CN102579020A - 一种基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，该监测系统由压电电缆传感器、放大滤波电路、呼吸心跳分离电路、模数转换电路、数字处理单元、显示屏、报警器、键盘、存储器、通信接口和扩展模块组成。压电电缆传感器将人体的呼吸和心跳引起的压力变化转换成电信号，由放大滤波电路进行预处理，再经分离电路分成一路呼吸信号和一路心跳信号，并分别经过模数转换电路转换成数字信号后送入数字处理单元进行分析处理，得到相应的呼吸和心跳信息。存储器可保存长时间的呼吸和心跳信息，通过通信接口将数据上传至监测数据中心，由专业人士进行数据分析。本发明适用于家庭中的健康监测、自我保健和疾病预警，也可为临床诊断提供参考。

Description

一种基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统

【技术领域】

本发明涉及传感器和人体生理参数监测领域，具体涉及一种基于压电电缆传感器的多功能、低成本、便携式呼吸和心跳监测系统，可用于家庭中的健康监测、自我保健和疾病预警，也可为临床诊断提供参考信息。 

【背景技术】

呼吸和心跳是人体的基本体征，呼吸或心跳的不正常意味着身体健康的恶化或疾病的发生。例如，睡眠过程中反复出现呼吸暂停的现象意味着罹患睡眠呼吸暂停综合征。近年来，随着生活水平的提高，睡眠呼吸暂停综合征发病率有上升趋势，据国外统计资料显示，男性呼吸暂停综合征的发病率为10％，女性为5％，国内尚无确切的流行病学资料，但有资料表明总发病率为4％，特别是在肥胖中年男性中，呼吸暂停综合征的发病率更是高于50％。睡眠呼吸暂停综合征患者在夜间睡眠时，血液中的氧气减少，机体处于缺氧状态，从而引发一系列人体内分泌改变，并最终引起高血压、糖尿病、冠心病、脑血管意外等疾病，严重时甚至导致猝死，极大地危害了生命健康。 

随着生活水平的提升和压力的增大，心脏疾病的发病率日益增高，据世界卫生组织统计，循环系统疾病(包括心脏疾病、脑血管疾病和高血压)是人类的头号杀手。而诊断心脏疾病的基本手段是对心脏跳动的监控。心动用于临床诊断已有长久的历史。在我国，古人根据脉搏跳动诊断疾病已有数千年历史，并形成了一套完整理论。在西方，心电图用于心脏疾病的检查也有近100年的历史。心电图一般用于对各种心律失常、传导障碍、心室心房肥大、心肌梗死、心肌缺血、心肌炎、心肌病、冠状动脉供血不足、心包炎等病症检查，还能够帮助了解某些药物和电解质紊乱对心肌的作用，另外也常为心音图、超声心动图、阻抗血流图等心功能测定以及其他心脏电生理研究进行同步描纪。目前心电图在临床上作为心脏病诊断的一种重要手段，在我国已普及到基层的医疗单位。 

由上可知，呼吸和心跳的监测对人体健康的监测和疾病的诊治具有重大意义。然而，传统的呼吸和心跳的监测系统具有诸多缺点： 

传统的呼吸监测仪价格昂贵，仪器复杂，要求专业人员进行操作，仅用于临床诊断。监测时要求患者入院观察，安装电导联，佩戴口鼻式监测 器，容易给患者造成不适感觉和心理压力，而且费用昂贵，给患者带来诸多不便。由此造成呼吸类疾病患者，特别是睡眠呼吸暂停综合征患者就诊率极低。有资料表明，目前我国睡眠呼吸暂停综合征患者就诊率仅为10％左右，患者因而得不到早期诊断和及时有效的治疗，因而贻误病情，甚至威胁到生命健康。 

传统的心跳监测系统多为心电图仪。常见的心电图仪价格昂贵，操作者需经过专业培训，仅用于临床诊断。另外还有一种动态心电图仪，可由患者随身携带，但仅起到记录心电图的作用，不具备诊断分析和报警功能。这两种心电图仪在监测时都要求患者贴上多个导联电极，致使患者上身布满连线，易给患者带来较大的心理负担，干扰诊断结果，且心电信号易受到外界电磁干扰的影响。此外，目前已有的心电图仪没有兼顾监测呼吸的功能。 

由上可见，传统的呼吸和心跳监测系统价格昂贵，操作复杂，易受干扰，仪用于有严重症状的疾病的诊治。目前市场上虽有心率计、血糖仪等种类众多的家用电子医疗产品，但尚未有一款家用呼吸和心跳监测系统问世。 

因此有必要设计一种便携、家用式的呼吸和心跳监测系统，方便各类人群，特别是轻微病症、中老年、婴儿、肥胖和亚健康人群在家中进行呼吸和心跳的监测，以期了解他们的健康状况，防止突发意外，提早防范和发现疾病，提早诊断和治疗，从而提高人民群众的健康水平。 

申请号为CN01253413.7的实用新型专利公开了一种摇床婴儿心跳呼吸监测报警装置，但仅适用于婴儿监测。申请号为CN200610097472.9的发明专利公开了一种气垫式人体呼吸、心跳和翻身自动监测装置及监测方法，其原理基于气压传感器，且主要适用于婴儿和智障人士监测。申请号为CN200410088749.2的发明专利公开了一种非接触式心动和呼吸监测技术，但存在以下问题：采用并联的面状压力传感器，成本昂贵；所述电路、波形实例过于理想，与实际情况有较大偏差，不易实现。 

【发明内容】

为解决以上问题，本发明主要提供了一种基于压电电缆传感器的低成本、便携式呼吸和心跳监测系统，该系统通过压电电缆传感器感应呼吸和心跳信号，并能够自动检测和分离呼吸和心跳信号，还能根据用户要求实现监控呼吸和心跳、显示数据、保存数据和进行意外报警等功能。因此该系统既能用于家庭中各类人群的健康监测、自我保健和疾病预警，又能为 临床提供疾病诊断数据。 

本发明提供一种基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：该监测系统由压电电缆传感器、放大滤波电路、呼吸心跳分离电路、模数转换电路、数字处理单元、显示屏、报警器、键盘、存储器、通信接口和扩展模块组成。 

人体在呼吸时，胸腔和口鼻随着呼吸会进行周期性的运动，这使得身体各个部位也进行随呼吸的运动。这种运动的幅度很小，不易察觉，但其带来的压力的变化能被压电电缆传感器识别到。同理，心脏的跳动带动血液的流动，同样能引起身体各部位的微运动，其带来的压力的变化同样能被压电电缆传感器识别到。压电电缆传感器检测人体的呼吸和心跳引起的压力变化，将其转换成电信号。便于和压电电缆传感器接触的各个部位均可用于呼吸和心跳的检测，据实验，胸部、背部、腹部和头部是比较适合的监测部位。 

压电电缆传感器是横截面小，材质柔软的电缆线状传感器，不需直接接触皮肤、不需导联电极，属于非直接接触式监测，减少了被监控者的不适感和恐惧感，增加了监测的可靠性。呼吸和心跳电信号经过放大滤波电路的预处理后，再经分离电路分成一路呼吸信号和一路心跳信号，并分别经过模数转换电路转换成数字信号后送入数字处理单元进行处理，得到相应的呼吸和心跳信息。呼吸和心跳的波形、次数等信息可以在显示屏上进行实时显示。当出现异常情况时(如睡眠时呼吸中断时间过长、心肌梗死等)，报警器可实现自动报警。存储器可保存长时间的呼吸和心跳信息，通过通信接口将数据上传至监测中心，可由专业人士进行数据分析。用户可通过键盘按键对系统进行控制。通过扩展模块增加外设，可扩展系统功能。 

本发明的有益效果是： 

本发明结构简便，成本低廉，适用于家庭护理。本发明采用压电电缆传感器进行数据检测，避免了与皮肤直接接触的导联电极和电线，也避免了不易佩戴的口鼻罩。本发明可实时监测和显示呼吸、心跳数据，可为个人保健提供参考信息。本发明可实现异常情况报警，可适用于睡眠时呼吸暂停监测，以及婴儿、老人及病患的家庭监测。本发明可保存大量的呼吸和心跳数据，可为临床诊断提供可靠的参考数据。 

总之，本发明具有智能化、多功能、低成本、便携式、信息准确和数据可保存等特点，利用本发明制作的各种类型的呼吸、心跳监测设备，如监 测床、监测衬垫、监测枕、监测衬衫、监测腰带、监测靠椅等，适用于家庭中的健康监测、自我保健和疾病预警，也可为临床诊断提供参考信息。 

【附图说明】

图1本发明实施例一系统结构框图 

图2本发明实施例一传感器布置图 

图3本发明实施例一波形图 

图4本发明实施例一流程示意图 

图5本发明实施例二系统结构及应用示意图 

【具体实施方式】

本申请的特征及优点将通过实施例，结合附图进行说明。 

图1是本发明一种实施例——睡眠监测枕的示意框图，图中系统由1、枕头2、压电电缆传感器3、工频陷波电路4、放大电路5、呼吸心跳分离电路6、模数转换器7、微控制器8、键盘9、晶振10、SD卡接口11、SD卡12、蜂鸣器13、LCD显示屏14、外部电源组成。本实施例中的系统主要用于睡眠中呼吸暂停现象的监测、记录和警报。监测时，只需被监测者头部枕于枕头之上，方便有效。睡眠监测枕不需导联、口鼻罩，且其压电电缆传感器横截面小，不会给被监测者带来任何不适，不会影响被监测者的睡眠和监测结果。以下对系统结构和原理作进一步说明： 

1为枕头，用于布置和固定压电电缆传感器。被监测者头部枕在枕头之上即可进行监测。2为压电电缆传感器，为聚偏氟乙烯(PVDF)材料的电缆线状压电电缆传感器。由前可知，呼吸和心跳能够引起人体各个部位压力的周期性变化。压电电缆传感器将头部压力的变化转换成电信号，并送给后续电路做进一步的处理。本实施例中采用美国精量公司生产的压电电缆，其直径不超过2mm，便于人体的接触；其响应速度快、幅度大、线性度好，有益于提高系统的速度和精度。为增强压电电缆传感器对压力的感应，实施例中压电电缆传感器采用了如图2所示的并联方式。呼吸和心跳在人体头部的压力变化因不同的人体和不同的头部位置而不同，为减小不同人测量的差异性，也为减小人体上下移动对测量带来的影响，实施例中压电电缆传感器采用了较大的纵向间距，如图2所示。为减小躺卧姿势和翻身对测量带来的影响，实施例中压电电缆传感器采用了较长的横向长 度，如图2所示。 

3为工频陷波电路，其实质为一个中心频率为50Hz的带阻滤波器。由于测量所处的环境一般为家庭，而家庭中各种电器会带来较大的50Hz工频噪声，这种噪声会干扰压电电缆传感器的输出信号，因此实施例中采用了工频陷波电路，以滤除50Hz的工频噪声。4为放大电路，实施例中采用Intersil公司生产的CA3130运算放大器。呼吸和心跳给人体头部压力带来的变化较小，因此压电电缆传感器得到的信号较小，如图3(a)所示，不便于后续电路的处理。而放大电路的作用就是放大陷波后的信号，以便得到适于后续电路处理的信号。放大后的信号如图3(b)所示。5为呼吸心跳分离电路，实施例中采用二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶巴特沃斯高通滤波器实现。由前得知，传感器测得的信号既有呼吸信号，又有心跳信号，必须将二者分开才能进行后续处理。由医学知识得知，呼吸信号的通带频率一般低于0.6Hz(人静态时呼吸次数一般低于每分钟35次)，而心跳信号的主频率一般大于0.7Hz(人静态时心跳次数一般高于每分钟40次)。因此通过低通滤波器和高通滤波器便可分别得到一路呼吸信号和一路心跳信号，实现了呼吸和心跳的分离。分离后的呼吸和心跳波形分别如图3(c)(e)所示。6为模数转换器，它将呼吸和心跳的模拟信号转换成数字信号，便于微控制器的处理。实施例中采用ADI公司生产的AD7922，AD7922是一个12位高速、低功耗、双通道、逐次逼近型ADC，采用2.35V至5.25V单电源供电，最高吞吐量达1MSPS，满足实施例中测量高精度、双通道信号和便携低功耗的要求。 

7为微控制器，可采用单片机、微处理器、FPGA、DSP等结构。微控制器负责控制模数转换器、键盘、蜂鸣器、显示屏等外设，并对相应的数据进行分析处理。当模数转换器将呼吸和心跳模拟信号转换成数字信号并送入微控制器时，信号仍包含有大量的高频噪声，为滤除此高频噪声，微控制器需对输入信号进行平滑滤波。平滑滤波后，呼吸和心跳的波形分别如图3(d)(f)所示，微控制器可采用峰值检测法对呼吸信号和心跳信号进行计数。根据用户要求，微控制器可控制显示屏实时显示呼吸、心跳的波形和次数等信息，还可控制SD卡接口进行数据传输。若出现呼吸、心跳的异常情况，微控制器可控制蜂鸣器实现自动报警。异常情况的判断标准可由用户控制键盘上的按键调整。实施例中采用美国ATMEL公司生产的AT91SAM7X256微控制器。该微控制器基于32位ARM7TDMI微处理器核，最高工作频率为55MHz，提供丰富的外围接口和软件资源。该微控制器通过 一路SPI接口控制模数转换器并读取输入数据，通过另一路SPI接口控制SD卡接口实现SD卡的读写，通过GPIO接口控制蜂鸣器和键盘，通过RS232串口控制显示屏，可满足实施例中的处理需求。 

8为键盘，通过键盘按键可实现用户对本系统的功能选择，实施例中使用四键硅胶软键盘。9为晶振，晶振为微处理器提供原始时钟，实施例中采用HC-49U 16MHz石英晶体谐振器。10为SD卡接口，通过该接口实现微控制器对SD卡的读写，从而实现数据的保存，实施例中采用四线SPI接口。11为SD卡，可保存大容量的数据，实施例中采用Kingmax 1G SD卡。12为蜂鸣器，可由微控制器控制实现异常情况下的报警，实施例中采用博林电磁式蜂鸣器。13为LCD显示屏，可显示呼吸波形、心跳波形、呼吸次数、心跳次数、用户模式、智能诊断等信息，实施例中采用全台晶像320*240分辨率TFT LCD显示屏。14为外部电源，为整个系统提供直流供电。 

该实施例中的系统主要用于睡眠中呼吸暂停现象的监测、记录和警报。系统上电后可分为空闲、系统设定和监控三种状态。若没有进入监控状态，系统等待用户操作，若等待时间超过一定阈值，系统自动关机以节省耗电最；若检测到用户操作，则判断操作是否有效，并进行相应的响应，进入指定的状态，如图4所示。用户使用该系统时，首先须对系统进行设定。设定的内容包括是否报警、报警条件(呼吸暂停报警预设时间)、是否定时、定时时间、是否记录等。然后用户将头部枕与枕头之上后，便可启动监控。监控过程中，传感器不断接收被监控者的呼吸和心跳信号，计算呼吸和心跳的次数，并根据用户的设定判断是否有异常情况(如呼吸暂停时间超过用户设定值)发生。根据用户设定，当出现异常情况时，系统可自动发声报警。根据用户设定，系统可监控指定时间的呼吸、心跳信号，记录指定时间的呼吸、心跳信号，并保存于SD卡之内。SD卡可保存长达数月的用户数据。用户可用计算机自行读取SD卡内的数据，或咨询专业人士，以全面了解自身病征。因此本实施例中的系统可适用于呼吸暂停综合征患者在家中进行睡眠监控和报警，避免危急情况发生；也可用于该病症的潜在患者进行自我检查和预警；还可为患者就医诊治提供参考信息。 

图5为本发明的另一个实施例——呼吸心跳监测腰带的示意图。如图所示，整个呼吸和心跳监测系统，包括传感器和后续电路，都置于腰带中。传感器均匀分布于腰带内，后续电路置于钢制皮带头中，可避免电路受挤压或碰撞而损坏。该呼吸心跳监测腰带不需电线、导联电极、口鼻罩，可 如平常的皮带一样正常穿戴，不会影响正常生活和休息，而且不会受到翻身等动作的影响干扰测量结果。本实施例不仅可用于睡眠中呼吸暂停现象的监测、记录和警报，还可用于儿童、病患的监控，以及个人的日常保健。 

使用时，被监测者只需正确佩戴腰带便可监测呼吸和心跳。例如，当某重症患者术后在家中疗养时，便可佩戴该腰带，腰带内的压电电缆传感器实时检测该患者的呼吸和心跳，经过滤波、峰值检测、域变换等处理后计算出该患者的呼吸和心跳的次数、频谱分布等内容，并实现数据的存储。当出现紧急状况，如呼吸暂停、心肌梗死等时，可自动报警。患者家属或监控人在听到警报声后，便可迅速采取行动救助该患者。因此该呼吸心跳监测腰带可实现对重症患者的24小时不间断监控。 

以上内容是结合几种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：包括压电电缆传感器、放大滤波电路、呼吸心跳分离电路、模数转换电路、数字处理单元、显示屏、报警器、键盘、存储器、通信接口和扩展模块。

2.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：通过压电电缆传感器进行呼吸和心跳信号的检测。压电电缆传感器为聚偏氟乙烯(PVDF)线状电缆传感器。

3.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：通过压电电缆传感器进行呼吸和心跳信号的检测，传感器可不与皮肤直接接触，为非接触式呼吸和心跳监测系统。

4.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：通过数字处理单元分析处理呼吸和心跳信号，并控制外设完成显示、报警、存储等功能，实现了监测的自动化、智能化。

5.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：通过显示屏可实时显示呼吸波形、心跳波形、呼吸次数、心跳次数、智能诊断等信息，信息显示功能可由用户设定。

6.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：通过报警器可实现异常情况的自动报警，报警功能和报警条件可由用户设定。

7.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：可通过内置或外插存储器记录指定信息，可通过计算机由专业人士分析该信息。

8.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：用户可通过键盘按键控制系统的监测模式、显示模式、报警条件等功能。

9.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：根据具体情况需要，可添加符合本系统基本结构的扩展模块，以增加上文未曾提及的系统功能。如增加蓝牙等无线通信模块实现系统的无线传输，增加音频处理模块实现心音放大，等等。

10.如权利要求1所述的基于压电电缆传感器的呼吸和心跳监测系统，其特征在于：智能化、多功能、低成本、便携式、信息准确和数据可保存，适用于家庭健康监测和疾病预警，也可为临床诊断提供参考。

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