一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，包括信号采集垫子、挠性连接管和微差压传感器；所述信号采集垫子覆盖在床架的上表面，所述挠性连接管伸展在所述床架与信号采集垫子之间，所述挠性连接管的一端封闭，所述挠性连接管的另一端自由设置，所述挠性连接管的自由端与微差压传感器相连。优点是：微差压传感器通过一种新的无创空气压力生命体征测量方法，检测受试者的心率、呼吸、肢体运动以及咳嗽动作，避免了现有技术中采用高灵敏度传感器导致的饱和恢复时间长、动态范围窄、噪声水平高以及信号噪声比低等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统
本专利技术涉及生命体征信号采集
，尤其涉及一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统。
技术介绍
2019年至2020年，新型冠状病毒COVID-19的爆发凸显了远程医疗的重要性。在医疗中心的家庭和酒店等非医疗机构，远程监测卧床患者的心率、呼吸、翻身、咳嗽等生命体征，方便医疗专业人员找到急诊患者。在这种远程医疗中使用的设备必须是自动的，患者只需躺在床上。目前已经提出了有关这种床传感的各种传感方法和系统，包括对呼吸或呼吸暂停、心率和睡眠阶段的无创监测。加速度计已被用于呼吸暂停的实时检测和家庭健康监测。纳米纤维应变传感器和织物薄片已被用于心率监测和床上测量生理和行为信号。使用连续波多普勒雷达评估睡眠阶段。增强了接近生命体征的敏感性。采用柔性触觉传感器阵列研究胸部和腹部在不同卧位下的呼吸运动，并报道了用于无干扰睡眠监测的压力传感器阵列智能垫系统。目前存在一种空气压力检测方法，可以方便测量卧床患者的心率、呼吸、肢体运动、咳嗽和抓挠等动作。这种方法对电磁学也是无创的。此外，作者还应用此方法来评估睡眠阶段。该方法采用对电容式麦克风传感器进行改进而研制的高敏感性压力传感器。该传感器可以测量到2×10-5Pa到1.0Pa的声压。实际频率范围为0.024Hz(规范保证频率为0.5Hz)至10kHz。详细研究了作为敏感压力传感器的传声器和有效操作传感器的前置放大器的结构和特性。但是，压力传感器的敏感性比麦克风传感器的敏感性弱，但由于麦克风传感器的改进使用，其敏感性导致存在固有问题。首先，敏感性高，容易饱和，动态范围窄。其次，电容式麦克风传感器是电容传感器的一种，具有两个实现电容的电极。其中一个电极是一个永久带电的驻极体薄膜，宽度约为25μm，面临声压。当一个人坐在空气管或气垫上时，其内部的压力上升到几千帕，推动和弯曲麦克风电极接触另一个电极。驻极体薄膜具有很小的漏孔，以避免因高压突变而导致损坏，漏孔的大小决定了截止频率。截止频率与孔的大小成正比。在0.05Hz时，孔非常小，例如1.88×10-9m2的横截面积。驻极体薄膜在气管或气垫中因高压而弯曲，由于空气流过孔板而逐渐恢复形状，使薄膜两侧的压力相等。例如，当截止频率为0.05Hz时，时间常数约为1/(2π×0.05)＝3.2s，从膜饱和状态恢复需要很长时间。当压力超过一定值时，传声器会失去大约3.2秒的压力感应，从而产生不必要的生物测量值。而且，在这种饱和状态下的信号噪声比比普通声学麦克风中使用的信号噪声比差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，包括信号采集垫子、挠性连接管和微差压传感器；所述信号采集垫子覆盖在床架的上表面，所述挠性连接管伸展在所述床架与信号采集垫子之间，所述挠性连接管的一端封闭，所述挠性连接管的另一端自由设置，所述挠性连接管的自由端与微差压传感器相连；所述微差压传感器包括控制器、壳体和部分位于所述壳体内部的毛细导管，所述毛细导管的两端接头均伸出所述壳体，且所述毛细导管的一端与所述挠性连接管的自由端连通；所述控制器设置在所述壳体内部，位于所述壳体内部的毛细导管内部设置有加热器和热传感器，所述加热器和所述热传感器均与所述控制器相连；所述微差压传感器通过热流量法检测受试者的生命体征；所述热流量法具体为，所述毛细导管内的热气流流量与所述挠性连接管所受的压力成正比；当受试者躺在信号采集垫子上挤压挠性连接管时，受试者的体重向挠性连接管内的空气加压，过渡一段时间后，作用于挠性连接管的内外压力达到平衡，即挠性连接管内外的压力差为零；过渡之后只有受试者的肢体运动通过生命头正振动信号冲击挠性连接管，使挠性连接管在零水平附近产生差压，通过挠性连接管产生的差压即可获取毛细导管内的热气流流量信号。优选的，由于受试者的生命体征振动缓慢，流经毛细导管的热气流缓慢且可被视为层流，因此，可将Hagen–Poiseuille方程应用于流动现象，并可导出流动阻力。优选的，所述毛细导管的流动阻力计算如下，其中，rf为毛细导管的流动阻力；r为毛细导管的半径；μ为粘度系数；l为毛细导管的长度；根据Hagen–Poiseuille方程，得到，其中，q为通过挠性连接管的流量；pe为挠性连接管的管内压力；po为挠性连接管的管外压力；Δp为挠性连接管的管内外压差；根据理想气体定律，得出定义内压下降时间常数如下，其中，A为挠性连接管的横截面积；L为挠性连接管的长度；AL为挠性连接管的体积；C为1mol空气的体积；Ta为绝对温度；T为内压下降时间常数；R为气体常数；利用内压下降时间常数即可获取通过挠性连接管的流量q和挠性连接管的管内外压差Δp对挠性连接管的管内压力pe的传递函数分别为，其中，s表示信号分离的波形特性指数，s＝i2πf，i为虚数；f为波形频率；由于挠性连接管的管内外差压Δp是挠性连接管的管内压力pe的阶梯函数，且内压下降时间常数为T，则其中，t表示从信号传递函数获得实感响应的时间。本专利技术的有益效果是：1、微差压传感器通过一种新的无创空气压力生命体征测量方法，检测受试者的心率、呼吸、肢体运动以及咳嗽动作，避免了现有技术中采用高灵敏度传感器导致的饱和恢复时间长、动态范围窄、噪声水平高以及信号噪声比低等问题。2、微差压传感器具有饱和恢复快、动态范围宽、噪声低以及信号噪声比高等特点，可以稳定地应用于高精度宽范围的生命体征测量。附图说明图1是微差压传感器生命体征采集系统的结构示意图；图2是血液脉动对挠性连接管的作用示意图；图3是热流量法测量温差的原理示意图；图4是实施例二中对比实验的实验装置示意图；图5是向管中注入1cc空气时，麦克风传感器和微差压传感器的压力响应示意图；图6是使用心电图放大器、麦克风传感器和微差压传感器同时测量受试者生命信号的实验装置示意图；图7受试者仰卧休息的麦克风传感器和微差压传感器的压力响应示意图；图8受试者仰卧床上的麦克风传感器和微差压传感器的压力响应示意图；图9是受试者在床上咳嗽的麦克风传感器和微差压传感器的压力响应示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例一如图1至图3所示，本实施例中，提供了一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，包括信号采集垫子、挠性连接管和微差压传感器；所述信号采集垫子覆盖在床架的上表面，所述挠性连接管伸展在所述床架与信号采集垫子之间，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，其特征在于：包括信号采集垫子、挠性连接管和微差压传感器；所述信号采集垫子覆盖在床架的上表面，所述挠性连接管伸展在所述床架与信号采集垫子之间，所述挠性连接管的一端封闭，所述挠性连接管的另一端自由设置，所述挠性连接管的自由端与微差压传感器相连；所述微差压传感器包括控制器、壳体和部分位于所述壳体内部的毛细导管，所述毛细导管的两端接头均伸出所述壳体，且所述毛细导管的一端与所述挠性连接管的自由端连通；所述控制器设置在所述壳体内部，位于所述壳体内部的毛细导管内部设置有加热器和热传感器，所述加热器和所述热传感器均与所述控制器相连；/n所述微差压传感器通过热流量法检测受试者的生命体征；所述热流量法具体为，/n所述毛细导管内的热气流流量与所述挠性连接管所受的压力成正比；当受试者躺在信号采集垫子上挤压挠性连接管时，受试者的体重向挠性连接管内的空气加压，过渡一段时间后，作用于挠性连接管的内外压力达到平衡，即挠性连接管内外的压力差为零；过渡之后只有受试者的肢体运动通过生命头正振动信号冲击挠性连接管，使挠性连接管在零水平附近产生差压，通过挠性连接管产生的差压即可获取毛细导管内的热气流流量信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，其特征在于：包括信号采集垫子、挠性连接管和微差压传感器；所述信号采集垫子覆盖在床架的上表面，所述挠性连接管伸展在所述床架与信号采集垫子之间，所述挠性连接管的一端封闭，所述挠性连接管的另一端自由设置，所述挠性连接管的自由端与微差压传感器相连；所述微差压传感器包括控制器、壳体和部分位于所述壳体内部的毛细导管，所述毛细导管的两端接头均伸出所述壳体，且所述毛细导管的一端与所述挠性连接管的自由端连通；所述控制器设置在所述壳体内部，位于所述壳体内部的毛细导管内部设置有加热器和热传感器，所述加热器和所述热传感器均与所述控制器相连；
所述微差压传感器通过热流量法检测受试者的生命体征；所述热流量法具体为，
所述毛细导管内的热气流流量与所述挠性连接管所受的压力成正比；当受试者躺在信号采集垫子上挤压挠性连接管时，受试者的体重向挠性连接管内的空气加压，过渡一段时间后，作用于挠性连接管的内外压力达到平衡，即挠性连接管内外的压力差为零；过渡之后只有受试者的肢体运动通过生命头正振动信号冲击挠性连接管，使挠性连接管在零水平附近产生差压，通过挠性连接管产生的差压即可获取毛细导管内的热气流流量信号。


2.根据权利要求1所述的基于热流量测量法的微差压传感式生命体征采集系统，其特征在于：由于受试者的生命体征振动缓慢，流经毛细导管的热气流缓慢且可被视为层流，因此，可将Hag...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋军，渡边嘉二郎，孙京航，
申请(专利权)人：苏州森斯微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32