一種基于壓力傳感器的穿戴式呼吸監測系統設計*

肖小玉， 黃善洛， 陳淑靖， 宋元林， 金慶輝， 趙建龍

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200050；2.復旦大學 附屬中山醫院，上海 200032； 3.中國科學院大學，北京 100049)

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一種基于壓力傳感器的穿戴式呼吸監測系統設計*

肖小玉1,3， 黃善洛1,3， 陳淑靖2， 宋元林2， 金慶輝1， 趙建龍1

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200050；2.復旦大學 附屬中山醫院，上海 200032； 3.中國科學院大學，北京 100049)

摘要:為指導慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者完成標準的呼吸操康復訓練，設計了一種穿戴式呼吸監測系統，系統包括呼吸波傳感器、數據采集電路板和手機APP軟件。通過該系統，患者能實時觀測自身呼吸波形和各項呼吸參數，通過比對標準呼吸曲線，根據同步提示音修正并完成標準呼吸操。臨床實驗表明：患者使用該系統鍛煉可增加肺部通氣量，改善肺功能。

關鍵詞：穿戴式設備； 呼吸監測； 手機APP軟件； 呼吸操； 慢性阻塞性肺疾病

0引言

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary di-sease，COPD)是一種嚴重影響人們生活質量的呼吸系統疾病，居世界疾病死因的第四位[1,2]。研究發現堅持呼吸操鍛煉能改善COPD患者的肺功能[3],但大多數患者因不知道做呼吸操的方法或是覺得枯燥而不能堅持進行呼吸操鍛煉。

現有的穿戴式監測系統大多用于急性病(心臟病、睡眠窒息癥等)的監護和預警[4,5]，以及慢性疾病的診斷[6,7]和病情評估[8]，無法指導COPD患者進行呼吸操康復訓練。愛爾蘭都柏林城市大學的研究者設計的呼吸監測系統對患者做呼吸操有一定的指導作用[9]，但該系統還存在一些不足：1)它是將采集到的數據在電腦上進行顯示，用戶不能隨時隨地監測；2)只是簡單地顯示出患者的呼吸波形，不能讓患者清楚地看到自己的各項呼吸參數；3)不能根據患者的具體情況調整標準呼吸波形。

為了幫助患者隨時隨地和長期堅持進行標準的呼吸操鍛煉，本文設計了一個穿戴式呼吸監測系統，將腹帶式(胸帶式)的呼吸傳感器采集到的數據通過藍牙發送到手機軟件進行處理和顯示。

1系統設計與實現

采用單片機信息采集系統和手機軟件相結合的方法。系統主要包括三部分：呼吸波傳感器(HXH—2)、信號采集電路板、手機應用軟件，系統實物如圖1。

圖1　系統實物圖Fig 1　Physical map of wearable system

1.1呼吸波傳感器

系統中采用的是腹帶式(或胸帶式)的呼吸波傳感器。人體呼吸時，腹部(或胸腔)會周期性地擴張或收縮，這就會引起綁在腹部(或胸部)的傳感帶產生壓力的變化。人體吸氣時，腹部(或胸腔)擴張，壓力傳感器的輸出變大；呼氣時，腹部(或胸腔)收縮，壓力傳感器的輸出變小，可用壓力信號輸出的波形來表征人體的呼吸波形。原始呼吸信號采集的過程如圖2。

圖2　原始呼吸信號采集Fig 2　Original respiration signal acquisition

1.2信號采集電路

原始呼吸信號輸出后，需要硬件電路對其進行放大和數字化等處理，隨后傳輸到手機軟件。信號采集電路是以微處理器為中心的信號處理系統，主要包括微處理器、放大電路、電源充電和電量管理電路、藍牙模塊這幾個部分，其基本結構如圖3所示。

圖3　硬件電路設計Fig 3　Hardware circuit design

1.3手機軟件

手機軟件的主要功能有：1)實時清晰地顯示呼吸波形和各項呼吸參數；2)生成可自定義的標準呼吸波形，患者可模擬這個波形實現標準的呼吸操鍛煉；3)提示音和標準波形相結合，指導患者的呼吸節奏；4)異常呼吸數據的判定、存儲以及查詢。這些功能的實現，都依賴于手機軟件后臺的算法，將在關鍵技術部分予以介紹。

2關鍵技術

2.1呼吸模態識別

要想得到呼氣吸氣的時間比、呼吸頻率、呼吸強度等這些參數，都需要做到對呼氣、吸氣動作的識別。如圖4所示，“開始吸氣”到下一次的“開始吸氣”的時間間隔就是呼吸周期，進而可以推算出當前的呼吸頻率；另外，“開始吸氣”和“開始呼氣”之間的縱坐標差值可表示呼吸強度。

圖4　呼吸模態識別Fig 4　Breathing modal identification

觀察發現，可根據呼吸曲線的斜率判斷人體的呼氣/吸氣狀態。呼吸曲線的斜率從小于0變到大于0，表示“開始吸氣”；斜率從大于0變到小于0，表示“開始呼氣”。而曲線斜率的計算，可取曲線上的若干點擬合一條直線，求得這條直線的斜率，近似為該曲線當前位置的斜率。這里使用了一種簡易的算法[10]。

M=

2.2標準曲線的生成

呼吸過程中，吸氣時為遞增曲線，呼氣時為遞減曲線，用正弦曲線的不同區間來模擬吸氣和呼氣的過程。取正弦曲線0～T/4內的曲線模擬吸氣的過程，而用T/2～3T/4區間內的曲線模擬呼氣的過程。

如此便得到一個呼吸周期內的呼吸曲線，而后面的曲線都是這個周期的重復。

2.3異常判斷

系統中設定了四種異常原因：1)設備穿戴不正?；驘o呼吸信號。當用戶的呼吸狀態長時間停留在呼氣或吸氣，而沒有呼吸交替時，判定為第1種異常；2)呼吸強度過小，判定為第2種異常；3)呼吸頻率過快，判定為第3種異常；4)呼吸強度過小，且呼吸頻率過快，判定為第4種異常。呼吸數據異常判定的流程如圖5。除了異常判斷外，手機還會自動存儲每一次呼吸的參數和提取出的異常呼吸數據。

圖5　異常判斷流程圖Fig 5　Flow chart of abnormal judgement

2.4時間軸自同步

對于不同的微處理器，盡管電路和軟件設計都一樣，由于外界環境與晶振誤差的影響，各個電路板之間的時鐘頻率是有差別的，這就導致了不同的采樣間隔。若手機軟件中相鄰兩個采樣點的時間間隔和實際的采樣間隔不一致，就會出現顯示的呼吸波形和實際呼吸波形不符的情況。

因此，在手機軟件中，設計了時間自同步的方法。每次工作之前，先讓手機端采集1000個樣點并計時采集的時間為t，那么就可以計算出這塊信號采集板的信號的實際采樣間隔為t/1000。這樣就避免了由于硬件和軟件的時鐘頻率不一致而引起的顯示誤差，保證呼吸信號曲線的準確性。

3臨床實驗

3.1實驗對象

參與實驗的患者均為2014～2015年就診于上海市徐匯區中山醫院的COPD患者，在患者和家屬簽署知情同意書后參與實驗。本研究中共納入11例COPD患者，患者的基本情況見表1。

表1　患者基本情況

注：FEV1(%)記FEV1實際值與其預計值的百分比。

3.2治療方法

將采集呼吸信號的腰帶系于患者的腹部，將手機軟件和信號采集電路通過藍牙連接，患者在軟件的提示音和標準呼吸波形的引導下進行腹式呼吸結合縮唇式呼吸康復訓練。

3.3實驗結果

采用統計學軟件SPSS 16.0對實驗數據進行分析，對使用設備鍛煉前后動脈血氣分析結果進行配對樣本t檢驗，p<0.05為差異具有統計學意義。

讓患者在系統監測下進行呼吸操康復訓練，并且在鍛煉前后對患者進行動脈血氣分析，結果如表2所示。

表2　使用設備鍛煉前后動脈血氣分析參數的比較±s,n=11)

4結論

實驗表明：在“穿戴式呼吸康復監測系統”引導下進行呼吸操鍛煉，能有效幫助患者增加肺通氣量，有利于肺泡進行氣體交換，改善COPD患者缺氧和CO2潴留癥狀。長期堅持在該設備引導下進行呼吸操鍛煉可增加患者的呼吸肌力量，增加咳嗽、咳痰能力，緩解呼吸困難癥狀。

參考文獻:

[1]趙文芳,周衛.呼吸操訓練對慢性阻塞性肺疾病病人影響的研究進展[J].護理研究,2008,22(5月下旬版):1317-1319.

[2]劉洪君,姚翠玲,許占英,等.呼吸操對慢性阻塞性肺病患者肺功能及血氣的影響[J].臨床肺科雜志,2006,11(1):63-64.

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[4]Huang A,Chen C,Duan X,et al.We-Care:An intelligent mobile telecardiology system to enable mhealth applications[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2014,18(2):693-702.

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[8]Bellos C C,Papadopoulos A,Rosso R,et al.Identi?cation of COPD patients’health status using an intelligent system in the CHRONIOUS wearable platform[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2014,18(3):731-738.

[9]Mitchell E,Coyle S,O’Connor N E,et al.Breathing feedback system with wearable textile sensors[C]∥2010 International Conference on Body Sensor Networks,2010:56-61.

[10] 郭振華.直線擬合中確定最佳斜率的一個簡易方法[J].大學物理,1985(11):31-32.

Design of a wearable respiration monitoring system based on pressure sensor*

XIAO Xiao-yu1,3, HUANG Shan-luo1,3, CHEN Shu-jing2, SONG Yuan-lin2, JIN Qing-hui1, ZHAO Jian-long1

(1.State Key Laboratory of Transducers Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2.Zhongshan Hospital,Fudan University,Shanghai 200032,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:A wearable respiration monitoring system is designed to help COPD patients complete standard breathing exercise,and system includes respiratory wave sensor,data acquisition circuit board and an application (APP)software in cell phone.respiratory waveform and respiratory parameters can be shown in real time to patients,compared with standard waveform,according to synchronization prompt tone to correct and complete breathing exercise.Clinical trials prove that this monitoring system can increase lung ventilation of COPD patients and improve their lung function.

Key words:wearable device; respiration monitoring; mobile phone APP software; breathing exercise; chronic obstructive pulmonary disease(COPD)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0126—04

收稿日期：2015—05—15

*基金項目：上海市科委資金資助項目(14521106200)

中圖分類號：R 318.6；TP 319

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0126—04

作者簡介:

肖小玉(1989-)，女，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事穿戴式人體呼吸監測研究與Android軟件開發。

金慶輝，通訊作者，E—mail:jinqh@mail.sim.ac.cn。