基于霍爾傳感器微陣列的呼吸頻率檢測系統設計*

高小強，劉洪英，朱 蘭，宮兆濤，皮喜田，吳雪莉

（1．重慶大學生物工程學院生物流變科學與技術教育部重點實驗室，重慶 400030;2．重慶市微系統醫療工程技術研究中心，重慶 401120）

0 引言

呼吸是人體重要的生理過程，而呼吸頻率是急性呼吸功能障礙的敏感指標。在現代監護技術中，呼吸頻率檢測是其重要組成部分。

呼吸是人體內外環境之間進行氣體交換的必需過程，人體通過呼吸系統吸進氧氣、呼出二氧化碳，從而維持正常的生理功能。每分鐘的呼吸次數即呼吸頻率。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態而異。成人平靜時的呼吸頻率約為16～18次/min;兒童約為20次/min;一般女性比男性快1～2次。臨床診斷中醫生利用呼吸頻率可以初步檢測人體是否患有疾病。

呼吸的檢測方法有很多種，但常用的傳感器與檢測方法包括:應變式傳感器檢測、溫度傳感器檢測、流量傳感器檢測、阻抗法檢測［1］、電容式傳感器檢測等。應變式傳感器檢測原理是利用人在呼吸過程中由于呼氣和吸氣的交替引起食道和胸腹部會產生周期性的形變，通過應變式傳感器可以感受到這種形變，從而檢測到呼吸信號［13～15］。當傳感器選擇的不同，應變式傳感器又可以分為壓電式傳感器檢測和硅壓阻式傳感器檢測;溫度傳感器檢測是利用溫度傳感器采集鼻腔內外的呼吸溫度差轉換為電量輸出的方法;流量傳感器檢測是通過檢測流過某一固定橫截面積的呼吸氣體的速度來檢測呼吸［12］;阻抗法檢測是通過測量人體胸部在呼吸過程中阻抗的變化來檢測呼吸;電容式傳感器檢測原理是，當面積為A的電容器平板靠近人體時，平板與人體間構成電容C，人在呼吸過程中引起電容值C的變化，通過對C值的變化進行檢測來達到對呼吸信號的檢測目的［2］。

1 霍爾傳感器檢測呼吸原理

本設計采用呼吸感應體積描記技術（respiratory inductive plethysmography，RIP）［3］進行呼吸率的檢測，呼吸感應體積描記技術是一種新穎的呼吸監測技術，該方法能夠準確地描記出胸、腹呼吸波［4］，通常的呼吸感應體積描記技術是利用一條圍繞著胸部或者腹部的導線作為電感傳感，通過調頻方式檢測到呼吸的周期和頻率［5］。本系統是一種基于霍爾傳感器陣列和呼吸感應體積描記技術原理所設計的呼吸檢測系統，主要由帶永磁鐵的腹帶和呼吸傳感器構成，其結構如圖1、圖2所示。呼吸傳感器通過腹帶穿戴在腹部，傳感器電路板上集成8只霍爾傳感器LN4913，每只霍爾傳感器間距為1．5mm。在呼氣和吸氣過程中腹部的體積發生變化，從而引起腹帶周長的變化，導致腹帶上磁鐵位置的移動，通過霍爾傳感器陣列電路檢測磁鐵位置的變化，單片機控制系統判別呼吸和吸氣的過程，由此分析出呼吸的頻率。傳感器實物圖如圖3。

圖1 呼吸檢測系統結構示意圖Fig 1 Structure diagram of respiratory detecting system

圖2 系統內部結構示意圖Fig 2 Internal structure diagram of system

圖3 呼吸傳感器實物圖Fig 3 Physical diagram of respiration sensor

2 系統設計與實驗

2．1 系統原理圖設計

圖4為系統原理框圖。系統主要包括:霍爾傳感陣列、單片機控制采集、無線發送和接收模塊、PC顯示存儲、Flash存儲。系統原理主要是通過霍爾傳感器陣列檢測呼吸的腹部位移的變化轉換為電信號，單片機控制采集霍爾陣列的輸出信號來判別呼氣和吸氣的過程，計算出患者的呼吸率，呼吸頻率通過Flash存儲，并通過串口或者無線藍牙［6］發送到PC機上進行顯示、分析與存儲。由于本系統功耗比較低，采用3．6 V的紐扣電池，單片機系統對電池電壓進行電源管理。

圖4 系統原理框圖Fig 4 Principle block diagram of system

2．2 軟件設計

本系統通過單片機對開關信號的霍爾傳感器陣列數據的采集，從而計算出呼吸的頻率，系統軟件流程圖如圖5。

圖5 系統軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

單片機在固定周期時間內對霍爾傳感器陣列進行數據采集，判斷呼吸的過程中永磁體的位置，采集數據的時間間隔為5 ms，即采集頻率為200 Hz。通過單片機對永磁體的位置的判斷，從而判斷呼吸的運動過程，即計算出固定時間（30 s）內呼吸的過程次數N，進而得出1 min時間內呼吸率的計算公式

2．3 系統實驗

本實驗主要目的是驗證此呼吸率檢測系統的準確度，并與BIAPAC公司CO2100C設備進行呼吸率檢測的結果進行對比。

選擇10名志愿者，20～30歲年齡的3人、30～50歲年齡的4人，50～60歲年齡的3人，分別進行呼吸率檢測，每名自愿者重復測量進行3次，對3次測量結果求平均值，記錄的對比數據，如表1所示。

測量相對誤差公式［7］表示為

式中e為呼吸率檢測系統的相對誤差，R為呼吸率檢測系統所測量的呼吸率，r為BIOPAC公司的CO2100C設備所測量的呼吸率［7］。

表1 實驗數據Tab 1 Experimental data

通過分析可得，此系統測量的呼吸率的平均測量精確度在95%以上。

3 主要應用

基于霍爾傳感器陣列的呼吸檢測系統結構簡單，對呼吸頻率檢測的準確率高，抗干擾性強，可連續、實時地檢測患者的呼吸頻率，用途廣泛。

由于系統輸出的信號是通過數據算法處理之后的數字信號，無需對模擬信號進行復雜的放大濾波等處理，有效地防止了其他信號的干擾。本系統設計的輸出可通過串口、無線通信等接口輸出，或者直接用于LCD顯示屏顯示，也可以用于其他呼吸檢測設備，或者是相關治療設備檢測輸入，比如:用于基于慢呼吸的高血壓治療儀的呼吸檢測。此系統檢測到的呼吸頻率通過UART串口協議發送到治療儀的MCU控制芯片，控制芯片對呼吸頻率進行分析處理。根據生物信息反饋原理，設計以呼吸信號為反饋生理量的慢呼吸引導算法，以直觀的音樂信號和進度條指示受試者進行呼氣和吸氣［8，10，11］。此設計的呼吸頻率檢測系統也可以用于便攜式的睡眠呼吸暫停監測儀［9］等設備。

4 結論

本研究設計了一種基于呼吸感應體積描記技術的呼吸頻率檢測腹帶。由于利用開關霍爾傳感器陣列進行檢測呼吸，傳感器輸出的信號是開關信號，有效地防止了外圍環境的干擾。而且，在數據處理方面簡單化，硬件成本低。實驗證明:本系統設計的呼吸頻率計準確度比較高，能夠應用于睡眠呼吸檢測儀、慢呼吸高血壓治療儀等設備。

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