专利名称：用于测量振动的方法、装置、计算机程序和系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及用于测量振动(oscillatory motion)的方法、装置、计算机程序和系统。特别是，其涉及用于测量与呼吸有关的振动的方法、装置、计算机程序和系统。
背景技术：
对患者的呼吸的测量在监测和诊断各种呼吸紊乱中是有用的，以及是患者疾病的 有用的更广的度量。所关注的测量结果可包括呼吸率(每分钟呼吸次数，BPM)、流量、潮流气量、呼吸模式以及这些量随着时间的过去的变化。用于监测呼吸的设备一般落在3种主类别中i)观察腹部和/或胸部的运动或组织成分的设备，ii)测量空气的流量的设备，以及iii)测量血液或呼出的空气中的不同气体的浓度的设备。类型i)的设备可涉及下列项的测量经胸廓和腹部阻抗、通过应变的圆周、嵌入皮带和带子中的压力计或光纤计、在呼吸中涉及的肌肉的电活动(肌电图描记法)。这些设备中的几个需要放置在胸部和腹部周围的突出的收缩性皮带的使用，而该收缩性皮带可能对连续的或长期的监测不是有益的，特别是对于具有某些疾病的患者。其它设备需要在患者周围的昂贵且复杂的基础设施和/或需要静止不动的患者来进行测量，因为患者的运动会干扰测量，这有效地阻碍了对家庭监测的能力。在患者需要氧疗法的场合，这可能干扰测量鼻气体流量的类型ii)的某些设备。此外，不能使用诸如插管的设备来测量嘴呼吸。而且，测量总的呼吸气体流量的设备例如面罩可能是突出的和对于患者而言不舒适的，因而限制了对测量结果的连续或长期监测的能力。类型iii)的设备往往不给出潮流气量的变化的可靠指示，并可能对呼吸的中断缓慢地作出反应。这样的设备常常是突出的，且对连续的或长期的或远程的家庭监测不是有益的。早先出版的文件或本说明书中的任何背景的列表或讨论不应一定被理解为承认该文件或背景是最先进技术的部分或是一般共知常识。本公开的一个或多个方面/实施方式可以或可以不处理一个或多个背景问题。本发明的各种实施方式的简要说明根据本发明的各种的但不一定全部的实施方式，提供了用于测量振动的方法，其包括接收与矢量参数(at_1; at)的方向的多个测量结果有关的多个信号；基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数(a,)的主测量方向；确定在矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数(at)的测量方向与矢量参数(St)的主测量方向之间的旋转角
(Φ ) O矢量参数可以是与例如重力场、磁场或传感器所测量的角取向有关的三维矢量。传感器提供指示矢量参数相对于传感器的测量参考坐标系的方向的测量结果的信号，该方向例如是地球的重力场的方向(例如在传感器的坐标系中向下的方向)、地球的磁场的方向(例如，在传感器的坐标系中向北的方向)或传感器的定向。传感器的运动特别是旋转运动使传感器的坐标系中的矢量参数的方向改变。 在一些实施方式中，传感器耦合到身体部分，例如不动的患者(其呼吸被监测)的胸、躯干、胸部或胸腔区域，即，传感器被定位和连接到在呼吸期间经历振动的身体的一部分。在呼吸过程期间，当肺扩张和收缩时，胸区域经历振动。该运动引起所连接的传感器的相应运动，其改变在传感器的坐标系内的矢量参数的测量方向，即，它也经历振动。矢量参数的方向的读数被获取。从在一段时间内的多个测量结果确定矢量参数的测量方向的主方向或平均方向。所计算的主方向提供在确定归因于运动的旋转的角时使用的参考基础。旋转角被定义为在矢量参数的测量方向和矢量参数的主测量方向之间的角。实施方式提供用于测量振动的新度量，其直接与物理参数例如在振动期间物体的旋转或在呼吸期间患者的胸壁的旋转有关。有利地，度量是相对于从测量结果本身确定的参考方向而确定的角度值，与相对于某个恒定或固定的参考方向的绝对角度值相反。因此，假定有与振动无关的大规模运动(其在传感器的坐标系内转变参考方向)，则参考方向可被重新确定。各种的但不一定所有的实施方式所提供的优点是，确定直接与物理测量结果，SP由振动引起的角运动有关的测量值(旋转角)。在呼吸测量例如与呼吸行动(其中进行躯干的测量)有关的测量的情况下，角度值直接与在呼吸期间躯干相对于所确定的参考方向的角运动有关，该参考方向相应于在振动中的平均方向/中央方向。旋转角相对于所确定的参考方向而被确定，所以独立于患者和捕获测量结果的设备的初始定向。因此，传感器在患者身上的精确和谨慎的初始放置是不需要的。各种的但不一定所有的实施方式可改善提供连续的不突出的呼吸监测的能力。实施方式可提供通过重新设定参考方向来适应并调节患者重新定向或大规模运动的能力，旋转角对照所述参考方向来确定。各种实施方式不需要限制装置或复杂和笨重的基础设施并且也不需要医疗从业者的参与，并因此可实现低成本和长期远程呼吸监测。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括确定所测量的矢量参数的方向的旋转所围绕的主旋转轴，并基于围绕主旋转轴的旋转进一步确定旋转角。作为结果被确定的角涉及在矢量参数的测量方向和矢量参数的主测量方向之间的、围绕主旋转轴的旋转角。事实上，这样的实施方式提供对于角的确定，该角是旋转角在垂直于主旋转轴的平面上的投影。通过仅考虑被投影到一表面例如垂直于主旋转轴的平面上的一维角运动，这提供作为结果被确定的角的质量和准确度被改善的优点，这是因为例如由于在其它平面中的运动/旋转所导致的任何额外的测量信号或噪声被忽略，其中所述运动/旋转不是由于呼吸相关的运动所导致的。在各种的但不是所有的实施方式中，所确定的旋转角仅涉及围绕主旋转轴的旋转。因此，这样的实施方式提供用于测量呼吸的增强的度量。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括确定在矢量参数(at_i)的测量方向和矢量参数(at)的相继(sequential)测量方向之间的旋转角(Θ )。如果旋转角(Θ )被发现大于或等于阈值，这可指示将影响矢量参数的主方向以及主旋转轴的方向的相当大的运动，从而干扰所确定的旋转角。患者的这种相当大的或“大规模的”运动涉及与待测量的振动的相对“微小的”运动无关的运动。当探测到超出阈值时，矢量参数的主方向和主旋转轴被重新确定。这样的特征提供了区分有效的测量信号与无效的测量信号的能力，并且使得能够对阈值被超越(其中患者是不动的)之间的时期进行分类，并且可进行未被相当大的运动压倒的测量。有利地，这使实施方式能够适应并调节相当大的运动，否则该运动将引起在参考方向上的偏移并导致不准确的测量结果。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种方法，该方法还包括基于旋转角(Φ)确定角速度(ω)。有利地，发明人发现，角速度的值紧密地相应于呼吸流率。因此，有利地，实施方式可用于提供与呼吸流率有关的度量。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种用于测量振动的装置，该装置包括存储计算机程序指令的存储器；被配置成执行计算机程序指令以使装置至少执行上述方法的处理器。 根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时执行上述方法。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了一种用于测量振动的装置，该装置包括被布置成接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号的输入接口 ；被布置成基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数的主方向的控制器；以及，所述控制器还被布置成确定矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与矢量参数的主测量方向之间的旋转角。根据本发明的各种的但不一定所有的实施方式，提供了用于测量振动的系统或设备，该系统或设备包括用于测量矢量参数的方向的装置；用于产生与矢量参数的方向有关的信号的装置；用于发送信号的装置；以及，上述的装置。附图的简要说明为了更好地理解本发明的实施方式的各种例子，现在将仅通过举例说明的方法对附图进行参考，其中本发明各种实施方式的详细描述图I示意性示出用于测量振动的方法的流程图；图2示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图；图3示意性示出用于测量振动的传感器的例子；图4示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图；图5示出角速率和呼吸率相对于时间的曲线图；图6示意性示出用于测量振动的装置的例子；图7示意性示出用于测量振动的系统的例子；图8不意性不出用于测量振动的设备的例子；图9示出显示了在根据本发明的实施方式的、基于加速计的传感器所测量的角旋转速率相对于时间的曲线与陀螺仪传感器所测量的角旋转速率相对于时间的曲线之间的比较的图；
图10示出显示了根据本发明的实施方式的、基于加速计的传感器所测量的旋转速率相对于时间的曲线和鼻插管压力相对于时间的曲线之间的比较的图；图IlA示出显示了三轴加速计信号相对于时间的曲线；图IlB示出显示了在图A的连续加速度矢量之间的角变化相对于时间的曲线；图IlC示出显示了从图A的加速计信号计算的角速率相对于时间的曲线；图IlD示出显示了在图IlC的角速率和插管压力之间的相关系数相应于时间的曲线.图IlE示出显示了从图C的角速率计算的呼吸率和从插管压力得到的数据计算的呼吸率相对于时间的曲线；以及图12示意性示出用于测量振动的另一方法的流程图。描述 图I示意性示出用于测量振动的方法100的流程图。在块101中，在给定的时间点(at_1;at)接收矢量参数的方向的多个测量结果。矢量参数的测量结果由固定地连接到或物理地耦合到物体(其振动将被测量)的传感器捕获，使得传感器相对于物体以稳定和稳固的状态保持，以便使得物体的运动引起传感器的相应运动。测量结果以预定的频率被捕获。优选地，频率被设定，使得多个测量结果在振动的单个周期的持续时间内被捕获。在一些实施方式中，传感器被固定地直接或间接连接到患者(其呼吸将被监测)的身体部分例如胸、躯干、胸部、腹部或胸腔区、或患者的衣服。传感器可定位到和连接到在呼吸期间经历振动的身体的一部分。传感器可通过任何适当的装置例如经由固定/附接的装置或粘合剂直接或间接物理地耦合到身体部分。优选地，传感器设备固定到患者的、在中锁骨线上的弓肋的下边缘，以最大化所测量的振动的振幅。此外，在胸廓和腹部上的另一传感器设备的同时放置将允许呼吸的不同阶段和特征的捕获。矢量参数可以是与重力场、磁场或传感器所测量的角取向有关的三维矢量。传感器提供指示矢量参数在传感器的测量参考坐标系中的方向的测量结果的信号，该方向例如是地球的重力场的方向(例如在传感器的坐标系中向下的方向)、地球的磁场的方向(例如，在传感器的坐标系中向北的方向)或传感器的定向。传感器的运动特别是振荡旋转运动导致传感器的坐标系中的矢量参数的方向发生改变。在传感器是加速计的场合，由于在呼吸所导致的运动中涉及的微小线性加速度，所测量的加速度矢量参数将接近于在患者不动且呼吸时由于重力g所导致的加速度。当传感器旋转时，重力矢量将在传感器的坐标系中旋转。多个测量结果使重力矢量相对于传感器的参考坐标系的方向能够在呼吸所引起的振动期间被跟踪。在块102中，确定在预定的时间段(W)内的矢量参数(at)的主方向。其相应于在所述预定的时间段内在传感器的坐标系中的矢量参数的平均方向。优选地，进行测量的时间段大于或等于振动的一个周期的持续时间，例如一次呼吸的持续时间或一个呼吸周期。这使测量结果能够在振动的至少一个完整周期内被捕获。矢量参数at的主方向可被计算为
权利要求
1.一种用于测量振动的方法，包括 接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号； 基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主测量方向；以及确定在所述多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与所述矢量参数的主测量方向之间的旋转角。
2.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述多个测量结果包括所述矢量参数的方向的多对相继测量结果；所述方法还包括 为每对相继测量结果确定旋转轴，其中所述旋转轴被定义为所述矢量参数的所述测量方向旋转所围绕的、在所述矢量参数的方向的一对相继测量结果之间的轴； 基于所确定的旋转轴确定主旋转轴；以及 其中所述旋转角还基于围绕所述主旋转轴的旋转而被确定。
3.如任一前述权利要求所述的方法，还包括基于所述旋转角来确定角速度。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中从耦合到物体的至少一个传感器接收与所述矢量参数的方向的测量结果有关的信号，所述物体的振动将被测量。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述物体是身体部分。
6.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述矢量参数包括重力场、磁场和角取向中的至少一个。
7.如任一前述权利要求所述的方法，其中与所述矢量参数的方向的测量结果有关的每个信号包括在三个正交的轴上的所述矢量参数的方向的表示。
8.如任一前述权利要求所述的方法，其中下列操作中的至少一个在预定的时间段内出现 接收与所述矢量参数的方向的多个测量结果有关的所述多个信号， 确定所测量的矢量参数的主方向，或 确定所述主旋转轴。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述预定的时间段大于或等于所述振动的周期的持续时间。
10.如任一前述权利要求所述的方法，还包括确定在所述矢量参数的测量结果和所述矢量参数的相继测量结果之间的变化。
11.如前述权利要求10所述的方法，还包括确定所述变化是否大于阈值；以及 如果所述变化大于阈值，则 接收与所述矢量参数的方向的多个测量结果有关的另外的多个信号； 基于另外的多个测量结果重新确定所述矢量参数的主方向；以及确定所述矢量参数的方向的所述另外的多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与所述矢量参数的重新确定的主方向之间的旋转角。
12.如任一前述权利要求所述的方法，还包括 确定多个角速度； 监测角速度的值； 定义角速度值的范围的第一区域，其中角速度值大于第一阈值； 定义角速度值的范围的第二区域，其中角速度值小于第二阈值；定义角速度值的范围的第三区域，其中角速度值在所述第一阈值和所述第二阈值之间；以及 一旦确定所监测的角速度值经历4个区域转变时登记所述振动的周期的计数。
13.如任一前述权利要求所述的方法，还包括 接收与第二矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号； 基于所述第二矢量参数的方向的所述多个测量结果来确定所述第二矢量参数的主方向；以及 确定所述第二矢量参数的测量方向与所述第二矢量参数的所述主方向之间的旋转角。
14.如前述权利要求13所述的方法，其中所述第二矢量参数不同于所述矢量参数。
15.如任一前述权利要求所述的方法，还包括确定投影角，其中所述投影角被定义为所述旋转角在一表面上的投影。
16.如前述权利要求15所述的方法，其中所述表面包括平面或椭球体的至少部分中的一个。
17.如权利要求3所述的方法，还包括 确定角速度或旋转角的一系列值；以及 将模式识别算法应用于角速度或旋转角的所述一系列值。
18.如权利要求17所述的方法，还包括将模式识别算法应用于角速度或旋转角的所述一系列值，以便识别运动。
19.如权利要求18所述的方法，还包括响应于所述运动的识别来产生控制信号。
20.一种用于测量振动的装置，包括 存储器，其存储计算机程序指令；以及 处理器，其被配置成执行所述计算机程序指令以使所述装置至少执行权利要求I到19中的任一项所述的方法。
21.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时执行权利要求I到19中的任一项所述的方法。
22.—种载波信号，所述载波信号携带如权利要求21所述的计算机程序。
23.一种使用指令来编码的计算机可读存储介质，所述指令在由处理器实施时执行权利要求I到19中的任一项所述的方法。
24.一种用于测量振动的装置，包括 用于接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号的装置； 用于基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主方向的装置；以及用于确定所述多个测量结果中的一个的所述矢量参数的测量方向与所述矢量参数的所述主测量方向之间的旋转角的装置。
25.一种用于测量振动的装置，包括 输入接口，其被布置成接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号；控制器，其被布置成基于所述多个测量结果来确定所述矢量参数的主方向；以及所述控制器还被布置成确定所述多个测量结果中的一个的所述矢量参数的测量方向与所述矢量参数的所述主测量方向之间的旋转角。
26.一种用于测量振动的系统，包括用于测量矢量参数的方向的装置； 用于产生与所述矢量参数的方向有关的信号的装置； 用于发送信号的装置；以及 根据权利要求20和24到25中的任一项所述的装置。
27.一种用于测量振动的设备，包括 用于测量矢量参数的方向的装置； 用于产生与所述矢量参数的方向有关的信号的装置； 用于发送信号的装置；以及 根据权利要求20和24到25中的任一项的装置。
28.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置被布置成耦合到身体部分。
29.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置包括下列项中的一个 用于测量重力场的装置， 用于测量磁场的装置，以及 用于测量角取向的装置。
30.如权利要求26所述的系统或如权利要求27所述的设备，其中所述用于测量矢量参数的方向的装置被布置成测量在三维中的所述矢量参数的方向。
31.用于测量实质上如上文参考附图描述和/或如附图所示的振动的方法、装置、计算机程序、系统和设备。
全文摘要
用于测量振动的方法、装置、计算机程序、系统和设备，包括接收与矢量参数的方向的多个测量结果有关的多个信号；基于矢量参数的方向的多个测量结果来确定矢量参数的主测量方向；确定在矢量参数的方向的多个测量结果中的一个的矢量参数的测量方向与矢量参数的主测量方向之间的旋转角(φt)。
文档编号G01H1/00GK102946802SQ201180027571
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月16日 优先权日2010年6月4日
发明者达马尔·阿尔温德, 安德鲁·贝茨 申请人:爱丁堡大学董事会