紧，在测试状态结束之后，指示模块的第二个功能为关闭状态)

所述指示模块用于将所述信号处理模块生成的呼吸曲线转化为吸气曲线和呼气曲线；所述吸气曲线和所述呼气曲线能够动态地体现使用者呼吸时胸腹部的起伏变化；如图7第一个图所示，红色曲线为吸气曲线，蓝色曲线为呼气曲线；

在使用者佩戴后，进入测试状态：当所述吸气曲线缺失波峰时，所述指示模块发出警报，提示佩戴过紧；

当所述呼气曲线缺失波峰时，所述指示模块发出警报，提示佩戴过松；

在使用者按照提示，调整松紧后，进入呼吸训练模式，指示模块不再提示佩戴松紧，仅指示呼吸时胸腹部的起伏变化。

还包括为压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块、指示模块供电的电源模块。

实施例2：

一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，包括：呼吸传感器和与呼吸传感器连接的可调式腰带1，可调式腰带1用于将呼吸传感器束缚在人体腰部；呼吸传感器包括：封装壳体基部2、压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块、电源模块和封装壳体顶部3；图1为本发明实施例中穿戴式呼吸生理参数测量装置的立体图。

如图2所示，封装壳体基部2包括：第一施压部4和一对腰带连接梁5；腰带连接梁5用于与可调式腰带1两端固定。

如图3所示，信号处理模块、指示模块、数据传输模块和电源模块集成在一块PCB电路板6上；PCB电路板6固定在封装壳体基部2。

如图4所示，封装壳体顶部3包括：第二施压部7；

如图5所示，基于悬臂梁的电桥式压电传感器包括四个固定孔：固定孔A(图5中9)、固定孔B(图5中10)固定孔C(图5中11)、固定孔D(图5中12)，所述固定孔内有螺纹；

压力检测模块包括：第一施压部4、基于悬臂梁的电桥式压电传感器8和第二施压部7；具体固定方式为：螺栓穿过所述第一施压部4与所述电桥式压电传感器8上的固定孔A(图5中9)、固定孔B(图5中10)固定，所述基于悬臂梁的电桥式压电传感器8的固定孔C(图5中11)、固定孔D(图5中12)与所述第二施压部7固定，固定方式同样为螺栓穿过所述第二施压部7与所述电桥式压电传感器8上的固定孔内的螺纹固定；第一施压部4厚度为0.5～1mm，第二施压部7厚度为0.8～1.2mm。

其中，压力检测模块检测第一施压部4和第二施压部7同时对所述基于悬臂梁的电桥式压电传感器8施加的压力，并产生相应的电信号，信号处理模块用于对压力检测模块产生的电信号进行处理，包括滤波、放大等电路处理，并对处理后得到的波形进行分析、计算，得到呼吸频率与深呼吸完成度信息；数据传输模块用于传输呼吸频率与深呼吸完成度信息至手机或降压仪；电源模块用于为装置提供电能。

封装壳体顶部3还包括基台13和挡板14；封装壳体基部2还包括一个USB Type-C开口和一组指示灯，USB Type-C开口和一组指示灯未详细示出；PCB电路板6上还集成有USBType-C接口，USB Type-C接口未详细示出；USB Type-C开口和USB Type-C接口用于充电和进行数据有线传输，指示灯用于指示呼吸传感器所受压力的情况；

封装壳体顶部3为靠近使用者身体一侧，通过第二施压部7，与基于悬臂梁的电桥式压电传感器8的固定孔A(图5中9)、固定孔B(图5中10)固定，封装壳体基部2通过所述第一施压部4，与基于悬臂梁的电桥式压电传感器8的固定孔C(图5中11)、固定孔D(图5中12)固定，除此之外，封装壳体顶部3与封装壳体基部2没有固定连接；

可调式腰带1通过封装壳体上的腰带连接梁5将呼吸传感器束缚在人体腰腹部，因此，封装壳体基部2的位置可视作相对固定，而封装壳体顶部3与封装壳体基部2仅通过基于悬臂梁的电桥式压电传感器8连接，该连接存在一定活动度，可看作活塞式连接，呼吸时，使用者胸腹的起伏会使封装壳体顶部3与封装壳体基部2发生相对位移，吸气时，胸腹扩张推动封装壳体顶部3向靠近封装壳体基部2方向移动，呼气时胸腹压缩，封装壳体顶部3向远离封装壳体基部2的方向移动。

上述相对位移大小由基台13的厚度决定，厚度为0.9mm～2mm；挡板14的作用为避免封装壳体顶部3无限向封装壳体基部2发生位移，致使基于悬臂梁的电桥式压电传感器8发生损坏，优选地，挡板14的厚度为0.7～1.5mm。

呼吸时，使用者胸腹的起伏使封装壳体顶部3与封装壳体基部2发生相对位移，同时基于悬臂梁的电桥式压电传感器8，检测到来自第一施压部4与第二施压部7的压力，图6是基于悬臂梁的电桥式压电传感器8电路原理图，当受到来自第一施压部4与第二施压部7的压力时，电桥平衡被打破，因此可以根据电路参数的变化，将传感器的受力转化为电信号，再由信号处理单元对该电信号进行处理，生成呼吸动态曲线，再通过计算从而得到所需的呼吸生理参数如呼吸频率、呼吸幅度、呼吸加速度、呼吸力等。

PCB电路板6上还集成有指示模块，包括指示灯和/或扬声器等；指示模块用于对信号处理模块生成的波形进行分析，控制指示灯的亮灭，用相应个数的指示灯表示呼吸时胸腹的起伏变化，吸气时胸腹隆起的幅度越大，所述指示灯亮起的个数越多，呼气时胸腹压缩的程度越深，所述指示灯亮起的个数越少；同时若波形缺少完整的波峰和/或波谷，则会做出指示，提示佩戴过松或者过紧，所述指示方式可以为声信号指示和/或光信号指示等；使用者吸气至最大限度时，指示灯应该全部点亮，否则说明佩戴过松，扬声器会发出指令提示需要调紧；呼气至最大限度时，指示灯应该全部熄灭，否则说明佩戴过紧，扬声器会发出指令提示需要调松；由此可保证佩戴松紧为最佳适宜程度，根据调整松紧后的佩戴情况。如图7所示，上图为本装置指示模块调整后采集到的呼吸曲线，下图为其他呼吸频率测量装置采集到的呼吸曲线。

根据指示模块进行松紧调整后，可以保证得到完整的，具有波峰和波谷的完整呼吸曲线，如图7中第一个图所示为完整的呼吸曲线，如图7中第二个图所示为缺少波峰、波谷的呼吸曲线；根据完整的呼吸曲线计算可以得到最大呼吸幅度f_max和单次呼吸幅度f_i，再根据公式(1)可计算时间t内平均深呼吸完成度C_ave：

其中，n表示时间t内深呼吸次数，C_i表时间t内第i次深呼吸的深呼吸完成度，如下所示：

通过对一段时间内呼吸曲线波峰出现的次数x进行计数，可以得到如一分钟内呼吸频率，一小时内呼吸频率等呼吸频率信息。

最后数据传输模块将呼吸频率与深呼吸完成度信息传输至手机或降压仪。

Claims

1.一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：包括所述呼吸传感器和可调式腰带(1)。

所述可调式腰带(1)将呼吸传感器束缚在使用者腰部；

所述呼吸传感器包括封装壳体基部(2)、封装壳体顶部(3)、压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块；

所述封装壳体基部(2)包括第一施压部(4)；

所述封装壳体顶部(3)包括第二施压部(7)；

所述压力检测模块包括电桥式压电传感器(8)；

所述电桥式压电传感器(8)的一部分与第一施压部(4)固定，另一部分与第二施压部(7)固定；

所述电桥式压电传感器(8)监测第一施压部(4)、第二施压部(7)对电桥式压电传感器(8)施加的压力，并将压力电信号传输至信号处理模块；

所述信号处理模块对压力电信号进行处理，得到呼吸频率与深呼吸完成度，并传输至数据传输模块；

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述封装壳体基部(2)还包括至少一对腰带连接梁(5)；所述腰带连接梁(5)分别与所述可调式腰带(1)两端固定；所述腰带连接梁(5)将可调式腰带(1)连接为一个闭环。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述电桥式压电传感器(8)为基于悬臂梁的电桥式压电传感器。

4.根据权利要求1所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述封装壳体基部(2)与封装壳体顶部(3)不固定。

5.根据权利要求4所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：用户佩戴可调式腰带(1)后，吸气时胸腹扩张推动封装壳体顶部(3)向封装壳体基部(2)移动，呼气时胸腹压缩，封装壳体顶部(3)向远离封装壳体基部(2)的方向移动。

6.根据权利要求1所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述信号处理模块对压力电信号进行处理，得到呼吸频率与深呼吸完成度的步骤包括：

1)所述信号处理模块对压力电信号进行预处理，包括滤波、放大；

2)所述信号处理模块根据预处理后的压力电信号生成呼吸曲线；

3)根据时间t内呼吸曲线波峰出现的次数确定呼吸频率；

计算时间t内平均深呼吸完成度C_ave，即：

式中，n表示时间t内深呼吸次数；

其中，时间t内第i次深呼吸的深呼吸完成度C_i如下所示：

7.根据权利要求6所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述信号处理模块、数据传输模块和电源模块集成在PCB电路板(6)上；所述PCB电路板(6)固定在所述封装壳体基部(2)上。

8.根据权利要求7所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：还包括集成在PCB电路板(6)上的指示模块；所述指示模块将所述信号处理模块生成的呼吸曲线转化为吸气曲线和呼气曲线，从而指示呼吸时胸腹部的起伏变化。

9.根据权利要求8所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：所述指示模块还用于指示测试者的佩戴状态；

所述指示模块对所述吸气曲线和所述呼吸曲线进行实时监测：

10.根据权利要求8所述的一种穿戴式呼吸生理参数测量装置，其特征在于：还包括为压力检测模块、信号处理模块、数据传输模块、指示模块供电的电源模块。