基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸率檢測

儲泰山等

摘 要：呼吸信號作為臨床診斷的一種重要的生理信號，對于疾病的診斷具有很高的臨床價值。文章介紹一種直接從床腳墊式生命監(jiān)測儀所檢測到的微動信號中提取呼吸波信號并計算呼吸頻率的方法，與實際呼吸頻率相比準(zhǔn)確率比較高，能夠應(yīng)用于非接觸式生命信號監(jiān)測的工作中。

關(guān)鍵詞：呼吸頻率；微動信號；呼吸信號提取前言

呼吸信號作為臨床診斷上的一種重要的生理信號，對于特定疾病的診斷具有很高的臨床價值。通過近年來的臨床醫(yī)學(xué)研究，許多疾病的發(fā)生和發(fā)展都與睡眠中的呼吸狀況有著密切的關(guān)系。大量國內(nèi)外機(jī)構(gòu)研究表明，睡眠中發(fā)生的呼吸紊亂對心血管系統(tǒng)有著長期或者短期的損害，也可能是一些疾病的誘因[1]。呼吸異常往往是陣發(fā)性的，需要進(jìn)行長期的監(jiān)控，考慮到醫(yī)療成本和正常生活的需要，便攜性和可移動的監(jiān)護(hù)設(shè)備正逐漸得到大家的青睞。目前的呼吸檢測設(shè)備大多數(shù)是需要在使用者身上佩戴相關(guān)儀器，如將熱敏元件貼在被試的鼻孔下方進(jìn)行檢測，會對使用者的正常生活產(chǎn)生一定影響[2]。

文章應(yīng)用的是上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心所自主研發(fā)的床墊式生命監(jiān)測儀對人體微動信號進(jìn)行采集并從中分離出呼吸信號。其基本原理是當(dāng)人體進(jìn)行呼吸行為時，胸腔會周期性的擴(kuò)張和收縮，這種微弱的波動被床墊上的傳感器捕捉到，轉(zhuǎn)變成了電信號，這個電信號伴隨著呼吸周期而變化。因此，我們就能從電信號中提取出身體產(chǎn)生的作用力變化軌跡，人類呼吸動作夾雜在其中，利用一定的信號處理手段，可以將呼吸信號分離出來。[3][4]這些呼吸信號的頻率就是人體的呼吸率。

與以往的檢測方式相比，這種技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用前景， 因為它無須將電極固定到肢體上， 因而不存在傳感器脫落、傳感器限制監(jiān)測對象， 以及心理負(fù)荷等問題，能夠真正做到在人體不感知的情況下監(jiān)測整個睡眠時期的呼吸信號。

1 方法

從床墊式生命監(jiān)測儀采集得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)做好了模數(shù)轉(zhuǎn)換，再從中獲得呼吸信號頻率主要分為以下幾個步驟（如圖1）：（1）將采樣頻率從300Hz降為50Hz；（2）對降低采樣頻率之后的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，得到呼吸信號；（3）設(shè)計相關(guān)算法得到呼吸率。

1.1 降低采樣頻率

通過床墊式生命監(jiān)測儀采集到的原始信號中包含大量的噪聲，需要對信號進(jìn)行濾波處理，在濾波處理之前，由于呼吸信號是低頻信號，可以對原始信號進(jìn)行降采樣，可以在不影響信號分析的前提下降低信號處理的時間。

1.2 數(shù)字濾波處理

正常人成人靜息狀態(tài)下，呼吸為12-20次/分，因此，設(shè)計一個低通濾波器，對降采樣之后的信號進(jìn)行處理。考慮到FIR濾波器在保證任何幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性頻率特性，且單位抽樣響應(yīng)是有限長的，文章采用的數(shù)字濾波器為FIR低通濾波器。濾波器的設(shè)計采用matlab自帶的fdatool進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計的FIR濾波器截止頻率為0.5Hz，為了實現(xiàn)實時運(yùn)算，減少運(yùn)算量，調(diào)整濾波器的系數(shù)為整系數(shù)濾波器。

此濾波器可以較好的濾除頻率高于1Hz的信號，同時對于低于0.5Hz的信號能夠較好的保留，能較好地把呼吸波信號從微動信號中提取出來。

1.3 呼吸率的計算

得到了濾波后的呼吸信號，下一步就是根據(jù)得到的呼吸波信號進(jìn)行呼吸頻率的提取。對于預(yù)處理后的信號，提取獨(dú)立的呼吸周期的步驟如下：

（1）對于整段數(shù)據(jù)求極大值和極小值。

（2）將不符合要求的極值點去掉。對于大動作產(chǎn)生的極值點不做計算呼吸率的依據(jù)，設(shè)置一個最大振幅閾值和最小振幅閾值。

（3）確定用來計算呼吸率的點。預(yù)處理后的信號中仍然存在一些低頻的干擾，因此需要將一些不符合要求的極值點去除。首先求出所有極值點的均值，將大于均值的極小值點和小于均值的極大值點舍去；其次，因為正常人的呼吸頻率在0.2-0.5Hz的范圍內(nèi)，還要去掉極值點之間距離較大和較小的點。

（4）將符合要求的極值點保存并計算呼吸率。

2 實驗結(jié)果與分析

將床墊式生命監(jiān)測儀墊在床腳下，受試者只需要躺在床上，不需要在身上粘貼任何電極，對采集到的微動信號進(jìn)行處理，得到呼吸信號和呼吸率。實驗選擇20名年齡為65歲以上的老人和5名年齡為25歲左右的年輕人為被試，采集10分鐘的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集的過程中，記錄每個被試的呼吸頻率，與程序給出的結(jié)果做對比。根據(jù)標(biāo)記的峰值點之間的間隔，可以對呼吸率進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)過對10分鐘數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，呼吸頻率在12-20次每分的正常范圍內(nèi)。

將25組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與采集數(shù)據(jù)過程中記錄的數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率達(dá)95%，誤差控制在±2次/分。

3 結(jié)束語

文章提出一種基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法，利用床墊式生命監(jiān)測儀采集到的微動信號進(jìn)一步處理得到呼吸信號并計算呼吸頻率。該方法簡單易行，能夠滿足實時計算和顯示的需要，對25名被試進(jìn)行測試，結(jié)果表明，基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，為睡眠中呼吸的檢測提供了可能性，對睡眠呼吸暫停綜合征的檢測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee M E，Kim H N，Trand T N，et al. Respiratory rate detection algorithms by photoplethysmography signal processing[C].30th Annual International IEEE EMBS Conference，2008，8：1140-1144.

[2]張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

[3]Trefny Z，Trojan S，Toman V，etal. New trends in ballistocardiography [J].Measure Science Review，2003，3（2）：45-48.

[4]X.Zhu，W. Chen，T. Nemot，etal. Accurate Determination of Respiratory Rhythm and Pulse Rate Using an Under-Pillow Sensor Based on Wavelet Transformation [A]. IEEE-EMBS 27th Ann. Int. Conf. 2005：5869-5872.

作者簡介：儲泰山（1979-），男，工程師/碩士，主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)，VOIP，P2P。

陸美珠，碩士；

馬志新，碩士。

摘 要：呼吸信號作為臨床診斷的一種重要的生理信號，對于疾病的診斷具有很高的臨床價值。文章介紹一種直接從床腳墊式生命監(jiān)測儀所檢測到的微動信號中提取呼吸波信號并計算呼吸頻率的方法，與實際呼吸頻率相比準(zhǔn)確率比較高，能夠應(yīng)用于非接觸式生命信號監(jiān)測的工作中。

關(guān)鍵詞：呼吸頻率；微動信號；呼吸信號提取前言

呼吸信號作為臨床診斷上的一種重要的生理信號，對于特定疾病的診斷具有很高的臨床價值。通過近年來的臨床醫(yī)學(xué)研究，許多疾病的發(fā)生和發(fā)展都與睡眠中的呼吸狀況有著密切的關(guān)系。大量國內(nèi)外機(jī)構(gòu)研究表明，睡眠中發(fā)生的呼吸紊亂對心血管系統(tǒng)有著長期或者短期的損害，也可能是一些疾病的誘因[1]。呼吸異常往往是陣發(fā)性的，需要進(jìn)行長期的監(jiān)控，考慮到醫(yī)療成本和正常生活的需要，便攜性和可移動的監(jiān)護(hù)設(shè)備正逐漸得到大家的青睞。目前的呼吸檢測設(shè)備大多數(shù)是需要在使用者身上佩戴相關(guān)儀器，如將熱敏元件貼在被試的鼻孔下方進(jìn)行檢測，會對使用者的正常生活產(chǎn)生一定影響[2]。

文章應(yīng)用的是上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心所自主研發(fā)的床墊式生命監(jiān)測儀對人體微動信號進(jìn)行采集并從中分離出呼吸信號。其基本原理是當(dāng)人體進(jìn)行呼吸行為時，胸腔會周期性的擴(kuò)張和收縮，這種微弱的波動被床墊上的傳感器捕捉到，轉(zhuǎn)變成了電信號，這個電信號伴隨著呼吸周期而變化。因此，我們就能從電信號中提取出身體產(chǎn)生的作用力變化軌跡，人類呼吸動作夾雜在其中，利用一定的信號處理手段，可以將呼吸信號分離出來。[3][4]這些呼吸信號的頻率就是人體的呼吸率。

與以往的檢測方式相比，這種技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用前景， 因為它無須將電極固定到肢體上， 因而不存在傳感器脫落、傳感器限制監(jiān)測對象， 以及心理負(fù)荷等問題，能夠真正做到在人體不感知的情況下監(jiān)測整個睡眠時期的呼吸信號。

1 方法

從床墊式生命監(jiān)測儀采集得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)做好了模數(shù)轉(zhuǎn)換，再從中獲得呼吸信號頻率主要分為以下幾個步驟（如圖1）：（1）將采樣頻率從300Hz降為50Hz；（2）對降低采樣頻率之后的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，得到呼吸信號；（3）設(shè)計相關(guān)算法得到呼吸率。

1.1 降低采樣頻率

通過床墊式生命監(jiān)測儀采集到的原始信號中包含大量的噪聲，需要對信號進(jìn)行濾波處理，在濾波處理之前，由于呼吸信號是低頻信號，可以對原始信號進(jìn)行降采樣，可以在不影響信號分析的前提下降低信號處理的時間。

1.2 數(shù)字濾波處理

正常人成人靜息狀態(tài)下，呼吸為12-20次/分，因此，設(shè)計一個低通濾波器，對降采樣之后的信號進(jìn)行處理。考慮到FIR濾波器在保證任何幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性頻率特性，且單位抽樣響應(yīng)是有限長的，文章采用的數(shù)字濾波器為FIR低通濾波器。濾波器的設(shè)計采用matlab自帶的fdatool進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計的FIR濾波器截止頻率為0.5Hz，為了實現(xiàn)實時運(yùn)算，減少運(yùn)算量，調(diào)整濾波器的系數(shù)為整系數(shù)濾波器。

此濾波器可以較好的濾除頻率高于1Hz的信號，同時對于低于0.5Hz的信號能夠較好的保留，能較好地把呼吸波信號從微動信號中提取出來。

1.3 呼吸率的計算

得到了濾波后的呼吸信號，下一步就是根據(jù)得到的呼吸波信號進(jìn)行呼吸頻率的提取。對于預(yù)處理后的信號，提取獨(dú)立的呼吸周期的步驟如下：

（1）對于整段數(shù)據(jù)求極大值和極小值。

（2）將不符合要求的極值點去掉。對于大動作產(chǎn)生的極值點不做計算呼吸率的依據(jù)，設(shè)置一個最大振幅閾值和最小振幅閾值。

（3）確定用來計算呼吸率的點。預(yù)處理后的信號中仍然存在一些低頻的干擾，因此需要將一些不符合要求的極值點去除。首先求出所有極值點的均值，將大于均值的極小值點和小于均值的極大值點舍去；其次，因為正常人的呼吸頻率在0.2-0.5Hz的范圍內(nèi)，還要去掉極值點之間距離較大和較小的點。

（4）將符合要求的極值點保存并計算呼吸率。

2 實驗結(jié)果與分析

將床墊式生命監(jiān)測儀墊在床腳下，受試者只需要躺在床上，不需要在身上粘貼任何電極，對采集到的微動信號進(jìn)行處理，得到呼吸信號和呼吸率。實驗選擇20名年齡為65歲以上的老人和5名年齡為25歲左右的年輕人為被試，采集10分鐘的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集的過程中，記錄每個被試的呼吸頻率，與程序給出的結(jié)果做對比。根據(jù)標(biāo)記的峰值點之間的間隔，可以對呼吸率進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)過對10分鐘數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，呼吸頻率在12-20次每分的正常范圍內(nèi)。

將25組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與采集數(shù)據(jù)過程中記錄的數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率達(dá)95%，誤差控制在±2次/分。

3 結(jié)束語

文章提出一種基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法，利用床墊式生命監(jiān)測儀采集到的微動信號進(jìn)一步處理得到呼吸信號并計算呼吸頻率。該方法簡單易行，能夠滿足實時計算和顯示的需要，對25名被試進(jìn)行測試，結(jié)果表明，基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，為睡眠中呼吸的檢測提供了可能性，對睡眠呼吸暫停綜合征的檢測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee M E，Kim H N，Trand T N，et al. Respiratory rate detection algorithms by photoplethysmography signal processing[C].30th Annual International IEEE EMBS Conference，2008，8：1140-1144.

[2]張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

[3]Trefny Z，Trojan S，Toman V，etal. New trends in ballistocardiography [J].Measure Science Review，2003，3（2）：45-48.

[4]X.Zhu，W. Chen，T. Nemot，etal. Accurate Determination of Respiratory Rhythm and Pulse Rate Using an Under-Pillow Sensor Based on Wavelet Transformation [A]. IEEE-EMBS 27th Ann. Int. Conf. 2005：5869-5872.

作者簡介：儲泰山（1979-），男，工程師/碩士，主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)，VOIP，P2P。

陸美珠，碩士；

馬志新，碩士。

摘 要：呼吸信號作為臨床診斷的一種重要的生理信號，對于疾病的診斷具有很高的臨床價值。文章介紹一種直接從床腳墊式生命監(jiān)測儀所檢測到的微動信號中提取呼吸波信號并計算呼吸頻率的方法，與實際呼吸頻率相比準(zhǔn)確率比較高，能夠應(yīng)用于非接觸式生命信號監(jiān)測的工作中。

關(guān)鍵詞：呼吸頻率；微動信號；呼吸信號提取前言

呼吸信號作為臨床診斷上的一種重要的生理信號，對于特定疾病的診斷具有很高的臨床價值。通過近年來的臨床醫(yī)學(xué)研究，許多疾病的發(fā)生和發(fā)展都與睡眠中的呼吸狀況有著密切的關(guān)系。大量國內(nèi)外機(jī)構(gòu)研究表明，睡眠中發(fā)生的呼吸紊亂對心血管系統(tǒng)有著長期或者短期的損害，也可能是一些疾病的誘因[1]。呼吸異常往往是陣發(fā)性的，需要進(jìn)行長期的監(jiān)控，考慮到醫(yī)療成本和正常生活的需要，便攜性和可移動的監(jiān)護(hù)設(shè)備正逐漸得到大家的青睞。目前的呼吸檢測設(shè)備大多數(shù)是需要在使用者身上佩戴相關(guān)儀器，如將熱敏元件貼在被試的鼻孔下方進(jìn)行檢測，會對使用者的正常生活產(chǎn)生一定影響[2]。

文章應(yīng)用的是上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心所自主研發(fā)的床墊式生命監(jiān)測儀對人體微動信號進(jìn)行采集并從中分離出呼吸信號。其基本原理是當(dāng)人體進(jìn)行呼吸行為時，胸腔會周期性的擴(kuò)張和收縮，這種微弱的波動被床墊上的傳感器捕捉到，轉(zhuǎn)變成了電信號，這個電信號伴隨著呼吸周期而變化。因此，我們就能從電信號中提取出身體產(chǎn)生的作用力變化軌跡，人類呼吸動作夾雜在其中，利用一定的信號處理手段，可以將呼吸信號分離出來。[3][4]這些呼吸信號的頻率就是人體的呼吸率。

與以往的檢測方式相比，這種技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用前景， 因為它無須將電極固定到肢體上， 因而不存在傳感器脫落、傳感器限制監(jiān)測對象， 以及心理負(fù)荷等問題，能夠真正做到在人體不感知的情況下監(jiān)測整個睡眠時期的呼吸信號。

1 方法

從床墊式生命監(jiān)測儀采集得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)做好了模數(shù)轉(zhuǎn)換，再從中獲得呼吸信號頻率主要分為以下幾個步驟（如圖1）：（1）將采樣頻率從300Hz降為50Hz；（2）對降低采樣頻率之后的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，得到呼吸信號；（3）設(shè)計相關(guān)算法得到呼吸率。

1.1 降低采樣頻率

通過床墊式生命監(jiān)測儀采集到的原始信號中包含大量的噪聲，需要對信號進(jìn)行濾波處理，在濾波處理之前，由于呼吸信號是低頻信號，可以對原始信號進(jìn)行降采樣，可以在不影響信號分析的前提下降低信號處理的時間。

1.2 數(shù)字濾波處理

正常人成人靜息狀態(tài)下，呼吸為12-20次/分，因此，設(shè)計一個低通濾波器，對降采樣之后的信號進(jìn)行處理。考慮到FIR濾波器在保證任何幅頻特性的同時具有嚴(yán)格的線性頻率特性，且單位抽樣響應(yīng)是有限長的，文章采用的數(shù)字濾波器為FIR低通濾波器。濾波器的設(shè)計采用matlab自帶的fdatool進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計的FIR濾波器截止頻率為0.5Hz，為了實現(xiàn)實時運(yùn)算，減少運(yùn)算量，調(diào)整濾波器的系數(shù)為整系數(shù)濾波器。

此濾波器可以較好的濾除頻率高于1Hz的信號，同時對于低于0.5Hz的信號能夠較好的保留，能較好地把呼吸波信號從微動信號中提取出來。

1.3 呼吸率的計算

得到了濾波后的呼吸信號，下一步就是根據(jù)得到的呼吸波信號進(jìn)行呼吸頻率的提取。對于預(yù)處理后的信號，提取獨(dú)立的呼吸周期的步驟如下：

（1）對于整段數(shù)據(jù)求極大值和極小值。

（2）將不符合要求的極值點去掉。對于大動作產(chǎn)生的極值點不做計算呼吸率的依據(jù)，設(shè)置一個最大振幅閾值和最小振幅閾值。

（3）確定用來計算呼吸率的點。預(yù)處理后的信號中仍然存在一些低頻的干擾，因此需要將一些不符合要求的極值點去除。首先求出所有極值點的均值，將大于均值的極小值點和小于均值的極大值點舍去；其次，因為正常人的呼吸頻率在0.2-0.5Hz的范圍內(nèi)，還要去掉極值點之間距離較大和較小的點。

（4）將符合要求的極值點保存并計算呼吸率。

2 實驗結(jié)果與分析

將床墊式生命監(jiān)測儀墊在床腳下，受試者只需要躺在床上，不需要在身上粘貼任何電極，對采集到的微動信號進(jìn)行處理，得到呼吸信號和呼吸率。實驗選擇20名年齡為65歲以上的老人和5名年齡為25歲左右的年輕人為被試，采集10分鐘的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集的過程中，記錄每個被試的呼吸頻率，與程序給出的結(jié)果做對比。根據(jù)標(biāo)記的峰值點之間的間隔，可以對呼吸率進(jìn)行統(tǒng)計，經(jīng)過對10分鐘數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，呼吸頻率在12-20次每分的正常范圍內(nèi)。

將25組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與采集數(shù)據(jù)過程中記錄的數(shù)據(jù)作對比發(fā)現(xiàn)，正確率達(dá)95%，誤差控制在±2次/分。

3 結(jié)束語

文章提出一種基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法，利用床墊式生命監(jiān)測儀采集到的微動信號進(jìn)一步處理得到呼吸信號并計算呼吸頻率。該方法簡單易行，能夠滿足實時計算和顯示的需要，對25名被試進(jìn)行測試，結(jié)果表明，基于床墊式生命監(jiān)測儀的呼吸頻率的檢測方法具有較高的準(zhǔn)確性，該方法對使用者的正常生活無影響，為睡眠中呼吸的檢測提供了可能性，對睡眠呼吸暫停綜合征的檢測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee M E，Kim H N，Trand T N，et al. Respiratory rate detection algorithms by photoplethysmography signal processing[C].30th Annual International IEEE EMBS Conference，2008，8：1140-1144.

[2]張勇.基于嵌入式系統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.

[3]Trefny Z，Trojan S，Toman V，etal. New trends in ballistocardiography [J].Measure Science Review，2003，3（2）：45-48.

[4]X.Zhu，W. Chen，T. Nemot，etal. Accurate Determination of Respiratory Rhythm and Pulse Rate Using an Under-Pillow Sensor Based on Wavelet Transformation [A]. IEEE-EMBS 27th Ann. Int. Conf. 2005：5869-5872.

作者簡介：儲泰山（1979-），男，工程師/碩士，主要研究方向：嵌入式軟件與系統(tǒng)，VOIP，P2P。

陸美珠，碩士；

馬志新，碩士。