一种可穿戴的呼吸检测装置及呼吸测量方法与流程

本发明涉及智能穿戴设备领域，且特别涉及一种可穿戴的呼吸检测装置及呼吸测量方法。

背景技术：

目前，呼吸信号测试的传感器主要有呼吸罩式传感器，或腰带式硬质材料的传感器，不符合人体美工学，且体积较大，不方便携带，无法实现实时监测。因此，需要一种可直接检测到呼吸信号的智能服装，便于携带，实用有效。

已发表的检测呼吸信号的穿戴式传感器织物或腰带主要是基于片状材料。如专利cn107997768a和cn205568948u公开了将压电片将呼吸产生的压力信号转换为电信号的方法，其感应灵敏度不高。且需要引入额外的应变片，结构复杂，缺乏柔性。

因此，研究柔性、可穿戴的呼吸检测装置用于实时检测和反应人体在不同状态下的呼吸信号，具有非常大的研究和实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可穿戴的呼吸检测装置，此呼吸检测装置与人体贴合度高，结构简单且灵敏度高。

本发明的另一目的在于提供一种呼吸测量方法，以柔性可贴覆的呼吸传感器为测量单位，其电阻随着呼吸过程的变化而变化，且其电阻信号易于采集和处理，能实时检测并获得被测者呼吸频次和幅度信息。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种可穿戴的呼吸检测装置，包括：

贴身服装本体；

呼吸传感器，固定于所述服装本体对应人体胸腔的部位，所述呼吸传感器包括应变传感器及固定在所述应变传感器两端的电极材料；其中，所述应变传感器包括导电内芯和对所述导电内芯进行封装的弹性封装层；

信号处理器，固定在所述服装本体，包括依次连接的信号采集模块、信号处理模块、无线信号传输模块、电源模块和信号显示模块，用于将所述呼吸传感器输出的信号转换成可视化数据；其中，所述信号采集模块与所述呼吸传感器连接。

进一步地，所述应变传感器为纱线形状，所述应变传感器的直径为0.1mm～10mm，长度为0.1cm～20cm。

进一步地，所述呼吸传感器按人体的周向布置，固定于所述服装本体对应人体胸腔的部位。

进一步地，所述应变传感器按照以下步骤制备：

s1，制备棉纱线；

s2，将所述棉纱线氧化石墨烯溶液中浸渍20～40min后烘干，重复浸渍和烘干步骤2～5次，得到预制内芯；

s3，将所述预制内芯进行碳化处理，得到所述导电内芯；

s4，用导电胶将所述电极材料固定在所述导电内芯两端后，采用pdms涂覆在所述导电内芯表面形成所述弹性封装层，获得预制传感器；

s5，将所述预制传感器以0.1～2mm/s速度进行拉伸，拉伸长度为3～8mm，得到所述应变传感器。

进一步地，所述棉纱线由多根经过等离子处理20～40min后获得的亲水性单股棉纱加捻形成。

进一步地，在步骤s3中，所述碳化处理步骤为：以1～10℃/min的速度升温至650～950℃处理25～45min。

进一步地，所述电极材料为金属导电丝或电极纱线；所述电极纱线由支撑纱线表面涂覆金属涂层制成。

进一步地，还包括夹持件，所述夹持件包括夹片和设置在所述夹片周缘的黏胶层，所述黏胶层与所述服装本体粘接以将所述信号处理器固定在夹片和所述服装本体之间。

进一步地，所述贴身服装本体为背心、男士紧身运动服装、女士文胸或紧身运动服装。

本发明还提供一种呼吸测量方法，使用上述的可穿戴的呼吸检测装置进行呼吸测量，包括以下步骤：

s1，获取所述呼吸传感器的实时电压值，处理得到实时电阻值，并与预设的基准阻值对比，获得实时电阻变化率；

s2，根据所述电阻变化率与呼吸时间，以所述呼吸时间为横轴，所述电阻变化率为纵轴，获取所述呼吸传感器的呼吸曲线，所述呼吸曲线上具有多个电阻变化率波峰值和波谷值，以相邻两个波谷值表示单次呼吸，相邻两个波谷值之间的时间间隔t为单次呼吸时间；

s3，根据所述呼吸曲线获取呼吸频率f，所述呼吸频率为1/t；

s4，根据预设的正常呼吸值，实时判断呼吸状态，当单次呼吸时间内的波峰值在95％-105％正常呼吸值之间，则判断为正常呼吸，若高于105％正常呼吸值，则判断为深呼吸，若低于95％正常呼吸值，则判断为浅呼吸；

s5，计算单位时间内正常呼吸次数、深呼吸次数和浅呼吸次数，判断人体的状态。

本发明实施例的一种可穿戴的呼吸检测装置及呼吸测量方法的有益效果是：

本发明提供一种可穿戴的呼吸检测装置，通过该装置可实时检测呼吸时候引起的胸腔变化，来获得呼吸深度以及呼吸频率等信息。此外，该装置中的传感器为应变传感器，具有很好的柔性和灵敏度，耐弯曲，能随时拆卸和再利用，制备工艺简单，在兼具柔性的同时还具备高灵敏性。且当该应变传感器制备成纱线状时，符合目前纺织加工设备的加工条件，可通过纺织织造方法将该传感器织入贴身服装，不会产生强烈的异物感，与人体面部贴合度好，舒适度高，生物相容性好，测量到的数据更为精准。本发明还提供一种呼吸测量方法，使用上述的可穿戴的呼吸检测装置进行呼吸测量，检测方法简单、有效，以柔性可贴覆的应变传感器为测量单位，其电阻随着呼吸过程的变化而变化，通过对电阻信号的采集和处理，能实时检测并获得被测者呼吸频次和幅度信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的可穿戴的呼吸检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的可穿戴的呼吸检测装置的结构示意图；

图3是本发明提供的信号处理器的模块图；

图4本发明实施例1提供的可穿戴的呼吸检测装置在人体穿着时正常呼吸与深呼吸时得到的呼吸曲线。

图标：1-呼吸传感器；2-电极材料；3-信号处理器；4-服装本体；31-信号采集模块；32-信号处理模块；321-滤波单元；322-信号放大单元；323-信号处理单元；33-无线信号传输模块；34-信号显示模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种可穿戴的呼吸检测装置和呼吸测量方法进行具体说明。

由图1、图2所示，本发明提出一种可穿戴的呼吸检测装置，包括贴身服装本体4、呼吸传感器1和信号处理器3。

贴身服装本体4，可以为背心、男士紧身运动服装、女士文胸或紧身运动服装，只要服装本体4具有弹性，可贴覆在人体胸腔位置即可。

呼吸传感器1，固定于所述服装本体4对应人体胸腔的部位，所述呼吸传感器1包括应变传感器及固定在所述应变传感器两端的电极材料2。其中，所述应变传感器包括导电内芯和对所述导电内芯进行封装的弹性封装层。具有上述结构的呼吸传感器1，可根据人体呼吸引起的胸腔扩张弧度变化导致的应变传感器的电阻发生的变化来获得人体呼吸信息，此呼吸传感器1灵敏度高。

可以理解的是，所述呼吸传感器1的形状随着应变传感器的导电内芯的形状变化而变化，若应变传感器的导电内芯为片状或薄膜状，制备形成的呼吸传感器1为柔性片状或薄膜状。若应变传感器的导电内芯为纱线形状，则制备形成的呼吸传感器1也为纱线形状。呼吸传感器1还可以为条形，其形状不固定，只要满足其具有上述结构即可。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，所述应变传感器为纱线形状，所述应变传感器的直径为0.1mm～10mm，长度为0.1cm～20cm。该形状的应变传感器直径小，柔韧性好，可作为织物的单根纱线单元，将该传感器轻易编织入纺织品中，不会产生异物感，舒适度高，生物相容性好，更易贴覆在人体胸腔部位，测量到的呼吸数据更为准确。

进一步地，所述呼吸传感器1按人体的周向布置，固定于所述服装本体4对应人体胸腔的部位。当人呼吸时，胸腔会发生扩张，此时周向布置的呼吸传感器1能被拉伸，电阻变化更为明显。

进一步地，所述应变传感器按照以下步骤制备：

s1，制备棉纱线。

进一步地，所述棉纱线由多根经过等离子处理20～40min后获得的亲水性单股棉纱加捻形成。更为优选地，首先将每根市售的单股棉纱先用经过等离子处理40min后，获得亲水性单股棉纱。亲水性单股棉纱可以较好的吸附涂覆在其表面的导电材料，保证导电材料不脱落。而后将多根亲水性单股棉纱进行加捻形成棉纱线。

进一步地，所述棉纱线为2～10根经过等离子处理20～40min后获得的亲水性单股棉纱加捻形成，保证制备而成的棉纱线直径适中。

s2，将所述棉纱线在氧化石墨烯溶液中浸渍20～40min后烘干，重复浸渍-烘干步骤2～5次，得到预制内芯。多次浸渍-烘干步骤，可以在棉纱线表面层层组装多级结构的氧化石墨烯层。

进一步地，烘干温度为60℃。

在本发明较佳实施例中，氧化石墨烯的制备步骤包括：在浓硫酸加入硝酸钠，磁力搅拌5min后加入4g石墨粉，磁力搅拌30min，得到混合液。在混合液中缓慢加入高锰酸钾，在冰水浴中搅拌1.5h，而后置于35℃条件下自然反应12h。然后加入冰水，温度约控制在45℃，磁力搅拌1.5h后加入去离子水。最后逐滴加入双氧水，直至溶液呈现金黄色。离心洗涤，至溶液ph至中性，得到氧化石墨烯溶液。

进一步地，所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～8mg/ml。更为优选地，氧化石墨烯溶液的浓度为6mg/ml，氧化石墨烯溶液浓度过高不易附着在棉纱线表面，浓度过低影响导电性能。

s3，将所述预制内芯进行碳化处理，得到所述导电内芯。将负载氧化石墨烯的棉纱线在高温条件下进行氧化石墨烯的还原和纤维素高温碳化，两个反应能在高温下同时进行，即简化了制备工艺。同时棉纱线碳化处理后变成能导电的无定形碳，且还原后的石墨烯均也具备导电性能，进一步增强应变传感器的导电性能。

进一步地，在步骤s3中，所述碳化处理步骤为：以1～10℃/min的速度升温至650～950℃处理25～45min。

更为优选地，以5℃/min的速度升温至800℃处理30min，均匀升温，保证碳化过程中，棉纱线不易因升温速度过快产生断裂或碳化不均匀等问题，制备的到的导电内芯质地还更为匀称，导电性能更佳。

s4，用导电胶将所述电极材料2固定在所述导电内芯两端后，采用pdms涂覆在所述导电内芯形成所述弹性封装层，获得预制传感器。弹性封装层能不仅能进一步防止导电纱线在传感器上松动，也可以固定导电内芯的形状和防止导电内芯材料的脱落。

进一步地，所述电极材料2为金属导电丝或电极纱线；所述电极纱线为支撑纱线表面涂覆有金属涂层制成。

进一步地，所述导电纱线包括基底纱线和包裹在所述基底纱线表面的金属涂层。所述基底纱线为人造纤维或天然纤维，例如涤纶、丝素蛋白纤维等。可以理解的是，所述金属导电丝和金属涂层的材质可以为金、银或铜等具有导电性的金属，所述金属涂层可通过蒸镀或溅镀的方式包裹在所述基底纱线表面。

可以理解的是，需要用具有导电性的胶水将电极材料2固定在导电内芯两端，较少连接处电阻产生的误差。所述导电胶可选用银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶其中一种。在本发明的较佳实施例中，选用银系导电胶中的导电银浆作为导电胶，将电极材料2通过导电胶固定连接在所述导电内芯两端。

s5，将所述预制传感器以0.1～2mm/s速度进行拉伸，拉伸长度为3～8mm，得到所述应变传感器。拉伸步骤可以使堆砌在表面的石墨烯层级结构和碳化棉纱线的缠绕结构在拉伸状态下分离，使得制备得到的应变传感器在胸腔扩张或伸缩过程中间，石墨烯层级结构和碳化棉纱线的缠绕结构分离或紧贴，从而引起应变传感器电阻的增大或减小。

更为优选地，将所述预制传感器以0.5～1.5mm/s速度进行拉伸，拉伸长度为5mm。拉伸速度不宜过快且拉伸长度不宜过长，否则均会破坏导电内芯的结构，影响制备形成的应变传感器的导电性能与灵敏性。

信号处理器3，固定在所述服装本体4，包括依次连接的信号采集模块31、信号处理模块32、无线信号传输模块33、电源模块和信号显示模块34，用于将所述呼吸传感器1输出的信号转换成可视化数据；其中，所述信号采集模块31与所述呼吸传感器1连接。

呼吸传感器1的电极材料2、信号采集模块31、信号处理模块32、无线信号传输模块33、电源模块与电路板上的连接线焊接，形成一个具有呼吸检测功能的电路板。而信号显示模块34则与无线信号传输模块33进行无线连接。电源模块为整个电路提供电源，如图3所示，当呼吸传感器1感受到胸腔扩张或收缩后，应变传感器的电阻发生变化，使电路产生不同的电压变化信号，而与呼吸传感器1连接的信号采集模块31采集到该电压变化信号后传输给信号处理模块32。所述信号处理模块32包括滤波单元321、信号放大单元322以及信号处理单元323。滤波单元321先将电压变化信号当中的干扰信号除去后进入信号放大单元322。由于电压变化信号小，需通过信号放大单元322放大后才能进入信号处理单元323进行数据分析与处理。放大后的电压变化信号经信号处理单元323分析处理后得到相关的呼吸数据，例如实时电阻值、呼吸曲线图。然后呼吸数据通过无线信号传输模块33无线传输到信号显示模块34上。所述信号显示模块34接收到无线信号传输模块33发送的呼吸数据，而后在终端载体显示，所述终端可以是个人电脑或移动手机，做到实时显示呼吸信息。

可以理解的是，电源模块可以采用的是锂电池，无线信号传输模块33可以采用cc2541主控蓝牙芯片，可通过蓝牙连接将呼吸数据传输到信号显示模块34的终端。而信号采集模块31、信号处理模块32均为现有技术，这里就不在赘述。

进一步地，还包括夹持件，所述夹持件包括夹片和设置在所述夹片周缘的黏胶层，所述黏胶层与所述服装本体4粘接以将所述信号处理器3固定在夹片和所述服装本体4之间。在本发明的较佳实施例中，所述夹持件为布质材料，周缘的黏胶层为热塑性粘合衬，通过热压法将夹持件服装本体4粘合，夹持件与服装本体4形成的容置空间就可放置电路板，当电路板或呼吸传感器1损坏时，也可通过拆卸夹持件对电路板维修或重新在电路板上重新焊接新的呼吸传感器1。

本发明还提供一种呼吸测量方法，使用上述的可穿戴的呼吸检测装置进行呼吸测量，包括以下步骤：

s1，获取所述呼吸传感器1的实时电压值，处理得到实时电阻值，并与预设的基准阻值对比，获得实时电阻变化率；

s2，根据所述电阻变化率与呼吸时间，以所述呼吸时间为横轴，所述电阻变化率为纵轴，获取所述呼吸传感器1的呼吸曲线，所述呼吸曲线上具有多个电阻变化率波峰值和波谷值，以相邻两个波谷值表示单次呼吸，相邻两个波谷值之间的时间间隔t为单次呼吸时间；

s3，根据所述呼吸曲线获取呼吸频率f，所述呼吸频率为1/t；

s4，根据预设的正常呼吸值，实时判断呼吸状态，当单次呼吸时间内的波峰值在95％-105％正常呼吸值之间，则判断为正常呼吸，若高于105％正常呼吸值，则判断为深呼吸，若低于95％正常呼吸值，则判断为浅呼吸；

s5，计算单位时间内正常呼吸次数，深呼吸次数和浅呼吸次数，判断人体的状态。

首先通过呼吸传感器1通过缝纫线固定在服装本体4的胸腔附近，呼吸时胸腔会产生张力，张力作用使得呼吸传感器1向两端拉伸形变，形变过程中，应变传感器的导电内芯的石墨烯层级结构和碳化棉纱线的缠绕结构在拉伸状态下分离，电阻变大，使电路产生不同的电压信号，并被信号采集模块31采集。电压信号经低通滤波器进行滤波，滤波后的信号再经放大器进行放大，随后利用信号处理单元323对放大后的信号进行处理，生成呼吸频率和呼吸幅度等信息并输出。

在实际实用过程中，可以通过对被测试者在运动过程中产生的呼吸频率和/或幅度来检测被测试者的状态。在对被测试者进行测量之前，优选地先可先基于非运动状态下各个被测试者的正常呼吸状态对呼吸传感器1进行初始设置，从而可以针对不同用户均能进行精确测量。被测试者运动开始后，就可获取呼吸传感器1的实时电压值，处理得到实时电阻值，并与预设的基准阻值对比，获得实时电阻变化率。而后以呼吸时间为横轴，电阻变化率为纵轴，获取所述呼吸传感器1的呼吸曲线，呼吸曲线上形成多个电阻变化率波峰值和波谷值，以相邻两个波谷值表示单次呼吸，相邻两个波谷值之间的时间间隔t为单次呼吸时间，呼吸频率为1/t。还可以根据预设的正常呼吸值，实时判断呼吸状态。其中，通常正常呼吸值有个波动范围，当单次呼吸时间内的波峰值在95％-105％正常呼吸值之间，则判断为正常呼吸，若高于105％正常呼吸值，则判断为深呼吸，若低于95％正常呼吸值，则判断为浅呼吸。计算单位时间内正常呼吸次数、深呼吸次数和浅呼吸次数，判断人体的状态。

与传统的呼吸频率检测技术相比，本发明所提供的技术方案无需被试者佩戴鼻面罩、鼻夹或者咬口器，更符合人体工效学，本发明降低了被试者在被测量过程中的不适和紧张感；可以不限制被试者活动、长时间动态地检测被试者的呼吸频率；此外，本发明的呼吸传感器1提高了测量精度，可以在运动的情况下实时监测信号；易携带，安全无隐患，操作简单且灵敏度高。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种可穿戴的呼吸检测装置，按照以下步骤制成：

(1)氧化石墨烯溶液的制备：在120ml浓硫酸加入2g硝酸钠，磁力搅拌5分钟，加入4g石墨粉，磁力搅拌30min。而后缓慢加入20g高锰酸钾，在冰水浴中搅拌1.5h。将反应体系在35℃条件下自然反应12h，加入90ml冰水，温度约控制在45℃，磁力搅拌1.5h后加入700ml去离子水至烧杯中。最后逐滴加入双氧水，直至溶液呈现金黄色。离心洗涤，至溶液ph至中性，得到浓度为6mg/ml氧化石墨烯溶液。

(2)呼吸传感器1的制备：

1)制备棉纱线：将市售粗细为5根，长度为10cm的单股棉纱在高功率下进行空气等离子体处理40min，得到亲水性单股棉纱，而后将5根亲水性单股棉纱捻合，得到棉纱线。

2)制备预制内芯：将棉纱线在氧化石墨烯溶液中浸渍30min在60℃条件下烘干，重复浸渍-烘干流程三次，得到预制内芯。

3)碳化：将预制内芯置于管式炉中进行碳化，管式炉升温速度为5℃/min，在800℃条件下处理30min，得到导电内芯。

4)应变传感器封装：将作为电极材料2的铜丝用导电银浆固定在导电内芯两端，而后采用pdms对导电内芯表面进行封装，得到预制传感器。

5)拉伸：将预制传感器以1mm/s速度进行拉伸处理，拉伸长度为5mm，得到呼吸传感器1。

(3)信号处理装置电路板的制备：将呼吸传感器1的电极材料2、信号采集模块31、信号处理模块32、cc2541主控蓝牙芯片、锂电池在同一块电路板上的连接线进行焊接，而cc2541主控蓝牙芯片与作为信号显示模块34的电脑通过蓝牙连接。

(4)可穿戴的呼吸检测装置的制备：如图1所示，采用涤纶缝纫纱，将呼吸传感器1采用平针法缝制在市售运动紧身衣的胸腔位置，在服装的腰部位置用夹持件采用热压法将电路板放置在夹持件与运动紧身衣形成的容置空间中，就可得到可穿戴的呼吸检测装置。

图4本发明实施例1提供的可穿戴的呼吸检测装置在人体穿着时正常呼吸与深呼吸时得到的呼吸曲线。图中显示了在30s时间内的呼吸信号变化，从图上可以看得，正常呼吸电阻变化率的波峰值在10～15之间，而深呼吸电阻变化率的波峰值在30左右，本发明提供的可穿戴的呼吸检测装置可检测出正常呼吸与深呼吸之间的区别，灵敏度高。而且从图上还可以获取出来平均呼吸频率为2.5s/次，再一次表明了本发明提供可穿戴的呼吸检测装置实时检测并获得被测者呼吸频次和幅度信息，实时监测人体状态，且呼吸信息检测方法简单、有效，为其应用于未来的智能穿戴设备打下坚实基础。

实施例2

本实施例提供的一种女士用呼吸检测装置，与实施例1的区别之处在于：

步骤(4)可穿戴的呼吸检测装置的制备：如图2所示，采用涤纶缝纫纱，将呼吸传感器1采用平针法缝制在市售女士运动内衣的胸腔位置，在紧身带中间位置用夹持件采用热压法将电路板放置在夹持件与运动内衣形成的容置空间中，就可得到可穿戴的呼吸检测装置。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。