一种遥感呼吸功能监护装置及方法
技术领域
本发明涉及遥感呼吸功能监护领域，特别是涉及一种遥感呼吸功能监护装置及方法。
背景技术
本发明涉及一种医疗器械，应用在医学、航天、军事、体育、测谎等领域，解决远程人体呼吸功能监测的问题。慢性阻塞性肺疾病、肺间质纤维化、重症肺炎、成人呼吸窘迫综合征、肺水肿等肺部疾病，胸腔积液、气胸、连枷胸等胸腔/胸廓疾病，吉兰巴雷综合征、周期性麻痹等外周神经肌肉损伤性疾病，颈髓横断、膈神经损伤等，甚至急性休克、颅内高压、贫血、甲状腺功能亢进或减退，谵妄、抑郁、惊恐发作等非呼吸系统疾病，以及镇静、麻醉状态等特殊病理生理状态，均伴随相应地呼吸力学的异常。所以研究相关疾病的呼吸力学异常具有重要的实践意义及社会价值。呼吸力学是以工程学的观点和方法研究呼吸系统中的力学问题，包括呼吸功能的评价，各类呼吸疾病的检测、诊断以及治疗。呼吸过程大致可以分为吸入与呼出两个阶段。吸气阶段人体通过膈肌及肋间肌的收缩扩张胸腔，引起肺内压力下降，使得呼吸道口的压力大于肺内压，空气向肺内流入，随着外部空气的不断流入，肺内压慢慢接近外部大气压，空气流速减缓至停止并启动呼气阶段。呼气阶段人体通过胸廓及吸气时收缩的膈肌的自然回缩力，造成肺内压力的升高，以致肺内压大于呼吸道口的压力，空气从肺内经口鼻腔流出。呼吸力学参数胸廓动度、潮气量、呼吸频率、呼吸气体流速、呼出气体中二氧化碳浓度等参数以及上述各参数随时间的变化规律。人体通过呼吸力学，实现氧气的输入与二氧化碳的输出，以保证各项机能的正常进行。和人体其它器官功能一样，呼吸力学具有极大的调节范围，以适应人体不同的生理状态，同时，不同的疾病状态也极大的影响着呼吸力学参数的变化，这就为呼吸力学参数的监测与评价提供了可能性与必要性。
当前呼吸力学监测手段可分为接触式和非接触式。
接触式呼吸力学监测手段包括常用于慢性呼吸系统疾病的常规肺功能检查和常用于急性呼吸衰竭患者的呼吸机附带呼吸力学测定模块。常规肺功能检查(generalpulmonary functiontest)一般通过肺功能测定仪或多导生理仪完成，主要用于检测呼吸道的通畅程度、肺容量的大小，对于早期检出肺、气道病变，评估疾病的病情严重程度及预后，评定药物或其他治疗方法的疗效，鉴别呼吸困难的原因，诊断病变部位、评估肺功能对手术的耐受力或劳动强度耐受力等方面有重要的临床价值，包括肺容量、潮气量、肺活量、余气量、功能余气量、肺通气量、呼吸频率、氧分压、二氧化碳分压、呼吸商等多个呼吸力学参数，以及某两个参数或某一个参数与时间轴衍生的多个二维指标等。优点是提供的呼吸力学参数较全面，是目前广泛接受的肺功能检查的“金标准”。缺点是该检查需要在专门的肺功能检查室内通过专门的肺功能测定仪完成，检查过程中需要患者口唇含住专用的气体采集管并根据操作人员的指令做常规呼吸、最大呼吸及用力呼吸等动作，这会导致过于危重患者或幼年患者因为客观或主管的原因无法配合而无法进行，且无法在患者病床旁边实时的与连续的进行。呼吸机附带的呼吸力学模块(pulmonarymechanicsmeasurement function ofventilator)是某些高端呼吸机自带的通过流量、流速、压力、二氧化碳及氧浓度等传感器获取患者潮气量、气流速度、二氧化碳浓度等呼吸力学参数，并通过某两个参数和时间轴构建各种呼吸特征曲线，以进一步反映患者的呼吸功能与人际协调性问题。优点是对正在接受气管插管及机械通气的患者可以提供床旁呼吸力学参数测定，且能实现连续的与实时监测。缺点是只能用于已经建立气管插管等人工气道及机械通气的危重患者，对于非机械通气的危重患者或尚不够机械通气指征的伴随呼吸力学异常的患者无法提供监测。
非接触式呼吸监测是生命探测的一部分，在一定距离内，通过生物雷达或超低频电波等技术，通过持续测量由于患者呼吸、心跳、言语、肠蠕动、肢体动作、敲击等生命运动信号，然后构建相应算法，探测目标人体的呼吸、心跳等生命体征的存在与否。生物雷达(Bio-radar)是利用电磁波的反射原理制成，以脉冲形式的微波束照射人体，由于人体生命活动(呼吸、心跳、肠蠕动等)的微动，使得被人体反射后的回波脉冲序列的重复周期发生变化，经过对人体反射后的回波脉冲序列进行解调、积分、放大、滤波等处理并输入计算机进行数据处理和分析，就可以得到与被测人体生命特征相关的参数，从而辨识有无生命。用于生命探测具有穿透力强、作用距离精确、抗干扰能力强、多目标探测能力强、探测灵敏度高等优点，探测距离可达30～50m，穿透实体砖墙厚度可达2m以上，可隔着几间房探测到人，并具有人体自动识别功能，不受环境温度、热物体和声音干扰的影响。2015年中国空军医学院王健琪教授完成的基于超低频微动相干检测的“雷达式生命探测技术与系列装备”，可以实现单/多目标生命搜寻、穿墙人员探测、远距离伤员探测等功能，获国家技术发明二等奖，获国家发明专利15项、软件著作权4项，已列装军队、公安、消防等单位近千台。超低频电磁波(supperlow frequency electromagnetic wave)是人体心脏跳动时产生生物电并发出的超低频电磁波(30HZ)。美国DKLLifeGuardTM生命探测器已申请多项技术专利，以被动接收方式侦测人体心脏所发射的超低频电磁波，能穿越钢板、水泥、复合材料、树丛等各种障碍物，侦测出任何遮挡物背后的生存者或敌军士兵，侦测距离在开放空间可达2千米，水面上达10海里以上，已广泛为世界上先进国家的军事、海关、海巡、消防、安全、救援、航天等政府部门使用。上述两种遥感呼吸探测技术的优点是开创了遥感探测生命体征的新途径，解决了战场、灾难现场等方面面临的部分现实问题，缺点是获取的呼吸力学参较少，仅能用于最初级别的生命迹象探测，不能用于疾病相关的呼吸力学参数异常的监护。
发明内容
本发明的目的是提供一种遥感呼吸功能监护装置及方法，不仅能够不受环境温度的影响，实现非接触式呼吸功能测定，还能够获取更多的呼吸功能参数。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种遥感呼吸功能监护装置，包括：二氧化碳遥感监测传感器、中央处理器和显示器，所述二氧化碳遥感监测传感器用于采集人体鼻呼出气流中的二氧化碳云雾图像，所述中央处理器与各所述二氧化碳遥感监测传感器均连接，所述中央处理器用于根据所述二氧化碳云雾图像得到带有二氧化碳浓度时空特征的三维立体动态图像，并根据所述三维立体动态图像得到随时间动态扩展的二氧化碳浓度，所述显示器与所述中央处理器连接，所述显示器用于显示所述三维立体动态图像和所述二氧化碳浓度。
可选地，所述二氧化碳遥感监测传感器采用短波红外二氧化碳浓度传感器。
可选地，所述短波红外二氧化碳浓度传感器采用基于透射式闪耀光栅的光谱成像仪。
可选地，所述二氧化碳遥感监测传感器的数量大于等于1个，当所述二氧化碳遥感监测传感器的数量大于等于2个时，各所述二氧化碳遥感监测传感器相互垂直或成一定角度设置。
一种遥感呼吸功能监护方法，包括：
采集人体鼻孔和或口唇呼出气流中的二氧化碳动态云雾图像信息；
采用红外遥感体积测量方法对所述二氧化碳动态云雾图像信息进行测量，得到多维度的红外二氧化碳浓度数据；
根据各所述红外二氧化碳浓度数据，建立三维立体动态图像，所述三维立体动态图像为不同颜色的图像，不同颜色代表不同的二氧化碳浓度；
根据所述三维立体动态图像采用密度加和方法，确定呼出气体中二氧化碳的空间分布与动态扩散情况。
可选地，所述采集人体鼻孔和或口唇呼出气流中的二氧化碳云雾图像，具体包括:
通过二氧化碳传感器采集人体鼻孔和或口唇呼出气流中的二氧化碳云雾图像。
可选地，所述采用红外遥感体积测量方法对所述二氧化碳动态云雾图像信息进行测量，得到多维度的红外二氧化碳浓度数据，具体包括：
采用红外遥感技术对人体鼻孔和或口唇呼出气体中的二氧化碳进行呼出气流中的二氧化碳气体云团的不同三维经线长度的测量、不同空间位置的二氧化碳浓度的测量、不同时间点的二氧化碳云三维经线及空间浓度的测量，得到多维度的红外二氧化碳浓度数据。
可选地，所述根据各所述红外二氧化碳浓度数据，建立三维立体动态图像，所述三维立体动态图像为不同颜色的图像，不同颜色代表不同的二氧化碳浓度，具体包括：
根据各所述红外二氧化碳浓度数据，通过微积分方法构建呼出气体的包涵二氧化碳空间浓度分布的三维立体动态图像；
用不同的颜色定量的表达所述三维立体动态图像中不同空间的二氧化碳浓度及二氧化碳云团的性状。
可选地，所述根据所述三维立体动态图像采用密度加和方法，确定呼出气体中二氧化碳的空间分布与动态扩散情况，具体包括：
根据所述三维立体动态图像采用密度加和方法，得到二氧化碳云团性状、体积扩散速率、最大可检测体积、空间浓度上升速率、扩散速度、衰减速度、最大二氧化碳含量数据；
根据所述二氧化碳云团性状、体积扩散速率、最大可检测体积、空间浓度上升速率、扩散速度、衰减速度、最大二氧化碳含量数据运用轮廓提取技术进行数字化转换及计算，确定呼出气体中二氧化碳的空间分布与动态扩散情况。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明可以实现非接触式呼吸功能测定。
2、本发明和目前的红外技术相比，不受环境温度的影响。
3、本发明和目前的生命探测技术相比，可以提供更多的呼吸功能参数。
4、本发明可以实现连续的监测，获得患者的临床大数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明遥感呼吸功能监护装置组成示意图；
图2为本发明遥感呼吸功能监护装置使用示意图；
图3为本发明短波红外二氧化碳浓度传感器设计图；
图4为本发明遥感呼吸功能监护方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种遥感呼吸功能监护装置及方法，不仅能够不受环境温度的影响，实现非接触式呼吸功能测定，还能够获取更多的呼吸功能参数。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
每个人每分钟都需要经鼻孔呼出含有二氧化碳的气体10-20次，每次500-600ml，且呼出气体中二氧化碳的分压为40mmHg左右，远远高出空气中二氧化碳分压0.22mmHg，二者差别巨大。也就是说，人体经鼻孔呼出二氧化碳气体可以在鼻孔周围的空气中形成二氧化碳的三维云雾状形态，即呼出气体二氧化碳云，就如墨鱼喷射一团墨汁于洁净的海水中一样明显。并且人体每次呼吸呼出的二氧化碳云的形态会随着时间发生动态扩散与演变。一方面，从流体力学上来看，人体呼出的二氧化碳气体云的三维空间形态及随时间变化的四个维度的参数，受到潮气量、呼吸频率、呼吸驱动力、呼吸阻力等因素的影响，所以其必然能够反映人体呼吸功能的某些特征。比如慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的呼气相明显延长且呼气幅度明显降低，成人急性呼吸窘迫综合征(ARDS)患者的呼气时间明显缩短且呼气幅度明显增大。如果能实时的描记呼出气体中二氧化碳云的动态分布演变特征，则必然能达到对被监测者呼吸功能的监测目的。所以深入研究鼻孔自然呼吸状态下呼出气体中二氧化碳云的形态及浓度的五维时空变化特征，则必然达到监测目标对象疾病相关性呼吸力学特征之目的。在急性循环波动的患者，呼出气体的二氧化碳云(联合氧气云)时空五维分布演变特征甚至能反映组织氧代谢及二氧化碳转运的循环监测功能。在患有鼻腔解剖结构改变的患者中，我们通过对比经鼻孔呼出气体及经口呼出气体的二氧化碳云的时空分布演变特征，亦能对气道异常进行功能性定量测定与评估。
从方法学上来说，二氧化碳作为一种特殊气体，目前已经具备了五维遥感测定技术，且其测量敏感度和精度非常高。特殊的二氧化碳气象卫星可以在万米高空检测到地球特定区域大气内二氧化碳气体0.0025％浓度的超细微变化(0.01ppm/392.28ppm)并进行时空分析。比如国产GOSAT卫星就具备的短波红外CO2浓度观测平台。但目前该技术主要应用于气象卫星及和环境监测上，前者主要用于地球各区域温室气体含量的监测，后者主要用于特定地表植被等生物载量的监测以及生产车间废气监测及人口密集区域的安全预警，且均被证明具有很高的精确度及准确性。但尚未检索到应用二氧化碳云遥感技术研究单个人体鼻孔处呼出气体的二氧化碳五维时空分布规律及与人体呼吸功能之间关系的报道或研究。
图1为本发明遥感呼吸功能监护装置组成示意图。图2为本发明遥感呼吸功能监护装置使用示意图。如图1和图2所示，一种遥感呼吸功能监护装置包括：二氧化碳遥感监测传感器1、中央处理器2和显示器3，所述二氧化碳遥感监测传感器1用于采集人体鼻呼出气流中的二氧化碳云雾图像4，所述中央处理器2与各所述二氧化碳遥感监测传感器1均连接，所述中央处理器2用于根据所述二氧化碳云雾图像4得到带有二氧化碳浓度时空特征的三维立体动态图像，并根据所述三维立体动态图像得到随时间动态扩展的二氧化碳浓度，所述显示器3与所述中央处理器2连接，所述显示器3用于显示所述三维立体动态图像和所述二氧化碳浓度。
所述二氧化碳遥感监测传感器1采用短波红外二氧化碳浓度传感器。所述短波红外二氧化碳浓度传感器采用基于透射式闪耀光栅的光谱成像仪。对于光谱成像仪空间分辨率的选择：人体鼻气流的分布范围应该在半个立方米以内，最大可以扩展到两个立方米，以检测咳嗽时的异常强烈气流，空间分辨率达到厘米或0.5厘米级即可。对于光谱成像仪光谱分辨率的选择：经调研，当前已有的遥感星载二氧化碳光谱仪，根据探测波段不同光谱分辨率在0.04nm-0.2nm，由于二氧化碳柱含量的探测主要依赖弱吸收带，因此检测范围为短波红外二氧化碳弱吸收带在1.594μm～1.624μm。遥感探测卫星在此波段的光谱分辨率通常为0.08nm-0.1nm，之所以要设计如此高的精度主要是由于遥感探测二氧化碳地表分布时会受到大气层的强烈影响，高分辨能实现在低信噪比时的精确测量。因此，拟定的方案光谱分辨率为0.1nm可满足足够精度需求。
所述二氧化碳遥感监测传感器的数量大于等于1个，当所述二氧化碳遥感监测传感器的数量大于等于2个时，各所述二氧化碳遥感监测传感器相互垂直或成一定角度设置。对于光谱成像仪三维成像的设计：两个完全相同的传感器，垂直放置，以实现对目标气体的立体成像及三维动态监测。图3为本发明短波红外二氧化碳浓度传感器设计图。
为实现二氧化碳分布及浓度的获取，采用基于透射式闪耀光栅的光谱成像仪。表1为设计技术指标，表2为探测器主要参数与系统光学参数。如下所示：
表1设计技术指标
表2探测器主要参数与系统光学参数
显示器3对处理器获得的数据进行可视化的显示，比如通过不同颜色及颜色的深浅度显示呼出气体中二氧化碳在三维空间的浓度分布与动态演变，以及二维、三维的数字化测量结果。
图4为本发明遥感呼吸功能监护方法流程图。如图4所示，一种遥感呼吸功能监护方法包括：
步骤101：采集人体鼻孔和或口唇呼出气流中的二氧化碳动态云雾图像信息，具体包括:
通过二氧化碳传感器采集人体鼻孔和或口唇呼出气流中的二氧化碳云雾图像。
步骤102：采用红外遥感体积测量方法对所述二氧化碳动态云雾图像信息进行测量，得到多维度的红外二氧化碳浓度数据，具体包括：
采用红外遥感技术对人体鼻孔和或口唇呼出气体中的二氧化碳进行呼出气流中的二氧化碳气体云团的不同三维经线长度的测量、不同空间位置的二氧化碳浓度的测量、不同时间点的二氧化碳云三维经线及空间浓度的测量，得到多维度的红外二氧化碳浓度数据。
步骤103：根据各所述红外二氧化碳浓度数据，建立三维立体动态图像，所述三维立体动态图像为不同颜色的图像，不同颜色代表不同的二氧化碳浓度，具体包括：
根据各所述红外二氧化碳浓度数据，通过微积分方法构建呼出气体的包涵二氧化碳空间浓度分布的三维立体动态图像。
用不同的颜色定量的表达所述三维立体动态图像中不同空间的二氧化碳浓度及二氧化碳云团的性状。
根据各所述红外二氧化碳浓度数据采用微积分方法，建立三维立体动态图像，每秒取样频率大于等于1次。所述三维立体动态图像为不同颜色的图像，不同颜色代表不同的二氧化碳浓度：例如赤色表示呼出气体中二氧化碳5-14mmHg，橙色表示15-24mmHg，黄色表示25-34mmHg，绿色表示
35-44mmHg，蓝色表示45-54mmHg，靛色表示55-74mmHg，紫色表示75-120mmHg。从而构建出包涵三维形状、不同空间二氧化碳的不同浓度、以及随时间变化等五维参数的呼出气流信息数据。
目前常规肺功能检查得到的是诸如潮气量、最大流速等数字化参数。为了将本发明与常规肺功能检查进行相关性及对比性研究，可以运用图形轮廓分析提取技术对上述呼二氧化碳气流的五维信息进行数字化特征提取。当然，轮廓特征分析提取技术本身获取的信息也可以根据临床疾病特征进行新的呼出二氧化碳气流的特征指标的创建。
通过不同空间内的红外二氧化碳浓度数据，得到在三维空间构造该不规则立体，即三维立体动态图像，并通过微积分方法计算其体积，以及该体积随时间的推移及呼吸的重复而发生的变化。
步骤104：根据所述三维立体动态图像采用密度加和方法，确定呼出气体中二氧化碳的空间分布与动态扩散情况，具体包括：
根据所述三维立体动态图像采用密度加和方法，得到二氧化碳云团性状、体积扩散速率、最大可检测体积、空间浓度上升速率、扩散速度、衰减速度、最大二氧化碳含量数据；
根据所述二氧化碳云团性状、体积扩散速率、最大可检测体积、空间浓度上升速率、扩散速度、衰减速度、最大二氧化碳含量数据运用轮廓提取技术进行数字化转换及计算，确定呼出气体中二氧化碳的空间分布与动态扩散情况。
单次呼出气体二氧化碳云的最大体积可以反映被监测者潮气量的特征，二氧化碳云体积的最大增长率可以反映被监测者的最大呼气流速，一分钟内的每次呼出二氧化碳云的最大体积之和可以反映分钟通气量的特征，24小时的累积量则可以反映患者总的呼吸功及日常代谢率，二氧化碳云的色彩分布特征可以反映患者死腔通气量和2型呼吸衰竭特征等等。
本发明与现有技术相比，具有下列优势：
1、本发明可以实现非接触式呼吸功能测定。
2、本发明和目前的红外技术相比，不受环境温度的影响。
3、本发明和目前的生命探测技术相比，可以提供更多的呼吸功能参数。
4、本发明可以实现连续的监测，获得患者的临床大数据。
本发明的上述装置和方法也可以通过呼出气体中的氧气或其它任何单一气体成分实现类似的功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
