用于確定對(duì)象的呼吸信號(hào)的處理裝置和處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于確定對(duì)象的呼吸信號(hào)的處理裝置和處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 呼吸率已被證明是對(duì)患者的狀況的惡化的良好指示物。與其他生命體征相組合， 呼吸率在早期預(yù)警系統(tǒng)中起重要作用。因此，存在著對(duì)于在醫(yī)院的重癥監(jiān)護(hù)單元中對(duì)呼吸 信號(hào)的連續(xù)且可靠的監(jiān)測(cè)的需要，呼吸率從呼吸信號(hào)提取的。類似的需要存在于醫(yī)院的普 通病房環(huán)境以及家庭健康護(hù)理應(yīng)用中，例如在遠(yuǎn)程醫(yī)療和慢性病管理中。
[0003] 盡管這對(duì)重癥監(jiān)護(hù)患者而言，對(duì)呼吸信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)可在床邊獲得，但正開發(fā)出 各種便攜式傳感器系統(tǒng)，以允許以最小的不舒適度，對(duì)普通病房中的和家庭健康護(hù)理環(huán)境 中的移動(dòng)患者的呼吸信號(hào)的非侵?jǐn)_式且持續(xù)時(shí)間久的測(cè)量和監(jiān)測(cè)。
[0004] 呼吸監(jiān)測(cè)能夠基于不同原理:對(duì)呼吸努力的測(cè)量，例如胸腔阻抗容積描記、呼吸感 應(yīng)性容積描記、加速度計(jì)、光容積描記、或者對(duì)呼吸效果的測(cè)量，例如聲音記錄、溫度感測(cè)、 二氧化碳感測(cè)。一些傳感器已完善地建立以監(jiān)測(cè)呼吸。例如在重癥監(jiān)護(hù)單元中，胸腔阻抗容 積描記是所選擇的方法，而在睡眠研究中，呼吸感應(yīng)性容積描記，常常被稱作呼吸帶或 respiband，也是常用的。針對(duì)能走動(dòng)的患者，例如在普通病房或家庭健康護(hù)理中的，這些傳 感器有局限性。例如，醫(yī)學(xué)人員和患者兩者都認(rèn)為呼吸帶太侵?jǐn)_且笨重。
[0005] 基于多軸加速度計(jì)的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了這些缺點(diǎn)。多軸加速度計(jì)是測(cè)量多個(gè)感 測(cè)軸上的加速度的設(shè)備。通過利用不同的感測(cè)軸評(píng)價(jià)因重力產(chǎn)生的加速度，加速度計(jì)能夠 被用作測(cè)斜儀。加速度計(jì)被應(yīng)用于對(duì)象的腹部或胸部。所測(cè)量的時(shí)變傾斜反映因呼吸引起 的腹部或胸部移動(dòng)。該技術(shù)要求可靠的信號(hào)處理，以實(shí)現(xiàn)在患者的不同條件和姿勢(shì)下的可 靠監(jiān)測(cè)。
[0006] 運(yùn)動(dòng)偽影是患者監(jiān)測(cè)中周知的問題。運(yùn)動(dòng)偽影指因患者的身體活動(dòng)，例如姿勢(shì)改 變、移動(dòng)和行走，造成的對(duì)生理信號(hào)的污染和測(cè)量質(zhì)量的劣化。運(yùn)動(dòng)偽影在普通病房環(huán)境中 比在重癥監(jiān)護(hù)單元環(huán)境中更為顯著，因?yàn)槠胀ú》凯h(huán)境中的患者一般具有更多移動(dòng)活動(dòng)模 式，并且大多數(shù)時(shí)間是在沒有持續(xù)護(hù)理監(jiān)管的情況下被監(jiān)測(cè)的，因此缺乏對(duì)身體活動(dòng)的存 在和測(cè)量背景的認(rèn)識(shí)。當(dāng)在家庭健康護(hù)理環(huán)境中監(jiān)測(cè)患者時(shí)，該問題變得甚至更嚴(yán)重。
[0007] 因此，如果多軸加速度計(jì)被用于在能走動(dòng)的條件下（例如家庭健康護(hù)理或普通病 房)測(cè)量呼吸率，則加速度計(jì)信號(hào)不僅因人的呼吸而改變，而且加速度計(jì)信號(hào)也受并非因呼 吸運(yùn)動(dòng)引起的不想要的運(yùn)動(dòng)影響。
[0008] 具有不同于呼吸頻率的頻率分量的運(yùn)動(dòng)偽影能夠通過在頻域上的直接濾波而被 抑制。然而，這些不想要的運(yùn)動(dòng)中的一些一一它們可能具有在與呼吸相同范圍內(nèi)的頻率分 量，即0.1 Hz至2Hz或者每分鐘6次呼吸至每分鐘120次呼吸，不能利用具有固定頻率響應(yīng)的 濾波器來抑制。
[0009] US 2012/0296221 Al公開了一種用于使用加速度計(jì)來確定呼吸信號(hào)的方法和裝 置。評(píng)價(jià)加速度計(jì)信號(hào)的向量幅度，以識(shí)別對(duì)加速度信號(hào)的任意不想要的或非呼吸運(yùn)動(dòng)貢 獻(xiàn)。針對(duì)靜止（即非移動(dòng)）的多軸加速度計(jì)，向量幅度總是相同的，不論傳感器的取向如何。 如果三軸加速度計(jì)的中心點(diǎn)的位置因全身移動(dòng)（例如行走)而改變，然而，這除了重力產(chǎn)生 的加速度以外還產(chǎn)生額外的慣性加速度分量。識(shí)別非呼吸的、慣性運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)并然后將其用 于從加速度計(jì)信號(hào)的中的至少一個(gè)抑制和自適應(yīng)地對(duì)該不想要的運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)進(jìn)行濾波。根據(jù) 至少一個(gè)經(jīng)濾波的加速度計(jì)信號(hào)，可靠地且準(zhǔn)確地表示對(duì)象的呼吸的呼吸信號(hào)被確定。 [0010] US 2011/0066041 Al公開了一種呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括：用于應(yīng)用到胸部的加速度 計(jì)，其中加速度可能有是非呼吸身體運(yùn)動(dòng)和呼吸兩者產(chǎn)生的；以及電子電路，其對(duì)來自加速 度計(jì)的加速度信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，并且能從加速度信號(hào)分離心臟信號(hào)、呼吸信號(hào)、以及實(shí)質(zhì)上非 呼吸的身體運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
[0011] US 2011/0021928 Al公開了確定和監(jiān)測(cè)個(gè)體的呼吸模式、呼吸率、其他心肺參數(shù) 或它們的變型的無創(chuàng)方法和系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，單個(gè)、微型且胸部穿戴的加速度計(jì)被用于 捕獲呼吸相關(guān)性參數(shù)。
[0012] WO 2013/106700 Al公開了用于使用多尺度度量來確定精神和身體健康的系統(tǒng)和 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種可靠地確定呼吸信號(hào)的備選處理裝置和處理方法。有利 地，對(duì)呼吸信號(hào)的確定涉及低功耗的有限的計(jì)算量，并且提供對(duì)呼吸信號(hào)的快速初始讀取， 例如，在輻射在患者上的附著之后或在移動(dòng)偽影已出現(xiàn)之后。
[0014] 在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的呼吸信號(hào)的處理裝置，其被 配置為執(zhí)行以下步驟:獲得描述呼吸移動(dòng)的移動(dòng)信號(hào)，基于所獲得的移動(dòng)信號(hào)確定描述旋 轉(zhuǎn)軸/旋轉(zhuǎn)角的第一量，并且基于所述第一量和旋轉(zhuǎn)模型來估計(jì)旋轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角，其中， 所述旋轉(zhuǎn)模型將所述呼吸移動(dòng)建模為繞單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。
[0015] 在本發(fā)明的另一方面中，提出了一種用于確定對(duì)象的呼吸信號(hào)的處理方法，其包 括以下步驟:獲得描述呼吸移動(dòng)的移動(dòng)信號(hào)，基于所獲得的移動(dòng)信號(hào)確定描述旋轉(zhuǎn)軸/旋轉(zhuǎn) 角的第一量，并且基于所述第一量和旋轉(zhuǎn)模型來估計(jì)旋轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角，其中，所述旋轉(zhuǎn) 模型將所述呼吸移動(dòng)建模為繞單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。
[0016] 在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于測(cè)量對(duì)象的呼吸信號(hào)的呼吸監(jiān)測(cè)器，其包 括用于測(cè)量描述呼吸移動(dòng)的移動(dòng)信號(hào)的傳感器，以及前面提到的用于確定對(duì)象的呼吸信號(hào) 的處理裝置。
[0017] 在本發(fā)明的又另外的方面，提供:一種包括程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序，所述程序 代碼單元用于，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，令所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行本文中公開的方 法的各步驟；以及一種其中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，所述計(jì) 算機(jī)程序產(chǎn)品當(dāng)被處理器運(yùn)行時(shí)，使本文中公開的所述方法被執(zhí)行。
[0018] 在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，要求保護(hù)的處理方法、 呼吸監(jiān)測(cè)器、計(jì)算機(jī)程序以及記錄介質(zhì)具有與要求保護(hù)的處理裝置和如在從屬權(quán)利要求中 限定的相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0019] 利用根據(jù)本發(fā)明的一方面的所述處理裝置，能夠以可靠且計(jì)算高效的方式來確定 對(duì)象的呼吸信號(hào)。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，作為備選方案而通過評(píng)價(jià)除重力產(chǎn)生的加速度以外的 慣性加速度分量，從其識(shí)別非呼吸運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)，并然后執(zhí)行自適應(yīng)濾波用于濾除不想要的運(yùn) 動(dòng)貢獻(xiàn)，來識(shí)別不想要的運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)，有可能基于旋轉(zhuǎn)模型估計(jì)旋轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角，其中，旋 轉(zhuǎn)模型將呼吸移動(dòng)建模為繞單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。能夠通過以小旋轉(zhuǎn)角繞單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn) 移動(dòng)來描述呼吸移動(dòng)。本發(fā)明人的研究已顯示，旋轉(zhuǎn)通常能夠被描述為直到±1或2度的微 旋轉(zhuǎn)。
[0020] 本文中使用的術(shù)語"移動(dòng)信號(hào)"涉及描述呼吸移動(dòng)的信號(hào)。這樣的移動(dòng)信號(hào)能夠使 用多軸加速度計(jì)來采集，尤其是可商業(yè)獲得的三軸加速度計(jì)，例如Bosch BMA355、ST Microelectronics LIS3DSH或ST Microelectronics LIS344ALH。備選地，多軸陀螺儀能夠 被用于采集移動(dòng)數(shù)據(jù)，例如ST Microelectronics LYPR540AH。然而，加速度計(jì)的使用是優(yōu) 選的，因?yàn)榧铀俣扔?jì)通常具有與陀螺儀相比更低功耗的特征，并且可以較低成本獲得。低功 耗對(duì)于靠電池供電的呼吸監(jiān)測(cè)器尤其重要。
[0021] 描述旋轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角的"第一量"基于所獲得的移動(dòng)信號(hào)來確定。例如，三軸加 速度計(jì)能夠被用作測(cè)斜儀，以反映因呼吸引起的呼吸腹部或胸部移動(dòng)，這基于以下事實(shí)， 即，相比于因呼吸移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)分量引起的重力分量的改變，因呼吸移動(dòng)產(chǎn)生的慣性加速度 的幅度相對(duì)較小。
[0022] 三軸加速度計(jì)為測(cè)量在三個(gè)通常正交的方向--被稱作感測(cè)軸X、y和Z--上的 加速度的設(shè)備。由此，能夠確定重力相對(duì)于加速度計(jì)的方向。呼吸移動(dòng)以及因此加速度傳感 器的移動(dòng)，影響重力相對(duì)于傳感器的取向的取向。這也被稱作移動(dòng)信號(hào)。例如，傳感器的讀 數(shù)包括將具有x-、y-和Z-分量的三個(gè)元向量，表示在各自的感測(cè)軸上測(cè)量的加速度。移動(dòng)信 號(hào)能夠表示隨時(shí)間的一系列這樣的向量。
[0023]描述旋轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角的第一量能夠通過評(píng)價(jià)所測(cè)量的值來根據(jù)移動(dòng)信號(hào)計(jì) 算。第一量因此表示所測(cè)量的旋轉(zhuǎn)軸和/或所測(cè)量的旋轉(zhuǎn)角。例如，旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角能夠通 過將測(cè)量的向量與先前或平均向量進(jìn)行比較來確定。在實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)信號(hào)不是僅含有 來自呼吸移動(dòng)的貢獻(xiàn)的完美信號(hào)，而是還含有噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影。根據(jù)本發(fā)明的一方面，對(duì)呼 吸信號(hào)的確定不僅依賴于第一量，而且還與旋轉(zhuǎn)模型組合來使用第一量，用于估計(jì)單個(gè)旋 轉(zhuǎn)軸和/或旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)模型能夠被認(rèn)為是繞單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的預(yù)期呼吸移動(dòng)，并且任選地也考 慮預(yù)期呼吸移動(dòng)被限制到小角度旋轉(zhuǎn)。換言之，所估計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸和/或所估計(jì)的旋轉(zhuǎn)角