一种基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统的制作方法

本发明涉及呼吸监测设备
技术领域：
，尤其涉及一种基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统。
背景技术：
：呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代运动医学、临床医学的重要研究领域，作为判断生理机能的重要指标。但随着人们生活水平的不断提高，日常的健康及生理指数的监测逐渐成为人们生活所需，而较多的监测设备体积庞大，价格昂贵并不适用于日常消费领域，因此急需便携式的呼吸监测系统满足人们日常所需。现有的便携式呼吸监测设备一般通过可穿戴形式佩戴于人体心肺、口鼻等监测位置，利用传感器感知人体呼吸的变化。授权公告号为cn202665515u的实用新型专利公开了一种便携式睡眠呼吸监测系统，该方案需采集呼吸、血氧、脉率、胸部运动、腹部运动等多个位置参数，这样不仅造成了运算分析电路过于复杂，也影响人体佩戴的舒适感。申请公布号为cn106580325a的发明专利申请公开了一种睡眠呼吸监测设备，该设备环绕于用户的腹部或胸部，由于带体的材料和装配件的材料均为弹性织物会随用户的睡眠呼吸而发生形变，通过带体上的织物应变传感器监测人体的呼吸状态。然而，该带体环绕于用户的腹部或胸部，在整个环绕的较大范围中各个不同位置的形变量具有显著差异，例如位于胸肺部附近的型变量较大而背部形变量较小，较大的形变范围差异不仅会产生难以克服的误差，并会产生较大的相互干扰，进一步降低测量的准确性，从而无法获得准确的呼吸数据。技术实现要素：本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统，能够方便、舒适地佩戴，且有效地避免了不同部位之间呼吸幅度不同的相互干扰，减少了测量误差，从而准确地获取监测对象的呼吸曲线数据。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。一种基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统，其包括：依次连接的弹性电阻应变片、测量电路、放大器、模数转换电路、微处理器、通信接口，以及用于供电的直流电源；其中，所述弹性电阻应变片设置为直接与人体皮肤紧密粘贴的弹性结构体，并随着膈肌收缩而拉伸，随着膈肌松弛而回弹，弹性电阻应变片的电阻值随之变化；测量电路具有与弹性电阻应变片的引线并联的固定阻值电阻，以及与固定阻值电阻串联的阻值可调电阻，用于根据弹性电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号；放大器，用于将测量电路输出的电压信号的幅值放大至模数转换电路的输入范围；模数转换电路，用于将放大器的输出信号转化转换为数字信号；微处理器，用于根据固定阻值电阻和阻值可调电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算弹性电阻应变片的等效电阻的阻值，根据等效电阻的阻值变化生成与弹性电阻应变片形变量相应的测量数据，并根据测量数据中弹性电阻应变片的电阻值的峰值及变化频率生成体现呼吸深度和频率的呼吸曲线数据。优选的，所述弹性电阻应变片包括不导电高分子层和导电高分子层，所述导电高分子层位于不导电高分子层的表面；其中，不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成；第一弹性高分子复合物材料、第二弹性高分子复合物材料均为固化后能形成稳定表面且拉伸比为100％～500％的高分子复合物材料；所述导电高分子层固化于不导电高分子层的表面。优选的，所述导电高分子层的厚度可为1um～100um，不导电高分子层的厚度可为0.3mm～2mm。优选的，所述弹性电阻应变片的导电高分子层设置为多个u形相连接的结构，以在相同的接触面积下提高导电高分子层的形变量。优选的，所述测量电路中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与第一固定阻值电阻串联后接地；阻值可调电阻的一端连接至直流电源，另一端与第二固定阻值电阻串联后接地；第三固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号输出至放大器。优选的，所述放大器电路采用adi公司的低噪声放大器ad8236，相应的旁路电容为0.1μf，参考电压为5v，增益设置电阻为2.15～210kω，增益系数为6.0～200.3。优选的，所述测量电路、放大器、模数转换电路、微处理器、通信接口设置在同一集成电路中，且该集成电路设置在弹性电阻应变片的不导电高分子层中，并在不导电高分子层上开口或者表面设置显示屏，以直接显示呼吸曲线数据。优选的，所述系统进一步包括通过网络与通信接口连接的数据分析服务器、数据库以及警报设备；其中，数据分析服务器通过将生成的呼吸曲线数据与数据库中存储的各年龄段呼吸频率数据进行对比，当呼吸曲线数据中的呼吸频率超出与监测对象的年龄相应的呼吸频率范围时，数据分析服务器生成呼吸过于缓慢或者呼吸过于急促的告警信息，并发生给相应的警报设备。优选的，所述数据库还用于存储各年龄段呼吸幅度数据；当呼吸曲线数据中的呼吸幅度超出与监测对象的年龄相应的呼吸幅度范围时，数据分析服务器生成呼吸过于微弱或者呼吸幅度过大的告警信息，并发生给相应的警报设备。优选的，所述警报设备包括用于进行语音告警提示的扬声器、led告警提示灯、以及人机交互界面中的提示界面。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：通过将弹性电阻应变片设置为直接粘贴在皮肤表面，随着呼吸而改变电阻值，通过测量电路、放大器、模数转换电路、以及微处理器的处理，可以获取弹性电阻应变片的电阻值变化数据，并转换为体现呼吸深度和频率的呼吸曲线数据，从而直观、准确地显示被监测对象的呼吸状态，而且还可以通过上位机对测量数据进行进一步的分析，在呼吸曲线数据中的频率或者深度超出预设的阈值范围时触发相应的报警，以提醒用户注意。附图说明图1是根据本发明实施例的基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统的结构示意图。图2是根据本发明实施例的吸气时便携式呼吸监测系统中弹性电阻应变片的粘贴示意图。图3是根据本发明实施例的呼气时便携式呼吸监测系统中弹性电阻应变片的粘贴示意图。图4是根据本发明实施例的弹性电阻应变片的剖面图。图5是根据本发明实施例的弹性电阻应变片的结构示意图。图6是根据本发明实施例的测量电路示意图。图7是根据本发明实施例的放大器的参考连接电路示意图。图8是根据本发明另一实施例的基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图1示出了根据本发明实施例的基于弹性电阻应变片的便携式呼吸监测系统。该实施例的便携式呼吸监测系统包括：依次连接的弹性电阻应变片、测量电路、放大器、幅度调制电路、模数转换电路、微处理器、通信接口，以及用于供电的直流电源。其中，弹性电阻应变片直接粘贴在皮肤表面，随着呼吸而改变电阻值，通过测量电路、放大器、幅度调制电路、模数转换电路、以及微处理器的处理，可以获取弹性电阻应变片的电阻值变化数据，并转换为体现呼吸深度和频率的呼吸曲线数据，从而直观、准确地显示被监测对象的呼吸状态，而且还可以通过上位机对测量数据进行进一步的分析，在呼吸曲线数据中的频率或者深度超出预设的阈值范围时触发相应的报警，以提醒用户注意。如图2和图3所示，弹性电阻应变片设置为直接与人体皮肤紧密粘贴(例如，直接粘贴在人体表面呼吸起伏较大的位置，如肺部外不同的肋骨之间、腹部等)的弹性结构体，并随着膈肌收缩而拉伸，随着膈肌松弛而回弹，弹性电阻应变片的电阻值随之变化。如图2所示，当膈肌收缩时，胸内压力降低，为维持压力平衡，空气进入肺内，胸廓扩张，此时横跨不同肋骨之间的弹性电阻应变片随着皮肤而拉伸，其等效电阻的阻值随之增大。如图3所示，当膈肌松弛时，胸内压力升高，促进气体排出肺外，胸腔缩小，此时弹性电阻应变片回弹，其等效电阻的阻值随之减小。而且，对于不同的呼吸深度，电阻峰值与呼吸深度相对应；对于不同的呼吸频率，电阻峰值变化的频率与呼吸频率相对应。图4示出了根据本发明实施例的弹性电阻应变片的剖面图。根据该实施例的弹性电阻应变片包括不导电高分子层和导电高分子层，所述导电高分子层位于不导电高分子层的表面。其中，不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成。第一弹性高分子复合物材料、第二弹性高分子复合物材料均为固化后能形成稳定表面且拉伸比为100％～500％的高分子复合物材料；所述导电高分子层固化于不导电高分子层的表面。在本发明中，不导电高分子层作为导电高分子层的基底，两者紧密结合，拉伸性能和应力变化一致度高；当应变片所受应力加载结束后，除了导电高分子层自身具有的回弹力之外，不导电高分子层会额外对导电高分子层增加一个回弹力，使应变片能够在最快的速度内回复原状，减少应变片的漂移和误差。在各种实际应用中，可根据不同的测量对象及范围选择硅胶、橡胶等作为第一弹性高分子复合物材料。例如，采用硅胶作为导电高分子层和不导电高分子层的基础复合物材料时，其拉伸比可达到500％(例如，材料在拉伸方向上的长度与材料未受拉伸时的长度之比)；采用橡胶时，拉伸比可达到200％～300％。选择不同的高分子复合物材料所制成应变片其灵敏度和线性度也不同。在本发明优选的实施例中，可以选用质量分数为7％～18％的炭黑或碳纳米管作为导电填料，并采用质量分数为82％～93％的硅胶作为第一弹性高分子复合物材料来获取第二弹性高分子复合物材料。为了使应变片能够具有较好的贴合性，所述导电高分子层的厚度可为1um～100um，不导电高分子层的厚度可为0.3mm～2mm，并且，弹性电阻应变片的整体宽度为5mm～50mm，长度为100mm～300mm。制备弹性电阻应变片时，首先制备液态的第一弹性高分子复合物材料，将液态的第一弹性高分子复合物材料注入第一模具中，加热、固化第一弹性高分子复合物材料，以形成不导电高分子层；再制备液态的第二弹性高分子复合物材料，将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面。图5所示实施例的弹性电阻应变片的导电高分子层可以设置为多个u形相连接的结构，从而可以在相同的接触面积(通常即不导电高分子层与测量目标之间的接触面积)下提高导电高分子层的形变量，从而提高应变片检测的灵敏度。在进一步的实施例中，导电高分子层可以设置为螺旋线形、等六边形蜂窝结构等。根据本发明实施例的测量电路具有与弹性电阻应变片的引线并联的固定阻值电阻，以及与固定阻值电阻串联的阻值可调电阻，用于根据弹性电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号。图6示出了根据本发明一实施例的测量电路的结构示意图。其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源vcc，另一端与第一固定阻值电阻r4串联后接地；阻值可调电阻r2的一端连接至直流电源vcc，另一端与第二固定阻值电阻r3串联后接地；第三固定阻值电阻r1与电阻应变片的引线并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号uo输出至放大器。在针对各种不同种类弹性电阻应变片的应用中，首先可以依据弹性电阻应变片在未发生形变条件下的标称等效电阻值来选择小于该等效电阻值的固定阻值电阻r1，使得r1阻值始终低于rx，避免应变片阻值变化太大到无法测量；阻值可调电阻r2的初始阻值可以根据固定阻值电阻r1的阻值和放大器的输入电压范围来设置，以获取符合放大器的输入电压范围的电压信号；在弹性电阻应变片发生形变且电压信号的幅值变化超出放大器的输入电压范围时，调节阻值可调电阻r2的阻值来改变电压信号uo的幅值以使其仍符合放大器的输入电压范围(例如，-14.5v～+14.5v)。从此过程可以看出，本文所指阻值可调电阻，是指在生产、测试特定应用场景下的弹性电阻应变片时，阻值可调，而当生产完成、确定应用场景之后，这些阻值可调电阻的阻值也即随之确定，而不可调；当需要更改应用场景，或者维修测试时，才可以相应地改变其阻值。对于上述实施例中灵敏度较高的弹性电阻应变片，其等效电阻值变化的范围可以达到100ω～1mω。通过本发明的上述实施例的测量电路，一方面通过与电阻应变片并联的固定阻值电阻来将电阻应变片两端的电压值保持在相对稳定的值，并进一步通过设置阻值可调电阻将电压信号的幅值调节到符合放大器的输入电压范围内，从而减小检测信号的漂移和误差。根据本发明实施例的放大器，用于将电压信号的幅值放大至幅度调制电路的输入范围，例如，可以采用adi公司的低噪声放大器ad8236、ad8634等。在优选的实施例中，放大器电路采用ad8236，参考连接电路如图7所示，放大器的输出vout＝g*(vinp-vinm)+vref，其中，g为放大器的增益系数，vinp和vinm分别连接测量电路的输出端，vref为参考电压(如5v)，c为旁路电容(如0.1μf)。g与增益设置电阻rg的关系如下表1所示，通过改变增益设置电阻rg将输出电压信号的幅值调节到符合信号调制电路的输入电压范围内，以减小检测信号的漂移和误差。表1rg(kω)g2106.01059.084.510.09.3150.14.42100.02.15200.3幅度调制电路通常可以包括三极管和lc谐振回路，用于通过高频载波振荡器产生的等幅载波对输入的电压信号进行非线性频率变换，并输出调幅波。在不同的应用实施方式中，也可以通过设置放大器的增益系数而不必再设置幅度调制电路。模数转换电路，用于将调幅波转换为数字信号。例如，可以采用motorola公司mc14433芯片和外围电阻、电容来构成模数转换电路。微处理器，用于根据固定阻值电阻和阻值可调电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算弹性电阻应变片的等效电阻的阻值，并根据等效电阻的阻值变化生成与弹性电阻应变片形变量相应的测量数据，并根据测量数据中弹性电阻应变片的电阻值的峰值及变化频率生成体现呼吸深度和频率的呼吸曲线数据。例如，微处理器可以采用ti公司的16位risc单片机msp-430f413。对于生成的呼吸曲线数据可以通过与微处理器连接的显示器直接显示，例如，将测量电路、放大器、幅度调制电路、模数转换电路、微处理器、通信接口设置在同一集成电路中，将集成电路设置弹性应变片的一侧；在其他实施方式中，也可以采用超薄集成电路和柔性显示屏，以集成在弹性电阻应变片的不导电高分子层中，并在不导电高分子层上开口或表面上设置显示屏。在其他实施例中，也可以通过与微处理器连接的通信接口将生成的呼吸曲线数据发送给其他设备，例如数据分析服务器，以对呼吸曲线数据进行进一步处理或者存储。如图8所示实施例的便携式呼吸监测系统中，进一步包括通过网络与通信接口连接的数据分析服务器、数据库以及警报设备，其中，数据分析服务器可以通过将生成的呼吸曲线数据与数据库中存储的各年龄段呼吸频率数据进行对比，当呼吸曲线数据中的呼吸频率超出与监测对象的年龄相应的呼吸频率范围时，数据分析服务器生成呼吸过于缓慢或者呼吸过于急促的告警信息，并发生给相应的警报设备，例如，用于进行语音告警提示的扬声器、led告警提示灯、人机交互界面中的提示界面等。例如，对于以儿童为监测对象的应用场景中，数据库中可以存储如下表2所示的各年龄段儿童呼吸参考频率值，可进一步存储针对不同年龄阶段的监测对象设置报警时间、报警频率等。表2年龄呼吸频率(次/分钟)<1月40～45<1岁30～402～3岁25～304～7岁20～25以监测的对象为8个月大的新生婴儿为例，数据库中存储的相应呼吸频率是30～40次/分钟，则为了避免出现误报和漏报，可设置在2s、3s或更长时间段内未检测到呼吸曲线数据存在波形变化，则生成告警信息，触发警报设备。也可以之间基于呼吸曲线数据的波形峰值变化频率来生成告警信息，例如，当呼吸曲线数据中的波形变化频率小于30次/分钟，则说明被监测对象的呼吸速率低于平均值，过于缓慢，触发警报设备提醒用户注意。同理，若检测的波形变化频率高于40次/分钟，则说明被监测对象的呼吸速率低于平均值，过于急促，触发警报设备提醒用户注意。在进一步的实施例中，数据库还可以存储各年龄段呼吸幅度数据，当呼吸曲线数据中的呼吸幅度超出与监测对象的年龄相应的呼吸幅度范围时，数据分析服务器生成呼吸过于微弱或者呼吸幅度过大的告警信息，并发生给相应的警报设备。而且，也可以结合呼吸频率和呼吸幅度阈值范围，并设置一定的观察时间，例如，当呼吸频率和/或呼吸幅度在3分钟之内恢复到预设的范围之内时，则自动取消告警提示。以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关
技术领域：
的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12