专利名称：呼吸信息检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测方法，特别涉及人体呼吸信息检测的方法及检测装置。
背景技术：
呼吸参数是临床监护的一个重要生理参数，当患者出现呼吸窒息甚至死亡时，通过监护设备的呼吸窒息报警可以及时提醒医务人员注意患者病情，避免延误患者的最佳治疗时间。在临床上，呼吸参数的监护通常采用阻抗法，由于阻抗法可以在监护心电参数的同时获取呼吸参数，不需要额外的附件，实现简单，因此得到广泛应用。阻抗法测量呼吸的基本原理是监护设备产生一定频率的高频载波信号，通过心电导联线将该载波信号耦合到人体。当人体的胸腔未发生相对运动时，相对于呼吸载波信号的等效阻抗是固定不变的。当人体由于呼吸而导致胸腔发生相对运动时，则相对于高频载波信号会产生微小的阻抗变化。该微小的阻抗变化会将呼吸载波调制，硬件电路将该调制后的信号放大、解调、滤波后，输入到A/D，由A/D进行数据采集，并将数据传输到MCU，通过MCU运行相应的算法得到呼吸率及呼吸报警信息。如上所述，含有人体阻抗变化信息的呼吸调制信号必须经过放大、解调才能得到呼吸信号，但通过解调的呼吸信号中通常含有较高的DC分量，如在基阻为4000欧，变阻为0. 5欧姆的情况下，理论上DC分量约为AC分量的8000倍左右，动态范围如此之大，若以同样的增益放大AC、DC分量，则在放大AC分量的同时，DC分量早已导致硬件电路饱和。更为严重的是，DC分量并不是固定的，是随基阻抗的变化而变化的，而基阻抗的大小因人而异。另外，在临床监护过程中，若患者运动，则会产生较大的变阻，该变阻足以导致硬件电路饱和。为了解决上述问题，现有技术方案通常采用电容耦合的方法，但由于呼吸的带宽为0. 1 2. 5Hz，其时间常数达到1. 6S左右，如此大的时间常数，一旦患者运动导致硬件电路饱和，则硬件电路恢复时间很长。由于电容耦合存在上述缺陷，部分技术方案对此进行了优化，采用称为“一种DC分量自动抵消的方案”，在该方案中，利用单片机实时采集解调后的呼吸信号，并对采集的呼吸信号进行处理，实时计算出其DC分量，通过单片机的DA输出同等大小的电压信号和解调后的呼吸信号DC分量相减，则可大幅度降低呼吸信号中的DC分量，经过上述处理后再次放大得到呼吸信号。在“一种DC分量自动抵消的方案”中，存在的问题是方案非常复杂，单片机在抵消呼吸信号DC分量的过程中容易引入干扰，对同样低频的呼吸信号检测造成不利影响。综上，由于以往技术的限制，呼吸测量电路普遍采用低位A/D，由于呼吸信号非常微弱，若采用低位A/D则需要对呼吸信号进行显著增益，需要复杂的放大电路，或者需要加入耦合电容、硬件抵消电路等，导致软件和硬件非常复杂，而且在人体运动的情况下，该硬件电路容易饱和且难以从饱和状态快速恢复，影响呼吸参数临床监护效果。归纳现有技术的不足之处为
1、抗运动效果差，在临床监护过程中，如果患者运动，则运动产生的变阻容易超出测量范围，导致硬件饱和，并且呼吸波形难以快速恢复；2、由于硬件动态范围有限，硬件饱和后容易导致呼吸波形畸变，导致呼吸率计算错误。3、低位A/D方案，硬件电路结构复杂，容易引入更多的呼吸噪声，影响呼吸算法对呼吸率的计算；
4、硬件抵消电路，需要不断的检测呼吸DC分量并通过单片机运算后输出可抵消上述DC分量的电压信号，导致软、硬件设计非常复杂；
5、硬件滤波器的精度由于受器件离散性的影响，难以对呼吸信号进行精确处理。
发明内容
本发明提供一种呼吸信息检测方法及装置，利用对信号进行预处理，并且进一步采用多位A/D转换以及软件低通滤波和检测计算的方式，解决现有技术中抗运动效果差、电路结构复杂以及呼吸波形畸变的技术问题。本发明为解决上述技术问题而提供的这种呼吸信息检测装置包括依次连接的用于采集呼吸信号的呼吸信号采集单元、对呼吸信号进行放大的前级放大单元、解调呼吸信号的解调单元、对呼吸信号进行放大和偏置的增益及偏置单元、对呼吸信号进行低通滤波处理的低通滤波单元、用于呼吸信号数模转换的A/D转换单元、对信号进行处理并计算的信号处理单元以及对数据结果进行显示的显示单元，所述A/D转换单元为至少16位的多位转换单元。所述信号处理单元包括呼吸信号预处理单元和呼吸率计算单元；所述呼吸信号预处理单元用于对呼吸信号进行预处理，消除呼吸信号中的基线及噪声，获得人体基阻信息；所述呼吸率计算单元用于根据人体基阻信息预设呼吸波的幅度阈值，根据该幅度阈值检测呼吸波的波峰值及波谷值，再根据该波峰值及波谷值计算呼吸率。所述呼吸信号预处理单元包括低通滤波模块、高通滤波模块及呼吸基阻检测模块；所述低通滤波模块用于对呼吸信号进行低通滤波处理，消除高频噪声并对呼吸波形进行平滑处理；所述高通滤波模块与所述低通滤波模块相连，用于对呼吸信号进行高通滤波处理，对呼吸波形的基线进行消除；所述呼吸基阻检测模块与所述低通滤波处理相连，用于对低通滤波处理后的呼吸信号进行检测，获得人体基阻信息。这种呼吸信息检测方法包括以下步骤A.采集呼吸调幅信号，并进行前级放大；
B.对经前级放大的呼吸信号进行解调，并从呼吸信号中获取呼吸信息包络；
C.对解调输出的呼吸信号进行再次增益，并将呼吸信号偏置到合适的A/D输入电压范
围；
该方法还包括以下步骤
D.对C步骤中处理的呼吸信号进行低通滤波处理，将呼吸信号中的高频噪声滤除；
E.对步骤D中处理的呼吸信号进行A/D转换，将模拟呼吸信号转换为数字呼吸信号；
F.对该数字呼吸信号进行预处理，消除呼吸信号的基线，得到呼吸波形数据，并根据呼吸波形数据得到呼吸变阻信息和呼吸基阻信息；本步骤还包括以下分步骤Fl.对A/D转换后的呼吸信号进行低通滤波处理；F2.对Fl步骤中所获得的数据进行高通滤波处理，消除呼吸信号中的基线，得到呼吸信号中对应为呼吸信号变阻信息的AC分量，并根据该AC分量获得呼吸信号变阻信息；F3.对Fl步骤中所获得的数据进行呼吸基阻检测处理，得到呼吸信号中对应呼吸基阻信息的DC分量，并根据该DC分量获得呼吸信号基阻信息；G.根据呼吸基阻信息计算呼吸率，并根据该呼吸率获得呼吸报警信息，计算呼吸率的过程中，根据获得的呼吸信号基阻信息对呼吸波的幅度阈值进行预设，其该幅度阈值包括上阈值和下阈值，并根据该预设的幅度阈值获得呼吸波形的波峰值及波谷值，通过获得波峰值及波谷值计算获得呼吸率；所述获得呼吸波形的波峰值及波谷值的步骤为，当呼吸波形中的某些呼吸波形数值高于设定的上阈值时，比较该些呼吸波形数值的大小，其最大值即为波峰值；当呼吸波形中的某些呼吸波形数值低于预设的下阈值时，比较该些呼吸波形数值的大小，其最小值即为波峰值，计算呼吸率的过程中，在得到呼吸波形的波峰数值和波谷数值后，对呼吸波形波峰、波谷采样点的时间间隔进行处理，从而计算得到呼吸率；H.将呼吸波形、呼吸率及呼吸报警信息进行显示。本发明的方法和装置特点是设置多位A/D(>16bit)方案，通过低倍增益将呼吸信号预放大后，直接采用多位A/D获取原始的呼吸信号，利用MCU中的软件对原始呼吸信号的细节特征进行分析识别，获得更接近真实信号的呼吸波形的同时获取人体基阻信息，可利用人体基阻信息设定呼吸率计算的幅度阈值。由于采用多位A/D，硬件电路具有较宽的变阻检测范围，提高了弱信号下的呼吸测量准确性，简化了硬件电路。与现有技术对比，本发明使用多位A/D，使本发明的测量方法具有更宽的呼吸信号动态范围，可以测量更大的呼吸变阻信号，并避免了患者运动导致的呼吸信号饱和后难以快速恢复的问题。简化了呼吸硬件电路，减少了硬件电路上电噪声的引入，以数字滤波器取代了模拟滤波器，具有更大的设计灵活性，更优的滤波性能，通过呼吸DC分量计算呼吸基阻，利用呼吸基阻设定呼吸率计算的幅度阈值，使呼吸率计算更稳定、更方便，保留了原始呼吸信号的更多细节，保证了微弱呼吸信号测量的准确性。
图1是本发明呼吸信息检测方法的示意图。图2是本发明呼吸信息检测装置的示意图。图3是本发明呼吸信息检测方法的实施例之一。图4是本发明呼吸信息检测方法的实施例之二。
具体实施例方式结合上述
本发明的具体实施例。由图2中可知，本发明的呼吸信息检测装置包括依次连接的呼吸信号采集单元201、前级放大单元202、解调单元203、增益及偏置单元204、低通滤波单元205、A/D转换单元206、呼吸信号预处理单元207、呼吸率计算单元、呼吸率、报警信息上发单元209以及主计算机单元210，所述A/D转换单元为至少16位的多位转换单元。所述呼吸信号采集单元201通过传感器采集呼吸信号，该呼吸信号为呼吸调幅信号，将该呼吸调幅信号发送至前级放大单元202，然后经过所述前级放大单元202对呼吸调幅信号进行低倍增益放大，然后再将放大后的信号输入到解调单元203进行解调，对解调后的呼吸信号通过呼吸增益及偏置单元204再次进行呼吸信号的放大，并将放大后的呼吸信号进行偏置处理，将该呼吸信号偏置到合适的电压范围；然后再将该呼吸信号输入到低通滤波单元205进行低通滤波处理，滤除高频的噪声信号。将进行低通滤波处理的呼吸信号发送至A/D转换单元206进行模数转换，将模拟呼吸信号转换成数字呼吸信号。将所述转换后的数字信号发送到呼吸信号预处理单元207进行预处理，来消除呼吸信号中的基线和噪声，同时得到人体基阻信息；其中所述呼吸信号预处理单元207包括低通滤波模块2071、高通滤波模块2072、呼吸基阻检测模块2073。将该数字呼吸信号发送至低通滤波模块2071，低通滤波模块2071进行低通滤波处理，用于消除呼吸信号中的高频噪声，同时对呼吸波形进行平滑处理；将进行低通滤波处理后的呼吸信号分别发送至高通滤波模块2072和呼吸基阻检测模块2073，；其中所述高通滤波模块2072对该呼吸信号进行高通处理，用于消除基线，得到平滑的呼吸波形。所述呼吸基阻检测模块2073，用于对该呼吸信号进行检测，得到人体基阻信息。经过呼吸波形预处理单元207得到的呼吸数据送入到呼吸率计算单元208 ；将得到的平滑的呼吸波形与人体基阻信息发送至呼吸率计算单元208，所述呼吸率计算单元208根据预设的呼吸波的幅度阈值，来检测呼吸波的波峰与波谷值，然后通过进一步处理得到呼吸率，根据该呼吸率得到呼吸报警信息。其中所述预设的阈值包括上阈值跟下阈值；若呼吸波形中某些呼吸波形的数值高于预设的上阈值，则通过比较该些数值的大小，来确定波峰值，即该些数值中最大的即为波峰值；若呼吸波形中某些呼吸波形的数值低于预设的下阈值，则通过比较该些数值的大小，来确定波谷值，即该些数值中最小的即为波谷值；根据获得的呼吸波形的波峰值及波谷值计算得到呼吸率；所述呼吸率、报警信息上发单元209用于对呼吸波形、呼吸率和呼吸报警信息的发送，将该些信息发送至主计算机单元210 ；所述主计算机单元210用于对呼吸波形、呼吸率以及呼吸报警信息的显示。所述呼吸信号预处理单元207、呼吸率计算单元208及呼吸率、报警信息上发单元均设置于单片机内，所述A/D转换单元206可以是独立的高分辨率模数转换芯片，也可以是单片机内部集成的高分辨率模数转换器。，且所述A/D转换单元为至少16位的多位转换单元，其中所述A/D转换单元206通过SPI、I2S或I2C的通讯方式连接所述单片机的呼吸信号预处理单元207。由图3中可知，本发明的呼吸信息检测装置包括以下单元
呼吸信号采集单元201，通过传感器，完成对呼吸信号的采集，所采集的信号为呼吸调
幅信号。前级放大单元202，包括运算放大器Ul U3，电阻Rl R7，用于对所述呼吸调幅信号进行预放大。所述呼吸信号采集单元201输出的电压信号为Vi+和Vi-，并分别输入至运算放大器Ul和U2的同相输入端。所述运算放大器Ul和U2的反相输入端通过电阻Rl连在一起，电阻R2连接在运算放大器Ul的输出端和反相输入端之间，电阻R3连接在运算放大器U2的输出端和反相输入端之间，通常情况下，令R2=R3，即可计算出电路增益，具体计算公式为
其中Al表示，呼吸调幅信号放大的倍数，Rl和R2为电阻的阻值，有该公式可知前级放大电路将呼吸调幅信号放大了 Al倍。 如图3所示，所述运算放大器Ul和U2构成的双运放差分放大器输出的差分信号通过电阻R4和R5接入运算放大器U3的反相输入端和同相输入端。电阻R7连接运算放大器U3的输出端和反相输入端，构成负反馈。电阻R6连接运算放大器U3的同相输入端到地。通常情况下，取R4=R5，R6=R7，在此情况下，可以得到该放大器的增益，具体计算公式为
权利要求
1.一种呼吸信息检测方法，该方法包括以下步骤A.采集呼吸调幅信号，并进行前级放大；B.对经前级放大的呼吸信号进行解调，并从呼吸信号中获取呼吸信息包络；C.对解调输出的呼吸信号进行再次增益，并将呼吸信号偏置到合适的A/D输入电压范围；其特征在于该方法还包括以下步骤D.对C步骤中处理的呼吸信号进行低通滤波处理，将呼吸信号中的高频噪声滤除；E.对步骤D中处理的呼吸信号进行A/D转换，将模拟呼吸信号转换为数字呼吸信号；F.对该数字呼吸信号进行预处理，消除呼吸信号的基线，得到呼吸波形数据，并根据呼吸波形数据得到呼吸变阻信息和呼吸基阻信息；G.根据呼吸基阻信息计算呼吸率，并根据该呼吸率获得呼吸报警信息；H.将呼吸波形、呼吸率及呼吸报警信息进行显示。
2.根据权利要求1所述的呼吸信息检测方法，其特征在于步骤F中还包括以下分步骤Fl.对A/D转换后的呼吸信号进行低通滤波处理；F2.对Fl步骤中所获得的数据进行高通滤波处理，消除呼吸信号中的基线，得到呼吸信号中对应为呼吸信号变阻信息的AC分量，并根据该AC分量获得呼吸信号变阻信息；F3.对Fl步骤中所获得的数据进行呼吸基阻检测处理，得到呼吸信号中对应呼吸基阻信息的DC分量，并根据该DC分量获得呼吸信号基阻信息。
3.根据权利要求1或2中所述的呼吸信息检测方法，其特征在于在步骤G计算呼吸率的过程中，根据获得的呼吸信号基阻信息对呼吸波的幅度阈值进行预设，其该幅度阈值包括上阈值和下阈值，并根据该预设的幅度阈值获得呼吸波形的波峰值及波谷值，通过获得波峰值及波谷值计算获得呼吸率。
4.根据权利要求3所述的呼吸信息检测方法，其特征在于所述获得呼吸波形的波峰值及波谷值的步骤为，当呼吸波形中的某些呼吸波形数值高于设定的上阈值时，比较该些呼吸波形数值的大小，其最大值即为波峰值；当呼吸波形中的某些呼吸波形数值低于预设的下阈值时，比较该些呼吸波形数值的大小，其最小值即为波峰值。
5.根据权利要求3中所述的呼吸信息检测方法，其特征在于步骤G中在计算呼吸率的过程中，在得到呼吸波形的波峰数值和波谷数值后，对呼吸波形波峰、波谷采样点的时间间隔进行处理，从而计算得到呼吸率。
6.一种呼吸信息检测装置，其特征在于该装置包括依次连接的用于采集呼吸信号的呼吸信号采集单元、对呼吸信号进行放大的前级放大单元、解调呼吸信号的解调单元、对呼吸信号进行放大和偏置的增益及偏置单元、对呼吸信号进行低通滤波处理的低通滤波单元、用于呼吸信号数模转换的A/D转换单元、对信号进行处理并计算的信号处理单元以及对数据结果进行显示的显示单元。
7.根据权利要求6所述的呼吸信息检测装置，其特征在于所述A/D转换单元为至少16位的多位转换单元。
8.根据权利要求6所述的呼吸信息检测装置，其特征在于所述信号处理单元包括呼吸信号预处理单元和呼吸率计算单元；所述呼吸信号预处理单元用于对呼吸信号进行预处理，消除呼吸信号中的基线及噪声，获得人体基阻信息；所述呼吸率计算单元用于根据人体基阻信息预设呼吸波的幅度阈值，根据该幅度阈值检测呼吸波的波峰值及波谷值，再根据该波峰值及波谷值计算呼吸率。
9.根据权利要求8所述的呼吸信息检测装置，其特征在于所述呼吸信号预处理单元包括低通滤波模块、高通滤波模块及呼吸基阻检测模块；所述低通滤波模块用于对呼吸信号进行低通滤波处理，消除高频噪声并对呼吸波形进行平滑处理；所述高通滤波模块与所述低通滤波模块相连，用于对呼吸信号进行高通滤波处理，对呼吸波形的基线进行消除；所述呼吸基阻检测模块与所述低通滤波处理相连，用于对低通滤波处理后的呼吸信号进行检测，获得人体基阻信息。
10.根据权利要求6所述的呼吸信息检测装置，其特征在于所述A/D转换单元通过SPI、I2S或I2C的通讯方式连接所述信号处理单元。
全文摘要
一种呼吸信息检测装置包括依次连接的呼吸信号采集单元、前级放大单元、解调单元、增益及偏置单元、A/D转换单元、信号处理单元以及显示装置，所述A/D转换单元为至少16位的多位转换单元。本发明的方法和装置特点是设置多位A/D(>16bit)方案，通过低倍增益将呼吸信号预放大后，直接采用多位A/D获取原始的呼吸信号，利用MCU中的软件对原始呼吸信号的细节特征进行分析识别，获得更接近真实信号的呼吸波形的同时获取人体基阻信息，可利用人体基阻信息设定呼吸率计算的幅度阈值。由于采用多位A/D，硬件电路具有较宽的变阻检测范围，提高了弱信号下的呼吸测量准确性，简化了硬件电路。
文档编号A61B5/08GK102551727SQ20121000722
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者吴祖军 申请人:深圳市理邦精密仪器股份有限公司