基于触觉传感器片的无约束呼吸监测

使用床用触觉传感器片在仰卧位无约束测量胸部和腹部的呼吸运动

通过日常呼吸监测来管理健康对于预防呼吸和循环系统疾病的早期诊断具有重要意义。只有当监测系统在身体和心理上都无创时，才可能实现此类日常健康监测。然而，目前的无约束测量方法在诊断睡眠呼吸暂停时无法区分胸部和腹部运动。本研究开发了一种柔性可拉伸触觉传感器片，用于测量受试者躺在其上时的静态体压，并测量由呼吸或呼吸努力引起的压力波动。结果与临床上广泛用于测量胸腹部运动的带式传感器的测量结果进行了比较。实验表明，该传感器片能够在仰卧位下区分胸部和腹部运动。文中使用一个简单的动态模型讨论了传感器片测得的压力波动与带式传感器输出呈反相的原因。[DOI: 10.1115/1.4034465]

关键词 ：呼吸，呼吸运动，呼吸障碍性疾病，睡眠呼吸暂停，无约束测量，触觉传感器片

1 引言

流行病学统计显示，全球超过3%的人口患有睡眠呼吸暂停综合征（SAS）[1]，其中40岁以上男性的患病率高达9%[2]。睡眠呼吸暂停综合征不仅影响患者的正常工作和生活，还会引发高血压、心脏病和糖尿病等多种疾病。因此，早期诊断和治疗睡眠呼吸暂停综合征对于保护患者健康和节省医疗费用至关重要。由于睡眠呼吸暂停综合征是一种慢性疾病且症状不典型，日常生活中睡眠期间的呼吸监测对于早期诊断具有重要意义。

多导睡眠图（PSG）被广泛认为是评估健康和疾病状态下睡眠生理的金标准，也是诊断睡眠呼吸障碍（SAS）最具权威性的工具。然而，尽管多导睡眠图（PSG）在临床睡眠医学中具有明确的应用价值，其成本高昂和使用不便等问题促使了无约束设备的发展，这类设备能够在家中评估呼吸障碍[3]。

在PSG的检测项目中，带式传感器（如图1所示）对于区分胸腹部运动以诊断睡眠呼吸暂停类型至关重要。睡眠呼吸暂停有三种类型：中枢型、阻塞型和混合型。中枢性呼吸暂停的特征是非呼吸运动：胸部和腹部均处于静止状态；阻塞性呼吸暂停的特征是胸部和腹部的反相运动。这就是为何需要使用两个带式传感器分别测量胸部和腹部运动的原因。受试者躺在床上时可能采取多种体位，如仰卧位、侧卧位和俯卧位。此外，他/她可能在睡眠过程中改变体位。占睡眠呼吸暂停患者85%以上的阻塞性呼吸暂停更易发生在仰卧位，因为当受试者仰卧时，重力会导致舌头后坠，从而阻塞气道[4,5]。因此，本文以仰卧位作为研究对象。

如图1所示，带式传感器广泛应用于呼吸监测诊所[6]，用于检查睡眠呼吸暂停和呼吸障碍。然而，这两种带式传感器在长期监测中使用不便。为了建立更便捷的日常监测方法，无约束呼吸监测设备长期以来一直是研究热点[3–5]。迄今为止，已提出和研究的设备可分为两类：非接触式和间接接触式。

非接触式测量使用微波生物雷达、摄像头以及超声波传感器来测量受试者的呼吸运动。在这些方法中，基于微波雷达的测量研究相对突出[7–9]。微波雷达的优点是易于设置，并且对受试者所穿衣物不敏感，但其缺点是难以区分胸部和腹部运动，因为它测量的是这两种运动的叠加信号。此外，微波雷达更容易受到环境电磁波的影响。

关于使用摄像头的方法，商用的Kinect摄像头和生命体征摄像头具备测量呼吸运动的功能[10]。郭等人[11]开发了一种可利用两个CCD摄像头测量呼吸运动并识别体位的摄像头系统。佐藤和青木[12]开发了一种可在仰卧位下分别测量胸部和腹部运动，并实时计算两者之间相位差的系统。原则上，摄像头能够区分胸部和腹部运动，但需要定位和调试，且受覆盖在受试者身上的被子或毯子的限制。

间接接触方法通过测量床或床垫因呼吸引起的振动，以及作用在床垫或枕头上的呼吸引起的压力波动来实现。可以通过在床架下方安装力传感器[13,14]或在床垫内部固定形变/压力传感器来测量振动[15,16]。比蒂等人[17]进行的一项多导睡眠图（PSG）对比实验表明，通过测量床架处的振动，可实现对呼吸暂停‐低通气指数（AHI）和呼吸紊乱指数（RDI）的估计，准确率达到89%。然而，布鲁瑟等人[18]开展的一项实验显示，通过测量床垫振动推断呼吸频率的准确性仍需进一步提高。利用振动信号估计呼吸运动的缺点在于，其准确性容易受到环境振动的影响，且无法区分胸部运动和腹部运动。

用于测量呼吸引起的压力波动的设备包括带传感器的枕头和传感器垫。带传感器的枕头在受试者颈部测量压力波动[19,20]。然而，临床试验表明，在睡眠过程中，受试者颈部与枕头之间的相对位置可能发生改变，这种变化可能会降低测量精度[3]。传感器垫可放置在受试者背部下方，用于测量由呼吸运动引起的压力波动。已有多种传感器垫被提出并研究，包括电阻式传感器、电容式传感器、聚偏二氟乙烯以及充液或充气袋（其内部压力可通过外部传感器测量）[21,22]。

传感器垫的优点在于能够相对准确地监测呼吸频率，并且不受环境振动的影响。

除了上述方法外，可穿戴设备也是一个热门的研究课题，并且已经基于各种测量原理开发出了多种设备，例如使用加速度计[23]、心电电极[24]，以及光电容积描记传感器[25]的设备。在这些设备中，光电容积描记传感器因其佩戴方便而实现了商业化。可穿戴设备并非完全无约束，且难以测量和区分胸部与腹部的运动。

上述所有无约束方法均有助于监测呼吸频率，但它们的共同缺点是难以区分胸部和腹部运动。尽管摄像头可以监测这些运动，但其可靠性和准确性容易受到覆盖受试者的被子或毯子的影响。此外，在睡眠过程中很难追踪位置和姿势的变化。

为了用无约束的方法替代图1中所示的约束式带状传感器，采用软聚合物材料开发了一种柔韧且可拉伸的触觉传感器片。该传感器片可测量受试者卧姿时的静态体压以及由呼吸运动引起的压力波动。通过图像识别技术，可根据静态压力分布识别卧姿，同时可通过压力波动[26–28]来估算呼吸运动。

本研究聚焦于胸腹部运动，通过使用所开发的触觉传感器片测量呼吸引起的压力波动，并与临床上广泛使用的传统带式传感器进行比较，探讨了区分这两种运动的可能性。结果表明，该传感器片能够测量并区分胸腹部运动。尽管胸廓和腹部以同相方式扩张和收缩，但在仰卧位静息呼吸时，触觉传感器片在胸部和腹部测得的压力波动呈反相。此时，腹部的压力波动与腹部带式传感器的输出同相，而胸部的压力波动与胸部带式传感器的输出反相。为此建立了一个动态模型来解释这些结果。

2 触觉传感器片的开发

用于呼吸运动测量的触觉传感器片结构如图2所示。该传感器片结构简单，由夹在两层电极层之间的薄介电层构成。

每一电极层包含多个平行电极。这两层中的电极相互正交排列，通过两个正交电极层的交叉形成独立的电容传感器单元。

设上层和下层电极层的电极数分别为m和n，则传感器片上形成的电容传感器单元数量为m × n。当对某一单元施加压力时，该单元对应的介电层被压缩而变薄，从而导致该单元的电容增加。通过测量电容的变化即可估算出压力值。

电极层和介电层均由聚合物制成。电极和导线通过将导电橡胶油墨丝网印刷到聚氨酯橡胶片上形成。该传感器片柔韧且可拉伸，便于与人体接触，并可像床单一样放置在床上。

图3显示了一个传感器单元的等效电路。为方便起见，待测量用下标x表示。如图3所示，Cx是该单元的电容，而Rx是该电池的电极和导线的电阻。电极也充当电池的导线。尽管有多种检测电容的方法，但采用阻抗矢量法，因为该方法响应速度快，能够分离电阻Rx和电容Cx。图4显示了该方法的流程。它施加一个谐波电压

$$ v_a = V_a \cos(\omega t) $$ (1)

到一个传感器单元。这里，符号$ v_a $和$ V_a $分别表示电压及其幅值，t和ω分别表示时间与频率。该方程

$$ i_x = I_x \cos(\omega t + h) $$ (2)

表示流过Rx和Cx的Ix和h分别表示电流的幅值以及电流与式(1)中所施加电压之间的相位差。(1)，通过将式(1)给出的电压及其90度相移与式(2)表示的电流相乘，可得

$$ u_r = V_a \cos(\omega t) \cdot I_x \cos(\omega t + h) = \frac{1}{2} V_a I_x \cos h + \frac{1}{2} V_a I_x \cos(2\omega t + h) $$ (3)

$$ u_i = V_a \sin(\omega t) \cdot I_x \cos(\omega t + h) = -\frac{1}{2} V_a I_x \sin h + \frac{1}{2} V_a I_x \sin(2\omega t + h) $$ (4)

其中ur和ui分别表示电压与电流的直积项和90度相移积项。

取式(3)和(4)中的直积项，可得

$$ \bar{u}_r = \frac{1}{2} V_a I_x \cos h; \quad \bar{u}_i = \frac{1}{2} V_a I_x \sin h $$ (5)

其中$\bar{u}_r$和$\bar{u}_i$分别表示ur和ui的静态分量。根据上述方程，Rx和Cx可通过以下方式计算

$$ R_x = \frac{1}{2} \frac{V_a^2 \bar{u}_r}{\bar{u}_r^2 + \bar{u}_i^2}; \quad C_x = \frac{2}{V_a^2 \omega} \frac{\bar{u}_i}{\bar{u}_r^2 + \bar{u}_i^2} $$ (6)

制造了一种厚度约为3mm的触觉传感器片。图5给出了压力与电容之间的测量关系，其中纵轴表示由其面积归一化的传感器单元的输出电容，横轴表示施加在传感器单元上的压力。

当受试者躺在传感器片上时的静态压力分布如图6所示，其中通过应用图像识别方法可以识别出受试者的卧姿。

3 测量呼吸运动的实验

实验装置如图7(a)所示。第2节中描述的触觉传感器片被放置在床的床垫上，受试者以仰卧位姿势躺在传感器片上。

传感器片测得的静态压力如图7(b)所示。胸部、腹部以及臀部的位置可以通过模式识别技术从压力分布[26]中识别出来。

共测试了四名健康男性受试者。受试者的年龄、身高和体重范围分别为29–31岁、170–175 cm和65–70kg。胸部和腹部的运动也使用美国睡眠医学会推荐的带式传感器进行了测量，用于对比[6]。

当受试者背部静卧在传感器片上时，胸部和腹部对应位置的压力波动以及带式传感器的输出如图8所示，其中标记为“LINE C处压力波动”的曲线表示在胸部位置（图7中的LINE C）测得的平均压力波动，标记为“LINE A处压力波动”的曲线表示在腹部位置（图7中的LINE A）测得的平均压力波动。采样频率为20赫兹，未使用额外的频率滤波器。

带式传感器用于测量胸廓和腹部的扩张与收缩。输出大于零表示扩张，输出小于零表示收缩。

图8显示腹部的运动比胸部大。该结果与Romei等人[29]以及金子和堀江[30]的测量结果一致，他们在研究中证明了男性具有更多的腹式呼吸，且在仰卧位安静呼吸时，腹部运动大于胸部运动。

如图8所示，当受试者吸气时，胸廓和腹部都会扩张，当受试者呼出空气时则收缩。此外，当腹部扩张时，压力波动在线A处的压力波动增大（图8(b)），表明其与腹部带式传感器的输出呈同相变化；而当胸廓扩张时，线C处的压力波动减小（图8(a)），表明其与胸部带式传感器的输出呈反相变化。尽管四位受试者的幅值和频率存在差异，但事实相同：通过带式传感器测量时，胸部和腹部运动呈同相，而通过触觉传感器片在对应于胸部和腹部的位置测得的压力波动在安静呼吸期间呈反相。

位于线A和线C中点的M线（见图7）上的平均压力波动相较于线A和线C处较小（见图9）。该结果表明，在胸部和腹部之间可能存在一个压力波动较小的区域。

图7(b)所示的静态压力以及图8和9所示的压力波动均依赖于床垫硬度。当床垫硬度降低时，静态压力的分布趋于平均，压力波动的幅值变小，即对于极软的床垫，测量精度可能会下降。

4 压力波动讨论

当受试者仰卧时，胸廓和膈肌的概念图如图10所示。参与呼吸的肌肉和骨骼包括肋间外肌、肋间内肌、吸气辅助肌、膈肌、腹肌，以及肋骨和脊柱[31,32]。

当受试者通过移动胸廓吸入空气时，肋间外肌和吸气辅助肌收缩，牵拉肋骨围绕其颈部与脊柱连接的轴向前上方旋转，以增加胸腔体积。因此，胸骨沿箭头w1方向向上移动，使腹肌被拉伸，同时胸廓的重心沿箭头w2方向移动。当受试者通过腹部运动吸入空气时，膈肌收缩并沿箭头w3方向移动，从而增大胸腔容积。腹内容物被迫向下和向前移动，腹部的重心随之沿w4方向移动。随着腹部扩张，腹肌中产生拉力T[32]。

在胸廓呼气过程中，肋间内肌收缩，使肋骨反向旋转，从而减小胸腔容积。而在膈肌参与的呼气过程中，腹肌收缩，膈肌放松，导致腹腔内容物向上向内移动，进而减小胸腔容积。

需要注意的是，尽管上述描述中将呼吸运动分别描述为肋式呼吸（胸廓起主要作用，胸部运动明显）和腹式呼吸（膈肌起主要作用，腹部运动明显），但在大多数实际呼吸过程中，这两种因素是共同作用的[33]。膈肌和胸廓都可能起主要作用。腹部和胸部的呼吸运动可能因性别而异。男性在仰卧位安静呼吸时，腹部运动比胸部运动更明显，但在深呼吸时胸部运动增加[30]。

四位受试者使用带式传感器的测量结果显示，这些受试者的呼吸依赖于胸部和腹部的联合运动，且腹部的运动幅度大于胸部（图8）。腹肌的作用类似于弓弦，当受试者吸入空气时会被拉伸，且腹肌中的张力可能会使脊柱弯曲，如图10中的蓝色虚线所示。

由于头部、臀部和腿部的体重作用，脊柱的两端不会向上弯曲，这可能会限制脊柱的弯曲。如果仅考虑腹肌的张力，当受试者在仰卧位吸入空气时，作用在床垫上对应胸部和腹部位置的压力会减小。显然，这种解释无法说明为何胸部和腹部的压力呈现相反的波动。

图11表示由触觉传感器片测量的在吸气过程中床垫反作用力的概念动态模型。由于该模型可用于描述胸廓和腹部的扩张，因此在模型中未区分这两种扩张。在图11中，F和P(T)分别表示床垫的反作用力以及由于腹肌拉力T而产生的抬升胸部或腹部的力。符号k表示受试者背部与床垫之间接触变形的刚度，h表示朝向床垫的位移。位移h包含两个分量：he和hy，可表示为

$$ h = h_e - h_y $$ (7)

其中，he表示胸部或腹部扩张变形产生的位移，hy表示胸部或腹部重心运动产生的位移。根据力的平衡，我们有

$$ F = kh = k(h_e - h_y) $$ (8)

$$ m\ddot{y} = F + P(T) $$ (9)

其中，y表示重心在y方向的位移，$\ddot{y}$表示y关于时间的二阶微分。模型中忽略了黏度。从上述方程可知，如果

$$ h_e - h_y > 0 $$ (10)

or

$$ m\ddot{y} > P(T) $$ (11)

触觉传感器片测得的压力在吸气期间会增加；否则会减小。

如果胸廓或腹部扩张且he > hy，则压力波动将与带式传感器的输出同相；否则，将与带式传感器的输出反相。

如果只有腹式呼吸，那么he = 0在胸部。由于在腹式吸气过程中，腹部肌肉的张力使胸部的重心被抬高，hy > 0并且he − hy < 0。因此，吸气时胸部的压力可能会降低，且压力波动可能与带式传感器的输出呈反相。由于腹部带式传感器的输出大于胸部的输出（图8），我们可以推断，在本实验的四名受试者中，腹式呼吸占主导地位[29,30]。这可能是胸部压力波动与带式传感器输出呈反相的原因（图8）。

根据上述讨论，如果以肋式呼吸为主，则压力波动可能与胸部带式传感器的输出同相。为了验证这一推断，进行了一项有意识的深慢呼吸实验，因为在深呼吸时胸部的运动增大[30]。结果如图12所示。触觉传感器片测量到的胸部压力波动与胸部带式传感器的输出同相，而与腹部的压力波动反相，这与图8中的结果相反。

5 结论与说明

为了以无约束方法测量并区分呼吸过程中胸腹部的运动，该研究提出了一种新方法，并利用软聚合物材料开发出一种柔韧且可拉伸的触觉传感器片，使该方法成为可能。该传感器片可像床单一样铺设在床面上，能够测量受试者卧姿时的静态体压以及由呼吸运动引起的压力波动。卧姿可通过使用图像识别技术，可以估计静态压力的分布，并从压力波动中估算胸部和腹部的呼吸运动。该方法具有鲁棒性、简单性和成本效益高的优点。它有可能为睡眠呼吸暂停和呼吸障碍的筛查检查提供一种替代约束式带状传感器的方法。

在仰卧位下，对四名受试者进行了触觉传感器片与临床上广泛用于睡眠呼吸监测的传统带式传感器的对比实验。结果表明，尽管胸廓和腹部在呼吸过程中同相扩张和收缩，但触觉传感器片在胸部和腹部测得的压力波动呈反相。当男性受试者在仰卧位安静呼吸时，腹部的压力波动与腹部带式传感器的输出同相，而胸部的压力波动与胸部带式传感器的输出反相。

讨论了肋骨、膈肌、腹肌和脊柱的呼吸运动，并建立了一个简单的动态模型，以解释仰卧位吸气时作用在床垫上的压力波动。该模型定性地解释了为何触觉传感器片在胸部和腹部测得的压力波动呈反相，即使胸部和腹部的扩张与收缩是同相的。

需要注意的是，尽管传感器片能够测量呼吸引起的压力波动并区分胸部和腹部的运动，但仍需要进一步的定量研究，以用触觉传感器片替代约束式带状传感器。应在不同身体特征（如性别、身高、体重、胸围、腹围、背部弯曲、颈部厚度和下颌尺寸）的多种受试者中，在不同边界条件（如床垫硬度和体位）下，更定量地研究压力波动与胸部/腹部运动之间的关系。