文摘gydF4y2Ba

我们提出一个新系统同时获取呼吸频率和动力活动的24小时。系统是基于传感器,很轻,绝对无创,日常生活和兼容。拟议的呼吸传感器是廉价和使用导电橡胶作为活性物质。一个代表呼吸率的模拟信号从传感器获得的信号,呼吸呼吸,没有任何平均或过滤。动能活动传感器是基于微型加速度计的信号平均和过滤,这样两传感器电压兼容缓慢的数据记录。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

在身体活动监测往往只有一个参数检测(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba],因为否则患者运动能力将大打折扣。中这是不满意的,因为相关参数是必要的拒绝参数变更由于日常生活,但也有必要检测相关参数改变由于医学原因。让我们思考日常活动如何修改心律、呼吸频率和体温。gydF4y2Ba

此外采用传感器必须很轻,无创,完全兼容的平常的一天活动。gydF4y2Ba

在本文中,我们提出一个新系统同时获取一些健康参数有关:呼吸频率和动态活动(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

系统是基于传感器,很轻,绝对非侵入性,日常生活和兼容。gydF4y2Ba

对于呼吸感知我们使用已知方法,体积描记法(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),包括腰带感觉胸腔扩张,但是,为了消除金属线圈的实际不便由于存在胸腔,我们应用一种新的扩张传感器基于导电橡胶带,新的呼吸检测,很便宜,和敏感。gydF4y2Ba

呼吸率的观察相当无用的在没有信息可以对病人的活动,可能导致呼吸率变化。因此我们现在还动活动传感器基于商业上的加速度计。gydF4y2Ba

来自这些传感器信号放大、过滤和阐述了单片机的ADC和美联储。gydF4y2Ba

实验结果,我们将说明后,显示一个明确的这些信号之间的相关性。呼吸率之间的相关性的评估和动态活动需要复杂的数学过程,这是目前正在发展。gydF4y2Ba

实际上我们可以断言,特别是呼吸和运动活动监视允许更好地理解呼吸急促的起源事件是否来自体育活动。此外,在肺和心脏疾病,患者对医生来说是非常有用的理解当呼吸急促开始在体育活动和持续多长时间后停止。gydF4y2Ba

2。呼吸监测gydF4y2Ba

过去几年有两种主要的呼吸监测方法开发(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。在第一种方法中,气流是感觉到在第二个乳房膨胀是感觉到的。gydF4y2Ba

空气流量监测是准确的但很不舒服,因为它需要油管或放置传感器在嘴和鼻子(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。这将排除24小时的记录。为我们的项目我们被迫向乳房膨胀监测,这可能是相当不准确和非常敏感的武器运动但更舒适。gydF4y2Ba

乳房膨胀监测、压电应变计传感器很有问题(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba],因为生成的电荷在典型的呼吸频率可以困难放大(0.25赫兹)。而且这些传感器的温度效应和老化可能产生的直接成分信号的漂移。这个问题可以解决低频滤波器的引入,呼吸有截止频率小于1。gydF4y2Ba

加速度计是不适合的,因为可用的微小的呼吸加速(约0.02克)远小于重力加速度和身体运动加速度。gydF4y2Ba

乳房膨胀监测是实现使用一个乳房弹性带(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),所以压力传感带呼吸可能是有道理的。gydF4y2Ba

不幸的是仍然存在一些问题,目前正在开发。gydF4y2Ba

事实上是手臂运动的情感问题,这可能会引发错误的呼吸脉冲。这是内在带方法,但效果不是很频繁的呼吸率相比。gydF4y2Ba

除了几个压力传感器我们设计了一个新的、非常有趣的导电橡胶传感器,也很便宜,而且容易定制。导电橡胶是由化学反应物的混合碳和铁粉用于生产橡胶。他们已经应用灵活的导体和压力传感器,但是我们没有发现应用程序作为膨胀传感器。事实上导电性橡胶应力敏感,但在大的导电橡胶,不是所有人都适合这个应用程序。gydF4y2Ba

3所示。导电橡胶的选择gydF4y2Ba

我们寻找导电橡胶满足以下规格:gydF4y2Ba(我)gydF4y2Ba高灵敏度的压力,gydF4y2Ba(2)gydF4y2Ba橡胶应该压力应用于胸带,大约10 N,gydF4y2Ba(3)gydF4y2Ba温和的电阻率,0.1之间gydF4y2Ba和10gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

这个范围内的电阻率取决于测量问题,传感器提供恒定电流。事实上,低电阻率的值,我们会有一个低电压的传感器,因此需要一个放大器或更高的电流与顺向需要更高的电池消耗不适合穿24小时的装置。另一方面,高电阻率的值,我们可以有一些关于橡胶接触(图可靠性问题gydF4y2Ba1gydF4y2Ba),这将有一个更高的领域。gydF4y2Ba

我们使用一个示例的导电橡胶,仅从Xilor的电阻率gydF4y2Ba,由一个聚合的小导电球状体,大约20gydF4y2Ba米宽,如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,很明显,微球的结构是由橡胶制成的。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba已经被我们的电子设备的光学显微镜实验室。电阻率是由球状体之间的接触面积。这个区域变化根据机械应力,使电阻率对机械应力非常敏感。这种材料不满足我们最初的请求,因为它不是如此强大和低电阻率,但情感是如此之高,以至于我们选择这种材料开发原型。gydF4y2Ba

我们用一个示例Xilor橡胶120毫米长,20毫米大,和0.3毫米厚适合胸带,在一块带的地方。由于样品是不能站的所有带压力,一个完整的带只运用了这种导电橡胶是不可行的。为了解决这个问题我们添加了一个普通的绝缘的橡胶机械平行于这个示例Xilor橡胶。我们也正在寻找导电橡胶有敏感性和机械强度,但我们实际解决方案有两个橡胶是非常满意的,因为它将机械和电气的问题让我们有更多的自由度在橡胶的选择,只需要少量的导电橡胶更加昂贵。gydF4y2Ba

此外,通过这种方式,我们可以减少另一个老化的问题,由于橡胶感性的时间变化。由于传感器是不膨胀,我们预见一次性使用的传感器克服橡胶的老化。gydF4y2Ba

两对夫妇的小铁盘子了两端的橡胶夹层确保电气连接,如图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.1。电子界面和实验结果gydF4y2Ba

导电橡胶的阻力,约1gydF4y2Ba用四线法测量,两个电线注入一个恒流和两个导线感应电压。我们没有用过著名的惠斯通电桥法由于传感器电阻漂移,由于老化,可能需要一个连续桥平衡,最重要的是,因为电阻变化不小。gydF4y2Ba

因为呼吸频率范围从0.1赫兹到3赫兹和胸部运动信号脉冲频率的频率范围(0.4赫兹,3 Hz)我们的前端放大器连接到传感器通过一阶滤波器与低截止频率为0.4赫兹,为了消除低频噪声的传感器,和上截止频率在3赫兹。而且我们认为低截止频率为0.4赫兹因为我们的原型是特别献给运动员。因此我们认为3赫兹呼吸率,对应于每分钟180次,也来模拟瞬态由于呼吸困难条件,例如,一场比赛。而且可以很容易地更改元素值一阶滤波器的低截止频率为0.1赫兹。gydF4y2Ba

放大信号发送到峰值检波器(呼吸频率调谐频率),其输出脉冲发送到标准长度的脉冲峰值成型机。gydF4y2Ba

这个输出已经是一个好的信号呼吸频率测量,但是,因为我们倾向于比频率测量电压,我们给脉冲的频率/电压转换器。呼吸频率的电压信号测量允许我们使用单片机的ADC。gydF4y2Ba

为了有一个breath-by-breath转换,没有连续的周期平均,我们使用了图中所示的电路gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,其关键要素是一个指数脉冲发生器和一个示例&(护肤)。gydF4y2Ba

为每个脉冲来自以前的电路指数脉冲发生器被触发,那么这个脉冲采样的尾巴就在发电机再触发器。护肤和之间的同步发电机是由一个下降沿触发脉冲发生器发送延迟脉冲指数生成器。由于指数脉冲采样之前重置,护肤的输出的电压进行一对一的时间长度的函数最后呼吸法,也就是说,在我们的案例中,一个非线性映射从[0赫兹,gydF4y2Ba赫兹][0 V, 2.5 V],如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

之间不好处,平均连续脉冲波形和输出完成楼梯慢ADC采样是有用的。因为这个信号是只有最后的呼吸,这是不适合触发警告的呼吸停止。是否需要这个警告,脉冲形成器的输出(或指数发生器的输出)将被使用。gydF4y2Ba

使用指数函数发生器,频率和电压之间的映射是非线性的。这不是那么糟糕,因为非线性可以纠正在远程计算机上显示和指数可以任何时间长度映射到一个有限的电压。此外,由于输出电压是美联储ADC,由于非线性的,最好的决议将获得最常见的呼吸频率而不寻常的利率会降低分辨率。gydF4y2Ba

当然,噪音和时间延迟会切断区间[0 Hz的远端gydF4y2Ba赫兹)从地图上,但剩下的时间间隔仍然是宽:系统已经测试宽间隔0.05赫兹,6赫兹。gydF4y2Ba

数据gydF4y2Ba5gydF4y2Ba和gydF4y2Ba6gydF4y2Ba显示与描述电子获得的信号设置。gydF4y2Ba

如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,信号清晰和无噪声;的图还显示了信号峰值检波器表现好。gydF4y2Ba

系统已经成功测试了一个广泛的呼吸频率间隔(见图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba),但仍然老化的问题依然存在。gydF4y2Ba

为了让测试更广泛的频率范围,图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba获得使用电子脉冲发生器的信号频率电压转换器。gydF4y2Ba

事实上橡胶电阻率提高了10倍使用几小时后,当橡胶带膨胀法。虽然这可以补偿在前端放大器自动增益控制,最好是衡量压缩对橡胶导电率的影响。gydF4y2Ba

4所示。运动传感器监测gydF4y2Ba

体育锻炼也很重要了解医学心脏和呼吸动力学的意义。例如,让我们想想高心率的意义可能不同的主题是否运行或站。gydF4y2Ba

身体活动监控也是非常有用的客观地了解病人的生活方式来评估他每天精力充沛的费用。gydF4y2Ba

4.1。传感器gydF4y2Ba

我们发现,加速度均方根值(智慧)(通过高通滤波器)在身体表面完全与行走速度。实验数据收集与其他加速度计在以前的经验表明,垂直加速度的肩膀上正在运行的病人山峰gydF4y2Bag 2 g,而功率谱横跨20赫兹(图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。峰来自每个脚对地面的影响。gydF4y2Ba

这个信号包括一个贡献来自重力,也就是说,gydF4y2Ba在哪里gydF4y2Ba之间的角方向的加速度计和重力。的变量gydF4y2Ba根本不是恒定的加速度计是固定在一个病人的衣服,但当主题弓或站起来有很大的差别。幸运的是功率谱的gydF4y2Ba集中在频率低于1赫兹的频率远低于加速病人散步或跑步。总之它是必要的,也足够使用高通滤波器来切断了重力。gydF4y2Ba

我们选择加速度计ADXL103(通过模拟设备)的特点是适合我们的应用程序。虽然乐队远远大于我们所需要的(但这不是一个问题),噪声密度较低,gydF4y2Bag /赫兹gydF4y2Ba^1/2gydF4y2Ba,和有用的测量。其功耗低,需要在5 V 0.7 mA,和非常有用的因为我们的系统是电池供电的。它也很便宜(约9美元)。gydF4y2Ba

一个特定的解释应该是应得的灵敏度范围很感兴趣:gydF4y2Bag。这有点低于最大测量病人在运行,这将导致加速度计信号限幅和创建一个渐进饱和电路输出信号。我们没有预见到一个完全饱和,因为这种情况只会发生如果病人很重的方式运行。gydF4y2Ba

这不是一个真正的限制,因为病人可以运行统计边际和信号部分饱和将边际;此外体育应用新设备将使用更大的灵敏度范围和不同的调优。另一方面,在gydF4y2Bag切断高加速度峰值,成千的ggydF4y2Ba,gydF4y2Ba来自碰撞加速度计的环境。在缺乏剪裁,高g山峰会毁掉r.m.s.的24小时平均加速度。gydF4y2Ba

4.2。电子界面和实验结果gydF4y2Ba

信号链非常简单,需要一个带通滤波器切断低频在0.7赫兹(相关的重力)和高频20 Hz清洁不可预见的意外信号带外信号。图的上半部分gydF4y2Ba8gydF4y2Ba显示了输出信号。gydF4y2Ba

过滤后的信号被传递给一个廉价而有效r.m.s.转换器,AD737的精度是足够的对于我们的目的。r.m.s.转换器输出过滤切断频率超过0.1赫兹上杀死残余脉动观测运行的病人。图的下方gydF4y2Ba8gydF4y2Ba显示这个信号。gydF4y2Ba

信号是干净的,张成电压范围相匹配输入的可穿戴的ADC单位。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

在本文中,我们提出了一个新系统同时获取呼吸率和动态活动。gydF4y2Ba

系统是基于传感器,很轻,绝对非侵入式的,兼容每一天的生活。gydF4y2Ba

呼吸感应我们使用一个已知方法涉及一种带胸腔扩张,但是,为了消除金属线圈的实际不便由于存在胸腔,我们应用一种新的带膨胀带传感器。gydF4y2Ba

为了病人的信息活动,我们还提出了一个动态活动传感器基于商业上的加速度计。gydF4y2Ba

来自这些传感器信号放大、过滤、阐述和美联储的ADC微控制器。gydF4y2Ba

实验结果表明一个明确的呼吸率之间的相关性和动态活动,实际上是无法量化,但我们已经开始调查。gydF4y2Ba

该运动传感器,基于商业加速度计,已测试的科目,为每个病人显然有可能识别是否主题站,步行,或运行。gydF4y2Ba

观察到的信号不仅是相关的体育活动还重量问题,(我们假设)也走了。对于简单的定性分析,这不是一个问题,但是,如果需要一个定量分析,个人校准将被执行,或者只是一个统计参数的校准在一些生物参数,例如,体重,身高,性别和年龄。gydF4y2Ba

校准,我们希望这身体活动测量将使一个很好的定量估计量之间的能量费用担忧走路和跑步,我们希望,也使用其他生理参数评估基本新陈代谢,它有可能估计每天精力充沛的费用。gydF4y2Ba

这将是非常有趣的自从可用的测量的方法gydF4y2Ba(用嘴和鼻子油管(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba])和热生产(量热箱)不适合24小时测量。gydF4y2Ba