專利名稱：一種呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，特別是一種胸背向過載呼吸動作 反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)是一種用模擬壓力系統(tǒng)模擬過載，對被 試者進行呼吸訓(xùn)練以對抗過載，并通過生理信號測量進行監(jiān)測和分析的裝置。
背景技術(shù)：
過載訓(xùn)練一般采用離心機。適用對象為航天員和飛行員。
人類長期生活在地面，其身體結(jié)構(gòu)和生理功能己經(jīng)完全適應(yīng)了地球1G環(huán)境。 當(dāng)飛船在上升或返回過程中，或者飛機在做大機動動作時，航天員和飛行員要 耐受幾倍甚至十幾倍于自身體重的過載作用，這對于常人來說，顯然是難以忍 受的，有時甚至可能引起損傷和危及生命；雖然航天員和飛行員都通過了超重 耐力適應(yīng)性選拔，具備了一定的耐受水準(zhǔn)，但若長期不經(jīng)受訓(xùn)練，超重耐力水 平也將很難提高和維持，更談不上在實際的飛行中適應(yīng)超重環(huán)境了。因此，超 重耐力訓(xùn)練必須貫穿航天員和飛行員訓(xùn)練的始終。在實際的胸背向過載作用下， 人的呼吸功能會受到很大的影響，在4 5G時，人的潮氣量減少，呼吸頻率加
快；6 8G出現(xiàn)胸痛，呼吸變得困難；更高G值作用時則可能引起呼吸嚴(yán)重困難、
胸痛難以忍受。消除胸背向過載作用時的呼吸困難和胸痛癥狀直接關(guān)系到人體 胸背向過載耐力的提高。
現(xiàn)有的抗胸背向過載呼吸動作訓(xùn)練是在離心機上進行的，需要多人協(xié)同合 作才能完成，準(zhǔn)備時間長，而且訓(xùn)練必須按照設(shè)定好的程序進行，靈活性較差， 安全系數(shù)也不夠高。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于胸背向過載訓(xùn)練的呼 吸動作反饋系統(tǒng)。
本發(fā)明的特征在于，含有模擬壓力部、生理信號采集處理部和微控制器， 其中
模擬壓力部，包括胸部加載裝置、腹部加載裝置、胸部加載砝碼和腹部 加載砝碼，其中
胸部加載裝置，下表面具有人體胸廓形狀，與胸部接觸表面粘接柔性材料， 所述胸部加載砝碼用螺栓固定在所述胸部加載裝置上表面；
腹部加載裝置，下表面具有人體腹部形狀，表面粘接柔性材料，所述腹部 加載砝碼用螺栓固定在所述腹部加載裝置上表面；
生理信號采集處理部，含有肌電信號采集處理器、心電信號采集處理器、 皮溫信號采集處理器、呼吸信號采集處理器，以及皮阻信號采集處理器，其中:
肌電信號采集處理器，含有兩對肌電電極、輸入端和所述兩對肌電電極 的輸出端相連的前置放大器、輸入端和所述前置放大器相連的高通濾波電路、 輸入端和所述高通濾波電路相連的低通濾波電路、以及輸入端和低通濾波電路 相連的第一主放大器；
心電信號采集處理器，含有兩對心電電極、輸入端和所述兩對心電電極 的輸出端相連的前置放大器、輸入端和所述前置放大器相連的高通濾波電路、 輸入端和所述高通濾波電路相連的低通濾波電路、以及輸入端和低通濾波電路 相連的第二主放大器；
皮溫信號采集處理器，含有依次串聯(lián)的皮溫傳感器、測量電橋、輸入放大 器和第三主放大器；
呼吸信號采集處理器，含有第一對呼吸電極、第二對呼吸電極、50KHz激 勵電路、第一放大檢波電路、第一濾波放大電路、150KHz激勵電路、第二放大檢波電路、第二濾波放大電路和自動回零電路，其中
第一對呼吸電極，輸入端和所述50KHz激勵信號輸出電路的第一輸出端相
連，輸出端和所述第一放大檢波電路的第一輸入端相連，
第一放大檢波電路，第二輸入端和所述50KHz激勵電路的第二輸出端相連， 第一濾波放大電路，輸入端和所述第一放大檢波電路的輸出端相連， 第二對呼吸電極，輸入端和所述150KHz激勵信號輸出電路的第一輸出端相
連，輸出端和所述第二放大檢波電路的第一輸入端相連，
第二放大檢波電路，第二輸入端和所述150KHz激勵電路的第二輸出端相連， 第二濾波放大電路，輸入端和所述第二放大檢波電路的輸出端相連， 自動回零電路，第一輸入端和所述第一濾波放大電路的輸出端相連，第二
輸入端和所述第二濾波放大電路的輸出端相連，所述自動回零電路的控制信號
輸出端同時與所述第一濾波放大電路、第二濾波放大電路這兩個濾波放大電路
的控制信號輸入端相連，
皮阻信號采集處理器，含有 一對皮阻電極、直流激勵電源和信號檢測電
路，所述一對皮阻電極的輸出端與所述信號檢測電路的輸入端相連；
微控制器，集成有A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器的各輸入端分別與所述第
一主放大器、第二主放大器、第三主放大器、第一濾波放大電路、第二濾波放
大電路以及信號檢測電路的各對應(yīng)輸出端相連，所述微控制器輸出的各數(shù)字信
號經(jīng)CAN收發(fā)器發(fā)送至上位機，所述微控制器和CAN收發(fā)器之間有一個光電隔
離電路。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
(1) 采用重物塊加載的方式模擬超重，可以有效模擬胸背向過載，避免離 心機帶來的不安全。
(2) 被試能夠通過交互監(jiān)視器實時觀察自己的圖譜和生理指標(biāo)，對呼吸頻 率和呼吸幅度進行調(diào)整，進行呼吸動作反饋訓(xùn)練;(3)生理信號測量裝置可對心電、肌電、呼吸、皮溫和皮阻等多種信號進 行采集和分析。
圖l是本發(fā)明的整體示意圖。 圖2是模擬壓力系統(tǒng)的示意圖。 圖3是生理信號測量系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種用于胸背向過載訓(xùn)練的呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，包括模
擬壓力部、生理信號采集處理部和微控制器，其中
模擬壓力部包括胸部加載裝置、腹部加載裝置、胸部加載砝碼和腹部加 載砝碼，其中
所述胸部加載裝置的下表面與人體接觸，為仿照人體胸廓形狀設(shè)計，表面 粘接柔性材料，上表面為平面，有兩根用于固定加載砝碼的螺柱；
所述腹部加載裝置的下表面與人體接觸，為仿照人體腹部形狀設(shè)計，表面 粘接柔性材料，上表面為平面，有兩根用于固定加載砝碼的螺柱；
所述胸部加載砝碼形狀與胸部加載裝置上表面相同，分為5kg、 2kg和lkg 三種規(guī)格；
所述腹部加載砝碼形狀與腹部加載裝置上表面相同，分為5kg、 2kg和lkg 三種規(guī)格；
生理信號采集處理部包括肌電信號采集處理器、心電信號采集處理器、 皮溫信號采集處理器、呼吸信號采集處理器和皮阻信號采集處理器，其中 所述肌電信號采集處理器的總增益為300-2200可調(diào)，分辨率為12bit; 所述心電信號采集處理器的總增益為37.5 300可調(diào)，分辨率為12bit;所述皮溫信號采集處理器的增益為80,分辨率為12bit，測溫范圍為0 60 °C，全程精度±0.2°(:, 25 45。C之間精度土0.rC;
所述呼吸信號采集處理器，其特征在于，激勵源使用運放產(chǎn)生50kHz和 150kHz振蕩信號，呼吸放大器增益為IOO，分辨率為12bit;
所述皮阻信號采集處理器，其特征在于，利用加直流恒流源測量電壓的方 式來測量皮阻，測量范圍為0 500kn;
微控制器，集成A/D轉(zhuǎn)換器和CAN接口， A/D轉(zhuǎn)換器用于將放大后的心電、 肌電、呼吸、皮溫和皮阻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給上位機;
所述胸背向過載訓(xùn)練裝置依次按以下步驟進行航天員或飛行員訓(xùn)練
(1) 教員在航天員或飛行員胸、腹部指定位置貼上電極；
(2) 航天員或飛行員躺到超重訓(xùn)練專用座椅上；
(3) 連接生理信號測量系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，并啟動監(jiān)測系統(tǒng)；
(4) 向胸部加載裝置和腹部加載裝置上加載砝碼；
(5) 在監(jiān)測顯示器和交互監(jiān)視器上顯示圖譜和生理指標(biāo)，尤其是呼吸波形；
(6) 航天員或飛行員根據(jù)圖譜和生理指標(biāo)調(diào)整自己的呼吸頻率和呼吸幅 度；
(7) 教員通過鼠標(biāo)和鍵盤對顯示圖譜進行調(diào)節(jié)，并控制邊燈信號；
(8) 航天員或飛行員在邊燈亮?xí)r控制手柄將其熄滅。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的胸背向過載訓(xùn)練系統(tǒng)的實施方式做出詳細說明。
圖1所示的是一種胸背向過載呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，包括監(jiān)控系統(tǒng)101、 生理信號測量系統(tǒng)102、模擬壓力系統(tǒng)IIO、加載重物塊lll、座椅113和交互 監(jiān)視器114。生理信號測量系統(tǒng)102包括電源開關(guān)105、電源指示燈106、電量 指示107、邊燈接口 108、手柄接口 109、邊燈116和手柄112。交互監(jiān)視器114 還包括支架115。航天員或飛行員貼好電極片后，躺入座椅113，教員在航天員 或飛行員胸、腹部放好模擬壓力系統(tǒng)110，然后再放上加載重物塊lll，電極線104攜帶電極片，將人體生理信號傳送到生理信號測量系統(tǒng)102，生理信號測量 系統(tǒng)102通過USB連接線103將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)字生理信號傳送給監(jiān)控系統(tǒng)101 進行處理，教員對實時顯示的生理指標(biāo)和圖譜進行監(jiān)視，并對航天員或飛行員 提出呼吸對抗動作要求，航天員或飛行員一面觀看交互監(jiān)視器上的波形根據(jù)要 求調(diào)整呼吸幅度和頻率， 一面在邊燈116點亮?xí)r操作手柄112將邊燈116熄滅。
如圖2所示，模擬壓力系統(tǒng)110包括胸部模擬壓力裝置201、腹部模擬壓力 裝置202、軟連接203和重物塊固定螺栓206;加載重物塊包括胸部重物塊204 和腹部重物塊205，胸部重物塊204分為lkg、 2kg和5kg三種，各4塊，形狀 與胸部模擬壓力裝置相同，厚度不同，腹部重物塊205也分為lkg、 2kg和5kg 三種，各4塊，形狀與腹部模擬壓力裝置202相同，厚度不同。胸部和腹部加 載重物塊的質(zhì)量可分別從lkg到32kg進行調(diào)節(jié)。
如圖3所示，生理信號測量系統(tǒng)102的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)包括兩導(dǎo)肌電、兩導(dǎo) 心電、兩導(dǎo)呼吸、 一導(dǎo)皮阻和一導(dǎo)皮溫的采集電路，并包括邊燈322和手柄控 制323，以及CAN總線通信收發(fā)器326。肌電電極301、 302上的信號通過前置 放大器307放大后，通過高通濾波電路308、低通濾波電路331后，由第一主放 大器309進行放大，所得到的模擬信號通過微控制器324的集成AD進行采樣 得到兩導(dǎo)肌電信號；心電電極303上的信號通過前置放大器332放大后，通過 高通濾波電路333、低通濾波電路334后，由第二主放大器335進行放大，所得 到的模擬信號通過微控制器324的集成AD進行采樣得到兩導(dǎo)心電的數(shù)字信號; 皮溫傳感器304上的信號通過測量電橋310后進入輸入放大器311，然后由第三 主放大器312放大后所得到的模擬信號通過微控制器324的集成AD進行采樣 得到皮溫的數(shù)字信號；呼吸電極305和306上的信號分別由50kHz激勵信號313 和150kHz激勵信號316激勵后，分別由放大檢波電路314和318放大后輸入到 濾波放大電路315和319，所得到的模擬信號通過微控制器324的集成AD進行 采樣得到兩導(dǎo)呼吸的數(shù)字信號，呼吸信號采集電路還包括自動回零電路317;皮阻電極307上的信號由直流激勵源320生成，由信號檢測電路321檢測得到的 模擬信號通過微控制器324的集成AD進行采樣得到皮阻的數(shù)字信號。以上共8 路數(shù)字信號由微控制器324通過CAN收發(fā)器326發(fā)送至上位機，微控制器324 和CAN收發(fā)器326之間通過光耦325進行光電隔離。
上述方式只是本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言， 在本發(fā)明公開的胸背向過載訓(xùn)練系統(tǒng)基礎(chǔ)上，很容易想到將其應(yīng)用于其它過載 訓(xùn)練系統(tǒng)，而不僅限于本發(fā)明具體實施方式
所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此前面描述的 方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1、呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，含有模擬壓力部、生理信號采集處理部和微控制器，其中模擬壓力部，包括胸部加載裝置、腹部加載裝置、胸部加載砝碼和腹部加載砝碼，其中胸部加載裝置，下表面具有人體胸廓形狀，與胸部接觸表面粘接柔性材料，所述胸部加載砝碼用螺栓固定在所述胸部加載裝置上表面；腹部加載裝置，下表面具有人體腹部形狀，表面粘接柔性材料，所述腹部加載砝碼用螺栓固定在所述腹部加載裝置上表面；生理信號采集處理部，含有肌電信號采集處理器、心電信號采集處理器、皮溫信號采集處理器、呼吸信號采集處理器，以及皮阻信號采集處理器，其中肌電信號采集處理器，含有兩對肌電電極、輸入端和所述兩對肌電電極的輸出端相連的第一前置放大器、輸入端和所述第一前置放大器輸出端相連的第一高通濾波電路、輸入端和所述第一高通濾波電路輸出端相連的第一低通濾波電路、以及輸入端和所述第一低通濾波電路輸出端相連的第一主放大器；心電信號采集處理器，含有兩對心電電極、輸入端和所述兩對心電電極的輸出端相連的第二前置放大器、輸入端和所述第二前置放大器輸出端相連的第二高通濾波電路、輸入端和所述第二高通濾波電路輸出端相連的第二低通濾波電路、以及輸入端和所述第二低通濾波電路輸出端相連的第二主放大器；皮溫信號采集處理器，含有依次串聯(lián)的皮溫傳感器、測量電橋、輸入放大器和第三主放大器；呼吸信號采集處理器，含有第一對呼吸電極、第二對呼吸電極、50KHz激勵信號輸出電路、第一放大檢波電路、第一濾波放大電路、150KHz激勵信號輸出電路、第二放大檢波電路、第二濾波放大電路和自動回零電路，其中第一對呼吸電極，輸入端和所述50KHz激勵信號輸出電路的第一輸出端相連，輸出端和所述第一放大檢波電路的第一輸入端相連，第一放大檢波電路，第二輸入端和所述50KHz激勵電路的第二輸出端相連，第一濾波放大電路，輸入端和所述第一放大檢波電路的輸出端相連，第二對呼吸電極，輸入端和所述150KHz激勵信號輸出電路的第一輸出端相連，輸出端和所述第二放大檢波電路的第一輸入端相連，第二放大檢波電路，第二輸入端和所述150KHz激勵信號輸出電路的第二輸出端相連，第二濾波放大電路，輸入端和所述第二放大檢波電路的輸出端相連，自動回零電路，第一輸入端和所述第一濾波放大電路的輸出端相連，第二輸入端和所述第二濾波放大電路的輸出端相連，所述自動回零電路的控制信號輸出端同時與所述第一濾波放大電路、第二濾波放大電路這兩個濾波放大電路的控制信號輸入端相連，皮阻信號采集處理器，含有一對皮阻電極、直流激勵電源和信號檢測電路，所述一對皮阻電極的輸入端與所述直流激勵電源的輸出端相連，所述一對皮阻電極的輸出端與所述信號檢測電路的輸入端相連；微控制器，集成有A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器的各輸入端分別與所述第一主放大器、第二主放大器、第三主放大器、第一濾波放大電路、第二濾波放大電路以及信號檢測電路的各對應(yīng)輸出端相連，所述微控制器輸出的各數(shù)字信號經(jīng)CAN收發(fā)器發(fā)送至上位機，所述微控制器和CAN收發(fā)器之間有一個光電隔離電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述胸部 加載砝碼和所述腹部加載砝碼各分為5kg、 2kg和lkg三種規(guī)格。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述肌電 信號采集電處理器的信號總增益為300 2200，分辨率為12bit;所述心電信號采集處理器的總增益為37.5-300，分辨率為12bit;所述皮溫信號采集處理器的總增益為80，分辨率為12bit，測溫范圍為0 60°C,全程精度土0.2X:， 25 45。C之間精度土0.rC;所述呼吸信號采集處理器的激勵源使用運放產(chǎn)生50kHz和150kHz振蕩信 號，呼吸信號采集處理器總增益為100，分辨率為12bit;所述皮阻信號采集處理器利用加直流恒流源測量電壓的方式來測量皮阻， 測量范圍為0 500kf2。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，還包括與 所述微控制器相連的邊燈，其用于測試被試者的反應(yīng)速度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，還包括胸 部加載裝置與腹部加載裝置之間的連接裝置。
全文摘要
呼吸動作反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，該裝置含有模擬壓力系統(tǒng)，包括胸部加載裝置、腹部加載裝置、胸部加載砝碼和腹部加載砝碼；生理信號采集處理系統(tǒng)，包括肌電信號采集處理器、心電信號采集處理器、皮溫信號采集處理器、呼吸信號采集處理器和皮阻信號采集處理器；微控制器采集肌電、心電、皮溫、呼吸以及皮阻信號后經(jīng)CAN收發(fā)器發(fā)送給上位機處理。本發(fā)明具有使用方便、安全系數(shù)高等優(yōu)點。
文檔編號A63B23/00GK101612466SQ20091009004
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者斌 吳, 萍 吳, 李路明, 胡春華, 谷志明, 郝紅偉, 馬伯志 申請人:清華大學(xué)