可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置的製作方法

2023-05-08 09:49:46

專利名稱：可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬一種電子裝置，具體涉及一種引導使用者進行身體鍛鍊的裝置。
背景技術：
心肺功能鍛鍊對許多疾病具有積極的治療作用，如慢性阻塞性肺疾病、慢性充血 性心衰、原發性高血壓、冠心病等。以慢性阻塞性肺疾病COPD為例，該疾病是一種常見、多 發、高致殘率和高致死率的慢性呼吸系統疾病，以不完全可逆的氣流受限為特徵。COPD患者 的典型特徵是漸進性的心肺功能受損，而且這種損傷具有不可逆性，因此在其疾病進程中， 積極的幹預治療是非常重要的，尤其是穩定期的心肺功能鍛鍊，對於提高肺通氣功能，增加 氧代謝和二氧化碳交換率，以及提高自主神經功能都具有重要作用。心肺功能鍛鍊有多種方式，跑步、爬山、氣功、太極拳等都能起到心肺功能鍛鍊的 作用。對COPD患者而言，呼吸訓練及寬鬆隨意的步行運動為主的配合性運動訓練在心肺 康復治療中發揮著極其重要的作用。但目前這些訓練技巧和方法都是基於經驗(患者自 學習)和醫生指導的，患者在自我康復鍛鍊中很難把握正確的方法以及鍛鍊的程度，而且 COPD的康復治療是一個長期堅持的過程，很多COPD患者由於不能直觀地感受到呼吸康復 療法的效果而缺乏信心，常常難以堅持。另一方面COPD患者一般都缺乏運動，運動耐力很 差，有些患者由於害怕低氧血症而放棄了肺康復鍛鍊，導致惡性循環。呼吸性竇性心律不齊(Respiratory Sinus Arrhythmia, RSA)是隨呼吸而發生的 心率變化，研究表明很多疾病如上述的C0PD、慢性充血性心衰、原發性高血壓患者都存在一 定程度的RSA降低現象。有研究表明通過RSA生物反饋人們可以自主地增加RSA，對自主神 經參與病變的疾病的治療有幫助。另一方面，即使心肺功能正常的人群，在特殊環境下，如低氧、低壓環境的高海拔 高緯度地區，也會發生不適，心肺功能失代償，會發生高原反應。針對性的心肺功能鍛鍊技 術能夠有效的提高肌體應激能力，從而避免發生不良反應。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種體積小，功能強，便於使用者，尤其是COPD 患者根據自身需要開展心肺功能生物反饋訓練的可攜式心肺功能鍛鍊引導裝置。解決上述問題的技術方案是本實用新型設有可佩戴在人體手腕部的腕錶式連接 裝置，其特徵在於所述的腕錶式連接裝置上裝有數據微控制器、與微控制器連接的數據存 儲器，與微控制器輸入端連接的血氧脈搏波傳感器、呼吸運動傳感器，與微控制器輸出端連 接的液晶顯示屏，微控制器設有可與音頻播放裝置連接的音頻信號輸出端，裝置上還設有 與微控制器輸入端連接的顯示切換按鍵。所述的音頻輸出端是可與耳機連接的耳機輸出端；所述的血氧脈搏波傳感器裝在可套在手指上的指套內，通過導線與微控制器電連 接；[0010]所述的呼吸傳感器為可裝在人體上的呼吸描記裝置或壓力傳感裝置，通過有線或 無線方式與微控制器輸入端連接；進一步地，腕錶式裝置上設有與微控制器輸入端連接的心電信號傳感器，其一個 心電傳感電極裝在腕錶式連接裝置內側貼近被測者皮膚的部位，另一心電傳感電極裝在易 於被測者用手觸到的部位。本裝置可佩戴在人體手腕部，佩帶者在進行心肺功能鍛鍊時，通過血氧脈搏波傳 感器獲得脈搏波信號，據此求得血氧飽和度數值以及心率數值；通過呼吸運動傳感裝置獲 得呼吸運動信息；其進一步方案還可通過心電信號傳感器獲得心電信號；使用者可通過液 晶顯示屏和音頻播放裝置獲取微控制器輸出的反饋信息；同時微控制器根據實時獲取的傳 感信息和內置的軟體通過顯示屏和音頻播放裝置向使用者發出反饋引導信息，引導使用者 進行心肺功能鍛鍊。本實用新型在血氧飽和度監測的基礎上，結合生物反饋技術，將血氧飽和度監測 時獲取的心率值加以利用，進行RSA反饋，在這個基礎上，進一步集成了呼吸反饋、PffTT反 饋等技術，通過視覺和聽覺模式對使用者進行基於生物反饋技術的心肺功能鍛鍊引導。本 裝置為腕錶式結構，便於佩戴，使用方便，使用者可隨時隨地根據需要進行心肺功能鍛鍊， 是一種集成了呼吸鍛鍊、RSA反饋技術以及血氧飽和度監測功能的可攜式裝置，既可用於心 肺功能受損的患者如COPD病人進行心肺康復輔助鍛鍊，又可用於特殊環境下的心肺功能 鍛鍊，提高肌體應激能力。

圖1、本實用新型實施例外觀結構示意圖圖2、本實用新型電路方框原理圖圖3、顯示屏上引導模式下的RSA反饋曲線圖4、顯示屏上反饋的PWTT曲線示意圖圖5、本實用新型實施例1電路方框圖圖6、本實用新型實施例2電路方框圖1-腕錶式連接裝置2-液晶顯示屏3-指套4-顯示切換按鍵
具體實施方式
實施例1 參見圖1、5，本例在腕錶式連接裝置1上裝有微控制器C8051F020，具有脈搏波傳 感功能的血氧探頭通過血氧模塊(如BCI或Nonin血氧模塊、Nellcor血氧模塊)與微控 制器串口連接；血氧探頭裝在指套3內，套在人體手指上，通過光照獲取脈搏波信號，通過 導線與裝在腕錶式連接裝置1上的血氧模塊電連接、血氧模塊與微控制器輸入端連接，血 氧模塊用於實現血氧飽和度的計算、血氧脈搏波信號的採集以及實時心率的計算，將這些 數據輸入到微控制器。呼吸運動傳感器採用可裝在人體胸部或腹部的呼吸感應體積描記裝置(如 zRIP 、Respitrace , XactTrace )，用以獲取胸部或腹部呼吸運動信號通過有線方式輸入 到微控制器(也可採用裝在人體上的壓力傳感器獲取隨呼吸而變化的壓力變化曲線；或採用壓電材料如PVDF獲取的隨呼吸而變化的壓電信號等輸入到微控制器)。微控制器輸出端接有LMS0192A液晶顯示模塊，其音頻信號輸出端通過MIDI解碼 晶片QS6400接耳機，微控制器輸出端接有蜂嗚報警器，用於異常生理狀態報警提示，微控 制器設有顯示切換按鍵4，用於實現液晶顯示屏2的畫面切換，以分別進行RSA反饋以及交 互式呼吸運動反饋，和PWTT反饋；並設有模式選擇按鍵，用於根據需要以及佩戴的傳感器 類型，選擇相應的心肺鍛鍊模式。微控制器設有用於存儲獲取的各種生理參數的存儲器。微控制器C8051F020通過串口接收血氧模塊傳來的數據，送往液晶LMS0192A顯 示，與傳統血氧儀相同的是，在液晶的特定位置顯示操作者的血氧值和心率值。血氧值可指 導和提示操作者尤其是COPD患者，保證心肺鍛鍊過程中血氧值不要過低，若過低(如低於 90)，則微控制器驅動蜂鳴器報警。C8051F020從血氧模塊接收到實時心率值後，在液晶LMS0192A上描記心率變化曲 線，使操作者清楚的識別出心率隨呼吸的變化曲線。在RSA反饋技術上，有自主模式和引導 模式兩種模式，通過按鍵選擇。C8051F020通過內部集成的AD功能，通過呼吸信號接口採集呼吸運動傳感器採集 來的呼吸運動信號，進行呼吸運動反饋，也分為自主「隨息」模式和交互式引導模式。交互 式引導模式下，引導音樂通過MIDI解碼晶片QS6400驅動耳機播放給操作者，微控制器通過 內部算法實時的計算呼吸率、呼吸幅度等呼吸信號特徵，辨別呼吸模式，動態的調整引導音 樂，從而實現交互式弓I導的目的。本例還設有兩個導電橡膠/金屬製成的心電傳感電極，一個位於裝置底部貼近手 腕皮膚的部位，一個位於裝置表面，另一隻手可方便觸摸的部位，兩傳感電極通過心電信號 調理電路與微控制器輸入端連接，在兩手分別接觸心電傳感電極的情況下，C8051F020通過 AD功能採集到操作者的心電信號，進而提取心率，進行RSA反饋。將心電信號與脈搏波信 號結合，可獲取PWTT信號，據此進行PWTT反饋。在一些特殊環境下，當外周循環灌注不好， 無法獲得可靠脈搏波信號的情況下，即可通過兩個心電電極獲取心電信號，據此提取RR間 期，進行RSA反饋。選擇自主模式時微控制器根據心率值在液晶屏幕上描點，隨著時間描記獲得隨 呼吸運動而上下起伏波動的心率曲線，根據該曲線即可進行RSA反饋，吸氣過程心率加快， 曲線上升，呼氣過程心率減慢，曲線下降，操作者根據曲線變化趨勢調整呼吸，朝著使RSA 增大的方向調整呼吸，從而達到RSA反饋的作用；選擇引導模式時，屏幕上產生特定模式的引導曲線(參見圖3)，如正弦曲線或三 角波，微控制器在引導模式下，按照設定的模式，先在LCD上描記出高頻(如15次/分鐘) 的引導曲線，操作者因循該曲線調整呼吸動作，持續一段時間後，微控制器再自動調整到下 一個較低頻率的引導曲線上(如12次/分鐘)，在LCD上描記較低頻率的曲線，操作者因循 該曲線調整呼吸動作，漸進性的，過渡到6次/分鐘的最低頻率附近，從而完成整個引導訓 練。為便於操作者觀察自己的RSA反饋是否正確，在IXD上可將引導曲線(正弦波或 三角波)與實時心率變化曲線同步描記顯示出來，正確操作情況下，心率變化曲線應具有 與引導曲線基本同步的變化模式(參見圖3)。[0033]在接通呼吸運動傳感器的情況下，可進行交互式呼吸反饋。也分為自主的「隨息」 模式和交互式引導模式。「隨息」模式下微控制器僅需要根據AD採樣來的呼吸信號，在LCD 屏幕上描記呼吸運動曲線，操作者據此認識到自己的呼吸運動模式，並調整呼吸運動；在交 互式引導模式下，操作者要佩戴耳機，不需要看LCD屏幕，微控制器按照設定的程序，產生 或播放特定模式的引導音樂(如MP3或MIDI格式)，操作者隨著該引導音樂做吸氣和呼吸 運動。其引導頻率也遵循從高到低的過程，完成整個訓練過程。當操作者一支手接觸腕錶式裝置的導電橡膠/金屬心電傳感電極，另一支手腕接 觸腕式裝置的另一心電傳感電極時，微控制器即可獲得操作者的心電信號，經過計算求取 RR間期和心率值，進行RSA反饋。其RSA反饋也分為自主模式和引導模式，具體方式與上述 相同。通過心電電極獲取心率值較通過脈搏波信號獲取的心率值更準確，抗幹擾能力強，可 用於在脈搏波信號質量不好的特殊環境下使用。在心電ECG和脈搏波信號同時存在的情況下，可根據ECG與脈搏波信號求得脈搏 波傳導時間PWTT，進而進行PWTT反饋。圖4為PWTT示意圖，PWTT反饋以自主模式實現，即 根據心電和脈搏波信號求出PWTT後，隨時間將該信號描記在LCD屏幕上，操作者據此信號 調整呼吸運動，以增大PWTT變化量為目的，從而實現PWTT反饋。也可以增加PWTT基線值 為目的，正確的心肺調息鍛鍊能起到增加PWTT基線值的效果。本裝置可在血氧飽和度監測的基礎上，進一步結合生物反饋技術，從血氧脈搏波 信號中提取實時的心率信息，通過LCD以視覺曲線的方式回饋給受試者，進行RSA反饋訓 練，增強心肺功能。對心肺功能受損的患者如COPD患者，RSA反饋是個有效的心肺功能鍛 煉技術，同時在活動中需要監測血氧飽和度數值，以防止發生低氧血症，本實用新型可在同 一裝置實現上述兩個功能；而且外接呼吸運動傳感器後，可進行基於視覺和聽覺的呼吸鍛 煉，將受試者呼吸運動曲線描記在IXD上，受試者可直觀看到自己的真實呼吸運動情況，從 而學會腹式呼吸，可據此進行「隨息」運動；進一步，微控制器可根據受試者的呼吸運動情 況，播放MIDI/MP3等類型的音頻音樂，引導受試者做特定模式的呼吸運動。本裝置可獲取 受試者心電信號，進一步根據心電信號和血氧脈搏波信號，計算獲得脈搏波傳導時間PWTT， 將PWTT信號在IXD上隨時間描記曲線，開展PWTT反饋訓練。本裝置結構簡單、實用性強、便於佩戴，使用方便，可隨時隨地根據需要進行心肺 功能鍛鍊，適合於特殊環境下使用。實施例2 本實例選用功能強大的32位微控制器LPC2138代替C8051F020，由於其較強的處 理能力，省去了專用的血氧模塊，血氧探頭直接通過血氧信號調理電路與微控制器輸入端 電連接，由微控制器獲取紅光和紅外光的脈搏波，並計算血氧飽和度、心率值。呼吸傳感裝置為可裝在人體胸部或腹部上的呼吸描記記錄傳感器，其呼吸信號輸 出端通過藍牙模塊與微控制器輸入端無線連接，LPC2138通過藍牙模塊接收呼吸運動數據。 音頻輸出通過音頻晶片VS1003輸出到耳機，微控制器設有SD卡存儲器，引導使用的音頻文 件存儲在SD卡中，LPC2138根據需要讀取文件數據，通過SPI傳輸到VS1003解碼並播放。 這種模式較實例一具有更強的靈活性，由於SD卡容量較大，可根據需要存儲多種形式的引 導資料，引導形式也更豐富。在這種模式下，SD卡可作為存儲單元，存取心肺鍛鍊過程中 的數據，以及操作者如COPD患者夜間的生理參數如血氧脈搏波、血氧飽和度以及呼吸信號等，提供一定的健康監測功能。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何形式上的限 制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾， 均仍屬本實用新型技術方案的保護範圍。
權利要求可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，設有可佩戴在人體手腕部的腕錶式連接裝置，其特徵在於所述的腕錶式連接裝置上裝有數據微控制器、與微控制器連接的數據存儲器、與微控制器輸入端連接的血氧脈搏波傳感器、呼吸運動傳感器，與微控制器輸出端連接的液晶顯示屏，微控制器設有可與音頻播放裝置連接的音頻信號輸出端，裝置上還設有與微控制器連接的顯示切換按鍵。
2.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述的音頻 信號輸出端是可與耳機連接的耳機輸出端。
3.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述微控制 器音頻信號輸出端通過MIDI解碼晶片與耳機連接。
4.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述的血氧 脈搏波傳感器裝在可套在手指上的指套內，通過導線與微控制器連接。
5.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述的呼吸 傳感器為裝在人體上的呼吸描記裝置或壓力傳感裝置，通過有線或無線方式與微控制器輸 入端連接。
6.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述的血氧 脈搏波傳感器通過血氧模塊與微控制器串口連接。
7.根據權利要求1所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在於所述微控制 器輸出端接有蜂鳴報警器。
8.根據權利要求1-7任一權利要求所述的可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，其特徵在 於設有與微控制器輸入端連接的心電信號傳感器，其一個心電傳感電極裝在腕錶式連接 裝置內側貼近被測者皮膚的部位，另一心電傳感電極裝在易於被測者用手觸到的部位。
專利摘要可攜式的心肺功能鍛鍊引導裝置，設有可佩戴在人體手腕部的腕錶式連接裝置，其特徵在於所述的腕錶式連接裝置上裝有數據微控制器、與微控制器連接的數據存儲器，並設有與腕錶式裝置輸入端連接的血氧脈搏波傳感裝置、呼吸運動傳感裝置，腕錶式裝置設有液晶顯示屏，並設有可與音頻播放裝置連接的音頻輸出端，腕錶式裝置設有顯示切換按鍵。本實用新型在血氧飽和度監測的基礎上，結合了生物反饋技術，可通過視覺和聽覺模式對使用者進行基於生物反饋技術的心肺功能鍛鍊引導。其採用腕錶式結構，便於佩戴，使用方便，使用者可隨時隨地根據需要進行心肺功能鍛鍊。
文檔編號A63B23/00GK201658782SQ20092027454
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年12月8日
發明者劉洪運, 吳昊, 張政波, 王衛東, 鄭捷文 申請人:張政波