用于去除在呼吸运动监测中由身体运动引起的噪声的装置和方法

摘要

本发明提供了一种用于去除在呼吸运动监测中由身体运动引起的噪声的装置，其包括：至少两个加速计，该至少两个加速计中的第一加速计和第二加速计被放置在腹部或胸部区域的身体相对侧；以及处理单元，其用于根据由第一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及由第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az来产生不具有噪声的加速度信号Vacc。本发明的装置使得在呼吸监测中由身体运动引起的噪声能够被去除，并且使得呼吸运动能够被增强，从而呼吸运动监测可以更加有效和灵敏。

说明书

技术领域

本发明涉及呼吸运动监测，并且特别涉及在呼吸运动监测中通过利用 互补的加速计来去除由于身体运动引起的噪声的装置与方法。

背景技术

阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）是一种紊乱，该紊乱的特征在于在睡眠 期间由于上呼吸道阻塞而引起的呼吸暂停或者吸入气流减少的重复性发 作。多导睡眠描记法（PSG），又被称为睡眠研究，是一种在睡眠研究中使 用的多参数测试，并且作为在睡眠医疗中的诊断工具。便携且易用的监测 设备可以是作为PSG的一种替代，用于较少精度的诊断，并且典型地经由 脉搏血氧计测量四个生理参数，该四个生理参数包括两个呼吸变量（例如 呼吸运动和气流）、心脏变量（例如心率或者心电图）以及动脉氧血红素饱 和度。一些设备具有能够检测打鼾、确定身体位置或者检测运动的附加信 号。

常规地，可以通过围绕胸部的感测带来监测反映呼吸运动或努力的腹 部和胸部移动信号。现今，加速计传感器也被用作该用途，因为它有容易 佩戴、灵敏并且它也能够测量身体姿势。三轴加速计是测量在三个正交方 向（感测轴）的加速度的设备。该传感器被放置在随着吸气和呼气而扩张 和收缩的横膈膜区域的顶部。

例如，在标题为“RESPIRATION AND HEART RATE MONITOR”的 PCT国际申请PCT/GB02/03302中，提供了一种用来测量身体的呼吸率的 呼吸率监测器，该监测器包括可吸附于身体上部并且被布置为提供与身体 的呼吸率有关的加速计输出信号的至少一个加速计，以及用来根据加速计 输出信号来确定所述呼吸率和用来提供表示呼吸频率的监测器输出的模 块，该模块包括用来从加速计输出信号中去除并非身体呼吸结果的伪影的 基线滤波器，以便提供去除后的基线信号。

然而，在监测OSA或者其他呼吸疾病的睡眠或者日常呼吸期间，类似 旋转、步行等身体运动将引起另外的加速度被添加到胸廓运动信号中。移 除这些噪声是困难的，即使凭借滤波器，而因此这些噪声将影响测量精度。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题，本发明的发明人认识到需要一种用于去 除在呼吸运动监测中由身体运动引起的噪声的装置和方法。

本领域已知的是，在常规的单加速计解决方案的输出信号由两个部分 构成，即一部分指示呼吸运动而另一部分指示身体运动。在输出信号中难 以将这两个部分区分开，这就是为什么常规的单加速计解决方案不能有效 地去除由于身体运动所致的噪声，甚至凭借滤波器也不能。

本发明的发明人发现，如果引入参考（即，第二）加速计并且将其放 置到与第一加速计相同的身体上，那么，因为根据加速计的工作原理，包 括在第二加速计的输出信号中的指示身体运动的部分与包括在第一加速计 的输出信号中的那个部分相同，所以可以容易地通过从该两个输出信号中 消除指示身体运动的部分来去除由身体运动引起的噪声。

然而，不能随意地放置该两个加速计。例如，如果两个加速计被放置 在身体的同一侧上，尽管由于身体运动所致的噪声仍然能够被去除，但是 有用的信息，即指示呼吸运动的部分，也可能被不利地影响。因此，胸腔 膨胀或者收缩的测量结果可能被不利地影响，特别是当两个加速计相互靠 近时，这是因为相减也会去除信号中来自呼吸作用的部分。

因此，本发明提出一种使用放置在腹部或胸部区域的身体相对侧上的 两个互补加速计的装置和方法。当全身以同一方向运动，类似步行或者其 他日常活动的时候，这两个互补的加速计将输出完全相同的信号，并且它 们将输出反映腹部或胸部运动（例如呼吸运动）的相反信号，这是因为当 这两个加速计被放置到身体相对侧时，胸腔会扩张或者收缩并且给予加速 计相反的信号。

通过利用根据本发明的装置，可以去除由身体运动引起的噪声并且可 以增强信号中指示呼吸运动的部分。

具体地，根据本发明的一个方面，提供了一种用于去除在呼吸运动监 测中由身体运动引起的噪声的装置，其包括：至少两个加速计，该至少两 个加速计中的第一加速计和第二加速计被放置在腹部或胸部区域的身体相 对侧上；以及处理单元，其用于根据由第一加速计获取的加速度信号分量 Ax、Ay和Az以及由第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az，来 产生不具有噪声的加速度信号Vacc。

因为根据本发明的装置采用第一加速计和第二加速计，而不像仅采用 一个加速计来监测呼吸运动努力的常规解决方案，所以能够消除或去除由 身体运动引起的噪声。

另外，因为第一加速计和第二加速计被放置在腹部或胸部区域的身体 相对侧上，所以可以增强信号中指示呼吸运动的部分，并且因此呼吸运动 监测可以更加有效和灵敏。

至于如何处理由第一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及 由第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az，以便产生不具有噪声 的加速度信号Vacc，可以采用至少以下两个算法。

例如，根据本发明的实施例，处理单元可以通过以下方式来产生不具 有噪声的加速度信号Vacc：从第一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay 和Az中合成第一加速度信号V1acc；从第二加速计获取的加速度信号分量 Ax、Ay和Az合成第二加速度信号V2acc；通过从第二加速度信号V2acc 中减去第一加速度信号V1acc来产生加速度信号Vacc。

根据本发明的另外实施例，处理单元可以通过以下方式来产生不具有 噪声的加速度信号Vacc：在预定义的坐标系的x、y和z轴中，将由第一加 速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az进行分解，来产生在该预定义的 坐标系的x、y和z轴中的加速度信号分量Ax’、Ay’和Az’；在该预定义的 坐标系的x、y和z轴中，将由第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay 和Az进行分解，以产生在该预定义的坐标系的x、y和z轴中的加速度信 号分量Ax”、Ay”和Az”；在该预定义的坐标系的x、y和z轴中，分别从 加速度信号分量Ax”、Ay”和Az”减去加速度信号分量Ax’、Ay’和Az’， 以产生剩余的加速度信号分量Ax”’、Ay”’和Az”’；并且将剩余的加速度信 号分量Ax”’、Ay”’和Az”’进行合成，以产生加速度信号Vacc。

根据本发明的实施例，对第一加速计和第二加速计进行定位使得第一 加速计的三个轴分别与第二加速计的三个轴平行。

在优选的实施例中，对第一加速计和第二加速计进行定位使得该两个 加速计中的每一个加速计的三个轴中的一个是对齐的，并且该两个加速计 中的每一个加速计的剩余的两个轴相互平行。

可替代地，第一加速计的三个轴可以分别在相对于第二加速计的三个 轴的不同方向延伸。换句话说，根据本发明，不是必须将第一加速计和第 二加速计放置在身体相对侧的完全相对的点上，并且也不是必须将两个加 速计放置得相互平行，并且因此，本发明可以在临床环境中广泛地使用。

虽然如此，根据另外的实施例，该装还可以包括用于将两个加速计固 定在优选位置处的身体上的固定单元。

例如，因为肺包括两个部分，当两个加速计被设置在身体的前侧和后 侧上时，该前位置和后位置优选地与左肺或者右肺的中心线对齐。当然， 加速计也可以居中放置在身体上。然而，这样的话信号可能就不十分显著

根据本发明的另一方面，提供了一种去除在呼吸运动监测中由身体 运动引起的噪声的方法，该方法包括：通过至少两个加速计获取加速度信 号分量Ax、Ay和Az的获取步骤，该至少两个加速计中的第一加速计和第 二加速计被放置在腹部或胸部区域的身体相对侧上；产生步骤，其根据第 一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及第二加速计获取的加速 度信号分量Ax、Ay和Az，来产生不具有噪声的加速度信号Vacc。

根据本发明的一实施例，该产生步骤包括：从第一加速计获取的加速 度信号分量Ax、Ay和Az合成第一加速度信号V1acc；从第二加速计获取 的加速度信号分量Ax、Ay和Az合成第二加速度信号V2acc；通过从第二 加速度信号V2acc减去第一加速度信号V1acc，来产生加速度信号Vacc。

根据本发明的另外实施例，该产生步骤包括：在预定义的坐标系的x、 y和z轴中，将由第一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az进行分 解，以产生该预定义的坐标系的x、y和z轴中的加速度信号分量Ax’、Ay’ 和Az’；在该预定义的坐标系的x、y和z轴中，将由第二加速计获取的加 速度信号分量Ax、Ay和Az进行分解，以产生该预定义的坐标系的x、y 和z轴中的加速度信号分量Ax”、Ay”和Az”；在该预定义的坐标系的x、 y和z轴中，从加速度信号分量Ax”、Ay”和Az”分别减去加速度信号分量 Ax’、Ay’和Az’，以产生剩余的加速度信号分量Ax”’、Ay”’和Az”’；将剩 余的加速度信号分量Ax”’、Ay”’和Az”’进行合成，以产生加速度信号Vacc。

参考结合附图做出的描述，本发明的其他目的和优点变得更明显并且 将更容易理解。

附图说明

将在下文中结合实施例并且参考附图来更详细地描述和解释本发明， 在附图中：

图1显示根据本发明的一实施例的两个加速计11和12的放置；

图2显示根据本发明的用于去除在呼吸运动监测中由身体运动引起的 噪声的装置30的基本原理；

图3是根据本发明的一实施例的装置30的框图。

图4是根据本发明的去除在呼吸运动监测中由身体运动引起的噪声的 方法40的流程图；

图5根据本发明的一实施例的方法40中的步骤42的流程图；

图6显示第一加速计11的三个轴分别位于相对于第二加速计的三个 轴的不同方向的情况；以及

图7是根据本发明的另外实施例的方法40的步骤42的流程图。

附图中相同的附图标记表示类似或者对应的特征和/或功能。

具体实施方式

在下文中将参考附图更详细地描述本发明的实施例。

常规单加速计解决方案的输出信号由两部分组成，即一部分指示呼吸 运动而另一部分指示身体运动。在输出信号里区分这两个部分是困难的， 并且这是常规的单加速计解决方案不能有效的去除由身体运动所致的噪声 的原因，即使凭借滤波器也是如此。

图1示出了根据本发明的实施例，两个加速计12被放置在人类身体上。 图2示出了根据本发明的用于去除在呼吸运动监测中由身体运动引起的噪 声的装置30的基本原理。

如从图1中可以看出的，在本发明中，除了第一加速计11之外，还引 入第二加速计12，并且将第二加速计12放置在与第一加速计11相同的身 体上。

根据加速计的工作原理，加速计11和加速计12的加速度将分别为：

V1acc=V1m+V1r和V2acc=V2m+V2r，

其中，V1m和V2m表示由身体运动产生的加速度，而V1r和V2r表 示由呼吸产生的加速度。不管两个加速计在位置或方向方面如何放置，由 身体运动引起的加速度向量将是完全一样的。

图2显示了一个示例，其中加速计11和加速计12被放置在胸部的相 对侧，并且每个加速计的x、y和z轴相互平行。由从图2可以看出的，在 该情况下，由身体运动引起的加速度向量将是完全一样的。然而，由呼吸 运动引起的加速度向量在方向上将是相反的。

从图2中，本领域的技术人员可以容易地理解的是，通过从两个输出 信号中消除指示身体运动的部分，来容易地去除由身体运动所致的噪声。

图3是根据本发明的实施例的装置的框图。

如可以从图3中看出的，装置30包括图1所示的加速计11和加速计 12，加速计11和加速计12被放置在腹部或胸部区域的身体相对侧上。

根据本发明的实施例，可以对第一加速计和第二加速计进行定位使得 第一加速计的三个轴与第二加速计的三个轴分别平行。

在优选的实施例中，可以对第一加速计和第二加速计进行定位使得两 个加速计中每一个加速计的三个轴中的一个是对齐的，而两个加速计中每 一个加速计的剩余两个轴相互平行地延伸。

可替代地，第一加速计11的三个轴分别在相对于第二加速计12的三 个轴的不同方向延伸。换句话说，根据本发明，不是必须将第一加速计和 第二加速计放置在身体相对侧的完全相对点上，并且不是必须将两个加速 计放置得相互平行，并且因此，本发明可以在临床环境中广泛地使用。

该装置30还包括处理单元31，该处理单元31用来根据由第一加速计 11获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及由第二加速计12获取的加速 度信号分量Ax、Ay和Az，来产生不具有噪声的加速度信号Vacc。

本领域的专业技术人员应该容易理解，尽管图1和图3中显示的仅两 个加速计11和12，但是该装置可以包括多于两个的加速计。

例如，可以具有多于一对的分别位于身体相对侧上的加速计。

图4是根据本发明的用于去除在呼吸运动监测中由身体运动产生的噪 声的方法40的流程图，在下文中结合图4来描述本发明的装置30的工作 原理。

如图4所示，根据本发明的在呼吸运动监测中去除由身体运动产生的 噪声的方法40包括获取步骤41，该获取步骤41通过放置在腹部或胸部区 域的身体相对侧的至少两个加速计（第一加速计11和第二加速计12）来获 取加速度信号分量Ax、Ay和Az。

该方法40还包括产生步骤42，该产生步骤42根据由第一加速计11 获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及由第二加速计12获取的加速度 信号分量Ax、Ay和Az产生不具有噪声的加速度信号Vacc。

由于根据本发明所述的装置30和方法40采用第一加速计11和第二加 速计12，与仅采用一个加速计来监测呼吸运动努力的常规解决方案不同， 所以可以消除或去除由身体产生的噪声。

另外，因为第一加速计11和第二加速计12被放置在腹部或胸部区域 的身体相对侧上，所以可以增强信号中指示呼吸运动的部分，并且因而呼 吸运动监测可以更有效和灵敏。

至于如何根据第一加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az以及由 第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az来产生不具有噪声的加速 度信号Vacc，可以采用至少以下两种算法。

如上所述，根据本发明，不是必须将第一加速计和第二加速计放置在 身体相对侧的完全相对点上，并且不是必须将两个加速计放置得相互平行。

换句话说，这两个加速计可以如图2那样放置，并且也可以如图6那 样放置。如图6所示，第一加速计11的三个轴分别在相对于第二加速计12 的三个轴的不同方向上延伸。

图5是根据本发明的实施例的方法40中的步骤42的流程图。

如图5所示，产生不具有噪声的加速度信号Vacc的产生步骤42包括：

合成步骤51，其从第一加速计11获取的加速度信号分量Ax、Ay和 Az来合成第一加速度信号V1acc；

合成步骤52，其从第二加速计12获取的加速度信号分量Ax、Ay和 Az合成第二加速度信号V2acc；以及

产生步骤53，其通过从第二加速度信号V2acc减去第一加速度信号 V1acc来产生加速度信号Vacc。

关于上述算法，无论是第一加速计的三个轴分别平行于与第二加速计 的三个轴，还是第一加速计的三个轴在相对于第二加速计的三个轴的不同 方向延伸，本发明的方法都是可行的。

图7是根据本发明的另外实施例的方法40中的步骤42的流程图。

如图7所述，产生不具有噪声的加速度信号Vacc的产生步骤42包括：

分解步骤71，其在预定义的坐标系的x、y和z轴中，将由第一加速计 获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az进行分解以产生在该预定义的坐标系 的x、y和z轴中的加速度信号分量Ax’、Ay’和Az’；

分解步骤72，其在该预定义的坐标系的x、y和z轴中，将由第二加速 计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az进行分解以产生在该预定义的坐标 系的x、y和z轴中的加速度信号分量Ax”、Ay”和Az”；

相减步骤73，其在该预定义的坐标系的x、y和z轴中，从加速度信号 分量Ax”、Ay”和Az”分别减去加速度信号分量Ax’、Ay’和Az’，以产生 剩余的加速度信号分量Ax”’、Ay”’和Az”’；以及

产生步骤74，其通过将剩余的加速度信号分量Ax”’、Ay”’和Az”’进 行合成来产生加速度信号Vacc。

关于该算法，无论是第一加速计的三个轴分别平行于第二加速计的三 个轴，还是第一加速计的三个轴在相对于第二加速计的三个轴的不同方向 上延伸，本发明的方法都是可行的。

与结合图5描述的前一算法的唯一区别在于：因为两个加速计的x、y 和z方向是不同的，预定义的坐标系被设定为参考坐标系，从而由第一个 加速计和第二加速计获取的加速度信号分量Ax、Ay和Az可以在其上投影。

如由本领域的专业技术人员能够理解的，该预定义的坐标系可以如同 图6所示那样被随意设置。换句话说，它可以是两个加速计的坐标系中的 一个，也可以是与两个加速计的坐标系都不同的坐标系。在优选的实施例 中，它可以是G（重力）坐标系。

根据本发明，该装置还可以包括用于将两个加速计固定在优选位置处 的身体上的固定单元。由于MEMS技术，加速计的形状因素可以很薄和很 小，因此，当它被嵌入带或者衣服中时，它将不会导致不方便，甚至在睡 觉期间也不会。为了固定加速计，可以使用纺织带或者应当确保加速计在 正确位置处的其它装置。

例如，因为肺包括两个部分，所以当两个加速计被设置在身体的前侧 和后侧时，前位置和后位置优选与左肺或者右肺的中心线对齐。当然，加 速计也可以居中放置在身体上。然而，这样的话信号可能不十分显著。

应当注意的是，上述的实施例是说明性的而不是限制本发明，并且本 领域的专业技术人员将能够设计可替代的实施例而不会脱离所附权利要求 的范围。在权利要求中，放置在圆括号之间的任何附图标记不应当被解释 为对权利要求的限制。词语“包括”并不排除未在权利要求或说明书中列 出的元件或步骤的存在。在元件之前的词“一个”或“一种”不排除存在 多个这样的元件。在枚举数个单元的系统权利要求中，这些单元中的数个 可以由一个和同一件的软件和/或硬件实施。词语“第一”、“第二”和“第 三”等等的使用，并不指示任何顺序。这些词语应当被解读为名称。