開題報告 呼吸信號檢測

1、 北京石油化工學院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目名稱： 呼吸信號檢測方法的研究 題目類型： 測控系統(tǒng)設計類 學生姓名： 賈海玉 專 業(yè)： 機械電子工程 學 院： 機械工程系 年 級： 11級 指導教師： 林順英 2015 年 03 月 18 日一選題背景、研究意義及文獻綜述1.選題背景 隨著社會進步和人民生活水平的不斷提高，人們已經(jīng)不再滿足有病才看醫(yī)生的被動模式，他們更希望能在疾病爆發(fā)之前就得到預警，或是在無法實現(xiàn)住院治療的情況下了解自身的健康狀況。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)護人體生理指標的便攜式監(jiān)護設備就成為未來家庭健康保健的首選，也是臨床診斷和治療所必不可少的?，F(xiàn)代監(jiān)護技術要求連

2、續(xù)監(jiān)測各種生理參數(shù)，做到無創(chuàng)、準確、穩(wěn)定，盡可能減少不適感，無過敏反映，這其中需要解決的問題頗多。呼吸監(jiān)護同樣面臨這樣的困難，它已經(jīng)不僅僅局限于對呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動脈血氣以及普通胸片等常規(guī)項目的檢查，能確切反映患者通氣 E 氧合狀況并能指導機械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標更加受到重視。但在現(xiàn)有的技術條件下，要實現(xiàn)用便攜式呼吸監(jiān)護設備實時動態(tài)連續(xù)監(jiān)護這一系列的生理參數(shù)，是非常困難的。2.研究意義人體與外界環(huán)境進行氣體交換的總過程，稱為呼吸（respiration）。通過呼吸，人體不斷地從外界環(huán)境攝取氧，以氧化體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)，供應能量和維持體溫；同時將氧化過程中產(chǎn)生的CO2排出體外，以免 C

3、O2過多擾亂人體機能，從而保證新陳代謝的正常進行1。所以，呼吸是人體重要的生理過程，對人體呼吸的監(jiān)護檢測也是現(xiàn)代醫(yī)學監(jiān)護技術的一個重要組成部分，在運動醫(yī)學、軍事醫(yī)學以及醫(yī)學科學研究中，呼吸檢測都是一項重要的生理指標。但目前呼吸監(jiān)護技術的發(fā)展滯后于心血管監(jiān)護技術，臨床醫(yī)生重“心”輕“肺”的現(xiàn)象普遍存在。總之，呼吸能夠反映人體的重要新陳代謝知識，而且呼吸所引起的變化我們是易于用傳感器來檢測的，所以，呼吸的測量既具有實用價值，又有重大的醫(yī)學意義。3.文獻綜述3.1呼吸信號簡介 呼吸(Res Piration，簡稱RSP)是指人體與外界環(huán)境進行氣體交換的總過程。人的呼吸過程包括三個互相聯(lián)系的環(huán)節(jié)：外呼

4、吸，包括肺通氣和肺換氣；氣體在血液中的運輸;內(nèi)呼吸，指組織細胞與血液間的氣體交換。外呼吸的時候機體不斷地從外界環(huán)境攝入氧氣，進行新陳代謝，供應機體能量和維持身體溫度；外呼吸同時會將產(chǎn)生的二氧化碳排出體外減少干擾。所以，人體的呼吸系統(tǒng)相當于一個能量供給來源以及體內(nèi)空氣凈化器。正常成人每分鐘呼吸16-20次，即34s每次，每次吸入和呼出的氣體量大約為500毫升，稱為潮氣量。當人用力吸氣，一直到不能再吸的時候為止；然后再用力呼氣，一直呼到不能再呼的時候為止，這時呼出的氣體量稱為肺活量。呼吸信號涉及的指標較多，主要包括呼吸頻率、呼吸幅度、動脈血氣、潮氣量、呼吸節(jié)律、月市活量以及普通胸片等。呼吸頻率是呼

5、吸作用一個關鍵的參數(shù)，其中蘊含著豐富的內(nèi)在的生理信息，并且測量呼吸頻率相對來說要簡單些。呼吸作用存在個體差異性，不同的個體其，呼吸狀況會有所不同，呼吸的速率、幅度分布范圍和分布特點也會有點不同。不過并不是說所有的個體的呼吸作用都是不相同的，也有一些不同個體其呼吸作用大致相同的。它們之間的特征序列會存在相同的地方2。 呼吸作用除了受主觀因素影響外，還要受客觀因素影響，一般工作量越大，呼吸作用就會越快。此外，呼吸可以說明自主神經(jīng)系統(tǒng)保持在警惕狀態(tài)，這時候的情感反應是在大腦負荷的情況下進行的。呼吸系統(tǒng)的速度和深度會隨著情緒的變化而變化。圖1 呼吸信號呼吸信號的變化情感能夠反應出情緒變化，對研究情感識

6、別是非常有用的。深沉而緩慢的呼吸表明一種輕松的狀態(tài)；深沉而快的呼吸表明是激動的狀態(tài)；膚淺而慢的呼吸表明是平靜或是消極的狀態(tài)；膚淺而急促的呼吸表明緊張情緒。3.2呼吸信號研究現(xiàn)狀3.2.1發(fā)展歷程第1代源于1920世紀中葉,結構和功能均較簡單，如鐵肺、胸甲呼吸機和壓差室呼吸機。第2代上世紀60年代后,電子技術開始滲入呼吸機，使其有了較好的同步功能、通氣方式及報警功能，如紐邦E-100型呼吸機等。第3代上世紀80年代后,尤其是進入90年代以來，計算機技術的應用使呼吸機的性能得到進一步的完善，使之具備了全面的報警功能及各種監(jiān)測和顯示系統(tǒng)，如SIEMENS300、Bird8400、Bear1000、D

7、ragerEvita2等呼吸機3。3.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國呼吸機的研制起步較晚，1958年在上海制成鐘罩式正負壓呼吸機。1971年制成電動時間切換定容呼吸機。直到20世紀90年代中末期開始，國產(chǎn)呼吸機的開發(fā)力度才有所加大，質(zhì)量得到了普遍提高。目前，國產(chǎn)呼吸機在技術上大多數(shù)還處于借鑒和模仿國外產(chǎn)品技術，在功能質(zhì)量方面，尤其是在可靠性上落后于國外發(fā)達國家。目前大部分關鍵元部件還是以“拿來主義”的方式為主。通氣模式為常用的基本通氣模式，基本上能夠滿足臨床使用要求。國內(nèi)的呼吸機主要有北京航天長峰股份有限公司的ACM803呼吸機、浙江紹興三五儀表廠的KTH型系列呼吸機、揚州市寧泰醫(yī)療設備廠的HVJ型系

8、列呼吸機、江蘇凱泰醫(yī)療設備有限公司的HVJ-880C呼吸機、由南昌飛機制造公司飛機設計研究所研制的XHC-IA型程控雙向噴射呼吸機和XHY-IA型仙鶴牌應急噴射呼吸機、江西特力麻醉呼吸設備有限公司的TPR-4000電腦多功能呼吸機、上海醫(yī)療器械廠的SC型系列呼吸機，以及山東淄博科創(chuàng)電子有限公司的KCH606型系列呼吸機4。1、 國內(nèi)的呼吸檢測儀器（1） 江西特力麻醉呼吸設備有限公司TPR-4000電腦多功能呼吸機圖2 TPR-4000電腦多功能呼吸機它采用了國外先進呼吸設備的伺服呼氣閥的技術，使呼氣切換靈敏，阻力甚小，減少了呼吸氣過程中機械死腔。技術參數(shù)：間歇正壓通氣頻率：660次/分呼吸比值

9、：1:11:3潮氣量：1001500ml/次輸出氣體氧濃度：40%76%可調(diào)吸氣時間顯示：0.82sIPPV吸氣流量：0.11.5L/S（3）深圳邁瑞公司SynoVent E3呼吸機 SynoVent E5呼吸機 圖3 SynoVent E3呼吸機 圖4 SynoVent E5呼吸機氣道阻力、順應性及呼吸功等參數(shù)的測定，充分監(jiān)測病人呼吸力學的變化，為治療方案的制定、治療效果的評定提供了更完善的依據(jù)。實時描記各種呼吸曲線、呼吸環(huán)，且每個呼吸環(huán)可存儲、對比，幫助醫(yī)生判斷病情發(fā)展的治療效果。可配備呼氣末CO2模塊，連續(xù)、動態(tài)地顯示EtCO2的數(shù)值及波形，實時觀察患者呼吸功能狀況和動態(tài)變化。技術參數(shù)：

10、潮氣量25-2500ml 峰流速3-150L/min(1BW>24kg)、3-60L/min(1BW24kg) 吸氣壓力5-90cmH2O 吸氣時間0.2-8.0秒 吸呼比149:1-1:249 （4）奧利科公司PF-300型呼吸機質(zhì)量檢測儀功能:PF-300集成最精確的傳感器技術，采用人性化的界面設計，提供全功能的圖形化分析功能，旨在為呼吸機、麻醉機、流量表、壓力表類設備提供可靠和精確的測量，從而有效規(guī)避風險的發(fā)生。PF-300具備雙向流量、壓力、溫度、濕度和氧氣濃度測量能力。圖5 PF-300型呼吸機質(zhì)量檢測儀測試軟件FlowLab提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測、圖表式精細化分析以及趨勢記錄功能

11、。主機內(nèi)置溫度傳感器、濕度傳感器，自動測量氣體溫度、濕度，并實現(xiàn)溫度、濕度的自動補償，確保證流量測量的高精度，尤其是小流量、小壓力的穩(wěn)定測量，是PF-300的突出優(yōu)勢。8種氣體類型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N2,CO2,自定義氣體類型。13種氣體標準支持：ATP，ATPD，ATPS，AP21，STP，STPH, BTPS，BTPD，0/1013，20/981，15/1013，25/991，20/1013觸發(fā)模式：支持成人、小兒、高頻觸發(fā)模式，可選壓力和流量兩種觸發(fā)信號，且觸發(fā)閾值可調(diào)。 （3）CITREX H4呼吸機/

12、麻醉呼吸機質(zhì)量檢測儀功能：圖6 CITREX H4呼吸機小巧、便攜、觸摸式彩屏設計，智能化操作?？焖兕A熱設計，準確完成呼吸機/麻醉呼吸機雙向壓力、流量、容積、呼吸頻率、濕度、溫度、氧濃度等參數(shù)的測量。主機內(nèi)置溫度傳感器，自動測量氣體溫度，實現(xiàn)溫度自動補償，保證流量測量精度。8種氣體類型支持：Air， Air/O2， N2O/O2， Heliox (21% O2)，He/O2，N2,CO2,自定義氣體類型。13種氣體標準支持：ATP，ATPD，ATPS，AP21，STP，STPH, BTPS，BTPD，0/1013，20/981，15/1013，25/991，20/1013測試軟件Webserv

13、er提供全參數(shù)數(shù)值監(jiān)測、圖表式精細化分析以及趨勢記錄功能。目前國內(nèi)監(jiān)護儀呼吸參數(shù)監(jiān)測多采用阻抗法，只能測量呼吸頻率，不能反映呼吸通道的流量、壓力和病人呼吸的氣體容積等生理參數(shù)，對于在機械輔助通氣過程中可能給病人造成氣壓傷、容積傷和肺膨脹不全等不良作用的氣道狀態(tài)不能進行有效的實時監(jiān)測5。 3.2.3國外研究現(xiàn)狀國外呼吸機專業(yè)廠商主要有美國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、法國Taema公司、德國的Drager公司等。1、國外的呼吸檢測儀器（1）美國泰科公司研

14、制的PB760呼吸機圖7 Puritan Bennett 760呼吸機其具有標準化的流量觸發(fā)及精確的氣體傳輸，采用先進的無摩擦伺服閥作為氣體輸送系統(tǒng)，使呼吸機系統(tǒng)響應速度快，并且操作界面直觀方便。所以，從研發(fā)至今10多年仍在國內(nèi)大、中型醫(yī)院中被廣泛應用。組成及結構原理:PB760呼吸機主要由氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)2部分組成。進氣子系統(tǒng)、活塞/汽缸子系統(tǒng)、吸氣管路子系統(tǒng)和患者管路子系統(tǒng)的作用是為患者提供空氣和氧氣的吸入和呼出通道，提供壓力過高氣體排放通道，對吸入通道和呼出通道進行切換，并且對患者吸氧濃度及潮氣量進行控制和檢測；PEEP子系統(tǒng)主要由儲氣箱和PEEP泵構成，主要作用是產(chǎn)生用戶設定的PEE

15、P；呼氣子系統(tǒng)包括呼氣單向閥組件、呼氣加熱器組件、呼氣溫度傳感器組件、呼氣閥組件、呼氣流量傳感器組件等，其作用是提供呼出通道，并且監(jiān)測呼出潮氣量和呼出氣體溫度6。電路系統(tǒng)的作用是接受用戶對呼吸參數(shù)的輸入，控制氣路系統(tǒng)的工作和監(jiān)測患者的呼吸參數(shù)。缺點：氧濃度監(jiān)測不準確。當氧濃度設置為21%時，監(jiān)測顯示為18%；當氧濃度設置為50%時，監(jiān)測顯示為42%。氧濃度越往上調(diào)，偏差越大。（2）德國西門子公司研制的900C呼吸機圖8 900C呼吸機900C呼吸機以控制精確度高、性能穩(wěn)定、故障率低而聞名,因而在各大醫(yī)院應用也較為廣泛。主要由氣動單元、電子單元兩大部分組成。氣動單元由壓力傳感器、流量傳感器、空氣

16、混合器等精密的元器件組成。主要元件的工作原理：流量傳感器上有兩通道,大的通道為主通道,小的通道為測量孔。在主通道上加有金屬網(wǎng),這樣當有氣體流過時,就會產(chǎn)生一定的阻力迫使部分氣體通過測量孔,產(chǎn)生一定的壓力,從而使晶體傾斜,引起晶體兩端電阻偏移。根據(jù)晶體兩端的電阻變化,可得到相應的壓力信號,由壓力信號再換算成流量信號。900C呼吸機內(nèi)有呼氣流量傳感器及吸氣流量傳感器。這是為了防止病人呼出氣體中的水汽在呼氣流量傳感器上凝結,影響測量的準確度,因而呼出流量傳感器在使用過程中,加熱電阻被通電加熱。而通過吸氣流量傳感器的空氧混合氣體,是干燥氣體,其加熱電阻沒被通電,所以就不會有熱的感覺7。（3）美國紐邦1

17、50型呼吸機圖9 150型呼吸機其結構緊湊、可移動、操作簡單、功能多、應用范圍廣、易于維護等特點,深受臨床醫(yī)務人員的喜歡,在臨床上有著大量的使用。技術參數(shù)：峰壓：0-80cmH2O潮氣量范圍：5-3000mlPEEP（呼氣末正壓）：0-45吸/呼比：1:99-4:1（4） Taema公司的Taema Horus呼吸機圖10 Taema Horus呼吸機技術參數(shù)：潮氣量：20-1500毫升峰值流量：250升/分鐘呼吸頻率4-80次/分鐘吸氣時間呼吸周期的20-80%吸氣平臺吸氣時間的0-60%近年來，呼吸力學是以工程學的觀點和方法研究呼吸生理學中呼吸系統(tǒng)的力學問題。研究呼吸系統(tǒng)的力學問題，是希望

18、能有助于對呼吸生理和病理的了解，因此研究的重點就在于呼吸力學參數(shù)的測量。呼吸力學參數(shù)的測量是肺功能評價和手術病人麻醉過程中對呼吸功能評價的重要方法，也是對呼吸機當前的狀態(tài)提供動態(tài)監(jiān)測的方法，這些在臨床上都具有重要的實際意義8。國外采用呼吸力學測量技術的公司主要有 Datex-Ohmeda、GE、Hamilton、Philips 等，而能以 OEM 方式提供呼吸力學模塊的生產(chǎn)公司主要有 CPT、NOVAMETRIX 等。國產(chǎn)監(jiān)護儀中還沒有采用這項技術，如能開發(fā)完成呼吸力學模塊并應用到監(jiān)護儀中將可以提升監(jiān)護儀的性能，實現(xiàn)監(jiān)護儀的多參數(shù)化，就可以彌補國內(nèi)在這項技術開發(fā)方面的不足，縮小與跨國醫(yī)療公司監(jiān)

19、護產(chǎn)品的距離。雖然國內(nèi)呼吸機從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是目前還存在一些不足之處，具體有以下幾點：（1）都是在消化吸收國外先進呼吸機的基礎上，結合我國國情設計生產(chǎn)的一系列高、中、低檔呼吸機，然而高檔呼吸機很少；（2）基本功能齊全，操作簡單明了，但特殊功能很少甚至沒有9。4.檢測方法總結4.1 流量傳感器檢測在目前使用的中高檔呼吸機中， 作為容量和流量檢測部件的流量傳感器已經(jīng)廣泛使用。流量傳感器是用來檢測氣體或液體在單位時間里流過某一固定橫截面積的流體速度， 流速與管道橫截面積的乘積等于流量。用于測量流量的傳感器很多， 目前主要有測壓式、熱絲式和超聲式三種， 基本都是專門設計用于醫(yī)用儀器的

20、探測部件， 在臨床呼吸機的應用已經(jīng)有近 20 年歷史10。這類流量傳感器主要包含兩種：一種是壓差式流量傳感器。但是這類傳感器在很低流量的范圍內(nèi)檢測曲線呈非線性， 需要根據(jù)檢測范圍配置軟件校正來提高使用范圍。另一種是壓力應變感應式流量傳感器， 它是在呼吸回路中分出一個很小的并行支氣路， 利用此通道進行壓力測量。這種流量傳感器制造工藝相對復雜一些、成本高。4.2阻抗法檢測阻抗法是利用人體某部分阻抗的變化來進行生理參數(shù)的測量， 以幫助進行診斷和監(jiān)護。由于該方法簡單、完全、無創(chuàng)且不會對病人產(chǎn)生任何副作用，故近來得到了深入發(fā)展與廣泛的應用。阻抗法檢測呼吸信號是目前呼吸設備中應用最為平常的一種方法11。

21、如圖 11,它具有無創(chuàng)、安全、簡單、廉價等優(yōu)點， 但是比較容易受到人體心電和肌電等其他運動信號的干擾， 從而影響檢測的準確性。對此， 國內(nèi)很多學者都在尋找呼吸阻抗的抗干擾方法， 并取得一定效果 8。我國燕山大學的劉寶華等人設計了一種基于諧振狀態(tài)下反射阻抗的耦合原理實現(xiàn)了高靈敏度檢測呼吸信號12 。圖11 人體阻抗模型圖12 基于諧振的耦合呼吸檢測電路二研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題1. 研究的基本內(nèi)容 為測量病人呼吸時的氣體流量、頻率、壓力等參數(shù),可采用不同型式的傳感器,將被測信號轉化為電壓信號送入多路開關切換后，選擇一路信號送入放大電路。由于重要信號大多數(shù)都是低頻的05Hz13，為了消除傳

22、感器及回路中的噪聲信號，采用低通濾波器。圖13 呼吸信號檢測系統(tǒng)2. 擬解決的主要問題1. 本分析被測參數(shù)的形式（數(shù)字、模擬）、范圍、數(shù)量；2. 進行系統(tǒng)總體方案設計，確定傳感器等硬件型號，使用Protel繪制電路圖；3. 系統(tǒng)軟件設計，數(shù)據(jù)分析顯示及報警。3. 研究步驟、方法1、查閱大量文獻資料，結合系統(tǒng)硬件和軟件編程相關原理，深入理解并進行研究分析，并提出呼吸那信號檢測系統(tǒng)的設計方案。2、學習虛擬儀器以及LabVIEW軟件，設計一個呼吸信號測量與分析系統(tǒng)，并對軟件的具體模塊編程并對信號進行處理。3、對呼吸信號測量方法進行研究。4、對設計的軟，硬件部分進行調(diào)試和控制，完成預期目標效果。鍛煉學

23、生的獨立分析能力，自學能力，創(chuàng)新設計能力。4. 研究工作進度第13周工作內(nèi)容：查找、搜集、分析、整理文獻資料具體要求：查找15篇以上的文獻，包括5篇外文文獻，并撰寫開題報告。第4周工作內(nèi)容：外文資料的整理、翻譯具體要求：2萬字符的外文資料。第5周工作內(nèi)容：總體設計方案的擬定與論證具體要求：確定總體方案。第6-13周工作內(nèi)容：基于虛擬儀器的呼吸信號檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)具體要求：學習掌握LabVIEW技術和測試技術相關原理，深入理解并進行研究分析，設計一個基于虛擬儀器的呼吸信號測量與分析系統(tǒng)，應用到相關場合進行模擬，實現(xiàn)信號的采集、處理、轉換與分析。第14周工作內(nèi)容：撰寫論文具體要求：論文、說明書

24、。第15周工作內(nèi)容：論文評閱具體要求：指導老師和評閱老師對論文進行評閱，對論文存在的問題提出意見，學生根據(jù)老師的意見進行修改。第16周工作內(nèi)容：答辯三. 主要參考文獻1 張福學， 現(xiàn)代壓電學( 下冊)M.北京：科學出版社， 2002：66.2 郝連旺，宋濤.呼吸信號檢測方法的研究A. 第十屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集C. 20073 程波，劉光遠.基于小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡的表面肌電信號的情感識別J.計算機應 用.2008，28(2)：3333354 王衛(wèi)紅，鮑咸能，王博亮.雙頻率阻抗法在呼吸監(jiān)測中的應用研究J.航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，1999，12（1）：51555 劉雪紅，吳愛平，王立業(yè)，

25、李川勇.小波變換去除心電信號中呼吸信號干擾J.生物醫(yī)學工程與臨床.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 wavel