CN108670255A - 一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器及其监测方法，该仪器包括一个可穿戴装置，所述的可穿戴装置上设有呼吸探测器和感测电路；所述的呼吸探测器是由具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物制得的弹性体，所述的感测电路用于提供电源并输出信号。本发明通过监测呼吸产生的湿度变化对呼吸进行探测，可用于监测呼吸的频率、强度、呼气与吸气的时间比等相关体征数据，从而判断呼吸是否异常，可以用于监测多种呼吸类疾病。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，尤其涉及一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器及其监测方法。
背景技术
呼吸是一项重要的生命体征，有助于了解一个人的整体健康状况和睡眠品质。呼吸率和呼吸方式也被认为是反映个人基础健康状况的指标。作为生理参数的一种，呼吸频率是急性呼吸功能障碍的敏感指标，不论是医生还是护理人员都把它作为生命指征之一。因此呼吸频率传感器就尤为重要，呼吸频率传感器能够实时地反映呼吸状况，记录呼吸单位时间内的呼吸次数并且能够显示当前的呼吸频率，这能够帮助医生和研究人员实时掌握病人的情况，并及时地做出有效的治疗以挽救病人的生命。因此，在日常生活中对人的呼吸频率等相关参数进行检测显得越来越重要。
目前常见的用于监测呼吸的方式有以下几种：
1.压电式呼吸传感器
压电式呼吸传感器通过测量呼吸肌肉运动或胸腔运动引起的压电效应制成的传感器。当呼吸时，肌肉运动或胸腔运动导致压电材料受力，材料表面受力后产生电荷，通过感应表面电荷的变化，并将其信号输出到测量电路，根据表面电荷变化量，通过模拟对呼吸进行监测。由于呼吸肌肉或胸腔运动甚至在病人遭受呼吸暂停时仍可能发生，这些间接测量并不可靠。同时，此类装置进行测量时易被翻身、侧卧等运动假象和其它躯体活动扰动。
2.热敏式呼吸传感器
热敏电阻是一种阻值随温度变化而变化的电子器件。通过恒流源供电，根据U＝IR，在一定时间内电阻阻值的变化次数和电压大小的变化次数相同，而电阻R阻值的变化是由外界温度的变化所引起的，而电阻外界小范围的温度变化是由人体所呼出气体和外界空气的温度差异所引起的，因此只需记录电压的变化次数就可得到呼吸次数。对信号进行滤波放大得到所要的电压波形，再通过AD转换将模拟信号转换成为数字信号，实现对呼吸的监测。大部分装置中，热敏电阻处于悬浮状态，并且与流过热敏电阻的扰动空气直接联系，因此易被外界因素影响。热敏电阻可能直接接触到病人的皮肤，当病人的身体的因疾病导致温度升高时，这种装置会遭受信号扰动，或信号灵敏性降低。
3.气流式呼吸传感器
气流式呼吸传感器主要是通过对气体的流量进行测量，以此判断使用者呼吸频率。基于感应呼吸气体流动或者压力的装置对机械运动和振动以及周围流过的空气特别敏感，会导致扰动和假象。其中有些装置对皮肤接触特别敏感，因此降低了灵敏性或者甚至会破坏测量。
4.血氧饱和度(SpO2)
通过监测血氧饱和度，判断使用者呼吸功能是否正常。通过血氧仪监测呼吸功能响应速度慢，往往呼吸停止后一段时间，血氧饱和度才开始逐渐下降。
5.呼吸传感器
美国专利《DETECTION GASES AND RESPIRATION BY THE CONDUCTIVITY OF WATERWITHIN A POROUS SUBSTRATE SENSOR》(专利号：US 2017/0356899 A1)中的呼吸传感器通过多孔层材料在不同湿度中的电导率变化，对呼吸进行监测。该专利仅可通过响应值的大小判断呼吸是否停止、呼吸深浅、呼吸不齐，未对呼气与吸气的时间比进行监测，该多孔湿度感应材料在低湿度条件下响应电流大在为纳安级，电流过小，不易监测，同时易被其他外界因素干扰。
对于紧密接触病人气道的装置，用后即可丢弃是临床要求之一，但现有技术很多监测呼吸的装置结构复杂，价格昂贵，是重复使用的，而其清洁设施并不完备，没有足够高的纯净，加之病人对细菌和病毒的免疫的水平降低，因此被污染的可再使用的装置很容易在不同的病人之间引起交叉污染。
发明内容
本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器及其监测方法，制备方法简单，成本低廉，监测精确。
一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器，包括一个可穿戴装置，所述的可穿戴装置上设有呼吸探测器和感测电路；所述的呼吸探测器是由具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物制得的弹性体，所述的感测电路用于提供电源并输出信号。
本发明中，弹性导电胶体吸收水分后，导电率会随着弹性导电胶体中水含量的变化而发生变化，即弹性体的相关电学参数发生变化，根据变化的响应电学参数可以实现对呼吸的探测。
所述弹性导电胶体，优选的是根据公告号为CN 104558699 A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备的弹性导电胶体。
作为优选，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷，或聚烯烃弹性体，或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或三元乙丙橡胶。
作为优选，所述的弹性导电胶体与柔性高分子聚合物之间的体积比为1:3～4:1，效果最优的体积比为3:1。
作为优选，所述的呼吸探测器中还含有无机材料，所述的无机材料是硝酸锂、氯化钙、氯化镁、硝酸铜、硝酸锌、硫酸镁、石墨烯中的一种或多种。
作为优选，所述的呼吸探测器是将所有材料混合均匀后固化所得，其中的固化温度为50～120℃，固化时间为1～12h。
作为优选，所述的呼吸探测器具有多孔结构，或改变弹性体表面形貌使呼吸探测器的表面积增加。
作为优选，所述的呼吸探测器中掺杂有重铬酸钾。本发明可以通过在呼吸探测器中掺入相关试剂，相关试剂与特定成分反应，减少或增加呼吸探测器中离子浓度，改变电导率，继而改变相关响应电学参数，因此可用于监测呼出气体中某种特殊成分。由于乙醇可与呼吸探测器中的重铬酸钾反应，3CH3CH2OH+2Cr2O7 2-+16H+＝3CH3COOH+4Cr3++11H2O，导致离子浓度变化，可用于呼出气体中是否含有乙醇。因掺杂的重铬酸钾浓度较低，且不具有挥发性，同时不与人体直接接触，因此安全性较高。
本发明通过对弹性体进行结构改变或加入其他物质，提高呼吸探测器对湿度变化的响应能力。改变弹性体的表面形貌或整体做成多孔结构，可以增加其表面积，提高对湿度响应能力；混合少量石墨烯可以增加其导电能力；添加增加其他无机材料，如硝酸锂或氯化钙或氯化镁或硝酸铜或硝酸锌或硫酸镁等，可以增强其从环境中吸收水的能力。
作为优选，所述的感测电路包括电源和信号输出设备，所述的信号输出设备通过有线或无线方式进行信号输出。所述电源提供呼吸探测器所需电压；所述信号输出设备可将呼吸探测器获得的体征数据通过有线或无线方式进行输出。
作为优选，所述的无线方式是蓝牙或wifi信号或红外。
作为优选，所述的可穿戴装置可以是面罩、手表、手环等，将呼吸探测器安装在可穿戴装置上，可以方便即时的检测湿度变化。
作为优选，所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器和警示装置相互连接。当呼吸异常时，警示装置会发出警报提醒。
作为优选，所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器可独立使用，也可以作为呼吸检测源与现有生命体征监测系统相互连接，从而实现多方位监测。
作为优选，所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器同时和警示装置、生命体征监测系统相互连接。
所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器的监测方法，包括以下步骤：将所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器置于待测环境中，呼吸探测器吸收或释放水分引起导电率发生变化，通过感测电路发出输出信号，根据输出信号实时监测呼吸的次数、频率、停顿、强度、呼气与吸气的时间比。
所述的输出信号包括响应电流，响应电压，电阻，电阻率，阻抗中的一种或多种直接参数，或多种直接参数通过处理获得的衍生参数。
本发明可以通过呼吸的频率，和/或强度，和/或呼气与吸气的时间比等呼吸相关体征数据，判断呼吸是否异常(呼吸停止，呼吸深浅，呼吸过速，呼吸过缓，呼吸不齐等)，继而用于诊断阻塞型睡眠呼吸暂停综合征，哮喘，呼吸衰竭，呼吸窘迫综合症等呼吸相关疾病。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过监测呼吸产生的湿度变化对呼吸进行探测，可用于监测呼吸的频率、强度、呼气与吸气的时间比等相关体征数据，从而判断呼吸是否异常，可以用于监测多种呼吸类疾病；
2.本发明制备方法简单，成本低，携带轻便；其中的呼吸探测器轻便且具有柔性，因此可制成轻便、可穿戴的呼吸监测仪器；
3.本发明对呼吸直接进行监测，而不是监测伴随呼吸发生的相关生命体征(肌肉或胸腔运动)，因此监测结果更可靠；
4.本发明响应电流大小在微安至毫安级，对湿度具有高敏感性；而对温度及其他外部因素敏感度较低或没有敏感性，干扰因素少；
5.本发明可与现有生命体征监测系统、警示装置等整合，协同使用，实现多方位监测管理；
6.本发明小型化后仍具有高敏感性，便于相关装置小型化。
附图说明
图1是超轻便可穿戴呼吸监测仪器的工作示意图。
图2是超轻便可穿戴呼吸监测仪器的结构示意图。
图3是超轻便可穿戴呼吸监测仪器与血氧仪监测呼吸功能的结果对比图。
图4是超轻便可穿戴呼吸监测仪器监测得到的坐立时正常呼吸的相关体征数据。
图5是超轻便可穿戴呼吸监测仪器监测得到的睡眠时正常呼吸的相关体征数据。
图6是超轻便可穿戴呼吸监测仪器监测得到的静坐与运动时呼吸的相关体征数据。
图7是超轻便可穿戴呼吸监测仪器监测得到的呼出气体中不含/含乙醇的相关体征数据。
其中，各数字含义如下：1、超轻便可穿戴呼吸监测仪器；2、呼吸探测器；3、可穿戴装置。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，但不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图2所示，一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器，包括一个可穿戴装置3，所述的可穿戴装置3上安装有呼吸探测器2和感测电路。
所述的呼吸探测器2用于检测呼吸过程中的湿度、呼吸时间等变化，是主要由具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物混合均匀并固化制得的弹性体。
所述的感测电路用于提供电源并输出信号，包括电源和信号输出设备。所述电源提供呼吸探测器所需电压；所述的信号输出设备可将呼吸探测器获得的体征数据通过有线或无线方式(如蓝牙或wifi信号或红外)进行输出。
可穿戴装置3可以是面罩、手表、手环等，将呼吸探测器安装在可穿戴装置上，可以方便即时的检测湿度变化。本实施例中的可穿戴装置是面罩，当然也可以是其他能将呼吸探测器固定在口鼻周围的装置。
本实施例所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器可以和警示装置相互连接。当呼吸异常时，警示装置会发出警报提醒。
本实施例所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器还可以和生命体征监测系统相连接，通过与现有的生命体征监测系统整合，可以更加全面系统的监测呼吸相关数据，例如呼吸的频率、强度、呼气与吸气的时间比，从而判断呼吸是否异常(呼吸停止，呼吸深浅，呼吸过速，呼吸过缓，呼吸不齐等)，可以用于诊断阻塞型睡眠呼吸暂停综合征，哮喘，呼吸衰竭，呼吸窘迫综合症等。
实施例2
利用实施例1制得的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，通过相关响应电学参数实时监测呼吸状况。其中的相关响应电学参数可以是响应电流，响应电压，电阻，电阻率，阻抗中的一种或多种直接参数，或由直接参数处理获得的衍生参数，本实施例中响应电学参数均采用响应电流。
所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器的监测方法，包括以下步骤：将所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器置于待测环境中，呼吸探测器吸收或释放水分引起导电率发生变化，通过感测电路发出输出信号，根据输出信号实时监测呼吸的次数、频率、停顿、强度、呼气与吸气的时间比。
上述监测方法的原理如下：当呼吸探测器两端施加一定电压，因电导率一定，会产生恒定电流。呼吸时呼出的气流当中含有一定水分，当弹性导电胶体感应到水分时，电导率会随之发生变化，弹性导电胶体相关响应电学参数也会随之发生变化，因此可获得呼吸相关体征数据。如图1所示，人体呼吸导致口鼻处环境湿度变化，口鼻处环境湿度变化导致弹性体的相关响应电学参数产生变化，超轻便可穿戴呼吸监测仪器1通过感测电路将信号传输至相应的信号处理装置(手机、平板、电脑等)进行分析处理，实现对呼吸的实时探测。
图3是呼吸监测仪器与血氧仪监测呼吸功能的结果对比。测试者于75秒时暂停呼吸，呼吸监测仪器即时响应，响应电流下降，而血氧仪反应较慢，约90秒后血氧饱和度才发生变化。同样，测试者于190时恢复呼吸，呼吸监测仪器即时响应，响应电流，而血氧仪约30秒后开始响应。说明本发明能够即时反应呼吸状况，且检测结果准确。
图4是将呼吸探测器置于可以测量流过口鼻处实际呼吸气体的位置，开始检测后，信息输出设备输出的200秒内的坐立时正常呼吸的监测数据。可以观察到，200秒内呼吸监测仪器检测到56次呼吸，呼吸频率约17次/分钟，与实际呼吸频率一致；呼吸强度约为10～15微安；呼气与吸气时间比约为1.5:1～2:1。
图5是将呼吸探测器置于可以测量流过口鼻处实际呼吸气体的位置，开始检测后，信息输出设备输出的400秒内的睡眠时正常呼吸的监测数据。可以观察到，400秒内呼吸监测仪器检测到80次呼吸，呼吸频率约12次/分钟，与实际呼吸频率一致；呼吸强度约为6～10微安；呼气与吸气时间比约为1.5:1～2:1。
图6是呼吸监测仪器监测得到的静坐与运动时呼吸的相关体征数据。测试者于500秒时开始慢跑，可以发现，响应电流变化值增大，从静坐时的5微安左右增加至运动时的10微安左右。
上述测定方法中，所述呼吸频率通过固定时间内的呼吸探测器相关响应电学参数变化(增大或减小)次数计算。所述呼吸强度通过呼吸引起的相关响应电学参数的最大值及最小值的差值或比值计算。所述呼气与吸气的时间比通过相关响应电学参数增大时间(或减小时间)与减小时间(或增大时间)的比值计算。
本发明通过呼吸的频率，和/或强度，和/或呼气与吸气的时间比等呼吸相关体征数据，判断呼吸是否异常(呼吸停止，呼吸深浅，呼吸过速，呼吸过缓，呼吸不齐等)，继而用于诊断阻塞型睡眠呼吸暂停综合征，哮喘，呼吸衰竭，呼吸窘迫综合症等呼吸相关疾病。
实施例3
实施例1中所述呼吸探测器可以按照下述方法制备：将弹性导电材料与柔性高分子聚合物按照体积比1:3～4:1混合；对混合物塑形；加热使成型后的混合物固化，固化温度为50～120℃，固化时间为1～12h，即可。其中的弹性导电胶体，可以按照公告号为CN104558699A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备。所述的柔性高分子聚合物可以是聚二甲基硅氧烷，或聚烯烃弹性体，或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或三元乙丙橡胶。
所述的呼吸探测器原料中还可以加入无机材料进行改性，将无机材料、弹性导电胶体和柔性高分子聚合物混合制得的呼吸探测器，表面积增加，可以增强其吸水能力，从而提高检测能力。所述的无机材料可以是硝酸锂、氯化钙、氯化镁、硝酸铜、硝酸锌、硫酸镁、石墨烯中的一种或多种。
除了加入无机材料进行改性外，也可以通过其他处理方式改变弹性体表面形貌或使弹性体具有多孔结构，使弹性体表面积增加。
实施例4
实施例1的呼吸检测仪器可以用于监测呼出气体中是否含有乙醇。
在实施例1中的呼吸探测器中掺杂重铬酸钾，而重铬酸钾可以和乙醇反应，从而监测呼吸中是否含有酒精。图7是呼吸监测仪器中呼吸探测器混合重铬酸钾后监测得到的呼出气体中含有乙醇时呼吸的相关体征数据。测试者于150秒时开始呼出含有乙醇的气体，可以发现，响应电流变化值减小，从正常时的10微安左右减小至含乙醇时的5微安左右，原因是当乙醇和重铬酸钾反应，3CH3CH2OH+2Cr2O72-+16H+＝3CH3COOH+4Cr3++11H2O呼吸探测器中离子浓度发生变化，响应电流减小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，包括一个可穿戴装置，所述的可穿戴装置上设有呼吸探测器和感测电路；所述的呼吸探测器是由具有链状结构的弹性导电胶体和柔性高分子聚合物制得的弹性体，所述的感测电路用于提供电源并输出信号。
2.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述弹性导电胶体，是根据公告号为CN 104558699A、发明名称为“一种弹性导电胶体、制备方法及其应用”的中国专利申请制备的弹性导电胶体。
3.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷，或聚烯烃弹性体，或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，或三元乙丙橡胶。
4.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的弹性导电胶体与柔性高分子聚合物之间的体积比为1:3～4:1。
5.根据权利要求4所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的弹性导电胶体与柔性高分子聚合物之间的体积比为3:1。
6.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的呼吸探测器具有多孔结构，或改变弹性体表面形貌使呼吸探测器的表面积增加。
7.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的呼吸探测器中掺杂有重铬酸钾。
8.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的感测电路包括电源和信号输出设备，所述的信号输出设备通过有线或无线方式进行信号输出。
9.根据权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器，其特征在于，所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器和警示装置相互连接，或者和生命体征监测系统相互连接，或者同时和警示装置以及生命体征监测系统相互连接。
10.基于权利要求1所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述的超轻便可穿戴呼吸监测仪器置于待测环境中，呼吸探测器吸收或释放水分引起导电率发生变化，通过感测电路发出输出信号，根据输出信号实时监测呼吸的次数、频率、停顿、强度、呼气与吸气的时间比。
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