呼吸模式背心的制作方法

本申请涉及一种呼吸测量技术，尤其涉及一种呼吸模式背心。

背景技术：

呼吸，作为人体最重要、最基本的生命体征信号之一，蕴含着丰富内在的生理信息，能客观反映人体的健康状况。呼吸频率，作为生理参数的一种，是呼吸功能障碍的敏感指标。不论是医生还是护理人员都把它作为生命指征之一。因此呼吸运动传感器就尤为重要，呼吸运动传感器能够实时地反映呼吸状况，记录下单位时间内的呼吸次数并且能够显示当前的呼吸频率，这能够帮助医生和研究人员实时掌握病人的情况，并及时地做出有效的治疗以挽救病人的生命。

呼吸信号涉及的指标较多，除了呼吸频率外，还包括吸气及呼气时间、呼吸周期、幅度、潮气量、胸腹呼吸贡献比、胸腹呼吸运动协调性等。将这些指标量化，可以更加精准地了解人体的呼吸状况和呼吸模式，有效地预防呼吸疾病的发生，为临床诊断提供辅助决策支持信息，同时，能够有针对性地指导患者进行呼吸康复训练，如胸/腹式呼吸训练，缩唇呼吸训练等。

已有研究表明，呼吸系统疾病的发病率正在逐年提高，如哮喘、肺气肿、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺疾病(copd)等，这些疾病严重影响了患者的生活质量和生活水平，他们迫切希望自身的疾病能够得到有效治疗。医生更加需要了解患者的身体状况，一方面为下一步治疗做出决策；另一方面，需要对治疗效果做出量化评估，从而有针对性地根据患者病情进行治疗。这样，能够实时、连续、动态地监护人体呼吸信号的设备就成为临床诊断和治疗所必不可少的工具。

cn209122211u公开一种生理参数检测用开式背心，其包括胸带和腹带，可以测量受试者的胸呼吸和腹呼吸；然而，不管是胸呼吸还是腹呼吸，该背心均是选择一个位置进行测量，代表整个胸部呼吸或腹部呼吸，这样刻画呼吸的方式不够精确。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本申请旨在提出一种能够精确刻画受试者的呼吸状况的呼吸模式背心。

本申请的呼吸模式背心，其包括胸呼吸传感器和腹呼吸传感器；所述胸呼吸传感器由环绕背心本体的胸部位置的呈连续的波浪起伏状的第一导线而构成；所述腹呼吸传感器由环绕背心本体的腹部位置的呈连续的波浪起伏状的第二导线而构成；

所述胸呼吸传感器包括多条第一导线，每条第一导线为一个独立的电感器，该多条第一导线自上而下分布在背心本体的胸部的不同高度位置；每条第一导线所构成的电感器的电感值在受试者胸呼吸时发生变化；

所述腹呼吸传感器包括多条第二导线，每条第二导线为一个独立的电感器，该多条第二导线自上而下分布在背心本体的腹部的不同高度位置；每条第二导线所构成的电感器的电感值在受试者腹呼吸时发生变化。

优选地，所述胸呼吸传感器包括两条第一导线；所述腹呼吸传感器包括两条第二导线。

优选地，所述背心在其左肩上设置有左肩呼吸传感器，在其右肩上设置有右肩呼吸传感器；

左肩呼吸传感器包括一条在左肩上回绕的呈连续的波浪起伏状的第三导线构成的电感器，其电感值随着受试者呼吸时左肩的运动而发生改变；

右肩呼吸传感器包括一条在右肩上回绕的呈连续的波浪起伏状的第四导线构成的电感器，其电感值随着受试者呼吸时右肩的运动而发生改变。

优选地，所有导线的两端均设置在背心的前侧。

利用本申请的呼吸模式背心进行呼吸模式量化方法，其中：

在受试者穿上所述呼吸模式背心后，获取受试者分别在站立、直坐、仰卧三种姿势下正常呼吸、深呼吸、慢呼吸、快速呼吸四种状态下的潮气量值；通过所述呼吸模式背心的胸呼吸传感器和腹呼吸传感器所采集的呼吸数据，获取每个呼吸状态下的呼吸曲线；通过肺功能仪获取每个呼吸状态下的潮气量值，基于该潮气量值通过如下公式并采用最小二乘法对呼吸模式算法进行拟合；

vti＝αi1rci1+αi2rci2+βi1abi1+βi2abi2；

其中，i为1、2、3、4，分别代表正常呼吸、深呼吸、慢呼吸、快速呼吸四种呼吸状态；vti表示i状态下的潮气量；α为胸呼吸传感器的拟合系数，β为腹呼吸传感器的拟合系数；αi1表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第1个电感器的拟合系数，αi2表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第2个电感器的拟合系数；rci1表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第1个电感器的测量值，rci2表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第2个电感器的测量值；βi1表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第1个电感器的拟合系数，βi2表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第2个电感器的拟合系数；abi1表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第1个电感器的测量值，abi2表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第2个电感器的测量值；

通过拟合获取胸呼吸传感器和腹呼吸传感器中每个电感器的拟合系数，然后得到每个拟合系数在每种姿势下的系数值。

优选地，根据不同状态下的每个电感器所测量的呼吸曲线，计算吸气时间、呼气时间、呼吸周期、呼吸率、吸气时间分数、平均吸气气流、呼吸率变异性、呼吸幅度变异性、浅快呼吸指数中的一个或多个指标。

优选地，根据所确定的每种姿势下的拟合系数，计算该种姿势下的呼吸贡献比ri，

ri＝(αi1rci1+αi2rci2)/(βi1abi1+βi2abi2)。

优选地，通过胸部和腹部的呼吸运动曲线的相位差的角度计算呼吸运动协调性

其中，dt为一个呼吸两端的幅度最高点或最低点之间时间差；t为本次呼吸的时长；胸部的呼吸运动曲线由胸呼吸传感器的每条导线测得的呼吸运动曲线叠加而成；腹部的呼吸运动曲线由腹呼吸传感器的每条导线测得的呼吸运动曲线叠加而成。

通过在背心肩部、胸部和腹部分别设有多条作为电感器的导线，可实时绘制或数据采集完毕后绘制各部位每条导线的呼吸运动曲线，准确了解患者的呼吸情况，医护人员可以据此判断患者真实呼吸模式，制定患者个体化的呼吸康复训练方案，并据此指导患者开展肺康复训练。

附图说明

图1a为本申请的呼吸模式背心主视结构示意图；

图1b为本申请的呼吸模式背心的后视结构示意图；

图2为呼吸信号示意图；

图3为呼吸运动曲线示意图；

图4为站立时不同呼吸状态下的呼吸曲线示意图；

图5为胸、腹呼吸信号及拟合呼吸信号对照图。

具体实施方式

下面，结合附图对本申请的呼吸模式背心以及利用其进行呼吸模式量化方法进行详细说明。

本申请是基于cn209122211u公开的生理参数检测用开式背心的进一步改进。

本申请的呼吸模式背心对现有技术的呼吸测量背心的主要改进之处在于，胸呼吸至少在两个位置进行检测，而以往均是以胸部一个位置的检测来代表整个胸呼吸的状况；同理，腹呼吸也是至少在两个位置进行检测，而以往均是以腹部一个位置的检测来代表整个腹部的状况。此外，本申请还将肩呼吸的情况考虑进来，在背心的左、右肩部也设置呼吸带(即导线制成的电感器)，从而可以尽可能地全面地将受试者的呼吸状况反应出来。

如图1a、1b所示为本申请的呼吸模式背心的结构示意图。

本申请的呼吸模式背心，其包括胸呼吸传感器和腹呼吸传感器。

胸呼吸传感器由环绕背心本体的胸部位置的呈连续的波浪起伏状的第一导线而构成；腹呼吸传感器由环绕背心本体的腹部位置的呈连续的波浪起伏状的第二导线而构成。

胸呼吸传感器可以包括多条第一导线，每条第一导线为一个独立的电感器，该多条第一导线自上而下分布在背心本体的胸部的不同高度位置，以在胸部的多个位置进行胸呼吸的测量；每条第一导线所构成的电感器的电感值在受试者胸呼吸时发生变化。

腹呼吸传感器可以包括多条第二导线，每条第二导线为一个独立的电感器，该多条第二导线自上而下分布在背心本体的腹部的不同高度位置，以在腹部的多个位置进行腹呼吸的测量；每条第二导线所构成的电感器的电感值在受试者腹呼吸时发生变化。

如图1a、1b所示，胸呼吸传感器包括两条第一导线10a、10b；腹呼吸传感器包括两条第二导线20a、20b。

在背心的左肩上还设置有左肩呼吸传感器，在背心的右肩上设置有右肩呼吸传感器，以对受试者的肩呼吸进行测量。

左肩呼吸传感器包括一条在左肩上回绕的呈连续的波浪起伏状的第三导线30a构成的电感器，其电感值随着受试者呼吸时左肩的运动而发生改变。

右肩呼吸传感器包括一条在右肩上回绕的呈连续的波浪起伏状的第四导线30b构成的电感器，其电感值随着受试者呼吸时右肩的运动而发生改变。

本申请中，所有导线的作为电感器进行描计呼吸的传感器，均是现有技术，本申请的贡献不在于传感器本身，而在于传感器的数量的设置位置。

所有导线的两端均设置在背心的前侧，以方便与数据采集盒连接。数据采集盒在cn209122211u已经提到，其包括呼吸信号处理电路。本申请只是将其应用到本申请的背心上。

作为电感器的各导线通过线道3连接至数据采集盒底座1上。当数据采集盒安装在数据采集盒底座1上时，数据采集盒对各作为电感器的导线的感应信号进行处理。背心上还可以设置电池2，以在其上安装电池，电池为外部电源，用作数据采集盒供电。数据采集盒内还可以设置内部电源。

在人体进行呼吸时，可能会发生肩部抬起、胸部膨出与收缩、腹部膨出与收缩的动作，会引起呼吸带长度的变化，进而引起相应电感器的导线中电流的变化，电感也随之改变，以此监测呼吸信号。

通过电感监测呼吸信号，抗干扰能力强，适宜动态监测。

多条电感器可有效捕捉更多呼吸运动曲线，采集多样化、多部位的呼吸运动数据，从而可以直观的给出患者呼吸运动情况，判断呼吸模式：肩式呼吸、胸式呼吸、腹式呼吸。

呼吸模式量化算法校准

使用肺功能仪测量受试者实际的呼吸潮气量，然后基于测得的潮气量采用最小二乘法对呼吸模式量化算法进行校准，获取各作为电感的导线的拟合系数及其对应位置的呼吸潮气量，定量测量各呼吸带所在截面的呼吸运动的幅度，从而为呼吸模式量化分析提供更精细、精准的信息。具体校准步骤如下：

1、获取潮气量

获取受试者在不同姿势下不同呼吸状态的潮气量，如在站立状态下测量受试者正常呼吸、深呼吸、慢呼吸及快速呼吸的潮气量(vt)。

2、潮气量校准

对胸部和腹部呼吸传感器测得的呼吸信号通过公式(1)进行潮气量校准，并采用最小二乘法拟合，进而计算呼吸运动模式的各个参量。

αi：胸部拟合系数；

βj:腹部拟合系数；

rc：胸部呼吸传感器测得的信号；

ab：腹部呼吸传感器测得的信号；

i:胸部呼吸传感器所包括的第一导线的数量，其最大值为n；

j:腹部呼吸传感器所包括的第二导线的数量，其最大值为m；

n和m可以是不相等的，也可以是相等的。

3、呼吸模式量化

根据呼吸信号及潮气量校准模型，可以进一步计算基本参数：吸/呼气时间、呼吸周期；衍生参数：呼吸率、吸气时间分数、平均吸气气流、呼吸率变异性、呼吸幅度变异性、浅快呼吸指数、胸/腹部呼吸贡献比、胸腹运动的协调性等呼吸参数，使医生/护士了解患者的呼吸模式，进一步有针对性地帮助患者进行呼吸模式重建或呼吸康复训练。

a基本参数

呼吸信号曲线如图2所示，根据该曲线可以获取基本的呼吸参数。

1)吸气时间(ti)：呼吸曲线上，波谷到下一个波峰之间的时间；

ti＝t2-t1

2)呼气时间(te)：呼吸曲线上，波峰到下一个波谷之间的时间；

te＝t3-t2

3)呼吸周期：完成一次呼吸所需要的时间；

ttot＝ti+te

b衍生参数

通过基本呼吸参数计算的衍生参数进一步将呼吸模式量化。

1)呼吸率：每分钟呼吸的次数

rr＝60/ttot

2)吸气时间分数：在一个呼吸周期中，吸气时间所占的百分比；

v＝ti/ttot

3)平均吸气气流：(vt/ti)

vt为潮气量，波峰到下一个波谷之间的呼出气量总体积。

4)呼吸贡献比

r：胸部、腹部的呼吸贡献比；

5)呼吸运动协调性

通过各部位呼吸运动曲线的相位差的角度计算呼吸运动协调性，例如胸腹呼吸运动协调性：

胸腹呼吸协调性

dt：一个呼吸两端的幅度最高点或最低点之间时间差；

t：本次呼吸的时长；

胸部的呼吸运动曲线由胸呼吸传感器的每条导线测得的呼吸运动曲线叠加而成；腹部的呼吸运动曲线由腹呼吸传感器的每条导线测得的呼吸运动曲线叠加而成。

4、呼吸运动曲线，如图3所示。

通过在背心肩部、胸部和腹部分别设有多条作为电感器的导线，可实时绘制或数据采集完毕后绘制各部位每条呼吸带(导线)的呼吸运动曲线，实时了解患者的呼吸情况，医护人员可以据此判断患者真实呼吸模式，制定患者个体化的呼吸康复训练方案，并据此指导患者开展肺康复训练。

另外，通过拟合系数能够计算出胸、腹部拟合的呼吸信号，通过拟合的呼吸信号曲线能够清楚、直观地观察到拟合后的呼吸信号变化趋势。实际呼吸信号及经过拟合的呼吸信号曲线对照图如图5所示。

以图1a和1b中所示的背心为例，说明使用本申请的背心进行呼吸模式量化方法。

获取受试者分别在站立、直坐、仰卧(平躺)三种姿势下正常呼吸、深呼吸、慢呼吸、快速呼吸状态下的潮气量值。即受试者穿戴背心后分别在站立、直坐、仰卧等多种姿势下采用肺功能仪进行呼吸，如设定呼吸方式由正常呼吸、深呼吸、慢呼吸、快速呼吸依次进行，通过背心采集的数据可以获取各不同呼吸状态下的呼吸曲线，如站立姿势下不同呼吸状态下的呼吸曲线如图4所示；通过肺功能仪获取各不同呼吸状态下的潮气量值，基于该潮气量值通过公式(4)并采用最小二乘法对呼吸模式算法进行拟合，获取各呼吸带(导线)的拟合系数；由此获得各种姿势下的各胸、腹呼传感器的相应导线构成的电感器的的拟合系数。

vti＝αi1rci1+αi2rci2+βi1abi1+βi2abi2(4)

其中，i为1、2、3、4，分别代表正常呼吸、深呼吸、慢呼吸、快速呼吸四种呼吸状态；vti表示i状态下的潮气量；α为胸呼吸传感器的拟合系数，β为腹呼吸传感器的拟合系数；αi1表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第1个电感器的拟合系数，αi2表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第2个电感器的拟合系数；rci1表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第1个电感器的测量值，rci2表示第i种呼吸状态时胸呼吸传感器的第2个电感器的测量值；βi1表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第1个电感器的拟合系数，βi2表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第2个电感器的拟合系数；abi1表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第1个电感器的测量值，abi2表示第i种呼吸状态时腹呼吸传感器的第2个电感器的测量值。

图4中，ch-1表示胸呼吸传感器的位于上胸部的第一导线的电感器测得的呼吸曲线；ch-2表示胸呼吸传感器的位于下胸部的第一导线的电感器测得的呼吸曲线；ab-1表示腹呼吸传感器的位于上腹部的第二导线的电感器测得的呼吸曲线；ab-2表示腹呼吸传感器的位于下腹部的第二导线的电感器测得的呼吸曲线。

根据不同呼吸状态下的呼吸曲线可以实时/数据采集完毕后计算出受试者者的基本呼吸参数，如吸气时间、呼气时间、呼吸周期，进而计算出衍生参数，如呼吸率、呼吸率、吸气时间分数、平均吸气气流、呼吸率变异性、呼吸幅度变异性、浅快呼吸指数等。

对正常呼吸、深呼吸、慢呼吸和快速呼吸状态下获取的胸部和腹部的呼吸信号进行拟合，得到胸部和腹部呼吸带(导线)的拟合系数，得到在站立、直坐和仰卧等多种姿势下各作为电感器的导线的最终的拟合系数，进而得到胸腹呼吸贡献、胸腹呼吸贡献比及胸腹呼吸运动协调性，提高了模型的准确性。另外，通过拟合系数能够计算出胸、腹部拟合的呼吸信号，通过拟合的呼吸信号曲线能够清楚、直观地观察到拟合后的呼吸信号变化趋势。实际呼吸信号及经过拟合的呼吸信号曲线对照图如图5所示。

实例

王xx，女，37岁，160cm，55kg，穿戴好如图1a、1b所示的背心，以肺功能仪采集的潮气量值为基准，让受试者分别在站立、直坐、仰卧(平躺)三种姿势下依次进行30秒钟的正常呼吸、深呼吸、慢呼吸和快速呼吸，采用最小二乘法进行拟合，获取不同部位在不同姿势下的呼吸信号拟合系数。不同部位拟合系数从上往下依次为：站立：k11＝1.8，k12＝1.5，k13＝1.0，k14＝0.8；直坐：k21＝1.7，k22＝1.3，k23＝0.8，k24＝0.7；仰卧：k31＝1.5，k32＝1.1，k33＝0.6，k34＝0.4。

对受试者进行10min的呼吸信号监测，获取的呼吸参数值如下：吸气时间：4min，呼气时间：6min，平均呼吸率：19次/min，吸气时间分数：40％，平均潮气量：10ml/kg，平均吸气气流：8.1ml/(kg*s)，浅快呼吸指数：0.24，呼吸运动协调性：5.8，呼吸率变异性：0.55，呼吸幅度变异性：0.32，胸腹呼吸协调变异性：0.12，胸腹呼吸贡献比1:2。

本申请的呼吸模式背心，通过在背心两肩部、胸部和腹部分别设有多条用导线制成的呼吸带，肩部呼吸带置于前肩和后肩位置，人体在呼吸时通过抬肩完成呼吸动作，这会引起呼吸带长度的变化，使得呼吸带线路中的电流发生改变，进而引起电感变化，从而监测到肩部呼吸信号；胸部和腹部的呼吸带分别围绕胸部和腹部一周，呼吸时胸部或腹部的围度发生变化，引起呼吸带线路中的电流变化，进而引起电感变化，从而监测到胸部和腹部的呼吸信号。

本申请中，基于实际的潮气量值对呼吸模式量化算法进行校准，得到各呼吸带的拟合系数，进而对各部位的呼吸信号变化幅度进行量化，可以获知各部位参与肺气体交换的程度，对呼吸模式进行量化分析，为由肩式呼吸到胸式呼吸再到腹式呼吸的呼吸模式重建过程提供决策支持信息。

采用最小二乘法对潮气量进行校准并拟合，通过算法自动计算出拟合系数、各部位呼吸运动贡献比、各部位呼吸运动协调性等参数，实现对呼吸模式的量化，为患者疾病诊断、治疗和预后提供决策支持信息，如采取呼吸训练、运动康复锻炼或者用药等措施改善患者呼吸系统功能。

将呼吸模式量化，包括对基本参数和衍生参数的量化，能够更加直观、更加清晰地了解患者的呼吸模式及状况，有助于医生或者护士对患者有针对性的进行呼吸训练或者呼吸模式重建。

可穿戴背心在肩部、胸部(上、下)和腹部(上、下)等位置放置多条呼吸带和运动传感器，可提高采集精度，减小误差率，保障刻画呼吸模式时的精确性。

采用呼吸感应描记技术测量患者的呼吸信号，抗干扰能力强，适宜动态监测。

多数据采集方式，可有效提高数据精度，为后期精细刻画呼吸模式提供保障。

除非另有定义，本申请中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本申请所涉及的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本申请中提到的材料、方法和实施例仅为说明性的，而非限制性的。

虽然已结合具体实施方式对本申请进行了描述，在本申请的发明主旨下，本领域的技术人员可以进行适当的替换、修改和变化，这种替换、修改和变化仍属于本申请的保护范围。