[發明專利]基于慣性測量單元的呼吸深度與呼吸頻率測量裝置和方法

有效

• 申請號: 202111051202.5
• 申請日: 2021-09-08
• 公開（公告）號: CN113768491B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 方續東;鄧武彬;方子艷;吳俊俠;高博楠;孫昊;吳晨;趙立波;田邊;王淞立;朱楠;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B5/08
• 分類號: A61B5/08;A61B5/113;A61B5/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開了一種基于慣性測量單元的呼吸深度與呼吸頻率測量裝置和方法，包括用于提供相對參考系的外殼、作為胸部呼吸深度與呼吸頻率測量裝置的內殼以及第一、第二慣性測量單元。首先通過內外殼以及彈簧連接，為胸部的運動提供了相對參考，再次采用相同的慣性測量單元以及相同的加速度信號處理算法，得到人體呼吸深度與呼吸頻率，使得本裝置可以避免測量呼吸時由于人體運動產生的干擾，從而獲得了一種可實現人體呼吸深度與呼吸頻率實時高精度測量的裝備和方法，解決了目前呼吸頻率監測缺乏實時性且精度受人體運動狀態影響較大，而呼吸深度缺乏測量裝備和方法的問題。

技術領域

本發明屬于可穿戴人體呼吸深度與呼吸頻率監測技術領域，具體涉及一種基于慣性測量單元的呼吸深度與呼吸頻率高精度測量裝置。

背景技術

人體呼吸信號的主要表現形式為呼吸深度與呼吸頻率。可穿戴的人體呼吸頻率的監測裝備開發近年來發展迅速，目前已經有多種便攜式呼吸頻率監測裝備。呼吸頻率的提取方式分為非接觸式測量和接觸式測量。非接觸式測量包含使用超聲波，雷達等方法，可以實現精度較高的呼吸深度與呼吸頻率監測，但是只能在被測人員靜止的情況下使用。接觸式測量使用二氧化碳傳感器、溫度傳感器、呼吸感應體積標記術、心電圖衍生法等多種方法，可實現呼吸頻率的精確測量，但這些測量方法缺乏實時性，且都無法測量呼吸深度。使用加速度傳感器、慣性測量單元的測量方式可以實現實時呼吸深度與呼吸頻率監測，但是只能用于靜止狀態下監測，一旦被測人員發生運動就會帶來較大的誤差，嚴重影響準確性。由以上分析可知，目前呼吸頻率的測量受到人體運動狀態和測量環境的較大影響，而呼吸深度的測量則缺乏測量裝備和方法。

針對上述問題，本專利提出了一種裝置和測量方法，可實現高精度實時的測量，并可在大幅度運動狀態下實現呼吸深度與呼吸頻率的監測。

發明內容

本發明的目的是為了實現人體呼吸深度與呼吸頻率實時高精度測量，解決目前呼吸頻率測量缺乏實時性、且運動狀態下誤差較大，而呼吸深度測量裝備和方法缺乏的問題。實現實時高精度監測呼吸深度與呼吸頻率，尤其適用于人體大幅度運動狀態下提供可靠的實時呼吸深度與呼吸頻率測量裝置及方法。

為達到上述目的，本發明所述基于慣性測量單元的呼吸深度與呼吸頻率測量裝置，包括外殼和內殼，所述外殼內安裝有第一慣性測量單元，所述內殼內安裝有第二慣性測量單元；所述第一慣性測量單元和第二慣性測量單元相對設置；所述外殼上固定有插桿，所述內殼上固定有插筒，所述插桿一端伸入插筒中，所述插筒和插桿形成的組合件外套設有彈簧；所述第一慣性測量單元和第二慣性測量單元完全相同；所述外殼和內殼上均連接有腰帶，所述腰帶通過卡扣連接。

進一步的，第一慣性測量單元，第二慣性測量單元中都安裝有無線收發模塊。

進一步的，外殼和內殼材質為硬質塑料。

進一步的，內殼與人體接觸的一面包覆有硅膠。

進一步的，外殼上連接的腰帶的彈性模量不低于1GPa。

進一步的，內殼上連接的腰帶采用具有彈性的材料制成。

基于上述的呼吸深度與呼吸頻率高精度測量裝置的呼吸深度與呼吸頻率測量方法，包括以下步驟：

S1、將第一慣性測量單元與第二慣性測量單元采集到的數據進行解算得到第一加速度和第二加速度；

S2、將第一慣性測量單元與第二慣性測量單元得到的第一加速度和第二加速度進行積分處理后，再進行去除趨勢項處理得到第一初始速度，第二初始速度；

S3、將第一初始速度和第二初始速度進行積分處理，得到第一原始位移信號和第二原始位移信號；

S4、將第一原始位移信號和第二原始位移信號進行去除趨勢項處理，得到可用的第一位移信號和第二位移信號；