[發明專利]一種基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測裝置、方法及其感知單元制備方法

有效

• 申請號: 201811438623.1
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109498020B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 胡捷;姚新科;付心詮;胡建俊;熊春香
• 申請（專利權）人: 胡捷
• 主分類號: A61B5/08
• 分類號: A61B5/08;A61B5/087
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測裝置、方法及其感知單元制備方法，呼吸監測裝置由壓電薄膜陣列呼吸感知傳感器、無線藍牙式電信號處理集成器、空氣過濾呼吸面罩和柔性電子線組成；壓電薄膜陣列呼吸感知傳感器內部結構主要由圓孔凹槽呼吸傳感單元十字陣列結構組成，并由柔性凹槽陣列傳感單元、導電薄膜、樹脂呼吸面罩帶、氣流過濾薄網和圓截面呼吸感知通道組成；運動呼吸監測方法：根據壓電效應，通過實時采集壓電感知陣列單元產生的電壓信號實時監控戶外運動時人體內的呼吸次數(N)和呼吸量(Q)來表征人體在戶外活動時的生理特征；感知單元制備方法：結合微機電系統(MEMS)加工技術，制備PVDF壓電薄膜陣列傳感單元。

技術領域：

本發明涉及一種基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測裝置、方法及其感知單元制備方法，屬智能結構及系統領域。

背景技術：

呼吸是人體的基本體征，尤其對運動員，正確有效的呼吸節奏不僅能夠大大降低運動過程中出現的岔氣、胸悶氣短等現象，也可以有效的降低運動過程中體力分配的不合理，以及增大肺泡通氣量，提高肺換氣效率，幫助人體保持平穩的狀態。美國國家體育生理部前主任納迪-索科洛瓦斯博士和國內山西師范大學體育學院喬玉成教授研究表明，正確合理的換氣，能夠增加運動員有氧代謝所需的氧氣，增加紅血細胞，從而提高呼吸肌群的能力。目前，運動呼吸機往往整體過大，不適合戶外鍛煉和配合訓練使用，同時隨著MEMS技術和無線通訊技術的成熟，傳感器微型化成為了可能。

發明內容：

本發明是為了解決上述現有技術存在的問題而提供一種基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測裝置、方法及其感知單元制備方法，根據壓電效應，通過實時采集壓電感知陣列單元產生的電壓信號(時域信號(u-t)，頻域信號(P-f))實時監控戶外運動時人體內的呼吸次數(N)和呼吸量(Q)來表征人體在戶外運動或日常訓練時的生理特征；找出運動員日常訓練中存在的呼吸節奏問題并科學的管控運動換氣節奏，充分發揮人體心肺機能并提高訓練效果，進而達到提高成績的目的。

本發明采用如下技術方案：一種基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測裝置，由壓電薄膜陣列呼吸感知傳感器、無線藍牙式電信號處理集成器、空氣過濾呼吸面罩和柔性電子線組成；所述壓電薄膜陣列呼吸感知傳感器由壓電薄膜十字陣列結構、柔性凹槽陣列傳感單元、導電薄膜、樹脂呼吸面罩帶、氣流過濾薄網和圓截面呼吸感知通道組成。

進一步地，所述柔性凹槽陣列傳感單元上表面為PVDF壓電薄膜，并用導電銀漿粘貼，根據正壓電效應(d₃₁)，呼吸產生的氣流沖擊PVDF壓電薄膜，誘導使其產生垂直于薄膜表面振動變形，實時輸出電荷，所述柔性凹槽陣列傳感單元由4個圓孔凹槽呼吸傳感單元16十字陣列構成，其中凹槽底部中心沉積一個微支撐柱(17)，當薄膜產生振動時，該微支撐柱(17)能夠放大薄膜在垂直方向的變形，進而增大電荷輸出量。

進一步地，所述柔性凹槽陣列傳感單元的外形結構設置成圓形、方形或者多邊形；產生的電荷通過導電薄膜與信號接口相連，所述柔性凹槽陣列傳感單元由4個圓孔凹槽呼吸傳感單元十字陣列構成并固定在圓形基體表面。

進一步地，所述氣流過濾薄網安置于圓截面呼吸感知通道中。

進一步地，所述無線藍牙式電信號處理集成器由芯片、自供給電源和無線藍牙組成。

進一步地，所述柔性電子線埋入樹脂呼吸面罩帶中，兩頭分別與信號接口和無線藍牙式電信號處理集成器相連。

進一步地，所述芯片由信號采集模塊、電路放大模塊、濾波降噪模塊、ADC模塊、信號處理模塊和存儲處理模塊組成。

本發明還采用如下技術方案：一種基于壓電可穿戴人體運動呼吸監測方法，包括人體呼吸量與薄膜流致激振能量譜之間傳感標定算法和呼吸頻率檢測方法。