开题报告 呼吸信号检测讲解

1、呼吸信号检测的研究 北京石油化工学院本科毕业设计（论文）开题报告 题目名称： 呼吸信号检测方法的研究 题目类型： 测控系统设计类 学生姓名： 贾海玉 专 业： 机械电子工程 学 院： 机械工程系 年 级： 11级 指导教师： 林顺英 2015 年 03 月 18 日一选题背景、研究意义及文献综述1.选题背景 随着社会进步和人民生活水平的不断提高，人们已经不再满足有病才看医生的被动模式，他们更希望能在疾病爆发之前就得到预警，或是在无法实现住院治疗的情况下了解自身的健康状况。这样，能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的便携式监护设备就成为未来家庭健康保健的首选，也是临床诊断和治疗所必不可少的。

2、现代监护技术要求连续监测各种生理参数，做到无创、准确、稳定，尽可能减少不适感，无过敏反映，这其中需要解决的问题颇多。呼吸监护同样面临这样的困难，它已经不仅仅局限于对呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目的检查，能确切反映患者通气 E 氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标更加受到重视。但在现有的技术条件下，要实现用便携式呼吸监护设备实时动态连续监护这一系列的生理参数，是非常困难的。2.研究意义人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸（respiration）。通过呼吸，人体不断地从外界环境摄取氧，以氧化体内营养物质，供应能量和维持体温；同时将氧化过程中产生的CO2

3、排出体外，以免 CO2过多扰乱人体机能，从而保证新陈代谢的正常进行1。所以，呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分，在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。但目前呼吸监护技术的发展滞后于心血管监护技术，临床医生重“心”轻“肺”的现象普遍存在。总之，呼吸能够反映人体的重要新陈代谢知识，而且呼吸所引起的变化我们是易于用传感器来检测的，所以，呼吸的测量既具有实用价值，又有重大的医学意义。3.文献综述3.1呼吸信号简介 呼吸(Res Piration，简称RSP)是指人体与外界环境进行气体交换的总过程。人的呼吸过程包括三个互

4、相联系的环节：外呼吸，包括肺通气和肺换气；气体在血液中的运输;内呼吸，指组织细胞与血液间的气体交换。外呼吸的时候机体不断地从外界环境摄入氧气，进行新陈代谢，供应机体能量和维持身体温度；外呼吸同时会将产生的二氧化碳排出体外减少干扰。所以，人体的呼吸系统相当于一个能量供给来源以及体内空气净化器。正常成人每分钟呼吸16-20次，即34s每次，每次吸入和呼出的气体量大约为500毫升，称为潮气量。当人用力吸气，一直到不能再吸的时候为止；然后再用力呼气，一直呼到不能再呼的时候为止，这时呼出的气体量称为肺活量。呼吸信号涉及的指标较多，主要包括呼吸频率、呼吸幅度、动脉血气、潮气量、呼吸节律、月市活量以及普通胸

5、片等。呼吸频率是呼吸作用一个关键的参数，其中蕴含着丰富的内在的生理信息，并且测量呼吸频率相对来说要简单些。呼吸作用存在个体差异性，不同的个体其，呼吸状况会有所不同，呼吸的速率、幅度分布范围和分布特点也会有点不同。不过并不是说所有的个体的呼吸作用都是不相同的，也有一些不同个体其呼吸作用大致相同的。它们之间的特征序列会存在相同的地方2。 呼吸作用除了受主观因素影响外，还要受客观因素影响，一般工作量越大，呼吸作用就会越快。此外，呼吸可以说明自主神经系统保持在警惕状态，这时候的情感反应是在大脑负荷的情况下进行的。呼吸系统的速度和深度会随着情绪的变化而变化。图1 呼吸信号呼吸信号的变化情感能够反应出情绪

6、变化，对研究情感识别是非常有用的。深沉而缓慢的呼吸表明一种轻松的状态；深沉而快的呼吸表明是激动的状态；肤浅而慢的呼吸表明是平静或是消极的状态；肤浅而急促的呼吸表明紧张情绪。3.2呼吸信号研究现状3.2.1发展历程第1代源于1920世纪中叶,结构和功能均较简单，如铁肺、胸甲呼吸机和压差室呼吸机。第2代上世纪60年代后,电子技术开始渗入呼吸机，使其有了较好的同步功能、通气方式及报警功能，如纽邦E-100型呼吸机等。第3代上世纪80年代后,尤其是进入90年代以来，计算机技术的应用使呼吸机的性能得到进一步的完善，使之具备了全面的报警功能及各种监测和显示系统，如SIEMENS300、Bird8400、B

7、ear1000、DragerEvita2等呼吸机3。3.2.2国内研究现状我国呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971年制成电动时间切换定容呼吸机。直到20世纪90年代中末期开始，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高。目前，国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。目前大部分关键元部件还是以“拿来主义”的方式为主。通气模式为常用的基本通气模式，基本上能够满足临床使用要求。国内的呼吸机主要有北京航天长峰股份有限公司的ACM803呼吸机、浙江绍兴三五仪表厂的KTH型系列呼吸机、扬州市宁泰医疗

8、设备厂的HVJ型系列呼吸机、江苏凯泰医疗设备有限公司的HVJ-880C呼吸机、由南昌飞机制造公司飞机设计研究所研制的XHC-IA型程控双向喷射呼吸机和XHY-IA型仙鹤牌应急喷射呼吸机、江西特力麻醉呼吸设备有限公司的TPR-4000电脑多功能呼吸机、上海医疗器械厂的SC型系列呼吸机，以及山东淄博科创电子有限公司的KCH606型系列呼吸机4。1、 国内的呼吸检测仪器（1） 江西特力麻醉呼吸设备有限公司TPR-4000电脑多功能呼吸机图2 TPR-4000电脑多功能呼吸机它采用了国外先进呼吸设备的伺服呼气阀的技术，使呼气切换灵敏，阻力甚小，减少了呼吸气过程中机械死腔。技术参数：间歇正压通气频率：6

9、60次/分呼吸比值：1:11:3潮气量：1001500ml/次输出气体氧浓度：40%76%可调吸气时间显示：0.82sIPPV吸气流量：0.11.5L/S（3）深圳迈瑞公司SynoVent E3呼吸机 SynoVent E5呼吸机 图3 SynoVent E3呼吸机 图4 SynoVent E5呼吸机气道阻力、顺应性及呼吸功等参数的测定，充分监测病人呼吸力学的变化，为治疗方案的制定、治疗效果的评定提供了更完善的依据。实时描记各种呼吸曲线、呼吸环，且每个呼吸环可存储、对比，帮助医生判断病情发展的治疗效果。可配备呼气末CO2模块，连续、动态地显示EtCO2的数值及波形，实时观察患者呼吸功能状况和动

10、态变化。技术参数：潮气量25-2500ml 峰流速3-150L/min(1BW24kg)、3-60L/min(1BW24kg) 吸气压力5-90cmH2O 吸气时间0.2-8.0秒 吸呼比149:1-1:249 （4）奥利科公司PF-300型呼吸机质量检测仪功能:PF-300集成最精确的传感器技术，采用人性化的界面设计，提供全功能的图形化分析功能，旨在为呼吸机、麻醉机、流量表、压力表类设备提供可靠和精确的测量，从而有效规避风险的发生。PF-300具备双向流量、压力、温度、湿度和氧气浓度测量能力。图5 PF-300型呼吸机质量检测仪测试软件FlowLab提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋

11、势记录功能。主机内置温度传感器、湿度传感器，自动测量气体温度、湿度，并实现温度、湿度的自动补偿，确保证流量测量的高精度，尤其是小流量、小压力的稳定测量，是PF-300的突出优势。8种气体类型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N2,CO2,自定义气体类型。13种气体标准支持：ATP，ATPD，ATPS，AP21，STP，STPH, BTPS，BTPD，0/1013，20/981，15/1013，25/991，20/1013触发模式：支持成人、小儿、高频触发模式，可选压力和流量两种触发信号，且触发阈值可调。（3）CITREX H4呼吸机/麻

12、醉呼吸机质量检测仪功能：图6 CITREX H4呼吸机小巧、便携、触摸式彩屏设计，智能化操作。快速预热设计，准确完成呼吸机/麻醉呼吸机双向压力、流量、容积、呼吸频率、湿度、温度、氧浓度等参数的测量。主机内置温度传感器，自动测量气体温度，实现温度自动补偿，保证流量测量精度。8种气体类型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N2,CO2,自定义气体类型。13种气体标准支持：ATP，ATPD，ATPS，AP21，STP，STPH, BTPS，BTPD，0/1013，20/981，15/1013，25/991，20/1013测试软件Webserve

13、r提供全参数数值监测、图表式精细化分析以及趋势记录功能。目前国内监护仪呼吸参数监测多采用阻抗法，只能测量呼吸频率，不能反映呼吸通道的流量、压力和病人呼吸的气体容积等生理参数，对于在机械辅助通气过程中可能给病人造成气压伤、容积伤和肺膨胀不全等不良作用的气道状态不能进行有效的实时监测5。 3.2.3国外研究现状国外呼吸机专业厂商主要有美国Puritan Bennett公司、Bear Medical systems公司、3M Bird公司、Respironics公司和Newport公司、西德Siemens公司、法国Taema公司、德国的Drager公司等。1、国外的呼吸检测仪器（1）美国泰科公司研制

14、的PB760呼吸机图7 Puritan Bennett 760呼吸机其具有标准化的流量触发及精确的气体传输，采用先进的无摩擦伺服阀作为气体输送系统，使呼吸机系统响应速度快，并且操作界面直观方便。所以，从研发至今10多年仍在国内大、中型医院中被广泛应用。组成及结构原理:PB760呼吸机主要由气路系统和电路系统2部分组成。进气子系统、活塞/汽缸子系统、吸气管路子系统和患者管路子系统的作用是为患者提供空气和氧气的吸入和呼出通道，提供压力过高气体排放通道，对吸入通道和呼出通道进行切换，并且对患者吸氧浓度及潮气量进行控制和检测；PEEP子系统主要由储气箱和PEEP泵构成，主要作用是产生用户设定的PEEP

15、；呼气子系统包括呼气单向阀组件、呼气加热器组件、呼气温度传感器组件、呼气阀组件、呼气流量传感器组件等，其作用是提供呼出通道，并且监测呼出潮气量和呼出气体温度6。电路系统的作用是接受用户对呼吸参数的输入，控制气路系统的工作和监测患者的呼吸参数。缺点：氧浓度监测不准确。当氧浓度设置为21%时，监测显示为18%；当氧浓度设置为50%时，监测显示为42%。氧浓度越往上调，偏差越大。（2）德国西门子公司研制的900C呼吸机图8 900C呼吸机900C呼吸机以控制精确度高、性能稳定、故障率低而闻名,因而在各大医院应用也较为广泛。主要由气动单元、电子单元两大部分组成。气动单元由压力传感器、流量传感器、空气混

16、合器等精密的元器件组成。主要元件的工作原理：流量传感器上有两通道,大的通道为主通道,小的通道为测量孔。在主通道上加有金属网,这样当有气体流过时,就会产生一定的阻力迫使部分气体通过测量孔,产生一定的压力,从而使晶体倾斜,引起晶体两端电阻偏移。根据晶体两端的电阻变化,可得到相应的压力信号,由压力信号再换算成流量信号。900C呼吸机内有呼气流量传感器及吸气流量传感器。这是为了防止病人呼出气体中的水汽在呼气流量传感器上凝结,影响测量的准确度,因而呼出流量传感器在使用过程中,加热电阻被通电加热。而通过吸气流量传感器的空氧混合气体,是干燥气体,其加热电阻没被通电,所以就不会有热的感觉7。（3）美国纽邦15

17、0型呼吸机图9 150型呼吸机其结构紧凑、可移动、操作简单、功能多、应用范围广、易于维护等特点,深受临床医务人员的喜欢,在临床上有着大量的使用。技术参数：峰压：0-80cmH2O潮气量范围：5-3000mlPEEP（呼气末正压）：0-45吸/呼比：1:99-4:1（4） Taema公司的Taema Horus呼吸机图10 Taema Horus呼吸机技术参数：潮气量：20-1500毫升峰值流量：250升/分钟呼吸频率4-80次/分钟吸气时间呼吸周期的20-80%吸气平台吸气时间的0-60%近年来，呼吸力学是以工程学的观点和方法研究呼吸生理学中呼吸系统的力学问题。研究呼吸系统的力学问题，是希望能

18、有助于对呼吸生理和病理的了解，因此研究的重点就在于呼吸力学参数的测量。呼吸力学参数的测量是肺功能评价和手术病人麻醉过程中对呼吸功能评价的重要方法，也是对呼吸机当前的状态提供动态监测的方法，这些在临床上都具有重要的实际意义8。国外采用呼吸力学测量技术的公司主要有 Datex-Ohmeda、GE、Hamilton、Philips 等，而能以 OEM 方式提供呼吸力学模块的生产公司主要有 CPT、NOVAMETRIX 等。国产监护仪中还没有采用这项技术，如能开发完成呼吸力学模块并应用到监护仪中将可以提升监护仪的性能，实现监护仪的多参数化，就可以弥补国内在这项技术开发方面的不足，缩小与跨国医疗公司监护

19、产品的距离。虽然国内呼吸机从诞生到现在已经有了很大的发展，但是目前还存在一些不足之处，具体有以下几点：（1）都是在消化吸收国外先进呼吸机的基础上，结合我国国情设计生产的一系列高、中、低档呼吸机，然而高档呼吸机很少；（2）基本功能齐全，操作简单明了，但特殊功能很少甚至没有9。4.检测方法总结4.1 流量传感器检测在目前使用的中高档呼吸机中， 作为容量和流量检测部件的流量传感器已经广泛使用。流量传感器是用来检测气体或液体在单位时间里流过某一固定横截面积的流体速度， 流速与管道横截面积的乘积等于流量。用于测量流量的传感器很多， 目前主要有测压式、热丝式和超声式三种， 基本都是专门设计用于医用仪器的探

20、测部件， 在临床呼吸机的应用已经有近 20 年历史10。这类流量传感器主要包含两种：一种是压差式流量传感器。但是这类传感器在很低流量的范围内检测曲线呈非线性， 需要根据检测范围配置软件校正来提高使用范围。另一种是压力应变感应式流量传感器， 它是在呼吸回路中分出一个很小的并行支气路， 利用此通道进行压力测量。这种流量传感器制造工艺相对复杂一些、成本高。4.2阻抗法检测阻抗法是利用人体某部分阻抗的变化来进行生理参数的测量， 以帮助进行诊断和监护。由于该方法简单、完全、无创且不会对病人产生任何副作用，故近来得到了深入发展与广泛的应用。阻抗法检测呼吸信号是目前呼吸设备中应用最为平常的一种方法11。 如

21、图 11,它具有无创、安全、简单、廉价等优点， 但是比较容易受到人体心电和肌电等其他运动信号的干扰， 从而影响检测的准确性。对此， 国内很多学者都在寻找呼吸阻抗的抗干扰方法， 并取得一定效果 8。我国燕山大学的刘宝华等人设计了一种基于谐振状态下反射阻抗的耦合原理实现了高灵敏度检测呼吸信号12 。图11 人体阻抗模型图12 基于谐振的耦合呼吸检测电路二研究的基本内容，拟解决的主要问题1. 研究的基本内容 为测量病人呼吸时的气体流量、频率、压力等参数,可采用不同型式的传感器,将被测信号转化为电压信号送入多路开关切换后，选择一路信号送入放大电路。由于重要信号大多数都是低频的05Hz13，为了消除传感

22、器及回路中的噪声信号，采用低通滤波器。图13 呼吸信号检测系统2. 拟解决的主要问题1. 本分析被测参数的形式（数字、模拟）、范围、数量；2. 进行系统总体方案设计，确定传感器等硬件型号，使用Protel绘制电路图；3. 系统软件设计，数据分析显示及报警。3. 研究步骤、方法1、查阅大量文献资料，结合系统硬件和软件编程相关原理，深入理解并进行研究分析，并提出呼吸那信号检测系统的设计方案。2、学习虚拟仪器以及LabVIEW软件，设计一个呼吸信号测量与分析系统，并对软件的具体模块编程并对信号进行处理。3、对呼吸信号测量方法进行研究。4、对设计的软，硬件部分进行调试和控制，完成预期目标效果。锻炼学生

23、的独立分析能力，自学能力，创新设计能力。4. 研究工作进度第13周工作内容：查找、搜集、分析、整理文献资料具体要求：查找15篇以上的文献，包括5篇外文文献，并撰写开题报告。第4周工作内容：外文资料的整理、翻译具体要求：2万字符的外文资料。第5周工作内容：总体设计方案的拟定与论证具体要求：确定总体方案。第6-13周工作内容：基于虚拟仪器的呼吸信号检测系统的研究与实现具体要求：学习掌握LabVIEW技术和测试技术相关原理，深入理解并进行研究分析，设计一个基于虚拟仪器的呼吸信号测量与分析系统，应用到相关场合进行模拟，实现信号的采集、处理、转换与分析。第14周工作内容：撰写论文具体要求：论文、说明书。

24、第15周工作内容：论文评阅具体要求：指导老师和评阅老师对论文进行评阅，对论文存在的问题提出意见，学生根据老师的意见进行修改。第16周工作内容：答辩三. 主要参考文献1 张福学， 现代压电学( 下册)M.北京：科学出版社， 2002：66.2 郝连旺，宋涛.呼吸信号检测方法的研究A. 第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集C. 20073 程波，刘光远.基于小波变换与神经网络的表面肌电信号的情感识别J.计算机应 用.2008，28(2)：3333354 王卫红，鲍咸能，王博亮.双频率阻抗法在呼吸监测中的应用研究J.航天医学与医学工程，1999，12（1）：51555 刘雪红，吴爱平，王立业，李

25、川勇.小波变换去除心电信号中呼吸信号干扰J.生物医学工程与临床.2003.06，7(2)：78一506 Ekman P. An argument for basic emotionJ.Cognition and Emotion.1992,6:169一2007 F.Nasoz,K.Alvarez,C.L.Lisetti,N.Finkelstein.Emotion Recognition from Physiologieal Signals for Presenee TeehnologiesJ.International Joumal of Cognition,Teehnology and Work,Special Issueon Presenee,2003,6(l):l一328 H.Adeli,2.Zhou，N.Dadmehr.Analysis of EEG reeords in an epileptic Patient using wavelet