呼吸是人體重要的生理過(guò)程而呼吸頻率是急性呼吸功能障礙的敏感指標(biāo)。在現(xiàn)代監(jiān)護(hù)技術(shù)中呼吸頻率檢測(cè)是其重要組成部分。

呼吸是人體內(nèi)外環(huán)境之間進(jìn)行氣體交換的必需過(guò)程，人體通過(guò)呼吸系統(tǒng)吸進(jìn)氧氣、呼出二氧化碳從而維持正常的生理功能。每分鐘的呼吸次數(shù)即呼吸頻率。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異。成人平靜時(shí)的呼吸頻率約為16- 18次/min；兒童約為20次/min； -般女性比男性快1~2次。臨床診斷中醫(yī)生利用呼吸頻率可以初步檢測(cè)人體是否患有疾病。

呼吸的檢測(cè)方法有很多種但常用的傳感器與檢測(cè)方法包括：應(yīng)變式傳感器檢測(cè)、溫度傳感器檢測(cè)、流量傳感器檢測(cè)、阻抗法檢測(cè)、電容式傳感器檢測(cè)等。應(yīng)變式傳感器檢測(cè)原理是利用人在呼吸過(guò)程中由于呼氣和吸氣的交替引起食道和胸腹部會(huì)產(chǎn)生周期性的形變通過(guò)應(yīng)變式傳感器可以感受到這種形變從而檢測(cè)到呼吸信號(hào)。

當(dāng)傳感器選擇的不同應(yīng)變式傳感器又可以分為壓電式傳感器檢測(cè)和硅壓阻式傳感器檢測(cè)；溫度傳感器檢測(cè)是利用溫度傳感器采集鼻腔內(nèi)外的呼吸溫度差轉(zhuǎn)換為電量輸出的方法；流量傳感器檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)流過(guò)某一固定橫截面積的呼吸氣體的速度來(lái)檢測(cè)呼吸阻抗法檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量人體胸部在呼吸過(guò)程中阻抗的變化來(lái)檢測(cè)呼吸；電容式傳感器檢測(cè)原理是當(dāng)面積為A的電容器平板靠近人體時(shí)平板與人體間構(gòu)成電容C人在呼吸過(guò)程中引起電容值C的變化通過(guò)對(duì)C值的變化進(jìn)行檢測(cè)來(lái)達(dá)到對(duì)呼吸信號(hào)的檢測(cè)目的。

霍爾開(kāi)關(guān)檢測(cè)呼吸原理
本設(shè)計(jì)采用呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)( respiralory induc -tive plethysmography ，RIP) 進(jìn)行呼吸率的檢測(cè)，呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)是一種新穎的呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)該方法能夠準(zhǔn)確地描記出胸、腹呼吸波通常的呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)是利用一條圍繞著胸部或者腹部的導(dǎo)線作為電感傳感通過(guò)調(diào)頻方式檢測(cè)到呼吸的周期和頻率。


本系統(tǒng)是一種基于霍爾開(kāi)關(guān)陣列和呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)原理所設(shè)計(jì)的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)主要由帶永磁鐵的腹帶和呼吸傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。呼吸傳感器通過(guò)腹帶穿戴在腹部傳感器電路板上集成8只霍爾開(kāi)關(guān)，每只間距為1. 5 mm。在呼氣和吸氣過(guò)程中腹部的體積發(fā)生變化從而引|起腹帶周長(zhǎng)的變化導(dǎo)致腹帶上磁鐵位置的移動(dòng)通過(guò)霍爾陣列電路檢測(cè)磁鐵位置的變化單片機(jī)控制系統(tǒng)判別呼吸和吸氣的過(guò)程，由此分析出呼吸的頻率。傳感器實(shí)物圖如圖3。


系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)
圖4為系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)主要包括：霍爾傳感陣列、單片機(jī)控制采集、無(wú)線發(fā)送和接收模塊、PC顯示存儲(chǔ)、Flash存儲(chǔ)。系統(tǒng)原理主要是通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)陣列檢測(cè)呼吸的腹部位移的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)單片機(jī)控制采集霍爾陣列的輸出信號(hào)來(lái)判別呼氣和吸氣的過(guò)程計(jì)算出患者的呼吸率，呼吸頻率通過(guò)Flash 存儲(chǔ)并通過(guò)串口或者無(wú)線藍(lán)牙發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，分析與存儲(chǔ)。由于本系統(tǒng)功耗比較低采用3.6 V的紐扣電池單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電池電壓進(jìn)行電源管理。

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的霍爾陣列數(shù)據(jù)的采集從而計(jì)算出呼吸的頻率系統(tǒng)軟件流程圖如圖5。

單片機(jī)在固定周期時(shí)間內(nèi)對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)采集判斷呼吸的過(guò)程中永磁體的位置采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為5 ms即采集頻率為200 Hz。通過(guò)單片機(jī)對(duì)永磁體的位置的判斷從而判斷呼吸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程即計(jì)算出固定時(shí)間( 30s)內(nèi)呼吸的過(guò)程次數(shù)N進(jìn)而得出1 min時(shí)間內(nèi)呼吸率的計(jì)算公式：f= 2N次/min。

主要應(yīng)用
基于霍爾開(kāi)關(guān)陣列的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)呼吸頻率檢測(cè)的準(zhǔn)確率高抗干擾性強(qiáng)可連續(xù)、實(shí)時(shí)地檢測(cè)患者的呼吸頻率用途廣泛。

由于系統(tǒng)輸出的信號(hào)是通過(guò)數(shù)據(jù)算法處理之后的數(shù)字信號(hào)無(wú)需對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的放大濾波等處理有效地防止了其他信號(hào)的干擾。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸出可通過(guò)串口、無(wú)線通信等接口輸出或者直接用于LCD顯示屏顯示，也可以用于其他呼吸檢測(cè)設(shè)備或者是相關(guān)治療設(shè)備檢測(cè)輸入比如：用于基于慢呼吸的高血壓治療儀的呼吸檢測(cè)。

此系統(tǒng)檢測(cè)到的呼吸頻率通過(guò)UART串口協(xié)議發(fā)送到治療儀的MCU控制芯片控制芯片對(duì)呼吸頻率進(jìn)行分析處理。根據(jù)生物信息反饋原理設(shè)計(jì)以呼吸信號(hào)為反饋生理量的慢呼吸引導(dǎo)算法，以直觀的音樂(lè)信號(hào)和進(jìn)度條指示受試者進(jìn)行呼氣和吸氣。此設(shè)計(jì)的呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)也可以用于便攜式的睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備。