專利名稱：用于確定呼吸信號的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定呼吸信號的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
呼吸率已被證實是患者狀況惡化的良好指標，并且它在早期預(yù)警醫(yī)院系統(tǒng)中，與其他極重要身體跡象結(jié)合，扮演至關(guān)重要的角色。因此，在醫(yī)院的重病監(jiān)護室中尤其需要連續(xù)而可靠地監(jiān)測呼吸信號。在醫(yī)院的普通病房環(huán)境中以及在家庭健康護理應(yīng)用中，例如在遠程醫(yī)療和慢性病管理中，存在類似的需求，但對被監(jiān)測參數(shù)的瞬時表示具有較不嚴格的要求。盡管在用于重癥監(jiān)護患者的床邊監(jiān)測器上能夠?qū)粑盘?從其提取呼吸率)進行連續(xù)監(jiān)測，但仍然在開發(fā)各種便攜式傳感器系統(tǒng)，以允許以最小的不適對普通病房中活動患者的呼吸信號進行不引人注目和長期的測量和監(jiān)測。
呼吸監(jiān)測可以依據(jù)不同原理呼吸努力的測量，例如胸廓阻抗體積描記法、加速度計、光體積描記法；或呼吸效應(yīng)的測量，例如錄音、溫度感測、二氧化碳感測。在不同于普通病房的應(yīng)用中已經(jīng)良好建立了一些傳感器來監(jiān)測呼吸。在重病監(jiān)護室中例如，胸廓阻抗體積描記法是所選擇的方法，而在睡眠研究中，還常常使用感應(yīng)體積描記法(常被稱為呼吸環(huán)(respiration band))。在能走動的患者中，例如在普通病房或家庭健康護理中，這些傳感器具有局限性。例如，呼吸環(huán)被認為是被醫(yī)務(wù)人員和患者十分厭惡的?；诙噍S加速度計的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)克服了這一缺點。多軸加速度計是在多個感測軸上測量加速度的裝置，并且被用作傾斜計以反映由呼吸引起的腹部或胸部運動。該技術(shù)需要可靠的信號處理方法以使能在患者的不同狀況和姿勢下的可靠監(jiān)測?？偟膩碚f，運動偽影是在患者監(jiān)測中熟知的問題，該問題涉及由患者身體活動(例如姿勢變化、移動和說話)引起的生理信號的污染以及測量質(zhì)量的下降。運動偽影問題在普通病房環(huán)境中比在重病監(jiān)護室環(huán)境中更加顯著，因為普通病房環(huán)境中的患者通常具有更易變的活動模式，并且大部分時間是在沒有醫(yī)院員工的監(jiān)督的情況下被監(jiān)測的，所以缺少對身體活動的存在的了解。該問題在家庭健康護理環(huán)境中監(jiān)測患者時甚至變得更加嚴重。如果在諸如家庭健康護理或普通病房中的患者之類的能走動條件下使用多軸加速度計測量呼吸率，加速度計信號不僅因為人的呼吸而改變，而且加速度計信號還被不希望的運動影響，這些運動不是因為呼吸運動引起的，例如全身運動(例如走路或跑步)以及其他生理運動(例如由于心跳導致的)。這些不希望的運動中的一些可能在呼吸的相同范圍(即0. IHz到2Hz或每分鐘6次呼吸到每分鐘120次呼吸)內(nèi)具有頻率分量，而不能利用固定頻率響應(yīng)的濾波器來抑制。US 6997882B1公開了一種用于處理加速度計數(shù)據(jù)以得到關(guān)于受檢者的呼吸運動的信息的方法和裝置。該方法應(yīng)用了佩戴在受檢者骨盆上的四個單軸加速度計模塊的陣列，并且將骨盆前部方面的加速度與骨盆后部方面的加速度分開。該方法的基本前提在于呼吸對骨盆運動的前部方面具有不均衡的影響，可以使用差值技術(shù)對此加以利用。具體而言，使用自適應(yīng)噪聲消除算法來實現(xiàn)高信噪比呼吸信號的隔離，該算法采用最小二乘濾波技術(shù)。該方法將總計的(水平面的)前部加速度計通道中的凈加速度視為表示感興趣的信號(即由呼吸所致的加速度)加上噪聲，而總計的(水平面)后部加速度計信號大體表示噪聲，然而，該噪聲與復合的前部加速度計信號中的噪聲高度相關(guān)。該噪聲主要是由于橫平面中骨盆運動(例如在搖擺、走路和跑步期間)引起的加速度導致。該方法的缺點是其需要必須由受檢者佩戴的加速度計模塊的陣列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用加速度計以有效率并且(對患者而言)舒適的方式確定呼吸信號方法和設(shè)備。在本發(fā)明的第一方面中，一種用于確定受檢者呼吸的方法包括如下步驟 -利用定位于受檢者的身體上的單個多軸加速度計來生成指示受檢者沿不同空間 軸的加速度的加速度計信號，-根據(jù)該加速度計信號來計算受檢者沿不同空間軸的加速度的矢量幅值信號，-根據(jù)該矢量幅值信號來識別對沿不同空間軸的加速度的非呼吸運動貢獻，該非呼吸運動貢獻不是由呼吸引起的，-通過從該加速度計信號中的至少一個中濾波非呼吸運動貢獻來確定指示受檢者的呼吸的呼吸信號。利用根據(jù)本發(fā)明的該方法，僅利用一個定位在受檢者(例如人)身體上的多軸加速度計就確定了該受檢者的呼吸。因此，僅通過單個多軸加速度計采集的信號和數(shù)據(jù)就足以確定受檢者的呼吸。不需要外部信號或其他參考傳感器(例如參考心跳傳感器或第二多軸加速度計)來確定呼吸。以對受檢者或患者而言舒適的方式來確定呼吸，因為它僅包含定位于患者身體上的獲取表示受檢者加速度的加速度信號的一個多軸加速度計。對于靜止(即不移動)的多軸加速度計，矢量幅值始終是相同的，而不論傳感器取向如何。這表明，傳感器自身的取向不會影響矢量幅值。如果由于全身運動(例如行走)導致加速度計的取向改變，然而，這幾乎總會伴隨加速度中的慣性分量或?qū)铀俣鹊膽T性貢獻。對于緩慢平穩(wěn)的運動(例如呼吸)，該慣性分量相對于取向變化是小的。另一方面，對于脈沖狀的振動(例如心臟脈動)，對加速度的慣性貢獻比加速度的取向貢獻更大。與呼吸相關(guān)聯(lián)的加速度計信號變化主要是由于與重力方向有關(guān)的取向變化，并且在小得多的程度上是由于慣性加速度所致，因為呼吸運動(例如胸廓的呼吸運動)是緩慢平穩(wěn)的運動。很多類型的運動(例如受檢者的行走或心跳)對加速度計信號的慣性貢獻大于由于呼吸導致的慣性貢獻。例如，可以通過胸廓的迅速起伏的短猝發(fā)來識別心跳。加速度計信號的矢量幅值提供了一種有效方法來識別對加速度信號的不希望或非呼吸的運動貢獻，因為加速度計信號的矢量幅值是慣性加速度分量的表達。然后使用識別的非呼吸的運動貢獻(該運動不是由于呼吸引起的受檢者身體的運動造成的)從加速度計信號中的至少一個抑制并且濾波該不希望的運動貢獻。根據(jù)該至少一個被濾波的加速度計信號來確定呼吸信號，該呼吸信號可靠而精確地表示受檢者的呼吸，并且其中從加速度計信號濾波對加速度信號的非呼吸且不希望的運動貢獻(即不是由呼吸運動引起的運動貢獻)。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，確定呼吸信號的步驟包括以下步驟分別從每個加速度計信號中濾波非呼吸的運動貢獻，以及根據(jù)已濾波的加速度計信號的組合中確定呼吸信號。根據(jù)該實施例，所有加速度計信號被濾波并且然后被組合成單個已濾波的加速度計信號，根據(jù)該單個已濾波的加速度計信號確定呼吸信號。這提供了呼吸的更精確表達，而不論受檢者的身體取向如何，因為在所有方法步驟中都使用了來自不同空間軸的加速度計信號來確定呼吸信號。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，識別該非呼吸運動貢獻的步驟包括從該矢量幅值信號提取該非呼吸運動貢獻的特征頻率的步驟。該特征頻率提供了能夠用于從加速度計信號濾波非呼吸運動貢獻的直截了當?shù)膮?shù)。該特征頻率是作為非呼吸運動的特征的頻率，例如，它是非呼吸運動的基頻。也可以從矢量幅值信號提取非呼吸運動的基頻的高次諧波，并且隨后將該高次諧波用于從加速度計信號濾波非呼吸運動。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，識別運動貢獻的步驟包括從矢量幅值信號提取表示不希望的噪聲貢獻的噪聲參考信號的步驟。噪聲參考信號是表示加速度計信號中的非呼吸運動信號分量或?qū)铀俣扔嬓盘柕姆呛粑\動信號貢獻的信號，并且該噪聲參考信號能夠有利地被用于加速度計信號的進一步處理，例如以便從加速度計信號濾波非呼吸運動 -Tj. 士 [>貝獻。在另外的實施例中，利用數(shù)字濾波技術(shù)從矢量幅值信號提取噪聲參考信號。這是提取噪聲參考信號的簡單而有效的方式。例如，根據(jù)矢量幅值信號計算包絡(luò)以提取噪聲參考信號。在另一另外的實施例中，噪聲參考信號包括心臟干擾信號。通過該方式，可以從加速度計信號中消除不希望的心臟干擾。在另一另外的實施例中，確定呼吸信號的步驟包括利用噪聲參考信號用自適應(yīng)噪聲濾波器對加速度計信號進行濾波的步驟。自適應(yīng)噪聲濾波器提供了一種從加速度計信號濾波非呼吸運動貢獻的有效且可靠的方式。在另一另外的實施例中，識別非呼吸運動貢獻的步驟還包括從噪聲參考信號提取非呼吸運動貢獻的特征頻率的步驟，并且其中，確定呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從加速度計信號濾波該特征頻率的步驟。這提供了利用特征頻率從加速度計信號直截了當?shù)貫V波非呼吸運動?？商娲?，可以在濾波特征頻率的步驟中應(yīng)用梳狀濾波器，在該情況下，也濾波高次諧波。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，識別非呼吸運動貢獻的步驟包括如下步驟-計算矢量幅值信號的功率譜，-從該功率譜提取非呼吸運動的特征頻率，并且其中確定呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從加速度計信號濾波該特征頻率的步驟。功率譜表示傅里葉變換后的矢量幅值信號的幅值。因此，該實施例提供了一種簡單而可靠的方式來識別加速度計信號中由于受檢者身體的非呼吸運動導致的較大慣性分量。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，識別該運動貢獻的步驟包括如下步驟-計算加速度計信號之一與矢量幅值信號的相干譜，-從該相干譜提取非呼吸運動貢獻的特征頻率，并且其中確定呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從加速度計信號濾波該特征頻率的步驟。該相干譜表明在每個頻率處矢量幅值信號與加速度計信號之一對應(yīng)或匹配得有多好。具有最高相干性的頻率分量被認為是非呼吸運動信號，這是因為加速度計信號中由于非呼吸運動導致的慣性貢獻與加速度計信號中由于呼吸運動導致的慣性貢獻相比更大。在另外的實施例中，該非呼吸運動貢獻的特征頻率包括受檢者的心跳頻率。有利地，通過該方式，根據(jù)定位于受檢者身體上的一個加速度計的加速度計信號，與受檢者的呼吸同時地，確定受檢者的心跳頻率，即脈搏率。在另外的實施例中，非呼吸運動貢獻的特征頻率包括運動受檢者的腳步頻率。通過該方式，可以根據(jù)定位于受檢者身體上的一個加速度計的加速度計信號，與受檢者的呼吸同時地，確定運動(即行走或跑步)受檢者的腳步頻率。在一實施例中，除呼吸和腳步頻率之外或與呼吸和腳步頻率同時地，可以確定受檢者的心跳。在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，該方法還包括從呼吸信號提取受檢者的呼吸率的步驟。因為能夠獲得具有減小的非呼吸運動貢獻的呼吸信號，所以提取的呼吸率給出了實際呼吸率的可靠表示。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例中，該方法還包括如下步驟從矢量幅值信號濾波頻率范圍的步驟，在識別非呼吸運動貢獻的步驟中使用濾波后的矢量幅值信號。通過預(yù)先濾波矢量幅值信號，實現(xiàn)了一種確定呼吸信號的更可靠和精確的方法。優(yōu)選地，該頻率范圍覆蓋受檢者呼吸的頻率范圍。在本發(fā)明的第二方面中，一種用于確定受檢者呼吸的呼吸確定設(shè)備包括-單個多軸加速度計，其被定位于受檢者身體上，其中該多軸加速度計被配置為產(chǎn)生表示該受檢者沿不同空間軸的加速度的加速度計信號，-信號處理單元，其被配置為根據(jù)該加速度計信號計算該受檢者沿不同空間軸的加速度的矢量幅值信號，并且根據(jù)該矢量幅值信號識別對沿不同空間軸的加速度的非呼吸運動貢獻，-呼吸信號確定單元，其用于通過從加速度計信號中的至少一個濾波非呼吸運動貢獻來確定表示受檢者呼吸的呼吸信號。優(yōu)選地，呼吸信號確定單元包括自適應(yīng)噪聲濾波器或自適應(yīng)陷波濾波器。應(yīng)當理解，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的優(yōu)點類似于根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的其他實施例的額外特征類似于根據(jù)本發(fā)明的方法的其他實施例的特征。應(yīng)當理解，本發(fā)明的優(yōu)選實施例也可以是從屬權(quán)利要求與各自的獨立權(quán)利要求的任意組合。


根據(jù)下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得清楚，并參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將被闡明。在以下附圖中圖I示意性示出了單軸的加速度計信號、提取的矢量幅值信號、心跳參考信號和呼吸參考信號的曲線圖的示例，圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例，圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的矢量幅值信號、濾波后的矢量幅值信號、濾波后的矢量幅值信號的絕對值以及提取的噪聲參考信號的曲線圖的示例，圖4示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的單軸的加速度計信號、濾波后的單軸的加速度計信號和呼吸參考信號的曲線圖的示例，圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例，圖6示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的單軸的加速度計信號、濾波后的單軸的加速度計信號和呼吸參考信號的曲線圖的是示例，圖7示意性并且示例性示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率譜的示例，圖8示意性并且示例性示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的相干譜的示例，以及圖9示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實施例。
具體實施例方式為了監(jiān)測或確定人的呼吸，尤其是在走動的條件下，將多軸加速度計，尤其是三軸 加速度計定位在人的胸部或腹部。用于呼吸監(jiān)測的多軸加速度計的優(yōu)選位置在較低的肋骨處，大致在中央和橫向位置之間的一半。這個位置提供了加速度計數(shù)據(jù)中最一致的呼吸誘發(fā)的變化。在由于身體體形所致的限制(例如由于手術(shù)后的傷口所致的限制)的情況下，其他位置(例如在腹部上)也是可能的。將多軸加速度計用作傾斜計以反映對象的運動，具體而言，反映呼吸引起的腹部或胸部的運動。通過其上定位了多軸加速度計的對象的表面的傾斜變化來反映運動。多軸加速度計的幾個不同空間軸(優(yōu)選是三個正交軸)記錄等于重力矢量在這些軸的每個上的投影的加速度計信號。為了例示由于呼吸運動和心跳運動導致的加速度計信號的不同特征，圖Ia示出了定位于人胸廓左側(cè)的多軸加速度計的一個軸的作為時間函數(shù)的原始單軸加速度計信號I的示例。加速度計信號I既受呼吸運動的影響又受心跳的影響。能夠在加速度計信號I中識別出緩慢波動的信號并且在圖Ia中由曲線2表示該緩慢波動的信號。該緩慢波動信號是由呼吸造成的胸廓運動引起的，并且與多軸加速度計相對于重力的取向變化相關(guān)。由于胸廓的呼吸運動是一種緩慢而平穩(wěn)的運動，所以呼吸運動引起的多軸加速度計的慣性變化比呼吸運動導致的多軸加速度計的取向變化小得多。除了由于呼吸所致的緩慢波動信號之夕卜，在原始加速度計信號I中還能夠觀察到快速波動的短猝發(fā)。這些快速波動是由心跳導致的胸廓運動所起的，并且比呼吸運動所致的波動具有大得多的慣性分量。在圖Ib中能夠看到加速度計信號中該更大的慣性分量或?qū)铀俣扔嬓盘柕母蟮膽T性貢獻，圖Ib示出了在本示例中根據(jù)來自加速度計全部三個軸的作為時間函數(shù)的加速度計信號(包括圖Ia的單軸的加速度計信號I)計算的矢量幅值信號。該矢量幅值信號僅清楚地示出了由于心臟運動所致的特征迅速波動。在矢量幅值信號中不能區(qū)分或辨別由于呼吸造成的緩慢波動運動，該緩慢波動運動主要是由于取向變化導致的，并且具有比心跳運動的慣性分量更小的慣性分量。作為參考，圖Ic示出了利用ECG測量的作為時間函數(shù)的對應(yīng)心跳信號，并且圖Id示出了利用呼吸腹帶(respiration belt)測量的作為時間函數(shù)的對應(yīng)呼吸信號。與多軸加速度計的測量同時，并且在與多軸加速計的測量相同的人上測量心跳信號和呼吸信號。圖Ia中由曲線2表示的緩慢波動信號與圖Id中所示的并且利用呼吸腹帶同時測量的參考呼吸信號，清楚地具有良好的相關(guān)性。此外，圖Ib的矢量幅值信號示出了與圖Ic的心跳信號良好的相關(guān)性。盡管加速度計信號中由心跳運動導致的功率的大部分處在正常呼吸頻率之外的頻率(g卩IOHz左右)，但是在一些情況下，在基本心率頻率(大約IHz)處也有不可忽略的分量。因為該基本心率頻率分量在正常呼吸頻率范圍(該范圍介于0. IHz和2Hz之間或介于每分鐘6次呼吸和每分鐘120次呼吸之間)之內(nèi)，所以可能將其錯誤地歸類為由于呼吸導致的信號，而實際上它是由基本心率頻率處的心跳運動引起的信號。因為心率和呼吸率都因人而異，而且還作為時間的函數(shù)而變化，所以通過使用具有固定頻率響應(yīng)的濾波器不能從加速度計信號消除處在基本心率頻率(其處于正常呼吸頻率范圍之內(nèi))的這一不希望的心臟干擾。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定人的呼吸的方法的第一實施例。在步驟101中，利用定位于人的身體上的適當位置(在該示例中為胸廓上)的一個三軸加速度計測量三個加速度計信號。三個測量的加速度計信號包括關(guān)于沿三個不同軸(例如三個正交軸)的由呼吸或非呼吸運動造成的胸廓運動或諸如心跳之類的胸廓活動的信息。在步驟102中使用步驟101中測量的原始加速度計信號，在步驟102中，計算三個原始加速度計信號的矢量幅值信號。例如，可以通過取表示三個不同軸的三個加速度計信號的矢量和來計算矢量幅值m(t) = V [x (t) 2+y (t) 2+z (t)2)]其中m (t)表示在時刻t時加速度計的矢量幅值,并且x (t)、y (t)和z (t)表示在時刻t時分別在加速度計的X軸、Y軸和Z軸測量的加速度。在步驟103中，通過數(shù)字濾波技術(shù)從步驟102中確定的矢量幅值信號提取噪聲參考信號。例如，通過如下方式確定噪聲參考信號計算矢量幅值信號的包絡(luò)，首先用帶通濾波器(例如5Hz和15Hz之間)來濾波矢量幅值信號以消除基線漂移和高頻噪聲，隨后通過計算絕對值或通過取平方來修正矢 量幅值信號，并且最后利用低通濾波器(例如具有2Hz的限度)來濾波該絕對值或平方值，以消除生理學上現(xiàn)實的呼吸率的范圍之外的高頻噪聲。噪聲參考信號表示不是由呼吸所致的胸廓活動或運動，這是因為慣性分量較小的緩慢波動呼吸信號在矢量幅值信號中的貢獻可以忽略，而由于心跳導致的胸廓活動將具有相對大的慣性分量，并且因此具有對矢量幅值信號的相對大的貢獻。最后，在步驟104中，在自適應(yīng)噪聲消除器中使用噪聲參考信號和至少一個原始加速度計信號以從至少一個原始加速度計信號中濾波主要對應(yīng)于心跳運動的不希望的噪聲，以可靠而更精確的方式獲得表示人的呼吸的信號。也可以單獨針對三個加速度計信號中的每個，來施加自適應(yīng)濾波，此后適當組合三個濾波后的加速度計信號，獲得呼吸信號。通過該方式，在不具有用于確定心臟干擾的外部參考的情況下，從加速度計信號消除了心臟干擾。也可以使用依賴于例如希爾伯特變換(Hilbert transform)或短時傅里葉變換的計算包絡(luò)的其他方法。下一實施例的基本思想是將矢量幅值信號變換成信號，即噪聲參考信號，其對應(yīng)于基本心臟頻率的心臟干擾信號，并在自適應(yīng)噪聲消除方案中使用該信號作為噪聲參考。圖3a_圖3d示出了如何使用加速度計信號和矢量幅值信號以通過應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)(在本示例中是通過取矢量幅值信號的包絡(luò))來提取噪聲參考信號的示例。圖3a示出了根據(jù)來自三軸加速度計的全部三個軸的加速度計信號計算的作為時間函數(shù)的矢量幅值信號的曲線圖。圖3b示出了圖3a的加速度計矢量幅值信號被利用通帶介于5Hz和15Hz之間的帶通濾波器進行濾波以消除基線漂移和高頻噪聲后的曲線圖。圖3c顯示了圖3b的濾波后的加速度計矢量幅值信號的絕對值的曲線圖?；蛘撸部梢詰?yīng)用例如對數(shù)據(jù)取平方來獲得這一結(jié)果。圖3d顯示了示出圖3c曲線圖的絕對值的低通濾波后的版本的曲線圖，其中低通濾波器具有例如2Hz的截止頻率。圖3d的曲線圖表示根據(jù)圖2的方法從矢量幅值信號提取的噪聲參考信號。從圖3d清楚看出，也可以以該方式從矢量幅值包絡(luò)得到心率或心臟頻率，并且使用其來利用適當?shù)臑V波器選擇性地消除基本心臟頻率處的心臟干擾?？蛇x地，也可以濾波第一諧波和其他諧波。例如，可以應(yīng)用自適應(yīng)陷波濾波器或梳狀濾波器。這一自適應(yīng)濾波方法顯著減少了加速度計信號中的心臟干擾。圖4例示了自適應(yīng)濾波方法的另一示例的結(jié)果。圖4a顯示了已經(jīng)被利用覆蓋正常呼吸頻率范圍(例如0. IHz和2Hz之間)的帶通濾波器濾波后的作為時間函數(shù)的單軸的加速度計信號。圖4b例示了被利用自適應(yīng)噪聲濾波器處理之后的單軸的加速度計信號。圖4c示出了利用呼吸腹帶測量的作為時間函數(shù)的對應(yīng)參考呼吸信號，并且該對應(yīng)參考呼吸信號是與多軸加速度計的測量同時并在同一人身上測量的。信號的前30秒覆蓋了一段時間的呼吸暫停，接著是一段時間的恢復和正常呼吸。通過比較圖4a和圖4b，在前30秒中觀察至IJ，利用自適應(yīng)噪聲濾波方法將呼吸暫停期間的心臟干擾幅度減小了 2倍。此外，在正常呼吸期間，加速度計信號波形包含由于心臟干擾所致的更少量的峰。
除了呼吸和心跳之外，加速度計信號還受到其他類型的身體活動影響(例如行走或跑步)。與呼吸相關(guān)聯(lián)的加速度計信號變化主要是由于與重力方向相關(guān)的取向變化。其他類型的身體活動(例如行走或跑步)誘發(fā)加速度計信號的變化，這種變化不僅歸因于取向變化，而且還具有比歸因于呼吸運動的慣性分量更大的慣性分量?？梢曰诩铀俣扔嬓盘柕氖噶糠祦碜R別這些慣性分量，并且然后再次用于抑制每個軸的加速度計信號的其他運動，以便獲得純凈而可靠的呼吸信號。圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定人呼吸的方法的第二實施例。在步驟101中，利用定位于人身體上的適當位置處(在該示例中為胸廓)的一個三軸加速度計測量三個加速度計信號。三個測量的加速度計信號包括由于呼吸所致并且由于在該示例中人沿三個不同軸(例如三個正交軸)的運動所致的胸廓運動的信息。在步驟102中使用步驟101中測量的原始加速度計信號，在該步驟102中，根據(jù)三個原始加速度計信號計算矢量幅值信號。例如，可以通過取表示三個不同軸的三個加速度計信號的矢量和來計算矢量幅值。在步驟203中，從步驟102中確定的矢量幅值信號提取特征頻率?？蛇x地，在步驟203中，首先利用帶通濾波器(例如介于0. IHz和IHz之間)來濾波矢量幅值信號，以消除對于特定人而言生理上現(xiàn)實的呼吸范圍之外的所有噪聲。在步驟203中，例如，通過矢量幅值信號的功率譜或通過矢量幅值信號與一個加速度計信號的相干譜，來提取特征頻率。在該示例中，特征頻率是人運動的特征的頻率，例如是行走或跑步期間的步伐頻率。人的運動(即行走或跑步)將對矢量幅值信號具有較大貢獻，這是因為行走導致的慣性加速度比呼吸運動導致的慣性加速度更大。因此，對矢量幅值信號進行頻率分析(例如通過功率譜或相干譜)將揭示出表示具有最大慣性加速度(其在該情況下是歸因于人的行走或跑步)的貢獻的主頻率。最后，在步驟204中，在適當?shù)臑V波器中使用特征頻率和原始加速度計信號，以從原始加速度計信號濾波不希望的噪聲(在這種情況下主要與行走對應(yīng))，得到可靠而精確地表示人的呼吸的信號。例如，在步驟204中，應(yīng)用自適應(yīng)陷波濾波器或梳狀濾波器，其中特征頻率以及(可選地)其高次諧波被濾波?？梢詥为氠槍θ齻€加速度計信號中的每個來應(yīng)用自適應(yīng)濾波，之后適當組合三個濾波后的加速度計信號，獲得呼吸信號。以該方式，從加速度計信號消除由于人的身體活動導致的干擾或噪聲，而無需用于測量身體運動的外部參考，例如外部加速度計。圖6示出了圖5所示的頻率濾波方法的示例。圖6a顯示了行走的人的作為時間函數(shù)的單軸加速度計信號，其中已利用覆蓋特定人的正常呼吸頻率范圍(例如0. IHz和IHz之間)的帶通濾波器來濾波該信號。圖6b示出了已經(jīng)利用自適應(yīng)陷波濾波器處理之后的單軸加速度計信號。圖6c顯示了利用呼吸腹帶測量的作為時間函數(shù)的對應(yīng)參考呼吸信號，該對應(yīng)參考呼吸信息化是與多軸加速度計的測量同時并且在同一人身上測量的。圖6b中所顯示的濾波后的信號中，可以清楚地觀察到由于呼吸導致的波動，并且能夠通過例如峰值檢測算法來容易地確定呼吸率。從圖6a可以看出，加速度計信號中的主頻率具有大約1.4秒的周期，該周期對應(yīng)于大約0. 72Hz。然而，這些波動不是因為人呼吸的造成的，而是因為人以0. 72Hz的跨步頻率行走造成的,其中一次跨步由2步構(gòu)成(每只腳一步),而真實的呼吸率大約為0. 18Hz，對應(yīng)于如從圖6c中的呼吸頻帶能夠看出的每分鐘大約11次呼吸。與落地的每只腳相關(guān)聯(lián)的加速度具有大的慣性分量。加速度信號中由于人跨步走導致的分量或由于人跨步走導致的對加速度信號的貢獻是因為與每一跨步(其對應(yīng)于兩步)相關(guān)聯(lián)的 上身的取向變化。因為跨步加速度變化較為平穩(wěn)地出現(xiàn)，所以與跨步相關(guān)聯(lián)的慣性分量相對較小。因為每一步都與比呼吸更大的慣性加速度相關(guān)聯(lián)，所以可以通過分析矢量幅值信號來得出步頻(step frequency)和跨步頻率(stride frequency)。一旦根據(jù)加速度計矢量幅值識別出基本步頻和跨步頻率，使用自適應(yīng)陷波或梳狀濾波器從一個或多個原始加速度計信號消除該頻率，并最終消除其一次諧波。通過該方式，可以通過可靠方式提取呼吸率，同時確定了運動(例如行走或跑步)的人的步頻。圖7示出了根據(jù)如圖6所示的行走的人的加速度計信號數(shù)據(jù)來計算的功率譜曲線圖的示例。功率譜表示傅里葉變換后的信號幅值，例如平方后的幅值。在圖7中，縱軸表示功率除以頻率，單位為[dB/Hz]，而橫軸表示頻率，單位為[Hz]。第一功率譜51是根據(jù)矢量幅值信號計算的，而第二功率譜52是根據(jù)(在該情況下)Z軸加速度計信號的原始數(shù)據(jù)計算的。從圖7可以清楚看出，加速度計矢量幅值的主頻率是步頻，對應(yīng)于跨步頻率的兩倍，這是因為每一步都與較大的慣性加速度相關(guān)。將矢量幅值信號的功率譜51的最高峰識別為步頻，其在該情況下為波峰62。對于第一功率譜51和第二功率譜52波峰62的高度是相當?shù)?，這一事實表明波峰62表示主要部分的慣性加速度。第一波峰61僅在單軸加速度計信號的第二功率譜52上可見，并且該波峰61是第二大的，表示跨步頻率(其為步頻的一半)。加速度信號中由跨步引起的分量或由跨步引起的對加速度信號的貢獻是因為與每一跨步相關(guān)聯(lián)的上身的取向變化。因為由于跨步引起的這些加速度變化發(fā)生較為平穩(wěn)，所以與跨步相關(guān)聯(lián)的慣性分量或貢獻較小，尤其是與受檢者的每一步引起的慣性分量或貢獻相t匕。因此，與跨步頻率相關(guān)聯(lián)的波峰61僅在單個軸的加速度計信號的功率譜52中可見，而在矢量幅值信號的功率譜51中不可見。因為跨步頻率正好是步頻的一半，所以清楚的是，該頻率分量是與在該情況下由行走引起的而非呼吸引起的較大慣性分量相關(guān)聯(lián)。類似地，較高次諧波峰(例如在2. IHz和2. 8Hz處的)與在本示例中由行走導致的較大加速度相關(guān)聯(lián)。2. IHz處的波峰主要表示取向變化，而2. 8Hz的峰主要是由慣性加速度引起。步頻處的波峰62的幅值或功率與第一功率譜51的呼吸峰的幅值的差異大約為35dB，該35dB對應(yīng)于比由呼吸引起的慣性貢獻大近似五十倍的由行走引起的運動的慣性貢獻?？商娲鼗蛲瑫r地，在受檢者行走或跑步時使用功率譜提取受檢者的心跳頻率。通過該方式，可以以可靠方式提取運動的人的呼吸，同時還確定了運動的人的步頻和/或心跳頻率。圖8示出了根據(jù)如圖6所示的行走的人的數(shù)據(jù)和信號來計算的相干譜的示例。在圖8中，縱軸表示兩個信號之間的相干性，橫軸表示頻率，單位為[Hz]。相干性是兩個信號的歸一化交叉譜密度，這得到了介于0和I之間的值，該值表示兩個信號對應(yīng)得任何，或者換言之，是特定頻率下兩個信號的相似性的度量，其中最高相關(guān)性值對應(yīng)于兩個信號之間的最大相似性或匹配。例如，通過使用Welch的平均修正周期圖方法來計算相干性。圖8示出了曲線圖，該曲線圖表示加速度計矢量幅值與單個軸的加速度計信號之間的相干譜。從波峰71、72、73和74可以看出，相干性的值在步頻率和跨步頻率處都高于0. 9，而在呼吸頻率處，相干性的值低于0.8。如果矢量幅值信號和單軸的加速度計信號之間的相似性在特定頻率處是高的，因此顯示出高的相干性值，那么在該情況下，在該特定頻率處，對單軸的加速度計信號的慣性貢獻是較大的。因為矢量幅值信號代表具有相對最大值的慣性貢獻，所以高的相干性值對應(yīng)于并且表示最大的慣性貢獻，該最大的慣性貢獻在該示例中是由于行 走引起的慣性貢獻?？梢允褂妙愃品椒ㄌ娲鼗蛲瑫r地，通過例如用功率譜和/或相干譜方法從矢量幅值信號提取心跳頻率，來濾波由于心跳運動引起的慣性貢獻。圖9中示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定受檢者305的呼吸的呼吸確定設(shè)備的實施例。呼吸確定設(shè)備300包括單個多軸加速度計310，該多軸加速度計310被定位在受檢者305的身體上，例如人的胸廓上。多軸加速度計310生成加速度計信號，在本示例中，該加速度計信號指示人的胸廓沿不同空間軸的加速度。信號處理單元320根據(jù)加速度計信號計算沿不同空間軸的加速度的矢量幅值信號。此外，信號處理單元320根據(jù)矢量幅值信號識別對沿不同空間軸的加速度的非呼吸運動貢獻。非呼吸運動貢獻例如是由于心跳或由于以行走或跑步形式的人的運動引起的胸廓運動。呼吸信號確定單元330通過從加速度計信號濾波非呼吸運動貢獻來確定指示受檢者的呼吸的呼吸信號。例如，利用自適應(yīng)噪聲或陷波濾波器或梳狀濾波器進行濾波。最后，可以在顯示器340上顯示呼吸信號。盡管在上述實施例中，多軸加速度計優(yōu)選具有三個正交軸，但多軸加速度計也可以具有兩個正交軸或超過三個軸。此外，空間軸還可以包括另一個角度，即在另一實施例中，該軸可以是不正交的。盡管在上述實施例中使用了一個多軸加速度計，但是也可以使用根據(jù)本發(fā)明的兩個或更多個的多軸加速度計，以便能夠以更大的精確度確定呼吸信號，每個多軸加速度計都應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例中使用的頻率范圍和值可以是由用戶設(shè)定的參數(shù)，該設(shè)定例如根據(jù)要確定呼吸的受檢者的類型，例如年齡。在研究附圖、公開和所附權(quán)利要求之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實踐請求保護的發(fā)明時能夠理解和實現(xiàn)所公開實施例的其他變化。在權(quán)利要求中，“包括” 一詞不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一個”或“一種”不排除多個或多種。單個單元或裝置可以實現(xiàn)權(quán)利要求中列舉的幾個項的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉特定手段的簡單事實并不表示不能使用這些手段的組合以獲得優(yōu)點。權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)被解釋為對范圍進行限制。
權(quán)利要求
1.一種用于確定受檢者(305)的呼吸的方法，包括如下步驟 -利用定位于所述受檢者(305)的身體上的單個多軸加速度計(310)生成(101)加速度計信號，所述加速度計信號指示所述受檢者(305 )沿不同空間軸的加速度， -根據(jù)所述加速度計信號來計算(102)所述受檢者(305)沿所述不同空間軸的所述加速度的矢量幅值信號， -根據(jù)所述矢量幅值信號來識別(103,203)對沿所述不同空間軸的所述加速度的非呼吸運動貢獻，所述非呼吸運動貢獻不是由所述呼吸引起的， -通過從所述加速度計信號中的至少一個濾波所述非呼吸運動貢獻來確定(104、204)指示所述受檢者的所述呼吸的呼吸信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，確定(104、204)所述呼吸信號的步驟包括如下步驟 -分別地從每個所述加速度計信號濾波所述非呼吸運動貢獻， -根據(jù)濾波后的加速度計信號的組合來確定所述呼吸信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟包括從所述矢量幅值信號提取(203)所述非呼吸運動貢獻的特征頻率的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟包括從所述矢量幅值信號提取(103)表示不希望的噪聲貢獻的噪聲參考信號的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述噪聲參考信號是利用數(shù)字濾波技術(shù)從所述矢量幅值信號提取的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的呼吸確定設(shè)備，其中，所述噪聲參考信號包括心臟干擾信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，確定(104、204)所述呼吸信號的步驟包括利用所述噪聲參考信號用自適應(yīng)噪聲濾波器對所述加速度計信號進行濾波的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟還包括從所述噪聲參考信號提取所述非呼吸運動貢獻的特征頻率的步驟，并且其中，確定所述呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從所述加速度計信號濾波所述特征頻率的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟包括如下步驟 -計算所述矢量幅值信號的功率譜， -從所述功率譜提取所述非呼吸運動的特征頻率， 并且其中，確定(104、204)所述呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從所述加速度計信號濾波所述特征頻率的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟包括如下步驟 -計算所述加速度計信號之一與所述矢量幅值信號的相干譜， -從所述相干譜提取所述非呼吸運動貢獻的特征頻率， 并且其中，確定(104、204)所述呼吸信號的步驟包括利用自適應(yīng)陷波濾波器從所述加速度計信號濾波所述特征頻率的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求3或8到10中的任一項所述的方法，其中，所述非呼吸運動貢獻的所述特征頻率包括所述受檢者的心跳頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求3或8到11中的任一項所述的方法，其中，所述非呼吸運動貢獻的所述特征頻率包括運動的受檢者的步頻。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括從所述呼吸信號提取所述受檢者的呼吸率的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括從所述矢量幅值信號濾波頻率范圍的步驟，在識別(103、203)所述非呼吸運動貢獻的步驟中使用濾波后的矢量幅值信號。
15.一種用于確定受檢者(305)的呼吸的呼吸確定設(shè)備(300)，其中，所述呼吸確定設(shè)備(300)包括 -單個多軸加速度計(310)，其被定位于所述受檢者(305)的身體上，其中，所述多軸加速度計(310)被配置為生成指示所述受檢者(305)沿不同空間軸的加速度的加速度計信號， -信號處理單元(320)，其被配置為根據(jù)所述加速度計信號來計算所述受檢者(305)沿所述不同空間軸的所述加速度的矢量幅值信號，并且根據(jù)所述矢量幅值信號來識別對沿不同空間軸的所述加速度的非呼吸運動貢獻， -呼吸信號確定單元(330)，其用于通過從所述加速度計信號中的至少一個濾波所述非呼吸運動貢獻，來確定表示所述受檢者的所述呼吸的呼吸信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定受檢者(305)的呼吸的方法和設(shè)備，其中利用定位于受檢者(305)的身體上的單個多軸加速度計(310)，生成(101)表示受檢者(305)沿不同空間軸的加速度的加速度計信號，根據(jù)加速度計信號計算(102)受檢者(305)沿不同空間軸的加速度的矢量幅值信號，根據(jù)矢量幅值信號識別(103、203)對沿不同空間軸的加速度的非呼吸運動貢獻，該非呼吸運動貢獻不是由呼吸引起的，并且通過從加速度計信號中的至少一個濾波非呼吸運動貢獻來確定(104、204)指示受檢者的呼吸的呼吸信號。通過該方式，提供了一種方法，該方法利用單個加速度計(310)，以有效率且對患者而言舒適的方式確定受檢者(305)的呼吸。
文檔編號A61B5/113GK102753095SQ201180009008
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者G·G·G·莫倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司