呼吸信号检测方法的研究

呼吸信号检测方法的研究

高俊阁

妙佳瑞（天津）医疗可以发展有限公司 天津 300000

摘要：有关呼吸信号的节律、强度和频率的信息在很大程度上可以对呼吸器官的损伤作出反应。因此，监测人体呼吸状态具有重要的医学意义。然而，目前的医疗呼吸监测设备往往体积庞大或价格昂贵，而且经常使用传感器和测试与身体直接接触，可能会给患者带来不适和压力。同时，人体的有意运动可能会导致传感器的脱落和位移，使得检测结果不准确甚至无效。

关键词:呼吸信号;传感器;检测仪器

人体代谢和功能活动中呼吸最重要的生理功能。一旦停止呼吸，生命就停止了。呼吸道也是通往人类健康的通道，当受到病毒攻击时，会导致许多疾病。呼吸状态监测有助于发现和预防呼吸道损伤、肺部和心血管疾病，及时监测疾病和症状的演变和治疗，确保健康的平衡。

1 应变式传感器

在呼吸运动的检测中，随着呼气和吸气的交替运动导致呼吸管、胸部和腹部的周期性变形。利用这种现象，应变式传感器可以用来感知形变。通过这种方式，可以检测到呼吸信号。

压电式传感器。发现某些介质由于外部力的作用而形变，而这些介质在内部变形并在表面产生电荷;当外部力量被中和时，它又回到了满负荷状态。将机械能量转化为电力的现象称为压电效应。在自然界中，大多数晶体都有压电效应，但大多数晶体太弱，无法产生真正的价值。通常使用石英压电晶体和人工压电陶瓷。石英是一种高质量的压电晶体，具有稳定的性能，高机械强度和良好的绝缘;它通常只用于标准仪器或更高的传感器。压电陶瓷在压电传感器中广泛使用，因为压电系数很高。

硅压阻式传感器。硅压阻(SPRT)传感器作为紧凑的全桥式惠斯登电桥的检测。当压力作用于对应力敏感的桥臂时，对角臂的阻力R在相同的方向和范围内发生变化。当一个斜臂的两个强度值在压力作用下增大时，另一个斜臂的强度减小，反之亦然。对于半灵敏的SPRT桥，臂力只改变了一半。该传感器具有灵敏度高(>10mv/V)、线形好、温度稳定性好、无信号滞后等优点，无论是全灵敏度还是半灵敏度。图1所示的呼吸监视器使用耐压硅传感器来检测相应的输入和输出压力。SPRT的输出被送入MAX1450或MAX1457信号处理芯片，这反过来又刺激了活的SPRT的输出，纠正了SPRT固有的错误，然后将补偿后的电压信号传输到MAX1202 12位数字模拟转换器(ADC)。ADC输出(数字化的压力信号)进入一个PC接口MAX3232,并被转换为RS232电平。The Le最终信号传输到系统PC,允许波形的显示和分析它的呼吸参数。

2 温度传感器

呼吸测试本质上是人体内外环境之间的气体交换。正常的呼吸由呼吸中心控制，呼吸肌肉有节奏地放松，导致肺压和大气压之间的压差。只有当压差超过肺通气阻力时，才能进行气体交换。当这种气体通过鼻腔与外界空气交换时，鼻腔内的温度必然会发生变化。实验证明,在气道管径不变的条件下,温度的变化量（T)与气体流速的变化量(V)线性相关。温度传感器相关的物理性能,使用一些材料或部件的温度来改变电力用量由于呼吸电流温度变化不大(1-20)，可选地使用耐热传感器采集呼吸温度样本。半导体热敏电阻有三种类型:负温度系数(NT C)、正温度系数(PTC)和掺杂单晶半导体。如果对这些传感器施加电压，电阻的变化(作为温度的函数)可以转换为电流或电压的变化。如果温度传感器安装在呼吸管上，呼吸和呼吸过程中的温度变化会导致传感器电量的变化。该系统主要由温度传感器、直流前放大器、基本稳定电路、低频放大器、Smith触发器、A/D转换器、数字信号处理电路和CRT显示器组成。

3 流量传感器检测

目前，流量传感器广泛应用于中高档风机的容量和流量检测。流量传感器用于检测固定截面上单位时间内气体或液体的流速。有许多传感器可以测量流量。目前有三种主要类型的传感器，即压力传感器、热丝传感器和超声波传感器，它们基本上是专门为医疗设备设计的控制元件，在临床呼吸器中使用了近20年。

（1）测压式流量传感器。这种流量传感器主要有两种类型:压差式流量传感器，它通过两个测压孔和专用孔板、流量喷嘴和文丘里管等限流装置，产生与流量有关的压降。压力传感器检测压降，根据贝努利定律和质量守恒原理对流量进行转换。但是这种传感器的检测曲线在非常低的流量范围内是非线性的，因此需要根据检测范围配置软件校正来提高使用范围。另一种是压力应变式流量传感器，它将呼吸回路中一个小的平行支路的空气分开，利用这个通道来测量压力。在这个支路上安装了薄金属片。金属片由一根细连杆支撑，固定在连杆的另一端。在连杆和金属片之间安装有压力传感器。这种流量传感器的制造过程比较复杂和昂贵。

（2）热丝式流量传感器。热丝温度的变化在这种气体转换流中发现，热管理系统提供了一种热丝电流来保持温度恒定，因为气体流量与所提供的电流成正比，但流量和电流是非线性的。应通过进一步的处理和软件实现线性化，以获得可重复的流量分布。热丝是桥的一部分。当流量变化时，热丝的温度变化引起阻抗和电流的变化，桥接电路的不平衡和输出电压的变化使流量发生变化。

（3）超声式流量传感器。目前用于检测呼吸信号的超声流量传感器主要是多普勒法和时差法。大约是150 kHz的多普勒超声下超声电子晶体振荡器跨越管道的测试程序接收信号的晶体,以及涉及领域的支柱旋转的涡流调制每毫升,成涡流调频范围一般超声及80至25 kHz信号放大检、波和信号转换到晶体接收。时差法的原理是传播速度不同于静止介质的传播速度。通过测量运动气体中超声波传播速度的变化来测量运动气体中超声波的传播速度和流量。一些新的呼吸器双向也使用这种方法来检测,通过计算时差双向速度和时间,然后流量转化,在2000次/分钟采集过程中以保证实时检测结果。

4 电容式传感器检测

当表面A的电容板靠近人体时，电容板和人体形成电容c。人体组织由浸没在离子液体中的细胞和细胞外成分组成。组织的电特性与细胞密度结构和体液特性有关。一个常用来描述生物组织的表达式是Cole Cole经验公式。人体运动的某些生理活动，如呼吸运动，当决定C值的电压差E和板间距d等物理量发生变化时，C值也会发生相应的变化。因此，呼吸信号的检测可以通过检测c值的变化来实现。电容板是直径1厘米的圆形板，与有源电流放大器集成，通过电容板与人体之间的绝缘环保持5毫米的距离。信号源通过Ag AgCl电极向人体送一50 kHz的等幅正弦电压源信号。假设C保持恒定，传感器电流放大器的输出保持振幅相等的正弦波;当C随人体呼吸活动的变化而变化时，传感器电流放大器的输出是一个调制振幅波，其中包含C的变化信号，呼吸信号可以通过相应的解调电路获得。呼吸波检测仪主要由精密正弦信号发生器、电容传感器、预处理电路、解调电路和输出电平5部分组成。

图2所示为系统框图。

图2采用电容传感器检测呼吸信号系统框图实际测量时信号电极可用性Al AgCl电极,直接粘贴在受试者背部任何位置,测量传感器则用松紧带固定在胸前。This法与传统的阻抗法在某些方面技术思路不同,但它显然比阻抗方法好,控制电极没有极化阻抗，不受极化阻抗变化的影响.操作方便;不同的信号可以分别从胸腔的不同位置获得，这有可能获得更多的人体信息。

呼吸信号检测是临床监测技术的重要指标，是一个不断创新和发展的领域。作为侵入性的无创检测传感器,传感器检测到的压力、温度、相对成熟、甚至呼吸阻抗检测方法,不断探索将信息获取的呼吸方法,心电信号,正是实时化、便携化方向发展呼吸相干探测技术。

参考文献：

[1]郝涛.呼吸信号检测方法的研究[J].微纳电子技术,2018,44(7):12-16

[2]张春.一种具有自动补偿功能的呼吸信号检测电路[J].医疗卫生装备,2018,30(3):62-63

作者简介：

高俊阁，男，汉族，1988年10月出生，身份证号码：120222198810183615。高级人力资源法务总监、高级工程师、中级人力资源管理师，历任懂人帝天津科技有限公司总经理，妙佳瑞（天津）医疗科技发展有限公司总经理对企业管理、医疗运营管理、科技型企业运营管理、经济管理、共享经济、共享人力均有较深入的研究。