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霍尔开关微阵列在呼吸频率检测系统中的应用

返回列表 来源:未知 浏览: 发布日期:2020-07-09 08:24:19【
呼吸是人体重要的生理过程而呼吸频率是急性呼吸功能障碍的敏感指标。在现代监护技术中呼吸频率检测是其重要组成部分。

呼吸是人体内外环境之间进行气体交换的必需过程,人体通过呼吸系统吸进氧气、呼出二氧化碳从而维持正常的生理功能。每分钟的呼吸次数即呼吸频率。呼吸频率随年龄、性别和生理状态而异。成人平静时的呼吸频率约为16- 18次/min;儿童约为20次/min; -般女性比男性快1~2次。临床诊断中医生利用呼吸频率可以初步检测人体是否患有疾病。

呼吸的检测方法有很多种但常用的传感器与检测方法包括:应变式传感器检测、温度传感器检测、流量传感器检测、阻抗法检测、电容式传感器检测等。应变式传感器检测原理是利用人在呼吸过程中由于呼气和吸气的交替引起食道和胸腹部会产生周期性的形变通过应变式传感器可以感受到这种形变从而检测到呼吸信号。

当传感器选择的不同应变式传感器又可以分为压电式传感器检测和硅压阻式传感器检测;温度传感器检测是利用温度传感器采集鼻腔内外的呼吸温度差转换为电量输出的方法;流量传感器检测是通过检测流过某一固定横截面积的呼吸气体的速度来检测呼吸阻抗法检测是通过测量人体胸部在呼吸过程中阻抗的变化来检测呼吸;电容式传感器检测原理是当面积为A的电容器平板靠近人体时平板与人体间构成电容C人在呼吸过程中引起电容值C的变化通过对C值的变化进行检测来达到对呼吸信号的检测目的。

霍尔开关检测呼吸原理
本设计采用呼吸感应体积描记技术( respiralory induc -tive plethysmography ,RIP) 进行呼吸率的检测,呼吸感应体积描记技术是一种新颖的呼吸监测技术该方法能够准确地描记出胸、腹呼吸波通常的呼吸感应体积描记技术是利用一条围绕着胸部或者腹部的导线作为电感传感通过调频方式检测到呼吸的周期和频率。


本系统是一种基于霍尔开关阵列和呼吸感应体积描记技术原理所设计的呼吸检测系统主要由带永磁铁的腹带和呼吸传感器构成,其结构如图1、图2所示。呼吸传感器通过腹带穿戴在腹部传感器电路板上集成8只霍尔开关,每只间距为1. 5 mm。在呼气和吸气过程中腹部的体积发生变化从而引|起腹带周长的变化导致腹带上磁铁位置的移动通过霍尔阵列电路检测磁铁位置的变化单片机控制系统判别呼吸和吸气的过程,由此分析出呼吸的频率。传感器实物图如图3。


系统设计与实验
系统原理图设计
图4为系统原理框图。系统主要包括:霍尔传感阵列、单片机控制采集、无线发送和接收模块、PC显示存储、Flash存储。系统原理主要是通过霍尔开关阵列检测呼吸的腹部位移的变化转换为电信号单片机控制采集霍尔阵列的输出信号来判别呼气和吸气的过程计算出患者的呼吸率,呼吸频率通过Flash 存储并通过串口或者无线蓝牙发送到PC机上进行显示,分析与存储。由于本系统功耗比较低采用3.6 V的纽扣电池单片机系统对电池电压进行电源管理。

本系统通过单片机对开关信号的霍尔阵列数据的采集从而计算出呼吸的频率系统软件流程图如图5。

单片机在固定周期时间内对霍尔开关阵列进行数据采集判断呼吸的过程中永磁体的位置采集数据的时间间隔为5 ms即采集频率为200 Hz。通过单片机对永磁体的位置的判断从而判断呼吸的运动过程即计算出固定时间( 30s)内呼吸的过程次数N进而得出1 min时间内呼吸率的计算公式:f= 2N次/min。


 
主要应用
基于霍尔开关阵列的呼吸检测系统结构简单对呼吸频率检测的准确率高抗干扰性强可连续、实时地检测患者的呼吸频率用途广泛。

由于系统输出的信号是通过数据算法处理之后的数字信号无需对模拟信号进行复杂的放大滤波等处理有效地防止了其他信号的干扰。本系统设计的输出可通过串口、无线通信等接口输出或者直接用于LCD显示屏显示,也可以用于其他呼吸检测设备或者是相关治疗设备检测输入比如:用于基于慢呼吸的高血压治疗仪的呼吸检测。

此系统检测到的呼吸频率通过UART串口协议发送到治疗仪的MCU控制芯片控制芯片对呼吸频率进行分析处理。根据生物信息反馈原理设计以呼吸信号为反馈生理量的慢呼吸引导算法,以直观的音乐信号和进度条指示受试者进行呼气和吸气。此设计的呼吸频率检测系统也可以用于便携式的睡眠呼吸暂停监测仪等设备。