呼吸率计算方法及计算机设备与流程

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种呼吸率计算方法及计算机设备。


背景技术：

2.当心脏周期性地收缩和舒张时，心室射入主动脉的血液以波的形式从主动脉根部出发沿脉管系传播形成脉搏波。目前，最常见的无创脉搏波检测方法是光电容积波体描记法，其利用光电传感器在体表测量血管血液容积的变化获得脉搏波。研究表明，光电容积脉搏波中包含了丰富的生理病理信息，如脉搏、心率、呼吸、血压等等。相比于传统的呼吸检测方法，从光电容积脉搏波中提取呼吸信息不仅操作性更强、具有稳定的性能，能够重复连续使用等许多优点，并且还可以同时监测到其它的病理信息，更利于医疗设备的集成化，适用于医院和家庭的日常监护。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种呼吸率计算方法及计算机设备，利用口鼻气流信号和光电容积脉搏波信号来计算呼吸率。
4.第一方面，本发明实施例提供一种呼吸率计算方法，所述呼吸率计算方法包括：
5.判断是否采集到口鼻气流信号；
6.当采集到所述口鼻气流信号时，根据所述口鼻气流信号计算第一呼吸率；
7.从采集的光电容积脉搏波信号中获取与所述口鼻气流信号同步的同步光电容积脉搏波信号；
8.根据所述同步光电容积脉搏波信号获取若干包络并生成相对应的第一包络频谱积分图；
9.根据所述口鼻气流信号和所述若干第一包络频谱积分图从所述若干包络中选取至少一个作为优选包络；
10.当无法采集到所述口鼻气流信号时，获取与所述光电容积脉搏波信号相对应的优选包络，并生成相应的第二包络频谱积分图；以及
11.根据所述第二包络频谱积分图计算第二呼吸率。
12.第二方面，本发明实施例提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器、以及存储器，所述存储器用于存储呼吸率计算程序指令，所述处理器用于执行所述呼吸率计算程序指令以实现如上所述的呼吸率计算方法。
13.上述呼吸率计算方法及计算机设备，当采集到口鼻气流信号时，利用口鼻气流信号来计算呼吸率。同时，根据与口鼻气流信号同步的光电容积脉搏波信号获取若干包络并相应生成第一包络频谱积分图。利用口鼻气流信号获取的呼吸率对第一包络频谱积分图进行判断，并选取相应的包络作为优选包络。当无法采集到口鼻气流信号时，根据光电容积脉搏波信号获取优选包络并相应生成第二包络频谱积分图，从而计算呼吸率。该呼吸率的计算方法能够保障无法采集到用户口鼻气流时，也能够利用光电容积脉搏波信号准确计算出
用户的呼吸率，进而提升仪器的实用性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的流程图。
16.图2为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的第一子流程图。
17.图3为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的第二子流程图。
18.图4为图1所示的口鼻气流信号的波形图。
19.图5为图1所示的光电容积脉搏波信号的波形图。
20.图6为图1所示的包络的曲线图。
21.图7为图1所示的第一脉搏波幅度包络频谱图。
22.图8为图1所示的第一脉搏波幅度包络频谱积分图。
23.图9为图1所示的判断优选包络的示意图。
24.图10为本发明实施例提供的计算机设备的结构示意图。
25.元件符号说明
26.标号
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名称
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标号
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名称
27.10
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计算机设备
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峰值包络
28.11
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处理器
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谷值包络
29.12
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存储器
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峰峰间期包络
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脉搏波幅度包络
31.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，换句话说，描述的实施例根据除了这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，还可以包含其他内容，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于只清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
35.请参看图1，其为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的流程图。呼吸率计算方法包括但不限于应用于睡眠初筛仪等可以同时采集用户口鼻气流和脉搏的医疗设备。在本实施例中，呼吸率计算方法应用于睡眠初筛仪(图未示)，睡眠初筛仪可以同时采集同一用户的口鼻气流和脉搏，并相应生成口鼻气流信号和光电容积脉搏波信号。呼吸率计算方法具体包括如下步骤。
36.步骤s102，判断是否采集到口鼻气流信号。具体地，本方法利用设置于睡眠初筛仪的计算机设备10判断是否采集到口鼻气流信号。睡眠初筛仪包括口鼻气管和手环，当用户使用睡眠初筛仪时，是在睡眠过程中同时佩戴口鼻气管和手环。其中，口鼻气管用于采集用户的口鼻气流，手环用于采集用户的脉搏。由于睡眠过程中用户会做出转身等动作，可能会导致口鼻气管脱落。当口鼻气管未脱落时，可以采集到口鼻气流信号；当口鼻气管脱落时，则无法采集到口鼻气流信号。当采集到口鼻气流信号时，执行步骤s104。当无法采集到口鼻气流信号时，执行步骤s112。
37.步骤s104，根据口鼻气流信号计算第一呼吸率。具体地，当采集到口鼻气流信号时，本方法利用计算机设备10根据口鼻气流信号(如图4所示)计算第一呼吸率。在本实施例中，计算机设备10先对口鼻气流信号进行预处理。其中，预处理包括但不限于平滑滤波。再对预处理后的口鼻气流信号进行峰值检测，获取口鼻气流信号的峰峰间期为第一呼吸率。
38.步骤s106，从采集的光电容积脉搏波信号中获取与口鼻气流信号同步的同步光电容积脉搏波信号。具体地，本方法利用计算机设备10获取与口鼻气流信号同步的同步光电容积脉搏波信号。可以理解的是，用户在睡眠过程中，手环并不会因为转身等动作脱落。因此，用户在睡眠过程中，可以一直采集到光电容积脉搏波信号。当口鼻气管未脱落时，采集到的光电容积脉搏波信号就是与口鼻气流信号同步的同步光电容积脉搏波信号。
39.步骤s108，根据同步光电容积脉搏波信号获取若干包络并生成相对应的第一包络频谱积分图。具体地，本方法利用计算机设备10根据同步光电容积脉搏波信号(如图5所示)获取若干包络。其中，包络包括峰值包络a、谷值包络b、峰峰间期包络c、以及脉搏波幅度包络d(如图6所示)。在本实施例中，计算机设备10先分别对若干包络做快速傅里叶变换并获取相应的第一包络频谱图。其中，计算机设备10分别对峰值包络a、谷值包络b、峰峰间期包络c、以及脉搏波幅度包络d做快速傅里叶变换并获取相应的第一峰值包络频谱图、第一谷值包络频谱图、第一峰峰间期包络频谱图、以及第一脉搏波幅度包络频谱图(如图7所示)。计算机设备10再对第一包络频谱图按预设的窗口宽度进行积分并获取相应的第一包络频谱积分图。由于用户在使用睡眠初筛仪的过程中，可能会出现呼吸不平稳的情况。当出现呼吸不平稳的情况时，获取的第一包络频谱图中可能会出现多个峰值，形成干扰。因此，对第一包络频谱图按预设的窗口宽度进行积分，可以消除其它峰值的干扰，使第一包络频谱积分图中的峰值是唯一的。其中，计算机设备10分别对第一峰值包络频谱图、第一谷值包络频谱图、第一峰峰间期包络频谱图、以及第一脉搏波幅度包络频谱图按预设的窗口宽度进行积分，并获取相应的第一峰值包络频谱积分图、第一谷值包络频谱积分图、第一峰峰间期包
络频谱积分图、以及第一脉搏波幅度包络频谱积分图(如图8所示)。
40.步骤s110，根据口鼻气流信号和若干第一包络频谱积分图从若干包络中选取至少一个作为优选包络。具体地，本方法利用计算机设备10根据口鼻气流信号和上述第一包络频谱积分图，从峰值包络a、谷值包络b、峰峰间期包络c、以及脉搏波幅度包络d中选取至少一个作为优选包络。具体如何选取优选包络的过程将在下文进行详细描述。
41.步骤s112，获取与光电容积脉搏波信号相对应的优选包络，并生成相应的第二包络频谱积分图。具体地，当无法采集到口鼻气流信号时，本方法利用计算机设备10获取与光电容积脉搏波信号相对应的优选包络，并生成相应的第二包络频谱积分图。可以理解的是，口鼻气管脱落时采集的光电容积脉搏波信号与口鼻气管未脱落时采集的光电容积脉搏波信号不同。
42.当优选包络为一个时，根据光电容积脉搏波信号获取优选包络。举例来说，当优选包络为脉搏波幅度包络d时，计算机设备10只需从光电容积脉搏波信号中获取脉搏波幅度包络d。对优选包络做快速傅里叶变换并获取第二包络频谱图，即第二脉搏波幅度包络频谱图。再对第二包络频谱图按预设的窗口宽度进行积分并获取第二包络频谱积分图，即第二脉搏波幅度包络频谱积分图。
43.当优选包络大于一个时，根据光电容积脉搏波信号分别获取每一优选包络。举例来说，当优选包络为两个，分别为峰值包络a和峰峰间期包络c时，计算机设备10从光电容积脉搏波信号中获取峰值包络a和峰峰间期包络c。分别对优选包络做快速傅里叶变换并获取第二包络频谱图，即第二峰值包络频谱图和第二峰峰间期包络频谱图。对第二包络频谱图做叠加平均。即是说，当优选包络大于一个时，需要对获取的多个第二包络频谱图进行叠加并取平均。最后，对叠加平均后的第二包络频谱图按预设的窗口宽度进行积分并获取第二包络频谱积分图。
44.步骤s114，根据第二包络频谱积分图计算第二呼吸率。具体地，本方法利用计算机设备10计算第二呼吸率。可以理解的是，第二呼吸率为采集不到口鼻气流信号时，根据光电容积脉搏波信号计算得到的呼吸率。在本实施例中，计算机设备10首先根据第二包络频谱积分图分别获取第二频谱最大峰值、以及总能量，判断第二频谱最大峰值与第二总能量的比值是否大于预设值。当第二频谱最大峰值与第二总能量的比值大于预设值时，第二频谱最大峰值所对应的频率与单位时间的乘积为第二呼吸率。在本实施例中，第二频谱最大峰值所对应的频率的单位为次/秒，呼吸率的单位为次/分钟，则单位时间为60。即是说，第二频谱最大峰值所对应的频率与60的乘积为第二呼吸率。
45.上述实施例中，当采集到口鼻气流信号时，利用口鼻气流信号来计算第一呼吸率。当无法采集到口鼻气流信号进行呼吸率的计算时，可借助光电容积脉搏波信号来完成对用户呼吸率的计算。首先根据口鼻气流信号获得准确的第一呼吸率，获取光电容积脉搏波信号中的峰值包络、谷值包络、峰峰间期包络、以及脉搏波幅度包络，优选第一呼吸率下所对应的包络作为第二呼吸率计算的优选包络，从而提升第二呼吸率计算的准确度。同时，由于每一优选包络都可以计算得到一个呼吸率，当优选包络大于一个时，对多个优选包络的第二包络频谱图进行叠加并取平均，可以使计算得到的第二呼吸率更加准确。
46.请结合参看图2和图9，图2为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的第一子流程图，图9为判断优选包络的示意图。步骤s110具体包括如下步骤。
47.步骤s202，根据第一包络频谱积分图分别获取第一频谱最大峰值、以及第一总能量。具体地，本方法利用计算机设备10根据第一包络频谱积分图分别获取第一频谱最大峰值、以及第一总能量。在本实施例中，计算机设备10在指定频率区域内查找第一包络频谱积分图中的最大峰值作为第一频谱最大峰值。其中，指定频率区域为0.1-0.8hz。优选地，指定频率区域为0.15-0.67hz。在本实施例中，第一频谱最大峰值为第一包络频谱积分图在0.1-0.8hz内的最大峰值，第一总能量为第一包络频谱积分图在0.1-0.8hz内的总能量。
48.步骤s204，根据第一呼吸率设定阈值范围。具体地，本方法利用计算机设备10根据第一呼吸率设定阈值范围。举例来说，当第一呼吸率为15次/分钟，即0.25次/秒时，设定的阈值范围可以是0.15-0.35次/秒。
49.步骤s206，判断第一频谱最大峰值所对应的频率是否在阈值范围内。具体地，本方法利用计算机设备10判断第一频谱最大峰值所对应的频率是否在阈值范围内。举例来说，若第一峰值包络频谱积分图在指定频率区域内的第一峰值包络频谱最大峰值所对应的频率为0.15次/秒，第一谷值包络频谱积分图在指定频率区域内的第一谷值包络频谱最大峰值所对应的频率为0.25次/秒，第一峰峰间期包络频谱积分图在指定频率区域内的第一峰峰间期包络频谱最大峰值所对应的频率为0.3次/秒，第一脉搏波幅度包络频谱积分图在指定频率区域内的第一脉搏波幅度包络频谱最大峰值所对应的频率为0.5次/秒，则第一峰值包络频谱在指定频率区域内的最大峰值所对应的频率、第一谷值包络频谱在指定频率区域内的最大峰值所对应的频率、第一峰峰间期包络频谱在指定频率区域内的最大峰值所对应的频率均在阈值范围0.15-0.35次/秒内。
50.步骤s208，判断第一频谱最大峰值与第一总能量的比值是否大于预设值。具体地，本方法利用计算机设备10判断每一第一频谱最大峰值与相应第一包络频谱积分图的第一总能量的比值是否大于预设值。在本实施例中，预设值为0.4。在一些可行的实施例中，预设值可以为0.3-0.5中的任意数值，在此不做限定。举例来说，若第一峰值包络频谱积分图在指定频率区域0.1-0.8hz内的第一峰值包络频谱最大峰值与指定频率区域0.1-0.8hz内的第一峰值总能量的比值为0.6，第一谷值包络频谱积分图在指定频率区域0.1-0.8hz内的第一谷值包络频谱最大峰值与指定频率区域0.1-0.8hz内的第一谷值总能量的比值为0.3，第一峰峰间期包络频谱积分图在指定频率区域0.1-0.8hz内的第一峰峰间期包络频谱最大峰值与指定频率区域0.1-0.8hz内的第一峰峰间期总能量的比值为0.5，第一脉搏波幅度包络频谱积分图在指定频率区域0.1-0.8hz内的第一脉搏波幅度包络频谱最大峰值与指定频率区域0.1-0.8hz内的第一脉搏波幅度总能量的比值为0.45，则第一峰值包络频谱最大峰值与第一峰值总能量的比值、第一峰峰间期包络频谱最大峰值与第一峰峰间期总能量的比值、以及第一脉搏波幅度包络频谱最大峰值与第一脉搏波幅度总能量的比值大于预设值0.4。
51.步骤s210，当同时满足第一频谱最大峰值所对应的频率在阈值范围内、以及第一频谱最大峰值和第一总能量的比值大于预设值时，判断第一包络频谱积分图所对应的包络为优选包络。具体地，本方法利用计算机设备10判断同时满足两个条件的第一包络频谱积分图所对应的包络为优选包络。举例来说，同时满足第一频谱最大峰值所对应的频率在阈值范围内、以及第一频谱最大峰值和第一总能量的比值大于预设值的为第一峰值包络频谱积分图、以及第一峰峰间期包络频谱积分图，则第一峰值包络频谱积分图所对应的峰值包
络为优选包络，第一峰峰间期包络频谱积分图所对应的峰峰间期包络为优选包络。
52.上述实施例中，当同时满足第一频谱最大峰值所对应的频率在阈值范围内、以及第一频谱最大峰值和第一总能量的比值大于预设值时，才判定该包络为优选包络，从而可以更加精准地计算出第二呼吸率。
53.请结合参看图3和图6，图3为本发明实施例提供的呼吸率计算方法的第二子流程图，图6为包络的曲线图。根据同步光电容积脉搏波信号获取若干包络具体包括如下步骤。
54.步骤s302，对同步光电容积脉搏波信号进行预滤波并获取峰值和谷值。具体地，本方法利用计算机设备10对同步光电容积脉搏波信号进行预滤波，再采用特征点定位的方法获取峰值和谷值。在本实施例中，预滤波为低通滤波。在一些可行的实施例中，预滤波也可以为其它方式的滤波。
55.步骤s304，根据峰值和谷值获取峰峰间期、以及脉搏波幅度。具体地，本方法利用计算机设备10根据峰值和谷值获取峰峰间期、以及脉搏波幅度。
56.步骤s306，对预设时间段的峰值、谷值、峰峰间期、以及脉搏波幅度分别依次进行三次样条插值、以及重采样，并获取峰值包络、谷值包络、峰峰间期包络、以及脉搏波幅度包络。具体地，本方法利用计算机设备10对预设时间段的峰值、谷值、峰峰间期、以及脉搏波幅度分别进行三次样条插值，获取相应的峰值曲线、谷值曲线、峰峰间期曲线、以及脉搏波幅度曲线。其中，预设时间段为5分钟。在一些可行的实施例中，预设时间段可以为3-10分钟之间的任意数值，在此不做限定。计算机设备10再对峰值曲线、谷值曲线、峰峰间期曲线、以及脉搏波幅度曲线进行4hz重采样,获取峰值包络a、谷值包络b、峰峰间期包络c、以及脉搏波幅度包络d。
57.上述实施例中，在获取峰值包络、谷值包络、峰峰间期包络、以及脉搏波幅度包络时，选取预设时间段的峰值、谷值、峰峰间期、以及脉搏波幅度进行计算，可以快速、准确地获取包络，同时避免采集数据过多造成较大的计算量。
58.请结合参看图10，其为本发明实施例提供的计算机设备的结构示意图。计算机设备10包括处理器11、以及存储器12。在本实施例中，存储器12用于存储呼吸率计算程序指令，处理器11用于执行呼吸率计算程序指令以实现上述呼吸率计算方法。
59.其中，处理器11在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit,cpu)、控制器、微控制器、微处理器或其它数据处理芯片，用于运行存储器12中存储的呼吸率计算程序指令。
60.存储器12至少包括一种类型的可读存储介质，该可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器12在一些实施例中可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘。存储器12在另一些实施例中也可以是外部计算机设备的存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器12还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器12不仅可以用于存储安装于计算机设备的应用软件及各类数据，例如实现呼吸率计算的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
61.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。
62.该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。该计算机设备可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一计算机可读存储介质传输，例如，该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存储的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
63.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
64.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，该单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
65.该作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
66.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
67.该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、流动硬盘、只读存储介质(rom，read-only memory)、随机存取存储介质(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
68.需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
69.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。