基于反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

田森富， 皮喜田,2， 黃永紅， 劉洪英,3

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.新型微納米器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術(shù)研究中心，重慶 400030)

基于反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

田森富1， 皮喜田1,2， 黃永紅1， 劉洪英1,3

(1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶400030；2.新型微納米器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；3.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術(shù)研究中心，重慶400030)

針對(duì)患者進(jìn)行緩慢呼吸訓(xùn)練時(shí)，難以適應(yīng)慢呼吸節(jié)奏問題，提出了反饋控制—自調(diào)整模型提高患者適應(yīng)性。通過反饋控制信號(hào)和自調(diào)整算法，生成后續(xù)引導(dǎo)呼吸信號(hào)；設(shè)計(jì)了反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)。呼吸傳感器采集呼吸波，經(jīng)呼吸率(BPM)檢測(cè)算法、反饋—自調(diào)整模型，生成引導(dǎo)信號(hào)于7 in ISP顯示屏指引呼吸。通過WM8960解碼播放提示音樂，引導(dǎo)患者慢呼吸訓(xùn)練。經(jīng)10名高血壓患者進(jìn)行累計(jì)100次慢呼吸訓(xùn)練，結(jié)果表明：隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，患者平均呼吸率從(15.16±0.92)次/min降低到(9.40±0.29)次/min，逐漸趨于慢呼吸狀態(tài)。設(shè)計(jì)的降壓系統(tǒng)能有效引導(dǎo)高血壓患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練。

高血壓； 慢呼吸訓(xùn)練； 自調(diào)整； 降壓

0 引 言

近年來，基于慢呼吸訓(xùn)練的非藥物降壓方法逐漸成為了研究熱點(diǎn)，研究表明，通過緩慢呼吸降低高血壓患者的呼吸率(breath per minute，BPM)，可有效降低患者的血壓[1～8]，特別是將BPM控制在8次/min的慢呼吸狀態(tài)，具有顯著降低血壓的療效[9，10]。以色列的InterCure公司基于此原理，研制了雷帕特降壓儀，該儀器是唯一獲得美國(guó)FDA認(rèn)證的非藥物降壓儀；而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)未見相關(guān)儀器的報(bào)道。本課題組前期設(shè)計(jì)了高血壓治療系統(tǒng)[11～13]，但該系統(tǒng)在臨床試驗(yàn)中，志愿者難以適應(yīng)慢呼吸訓(xùn)練的呼吸節(jié)奏。

針對(duì)上述問題，本文基于慢呼吸訓(xùn)練降壓原理，采用Android操作系統(tǒng)，研制了基于反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)，并提出了反饋控制—自調(diào)整模型，通過反饋控制信號(hào)和自調(diào)整算法，生成后續(xù)的引導(dǎo)呼吸信號(hào)，通過多次的反饋與迭代調(diào)節(jié)，自適應(yīng)患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練，提高患者慢呼吸訓(xùn)練的舒適度和適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由降壓主機(jī)、腹帶式呼吸傳感器、耳機(jī)3部分組成。使用前需安裝傳感器和耳機(jī)接頭于降壓主機(jī)，呼吸傳感器佩戴于患者腹部。開啟訓(xùn)練前，患者需放松身心5～10min[14，15]。慢呼吸信號(hào)由語音、音樂共同組成，該功能由語音模塊完成；呼吸指引箭頭通過顯示模塊指導(dǎo)患者呼吸訓(xùn)練；核心控制模塊完成信號(hào)的處理及反饋調(diào)整，產(chǎn)生后續(xù)的指引信號(hào)。在訓(xùn)練過程中，患者不必屏氣，只需按自己最舒適的節(jié)奏呼吸，自調(diào)整算法能逐漸引導(dǎo)患者緩慢進(jìn)行呼吸。

圖1 降壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 核心控制模塊

系統(tǒng)采用Android操作系統(tǒng)，其運(yùn)行的硬件環(huán)境為Exynos4412模塊，包括處理器Exynos4412,64位雙通道DDR3、EMM存儲(chǔ)芯片、USB3505、電源管理S5M8767芯片，構(gòu)成了操作系統(tǒng)的電源管理、內(nèi)存、存儲(chǔ)等，提供系統(tǒng)運(yùn)行的基本環(huán)境。

1.2 呼吸傳感器模塊

呼吸波傳感器采用HKH—11B型高分子壓電材料呼吸傳感器，將感應(yīng)的人體呼吸時(shí)腹部產(chǎn)生的起伏信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波電路處理，以模擬信號(hào)的形式輸出，其輸出的信號(hào)幅度范圍為0.2～1.0V，功耗范圍在500～1000μAh；為使傳感器的信號(hào)匹配模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)采樣的電壓范圍，可接入具有基線電壓的滑動(dòng)電阻器，進(jìn)行電壓的基線調(diào)節(jié)，便于信號(hào)的后處理[16]。

圖2 呼吸傳感器及其結(jié)構(gòu)

1.3 語音模塊

語音模塊主要涉及WM8960及其外圍電路，用于完成慢呼吸訓(xùn)練過程中語音的提醒，呼吸提示音樂的播放，從而引導(dǎo)患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練。其封裝尺寸僅為5mm×5mm，立體聲24位∑-ΔADC和DAC均采用低功耗超采樣數(shù)字內(nèi)插和抽取濾波器，其信噪比分別為94,98dB。

1.4 顯示模塊

顯示模塊用于患者與降壓系統(tǒng)的交互操作和指引患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練，采用7in(1in=2.54cm)ISP顯示屏，通過GM8285C芯片將28位并行的LVCOMS數(shù)據(jù)信號(hào)和1路LVCOMS時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為4對(duì)LVDS數(shù)據(jù)信號(hào)和1對(duì)LVDS時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速、可靠傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 反饋控制—自調(diào)整模型

反饋控制—自調(diào)整模型如圖3所示，呼吸傳感器端的信號(hào)，經(jīng)ADC采樣后，將數(shù)字信號(hào)傳輸至BPM檢測(cè)算法，進(jìn)行當(dāng)前呼吸率(current breath per minute,CBPM)的計(jì)算，獲得CBPM后，經(jīng)自調(diào)整算法，調(diào)整提示語音的生成信號(hào)，引導(dǎo)慢呼吸訓(xùn)練。調(diào)整過程中，主要的反饋信號(hào)為先前的位置(preposition)，為自調(diào)整算法提供判別執(zhí)行的依據(jù)參數(shù)。

2.2 呼吸率檢測(cè)算法

在平常呼吸狀態(tài)下，傳感器輸出最大幅值fmax和最小幅值fmin分別對(duì)應(yīng)吸氣的終點(diǎn)和呼氣的終點(diǎn)；而緩慢呼吸狀態(tài)下，常有心臟的搏動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致檢測(cè)到的fmax并非吸氣的終點(diǎn)，則要求呼吸率檢測(cè)算法具備一定的抗干擾能力。本文呼吸率檢測(cè)算法如圖4所示，該算法利用Exynos4412控制器內(nèi)置的ADC對(duì)呼吸波進(jìn)行采樣，設(shè)置的采樣頻率為5Hz，獲得數(shù)字信號(hào)后，基于數(shù)字信號(hào)求差分獲得K值，再結(jié)合閾值以增強(qiáng)算法抗干擾能力。該算法根據(jù)fmin的平穩(wěn)周期性檢測(cè)BPM，而不再采用傳統(tǒng)的fmax周期性計(jì)算BPM，因此，可有效檢測(cè)出正常呼吸狀態(tài)和緩慢呼吸狀態(tài)下的BPM值。

圖4 BPM檢測(cè)算法

2.3 自調(diào)整算法

每檢測(cè)到4次有效呼吸時(shí)計(jì)算1次CBPM值,被逐級(jí)判定后獲得當(dāng)前反饋引導(dǎo)呼吸音樂的當(dāng)前位置(Position)。若Position不等于Preposition，則引導(dǎo)呼吸音樂按Position值對(duì)后續(xù)引導(dǎo)呼吸音樂的節(jié)律進(jìn)行相應(yīng)的改變;反之，引導(dǎo)呼吸音樂按原有減緩速率繼續(xù)引導(dǎo)呼吸，通過多次反饋與迭代調(diào)節(jié)，自調(diào)整樂律匹配患者的慢呼吸訓(xùn)練。開始階段，引導(dǎo)呼吸音樂的節(jié)律逐漸減慢，達(dá)到慢呼吸訓(xùn)練效果時(shí)，又趨于平穩(wěn)的音樂節(jié)律，從而實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的智能引導(dǎo)訓(xùn)練。算法如圖5所示，逐步引導(dǎo)患者將呼吸速率調(diào)整為8次/min的慢呼吸訓(xùn)練狀態(tài)。用戶在呼吸過程中不必刻意屏氣或者用力延長(zhǎng)呼吸，如果用戶覺得呼、吸速率太慢或者費(fèi)力，只需按照最舒適的方式進(jìn)行呼吸，算法可自適應(yīng)調(diào)整樂律，再次根據(jù)患者的呼吸速率引導(dǎo)患者向緩慢呼吸進(jìn)行。

圖5 自調(diào)整算法

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為10名高血壓患者，其收縮壓范圍為122～138mmHg，舒張壓范圍為76～92mmHg，選擇男女志愿者各5名，年齡為42～68歲。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的時(shí)間選在每天早上9:00和下午18:00時(shí)進(jìn)行，受試者首先靜坐5min，在開啟呼吸訓(xùn)練后，記錄每次的呼吸速率值，當(dāng)次訓(xùn)練結(jié)束后，求BPM的平均值。將每次求得的平均BPM值數(shù)據(jù)錄入Excel，10名患者累計(jì)100次訓(xùn)練的平均BPM統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

4 結(jié)果與討論

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增多，受試患者的平均BPM值從首次的(15.16±0.92)次/min降低到第10次的(9.40±0.29)次/min，并隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，逐漸趨于平穩(wěn)。

表1 平均呼吸速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，平均BPM值逐漸降低，表明患者隨著慢呼吸訓(xùn)練次數(shù)的增加逐漸適應(yīng)了慢呼吸訓(xùn)練過程，緩慢呼吸的平均BPM逐漸趨于8 次/min，表明BPM穩(wěn)定在有效降壓的呼吸速率的范圍內(nèi)的時(shí)間越來越長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文提出的基于反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)能夠增強(qiáng)患者慢呼吸訓(xùn)練的適應(yīng)性及舒適度，降壓系統(tǒng)能有效引導(dǎo)高血壓患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練。

5 結(jié) 論

針對(duì)高血壓引導(dǎo)慢呼吸訓(xùn)練降壓過程中很難適應(yīng)緩慢呼吸節(jié)奏的問題，提出了反饋控制—自調(diào)整模型，通過該模型的反饋和自調(diào)整過程，自適應(yīng)患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練，從而提高患者的舒適度和適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于反饋控制的自調(diào)整慢呼吸訓(xùn)練降壓系統(tǒng)能自適應(yīng)患者慢呼吸訓(xùn)練，增強(qiáng)患者慢呼吸訓(xùn)練的適應(yīng)性及舒適度，系統(tǒng)可有效引導(dǎo)患者進(jìn)行慢呼吸訓(xùn)練。

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Designofself-adjustingslowbreathingtraininglowerbloodpressuresystembasedonfeedbackcontrol*

TIAN Sen-fu1, PI Xi-tian1,2, HUANG Yong-hong1, LIU Hong-ying1,3

(1.CollegeofBioengineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.KeyLaboratoryforNationalDefenseScieceandTechnologyofInnovationMicro-NanoDevicesandSystemTechnology,Chongqing400030,China;3.ChongqingEngineeringResearchCenterofMedicalElectronicsTechnology，Chongqing400030,China)

Clinical studies demonstrate that slow breathing can lower blood pressure significantly.However,the patients are difficult to adapt to the slow breathing training.Aiming at this problem,the feedback control and self-adjusting model is proposed to train patients to breathe slowly.By means of the feedback control signal and the self-adjusting algorithm of the model,a subsequent guided breathing signal is generated.Based on this model,a self-adjusting slow breathing training lower blood pressure system with feedback control is designed,the device uses a breathing sensor to collect respiratory waves,a breath per minute(BPM) detection algorithm and self-adjusting model to generate signal and display on7-inch ISP screen to guide slow breathing,the WM8960decoding prompt music and provide guidance.10hypertensive volunteers are recruited and then trained to breathe slowly100times using this device.The results show that average breath rate of the volunteers decreases from15.16±0.92times per minute to9.40±0.29times per minute,gradually tends to slow breathing state.As a conclusion,the proposed lower blood pressure system works effectively in guiding slow breathing training.

hypertension; slow breathing training; self-adjusting; lower blood pressure

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0115—03

2016—11—03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAI01B14，2013BAI03B04)

R 544.1

A

1000—9787(2017)10—0115—03

田森富(1989-)，男，碩士研究士，主要研究方向?yàn)榻祲簝x。皮喜田(1976-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型醫(yī)療儀器設(shè)備，醫(yī)療信息化與健康物聯(lián)網(wǎng)研究工作,E—mail:pixitian@163.com。