護(hù)的發(fā)展趨勢， 考慮到家庭呼吸監(jiān)護(hù)儀監(jiān)護(hù)的群體范圍非常廣，從剛出生的嬰兒到兒童、青年再到老年人； 不同的群體，身高體重、身體狀態(tài)、睡眠狀況比較復(fù)雜，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的呼吸信號采集裝 置兼顧穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，能夠適應(yīng)不同群體的使用。雖然現(xiàn)有技術(shù)中提到多種接觸式 和非接觸式呼吸信號的檢測手段，但是目前家庭睡眠監(jiān)護(hù)最典型的代表也是采用最多的是 床墊式檢測和可穿戴式檢測。其中可穿戴式檢測屬于接觸式檢測手段，長期使用可穿戴式 產(chǎn)品可能造成測試者身體或者皮膚的不適，特別是對于新生兒或者燒傷病人等群體，接觸 式測量可能影響測試者的自然睡眠。同時(shí)由于測試者好動(dòng)等特性，可穿戴式產(chǎn)品在睡眠過 程中常常發(fā)生松弛或者脫落，影響測量準(zhǔn)確性。因此，本實(shí)用新型采用非接觸式生理監(jiān)護(hù)能 夠克服接觸式測量與人體直接接觸的缺點(diǎn)，減少接觸式測量給測試者帶來的不舒適感和不 便；能夠滿足家庭長時(shí)間監(jiān)護(hù)的要求，代表了家庭監(jiān)護(hù)的發(fā)展方向之一。尤其是床墊式睡 眠監(jiān)護(hù)與人體的自然睡眠相契合，測試者幾乎不會(huì)感覺到其干擾，同時(shí)能夠大幅度減少測 試者長時(shí)間接觸電磁輻射的危險(xiǎn)。本實(shí)用新型提出一種基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝 置，為開發(fā)研宄睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。
[0031] 為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出了一種基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集 裝置，包括氣墊床，所述氣墊床由多個(gè)并列的氣室構(gòu)成，其中的2個(gè)間隔布置的氣室為測量 氣室，其余的氣室為支撐氣室，所述兩個(gè)測量氣室分別通過一連接導(dǎo)管連接至一壓阻式壓 力傳感器的輸入端，所述兩個(gè)測量氣室之間連接有平衡管。
[0032] 進(jìn)一步講，所述壓阻式壓力傳感器選擇GE公司的NPC1210系列的低壓傳感器中的 一款。所述壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是4個(gè)P型電阻組成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述P型電 阻內(nèi)部有半導(dǎo)體膜片。
[0033] 所述壓阻式壓力傳感器連接有恒流源供電電路，所述恒流源供電電路包括運(yùn)算放 大器、電阻Rl、電阻R2、穩(wěn)壓二極管Dl和電容Cl，所述傳感器的+IN輸入端連接與運(yùn)算放大 器的輸出端相連，所述運(yùn)算放大器的同相輸入端同時(shí)與所述電阻Rl的一端、所述穩(wěn)壓二極 管Dl的陰極和所述傳感器的-IN輸入端連接，所述電阻Rl的另一端連接至供電電壓，所述 運(yùn)算放大器的反相輸入端通過所述電阻R2與接地電壓相連，所述穩(wěn)壓二極管Dl的陽極同 時(shí)與所述電容Cl的一端和接地電壓相連，所述電容Cl的另一端接地。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
[0035] 搭建穩(wěn)定可靠的信號采集平臺(tái)，使得測試者的呼吸信號能夠準(zhǔn)確傳達(dá)到傳感器， 同時(shí)排除體重等大信號的干擾。
【附圖說明】
[0036] 圖1是呼吸暫停綜合癥可能產(chǎn)生的危害影響示意圖；
[0037] 圖2是呼吸信號受到多種干擾信號的混雜影響示意圖；
[0038] 圖3是本實(shí)用新型基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置結(jié)構(gòu)簡圖；
[0039] 圖4是氣墊床采集模型圖；
[0040] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)簡圖
[0041] 圖6是圖5所示實(shí)施例中恒流源供電電路原理圖；
[0042] 圖7是模擬翻身動(dòng)作的響應(yīng)圖，將身體活動(dòng)或者翻身動(dòng)作看作為類階躍函數(shù) U(t)，其中：(a)為階躍函數(shù)，（b)階躍函數(shù)響應(yīng)；
[0043] 圖8是模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)圖，呼吸引起的胸腹部擴(kuò)張收縮運(yùn)動(dòng)波形類似正弦 波，其中：（a)正弦函數(shù)，（b)正弦函數(shù)響應(yīng)，（c)正弦函數(shù)響應(yīng)幅值與頻率的關(guān)系圖；
[0044]圖9是平衡管管道的氣阻串聯(lián)氣容的模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0046] 本實(shí)用新型基于經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及床墊設(shè)計(jì)難度的綜合考慮，設(shè)計(jì)了一種 基于氣墊床床墊和壓阻式壓力傳感器（piezoresistive pressure transducer)的睡眠呼 吸信號采集方案。本實(shí)用新型提出的一種基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，包括氣墊 床，如圖3所示，所述氣墊床由多個(gè)并列的氣室構(gòu)成，其中的2個(gè)間隔布置的氣室為測量氣 室1(圖3中灰色氣室），其余的氣室為支撐氣室2 (白色氣室），每個(gè)氣室充氣后的尺寸為 100cm*10cm*8cm，氣墊床整體位于床墊之上，氣墊床與測試者之間僅隔薄織物。測試者未躺 在氣墊床上時(shí)，氣室初始?xì)鈮涸贗OkPa左右；測試者躺上氣墊床后，加上測試者體重帶來的 壓強(qiáng)，氣室仍能保持彈性狀態(tài)。所述兩個(gè)測量氣室1分別通過一連接導(dǎo)管3連接至一壓阻 式壓力傳感器4的輸入端，連接導(dǎo)管內(nèi)徑為8_，長度為20cm。所述兩個(gè)測量氣室1之間通 過內(nèi)徑為8mm，長度為25cm的平衡管5連接。
[0047] 采用氣墊床采集生理信號過程中，呼吸等生理信號會(huì)造成氣墊床的壓強(qiáng)變化，同 時(shí)測試者體重和身體活動(dòng)也會(huì)對氣墊床施加壓力，引起形變，造成其壓強(qiáng)變化。而且與體 重、身體活動(dòng)帶來的壓強(qiáng)變化相比，呼吸信號造成的壓強(qiáng)變化十分微弱。如何從"大壓力"中 有效地檢測出微弱的呼吸信號，是測量系統(tǒng)首先要解決的問題。本實(shí)用新型中采用差壓測 量和平衡管。
[0048] 因?yàn)樵谒O(shè)計(jì)的測量模型中，有用信號（呼吸）可以認(rèn)為是存在于差模信號部分。 為了提高測量系統(tǒng)的靈敏度和信噪比，采用差壓測量的方法。具體實(shí)施是指壓阻式壓力傳 感器通過連接導(dǎo)管3與兩個(gè)測量氣室1相連接并測量其氣壓差。通過差壓測量，有效的消 除了兩個(gè)測量氣室1之間共模成分，有利于呼吸信號的放大處理而不至于飽和。
[0049] 但是睡眠過程中較大幅度的身體活動(dòng)（特別是翻身動(dòng)作等）和2個(gè)測量氣室之間 過大的初始?xì)鈮翰?，常常?dǎo)致壓阻式壓力傳感器輸出飽和的現(xiàn)象。這也是床墊式生理監(jiān)護(hù) 遇到的一個(gè)共同的難題。為此，本實(shí)用新型中引入"平衡管5"的方法。平衡管5是指在2 個(gè)測量氣室1之間連接一段導(dǎo)管，可以平衡兩個(gè)連接氣室之間的氣壓差。下面通過氣動(dòng)數(shù) 學(xué)模型來分析平衡管5的作用。
[0050] 1.平衡管和差壓測量的數(shù)學(xué)模型
[0051] 根據(jù) Yongjoon Chee, Jooman Han 等理論（Chee Y, Han J, Youn J, et al.Air mattress sensor system with balancing tube for unconstrained measurement of respiration and heart beat movements[J]. Physiological measurement, 2005, 26(4) :413.)，建立如圖4所示的等效氣動(dòng)模型，圖4中各個(gè)符號表示含 義如下：mi、m2、m 3分別為通過兩條連接導(dǎo)管和平衡管內(nèi)氣體的質(zhì)量；R i、R2、Q、C2分別為2 條連接導(dǎo)管內(nèi)氣體的氣阻和氣容；馬、C3為平衡管內(nèi)氣體的氣阻和氣容；q p q2、。3分別表不 兩條連接導(dǎo)管和平衡管內(nèi)氣體質(zhì)量流率；f+Ba、f+A2分別表示差壓傳感器兩端的氣壓； P表示兩個(gè)測量氣室的初始?xì)鈮褐?；Pxl、Px2分別表示施加在2個(gè)測量氣室的壓強(qiáng)。
[0052] 為了簡化模型，假設(shè)2個(gè)測量氣室之間初始?xì)怏w壓強(qiáng)相等（均為P )，在差壓測量 中相互抵消；氣體流動(dòng)過程中溫度恒定，且不考慮氣體流動(dòng)過程中的壓力損失。
[0053] 首先，假設(shè)在沒有平衡管或者平衡管不導(dǎo)通的情況。根據(jù)氣體伯努利方程和質(zhì)量 守恒定律，對于連接導(dǎo)管3 (左側(cè)連接導(dǎo)管）內(nèi)氣體，左側(cè)測量氣室內(nèi)的氣體受到擠壓，壓強(qiáng) 變化Pxl;;傳感器與連接管1連接端壓強(qiáng)變化為P tjl;左側(cè)連接管的氣阻Rl和輸入輸出壓強(qiáng) pxl、Ptjl、氣體質(zhì)量流率qi2間有以下關(guān)系（王孝華.阻-容（氣阻-氣容）結(jié)構(gòu)充氣時(shí)間 的討論[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1983, 2:009.):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，包括氣墊床，其特征在于，所述氣墊床由 多個(gè)并列的氣室構(gòu)成，其中的2個(gè)間隔布置的氣室為測量氣室，其余的氣室為支撐氣室，所 述兩個(gè)測量氣室分別通過一連接導(dǎo)管連接至一壓阻式壓力傳感器的輸入端，所述兩個(gè)測量 氣室之間連接有平衡管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，其特征在于，所述壓阻 式壓力傳感器選擇GE公司的NPC1210系列的低壓傳感器中的一款。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，其特征在于，所述壓阻 式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是4個(gè)P型電阻組成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述P型電阻內(nèi)部有半導(dǎo)體 膜片。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，其特征在于，所述壓阻 式壓力傳感器連接有恒流源供電電路，所述恒流源供電電路包括運(yùn)算放大器、電阻R1、電阻 R2、穩(wěn)壓二極管D1和電容C1，所述傳感器的+IN輸入端連接與運(yùn)算放大器的輸出端相連，所 述運(yùn)算放大器的同相輸入端同時(shí)與所述電阻R1的一端、所述穩(wěn)壓二極管D1的陰極和所述 傳感器的-IN輸入端連接，所述電阻R1的另一端連接至供電電壓，所述運(yùn)算放大器的反相 輸入端通過所述電阻R2與接地電壓相連，所述穩(wěn)壓二極管D1的陽極同時(shí)與所述電容C1的 一端和接地電壓相連，所述電容C1的另一端接地。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于氣墊床的睡眠呼吸信號采集裝置，包括氣墊床，所述氣墊床由多個(gè)并列的氣室構(gòu)成，其中的2個(gè)間隔布置的氣室為測量氣室，其余的氣室為支撐氣室，所述兩個(gè)測量氣室分別通過一連接導(dǎo)管連接至一壓阻式壓力傳感器的輸入端，所述兩個(gè)測量氣室之間連接有平衡管，所述壓阻式壓力傳感器選擇GE公司的NPC1210系列的低壓傳感器中的一款，所述壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是4個(gè)P型電阻組成的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述P型電阻內(nèi)部有半導(dǎo)體膜片，所述壓阻式壓力傳感器連接有恒流源供電電路。本實(shí)用新型搭建出了穩(wěn)定可靠的信號采集平臺(tái)，使得測試者的呼吸信號能夠準(zhǔn)確傳達(dá)到傳感器，同時(shí)排除體重等大信號的干擾。
【IPC分類】A61B5-08
【公開號】CN204318758
【申請?zhí)枴緾N201420788422
【發(fā)明人】段發(fā)階, 蔣佳佳, 姚少杰, 王仁大
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月12日