基于惯性测量单元的呼吸深度与呼吸频率测量装置和方法
阅读说明：本技术 基于惯性测量单元的呼吸深度与呼吸频率测量装置和方法 (Respiration depth and respiration frequency measuring device and method based on inertia measuring unit ) 是由 方续东 邓武彬 方子艳 吴俊侠 高博楠 孙昊 吴晨 赵立波 田边 王淞立 朱楠 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于惯性测量单元的呼吸深度与呼吸频率测量装置和方法,包括用于提供相对参考系的外壳、作为胸部呼吸深度与呼吸频率测量装置的内壳以及第一、第二惯性测量单元。首先通过内外壳以及弹簧连接,为胸部的运动提供了相对参考,再次采用相同的惯性测量单元以及相同的加速度信号处理算法,得到人体呼吸深度与呼吸频率,使得本装置可以避免测量呼吸时由于人体运动产生的干扰,从而获得了一种可实现人体呼吸深度与呼吸频率实时高精度测量的装备和方法,解决了目前呼吸频率监测缺乏实时性且精度受人体运动状态影响较大,而呼吸深度缺乏测量装备和方法的问题。(The invention discloses a respiratory depth and respiratory frequency measuring device and method based on an inertial measurement unit. The device comprises an inner shell, an outer shell, a spring, a measuring device and a measuring device, wherein the inner shell, the outer shell and the spring are connected to provide relative reference for chest movement, the same inertia measuring unit and the same acceleration signal processing algorithm are adopted again to obtain the breathing depth and the breathing frequency of a human body, so that the device can avoid interference caused by the movement of the human body when breathing is measured, equipment and a method capable of realizing real-time high-precision measurement of the breathing depth and the breathing frequency of the human body are obtained, and the problems that the existing breathing frequency monitoring is lack of real-time performance, the precision is greatly influenced by the movement state of the human body, and the breathing depth is lack of the measuring equipment and the method are solved.)
技术领域
本发明属于可穿戴人体呼吸深度与呼吸频率监测技术领域，具体涉及一种基于惯性测量单元的呼吸深度与呼吸频率高精度测量装置。
背景技术
人体呼吸信号的主要表现形式为呼吸深度与呼吸频率。可穿戴的人体呼吸频率的监测装备开发近年来发展迅速，目前已经有多种便携式呼吸频率监测装备。呼吸频率的提取方式分为非接触式测量和接触式测量。非接触式测量包含使用超声波，雷达等方法，可以实现精度较高的呼吸深度与呼吸频率监测，但是只能在被测人员静止的情况下使用。接触式测量使用二氧化碳传感器、温度传感器、呼吸感应体积标记术、心电图衍生法等多种方法，可实现呼吸频率的精确测量，但这些测量方法缺乏实时性，且都无法测量呼吸深度。使用加速度传感器、惯性测量单元的测量方式可以实现实时呼吸深度与呼吸频率监测，但是只能用于静止状态下监测，一旦被测人员发生运动就会带来较大的误差，严重影响准确性。由以上分析可知，目前呼吸频率的测量受到人体运动状态和测量环境的较大影响，而呼吸深度的测量则缺乏测量装备和方法。
针对上述问题，本专利提出了一种装置和测量方法，可实现高精度实时的测量，并可在大幅度运动状态下实现呼吸深度与呼吸频率的监测。
发明内容
本发明的目的是为了实现人体呼吸深度与呼吸频率实时高精度测量，解决目前呼吸频率测量缺乏实时性、且运动状态下误差较大，而呼吸深度测量装备和方法缺乏的问题。实现实时高精度监测呼吸深度与呼吸频率，尤其适用于人体大幅度运动状态下提供可靠的实时呼吸深度与呼吸频率测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明所述基于惯性测量单元的呼吸深度与呼吸频率测量装置，包括外壳和内壳，所述外壳内安装有第一惯性测量单元，所述内壳内安装有第二惯性测量单元；所述第一惯性测量单元和第二惯性测量单元相对设置；所述外壳上固定有插杆，所述内壳上固定有插筒，所述插杆一端伸入插筒中，所述插筒和插杆形成的组合件外套设有弹簧；所述第一惯性测量单元和第二惯性测量单元完全相同；所述外壳和内壳上均连接有腰带，所述腰带通过卡扣连接。
进一步的，第一惯性测量单元，所述第二惯性测量单元中都安装有无线收发模块。
进一步的，外壳和内壳材质为硬质塑料。
进一步的，内壳与人体接触的一面包覆有硅胶。
进一步的，外壳上连接的腰带的弹性模量不低于1GPa。
进一步的，内壳上连接的腰带采用具有弹性的材料制成。
基于上述的呼吸深度与呼吸频率高精度测量装置的呼吸深度与呼吸频率测量方法，包括以下步骤：
S1、将第一惯性测量单元与第二惯性测量单元采集到的数据进行解算得到第一加速度和第二加速度；
S2、将第一惯性测量单元与第二惯性测量单元得到的第一加速度和第二加速度进行积分处理后，再进行去除趋势项处理得到第一初始速度，第二初始速度；
S3、将第一初始速度和第二初始速度进行积分处理，得到第一原始位移信号和第二原始位移信号；
S4、将第一原始位移信号和第二原始位移信号进行去除趋势项处理，得到可用的第一位移信号和第二位移信号；
S5、将可用的第一位移信号和第二位移信号作差，可精确得到呼吸深度；对呼吸深度采用峰值处理，找到深度数据中的图像极值点，计算每分钟内极大值点的个数可精确获得每分钟的呼吸频率。
进一步的，得到呼吸深度与每分钟的呼吸频率后，将得到的呼吸深度与呼吸频率与所记录的平静状态下的呼吸深度与呼吸频率进行对比分析，可实现人体运动形式与生理健康状态监测与评估。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的装置，装置设置有第一惯性测量单元和第二惯性测量单元，位于外壳上的第一惯性测量单元可以为位于内壳上的第二惯性测量单元提供一个参照，第二惯性测量单元与第一惯性测量单元输出数据由于采用相同的模块，相同的数据处理方式，所以数据差异仅由人体呼吸时的胸部位移所引起，因此从原理上规避了采用加速度传感器测量呼吸深度与呼吸频率时由人体姿态变化产生运动干扰问题，可以实现即使在被测人员处于剧烈运动状态时，也能高精度的测得被测人员的呼吸深度与呼吸频率。
在测量过程中，弹簧的作用为：
1)弹簧的存在为外壳部分提供了支撑作用，由于弹簧之间受压状态因此在呼吸时为外壳提供了支撑作用，可以防止外壳在运动时位置相对于人体发生变化。
2)弹簧的存在可以给内壳运动提供推力，当呼气时，胸部轮廓变小，在弹簧的作用下，
内壳可以紧贴着人体胸部运动。
进一步的，数据实时输出至手机或者其他终端，由于第一第二惯性测量单元数据输出没有滞后性，因此本装置可以实现实时运动状态的长时间的呼吸监测，及时发现异常呼吸情况，无需考虑人体运动、精度高、性能稳定。
本方法采用完全相同的传感器模块和数据处理部分，对得到的位移信号进行做差处理，即可测得被测人员的呼吸深度与呼吸频率。提供了一种在人体运动时候可以为胸部的运动提供一个相对参考的装置。
外壳、第一腰带，第二腰带，第五腰带，第六腰带以及卡扣构成外环，由于构成外环的组件均不可拉伸，或者在人体呼吸时拉伸很小，所以其构成的外环整体上不发生形变，而由于弹簧的存在，可以支撑起外环，使外环一直保持绷紧状态，因此可以使外环上的外壳以及第一惯性测量单元部分保持固定，同时相对于人体胸廓来说可以保证外壳内的第一惯性测量单元所输出的数据只包含人体运动，可以提供给第二惯性测量单元一个绝对的参照。
进一步的，内壳，第三腰带，第四腰带，第五腰带，第六腰带以及卡扣构成的内环，由于第三腰带，第四腰带由可拉伸材料制成，因此可以在人体呼吸时使内壳随着胸部的运动而运动，此时内壳内固定的第二惯性测量单元测得的数据反映人体运动和胸部呼吸引起的运动。
本发明所述的方法，将第一惯性测量单元与第二惯性测量单元的数据进行做差处理即可得到仅由呼吸引起的信号。因此本装置可以抑制了由于人体姿态变化或者运动变化带来的干扰，精确的得到呼吸深度与呼吸频率。
本装置可以实时地采集人体的呼吸深度与呼吸频率，高精度测量呼吸深度和呼吸频率，具有便携性、实时性，同时由于本装置的实时性，因此其可以根据结果有效预测被测人员的健康情况，对突然发生的疾病如急性呼吸衰竭等可以有效预警。
附图说明
图1为外壳结构示意图；
图2为内壳结构示意图；
图3为内外壳和弹簧组装示意图；
图4a为内外壳和弹簧组装正视图；
图4b为内外壳和弹簧组装左视图；
图4c为内外壳和弹簧组装俯视图；
图5为装置整体示意图；
图6为呼吸深度与呼吸频率解算流程图；
附图中：1、第一惯性测量单元，2、第二惯性测量单元，3、第一腰带，4、第二腰带，5、第三腰带，6、第四腰带，7、第五腰带，8、第六腰带，9、第一惯性测量单元固定孔，10、第二惯性测量单元固定孔，11、外壳，12、内壳，13、弹簧，14、卡扣，15、插杆，16、插筒。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图5，一种基于加速度传感器的呼吸深度与呼吸频率测量装置，包括第一惯性测量单元1、第二惯性测量单元2、第一腰带3、第二腰带4、第三腰带5、第四腰带6、第五腰带7、第六腰带8、外壳11、内壳12、弹簧13和卡扣14。
参照图1和图3，外壳11包括第一面板18，所述第一面板18内侧固定有第一固定块19，所述第一固定块19上开设有第一固定孔9，第一面板18的四个角部各向外延伸有外壳连接部17，外壳连接部与插杆15第一端连接，插杆15第二端插入插筒16中。
参照图2，内壳10包括第二面板20，所述第二面板20内侧固定有第二固定块21，所述第二固定块21上开设有第二固定孔10，第二面板20的四个角部各向外延伸有内壳连接部22，内壳连接部22上固定有插筒16。插杆15和插筒16形成的组合外套设有弹簧13。
参照图4a、图4b和图4c，第一惯性测量单元1放置于第一惯性测量单元固定孔9内部并且固定为一体；第二惯性测量单元2放置于第二惯性测量单元固定孔10内部并与内壳12固定为一体。第一惯性测量单元与第二惯性测量单元数据由无线模块或有线模块导出到手机。
内壳与外壳通过插杆15、插筒16和弹簧13相配合，可以沿插筒轴向移动；插杆15与插筒16相配合，内壳可以沿插杆15的轴向移动。第一腰带3和第二腰带4第一端分别与外壳连接部17上开设的通孔相连接；第三腰带5和第四腰带6分别与内壳连接部22上开设的通孔相连接；第五腰带7第一端与第一腰带3以及第三腰带5的第二端连接，第六腰带8第一端与第二腰带4以及第四腰带6的第二端相连接；第五腰带7和第六腰带8的第二端分别与卡扣14的两端相连接。
在本发明实施实例中，第一惯性测量单元1和第二惯性测量单元2采用相同的惯性测量单元，如均采用JY901。在本发明中，使用惯性测量单元测量呼吸深度和呼吸频率，JY901价格便宜，性能稳定，数据输出采用无线输出增加了装置便携性。同时第一惯性测量单元与第二惯性测量单元采用相同的传感器最大限度的保证了两个传感器的在相同条件下输出的一致性。
如图1所示，在本发明实施实例中，外壳11的材质为硬质塑料。在本发明中硬质塑料保证了外壳部分不发生形变，或形变较小，提高了装置的整体测量精度。
如图2所示，在本发明实例中内壳12采用硬质塑料，在本发明中，内壳起支撑和固定的作用，采用硬质塑料可以使在呼吸时胸部推动内壳运动，采用硬质塑料保证内壳两边受力时内壳不发生变形，提高装置的精度。内壳的与人体接触的一面采用硅胶包覆，提高了佩戴的舒适性。
在本发明实例中，第一腰带3和第二腰带4的弹性模量不低于1GPa，采用在拉伸情况下几乎不发生形变或形变很小的柔性材料制成，如尼龙绳或钢丝绳，外部由布料包覆。在本发明中使用不可拉伸的第一腰带，第二腰带可以使外壳固定的同时，使外壳在人体呼吸的情况下不产生位移。
在本发明实例中，第三腰带5和第四腰带6采用可拉伸可恢复的材料如橡皮筋，外部由布料包覆。在本发明中内壳的推出运动由人体胸腔来推动，内壳的回复运动由橡皮筋以及弹簧来推动，同时橡皮筋柔软可拉伸，可变形，提高了装置佩戴的舒适度。
在本发明实例中，第五腰带7，第六腰带8采用在拉伸情况下几乎不发生形变或形变很小且柔性材料制成，同第一腰带第二腰带采用材料相同，可以使装置牢固的固定在被测者身上，同时由于第五腰带和第六腰带采用不可拉伸材料，但是留有一定的余度，可以使装置佩戴在任何人的身上，增加了装置的普遍适用性。
以上装置的佩戴步骤如下：
S1：将整体装置按上述连接关系组装好。惯性测量单元的安装方式为：将惯性测量单元的z轴方向置于垂直于面板18向外，即垂直于胸口向外方向，x轴沿水平方向设置。
S2：将装置内壳12有硅胶包覆的一面面向人体，将外壳10所在的一面朝外沿胸部佩戴。
S3：佩戴时，被测人员呼气状态，将装置的卡扣环绕人体胸部卡好，调整合适的松紧度，同时使弹簧处于被压状态，保证装置固定在被测人员胸部。
S4：将装置启动，第一惯性测量单元与第二惯性测量单元开始工作，记录比力和角速度数据。
由于实际情况下惯性测量单元的输出会有温度漂移，自身噪声等影响，因此本装置采用了已有的成熟的去除加速度传感器漂移噪声的方法如：去除趋势项处理，并基于此方法以及设计的以上装置，本发明还提出了一种呼吸深度与呼吸频率实时监测方法如图6所示，包括以下步骤：
步骤一：惯性测量单元里的加速度计的加速度信号不仅有来自呼吸产生的加速度，还有来自重力和其他类型加速度的加速度。如下式所示：
f＝a+(v·w)+RT·g
矩阵形式
变换
f：比力；fx：沿x轴比力；fy：沿y轴比力；fz：沿z轴比力；a＝[v′xv′yv′z]T：线性加速度；
v′x：x轴线性加速度；v′y：y轴线性加速度；v′z：x轴线性加速度；
v：线性速度；vx：沿x轴线性速度；vy沿y轴线性速度；vz沿z轴线性速度；RT：旋转矩阵；
w＝[wxwywz]T：是角速度；wx：绕x轴角速度；wy：绕y轴角速度；wz：绕z轴角速度；g＝[0 0 gz]T：重力加速度；gz＝-9.81；
将第一惯性测量单元与第二惯性测量单元采集到的比力数据和角速度数据进行解算，得到实际线性加速度，取第一惯性测量单元z轴的加速度az得到第一加速度a1(t)，取第二惯性测量单元z轴的加速度az得到第二加速度a2(t)。
步骤二：将得到的第一加速度a1(t)，第二加速度a2(t)进行积分处理后，再进行去除趋势项处理得到第一惯性测量单元的第一初始速度v1(t)，第二惯性测量单元的第二初始速度v2(t)。
步骤三：将得到的v1(t)，v2(t)信号进行积分处理，得到原始位移信号。
步骤四：将步骤三得到的原始位移信号进行去除趋势项处理，去除趋势项的方法与步骤二相同，得到可用的位移信号s1(t)，s2(t)。
步骤五：将可用的s1(t)，s2(t)信号做差处理s2(t)-s1(t)＝h(t)，即可得到呼吸深度h(t)。同时对呼吸深度数据采用峰值处理，找到深度数据中的图像的极值点，计算每分钟内的极大值点个数即可得到每分钟的呼吸频率。
步骤六：将得到的呼吸频率与所记录的正常呼吸频率进行对比分析，发生异常则进行预警处理。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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