一种呼吸信号处理方法技术

本发明专利技术公开了一种呼吸信号处理方法，包括以下步骤：Ａ、通过特定的呼吸电路获取呼吸生理信号，ＡＤ采集得到呼吸数字信号，并对该信号进行数据预处理；Ｂ、对预处理后的呼吸信号进行频谱转换得到其频域分布；Ｃ、根据呼吸信号的生理参数特征进行是否窒息判断；Ｄ、引入心脏活动生理参数，分析呼吸信号的频谱分布，进行是否受到心脏活动干扰的判断；Ｅ、对呼吸波形频域能量包络分析，寻找正确的谱峰，将该谱峰对应的频率点转换为呼吸率，并综合历史呼吸率的值得到当前的呼吸率值。本发明专利技术的处理方法可最大限度的提高呼吸率计算结果准确性和稳定性大幅提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其涉及一种利用频谱法对呼吸时域波形进行转换，对波形频谱能量分布进行分析以达到去除干扰，提高呼吸检测的稳定性和准确性 的呼吸信号处理方法。
技术介绍
现有呼吸测量装置常使用一种基于阻抗法的测量方法来获得呼吸波信号。人体呼 吸运动时，胸壁肌肉交变张驰，胸廓交替变形，胸腔的电阻抗也随之交替变化，通过检测电 阻抗的微小变化，就可以得到呼吸的变化。实际的呼吸测量过程一般是借助体表心电信号 检测中贴在体表特定位置的电极将高频载波信号施加到人体胸腔，通过它可以把胸腔的呼 吸变化引起的微小阻抗变化调制到高频载波信号上，然后经过一系列电路对这个载波信号 进行放大、检波、解调等，就可以得到模拟的呼吸信号，再经过A/D转换得到数字的呼吸信 号，最后运用呼吸算法计算出呼吸检测参数呼吸率及窒息报警信息。平静呼吸时，新生儿的呼吸率是30 70BPM(Beats Per Minute)，成人的是12 30BPM，但是如果考虑异常情况，一般要求呼吸检测范围是8 120BPM，个别可高达150BPM。 于是可以得到该呼吸率检测范围所对应的呼吸波的频率为0. 125 2. 5Hz。目前市场上呼吸检测的方法主要采用波形法，该方法通过一段时间内波形的平均 值(即基线值)，来判定当前呼吸波处于上升或下降趋势，用极值的方法求得波形的波峰、 波谷。根据一定的阈值条件来判定有效的波峰或波谷，再根据有效波峰或波谷的周期计算 波形周期，从而得到呼吸率；并且根据一段时间内波形的幅度平均值大小来进行呼吸窒息 判断。虽然波形法的计算过程具有比较直观、运算量小的优点，但在实际临床过程中发 现当病人躁动导致波形紊乱时，经常有效波形周期找不准，导致计算呼吸率错误；阻抗法 检测获得呼吸波形的原理，由于必须共用心电电极片，会受到心电活动的影响(即心动干 扰Cardiovascular Artifact)，获取的呼吸波形或多或少会受到心电波形的干扰，尤其当 病人熟睡时安静呼吸、心电电极片的位置不佳或短暂的呼吸阻塞时，呼吸波形在时域可能 夹杂着很强的心动干扰甚至完全被心电干扰淹没，此时波形法无法正确区分心动干扰波形 和呼吸波形；当波形出现基线漂移时，由于上述方法计算的基线值无法很快更新，会导致波 形漏检致使呼吸率值偏低。总之，利用波形法进行呼吸检测的抗扰能力不强，无法准确地判 定心动干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服波形法这种现有技术的不足，提供一种准确性高、稳定 性好的呼吸信号处理方法。为解决上述的技术问题，本专利技术的构思为常规的呼吸检测方法都是对呼吸的时 域波形进行分析，本专利技术从另外一种角度_频域对呼吸信号进行分析。波形的频域分布往往有许多时域观察不到的特征，尤其像呼吸波形具有周期性，其频域会在相应的频率处出 现能量强度很大的谱峰。同样在时域无法辨识的呼吸波形和干扰波形，在频域也会在不同 的频率点出现谱峰。从而把时域对呼吸波形和干扰波形的分离转换为频域的不同谱峰的分 离，后者更易实现且准确。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案A、通过特定的呼吸电路获取呼吸生理信号，AD采集得到呼吸数字信号，并对该信 号进行带通 滤波的数据预处理；B、对预处理后的呼吸信号进行频谱转换得到其频域分布；C、根据呼吸信号的生理参数特征进行是否窒息判断。D、引入心脏活动生理参数，分析呼吸信号的频谱分布，进行是否受到心脏活动干 扰(即心动干扰)的判断；E、对呼吸波形频域能量包络进行分析，寻找正确的谱峰，将该谱峰对应的频率点 转换为呼吸率，并综合历史呼吸率的值得到当前的呼吸率值。上述方案中，步骤A所述的带通滤波器包括双向IIR滤波器或无乘法椭圆IIR滤 波器。上述方案中，步骤B所述的将呼吸信号进行频域转换的方法包括傅立叶变换、小 波变换或希尔伯特变换。上述方案中，步骤B所采用的常用频域转换方法之一傅立叶变换包括快速傅立叶 变换(FFT)或线性调频Z变换(CZT)。上述方案中，获得呼吸信号的频域分布后，如步骤C首先设置呼吸频谱能量阈值 以及时域的呼吸波形幅度限值条件，呼吸信号在一段时间内频谱能量最大值小于设定的频 域能量阈值线且时域幅度小于时域阈值线则判定呼吸信号窒息。该方法综合时域和频域的 条件来判定呼吸波形是否窒息，以提高呼吸窒息检测的准确性。上述方案中，步骤D引入的心脏活动生理参数包括心率值或脉率值。对非窒息波形进行是否受心动干扰判断，方法为，求得呼吸频谱能量的最大值和 次大值，若其对应的呼吸率的值在当前的心率值/或脉率值的设定范围内，则判定呼吸波 形受到不同程度的心动干扰，计算呼吸率值时剔除该频率点，从而提高呼吸检测抗心动干 扰的能力。剔除心动干扰后，实施步骤E，该步骤还包括a.求呼吸频谱能量的极大值点确定若干个谱峰。b.对步骤a求得的谱峰进行分析，根据各个谱峰的能量大小比例、谱峰对应的呼 吸率值和历史呼吸率值的大小比例来确定一个正确的谱峰，并将其对应的频率点转换为呼 吸率。c.把步骤b计算所得的呼吸率值和历史呼吸率值做加权平均，获得当前的呼吸率 的值。采用上述的技术方案，可以比较直观有效地去除心动干扰的影响，提高窒息判断 的可靠性，频域更容易分离干扰信号和正常的呼吸信号，再加入利用历史呼吸率对谱峰的 判断，这些均可提高呼吸检测的抗干扰性，提高呼吸检测的稳定性和准确性。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2是正常呼吸的呼吸数据；图3是本专利技术处理正常呼吸数据得到的呼吸率的结果图；图4是呼吸中含有较大的心动干扰的呼吸数据；图5是本专利技术处理含有较大的心动干扰的呼吸数据得到的呼吸率的结果图；图6是病人躁动时获得的呼吸数据；图7是本专利技术处理病人躁动时的呼吸数据得到的呼吸率的结果图；图8是呼吸中含有较大干扰的呼吸数据；图9是本专利技术处理含有较大干扰呼吸数据得到的呼吸率的结果图。 具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行进一步详细的说明。用于呼吸信号测量的监护设备主要包括上位机和下位机，下位机主要是通过硬件 电路来获取呼吸数据，上位机主要是接受来自下位机的数据，显示呼吸波形、呼吸率以及窒 息报警信息。本专利技术主要在下位机中实现，若下位机单片机计算能力不足，本
技术实现思路
可移 植至上位机中实现。该方法的计算流程如图1所示，其主要步骤包括A、对呼吸数字信号进行带通滤波数据预处理；B、对预处理后的呼吸信号进行频谱转换得到其频域分布；C、设定呼吸信号频域能量阈值线和呼吸信号时域波形幅度阈值线，呼吸信号在一 段时间内频谱能量最大值小于设定的频域能量阈值线且时域波形幅度小于时域阈值线则 判定呼吸信号窒息。D、利用呼吸频谱能量的最大值和次大值对应的呼吸率值和当前的心率值(但不 限于)限定条件来判定呼吸波形是否存在心动干扰。E、对呼吸波形频域能量包络分析，寻找正确的谱峰，将该谱峰对应的频率点转换 为呼吸率，把该呼吸率和历史呼吸率的值做平均加权获取当前的呼吸率的值。本专利技术实例中步骤A所用的带通滤波器为无乘法IIR滤波器(但不限于)。本专利技术实例中步骤B涉及的频谱转换的方法使用线性调频Z变换(Chirp Z-Transform，CZT)(但不限于)。其理论推导如下已知χ (η) (0≤η≤Ν-1)是有限长序列，其Z变换为 为了适应ζ可以沿ζ平面更一般的路径取值，所以沿ζ平面上的一段螺线作等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种呼吸信号处理方法，包括以下步骤：Ａ、通过特定的呼吸电路获取呼吸生理信号，ＡＤ采集得到呼吸数字信号，并对该信号进行数据预处理；Ｂ、对预处理后的呼吸信号进行频谱转换得到其频域分布；Ｃ、根据呼吸信号的生理参数特征进行是否窒息判断；Ｄ、引入心脏活动生理参数，分析呼吸信号的频谱分布，进行是否受到心脏活动干扰（即心动干扰）的判断；Ｅ、对呼吸波形频域能量包络进行分析，寻找正确的谱峰，将该谱峰对应的频率点转换为呼吸率，并综合历史呼吸率的值得到当前的呼吸率值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鎏，王敏，王红春，
申请(专利权)人：深圳市理邦精密仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]