IMU传感器之奇妙应用---呼吸监测

大家好，今天和大家分享一篇将IMU（惯性测量单元）用于可穿戴设备中进行呼吸监测的科研论文。

来自意大利的Roberto De Fazio科研团队提出了一种基于IMU的监测呼吸参数的新型胸带设备。该可穿戴式呼吸频率测量装置的核心是两个IMU，分别放置在被测对象的胸部和背部，并用橡皮筋固定。该设备可确定差分惯性信号，并进行有关呼吸活动的信息检测。

图1  研制的胸带工作原理示意图：红色箭头表示IMU的位置，而紫色箭头表示呼吸过程中的胸部运动

佩戴在躯干上的IMU用于测量呼吸时的倾斜度和角度变化。实际上，通过使用两个传感器，可以进行差分加速度测量，去除与身体运动相关的信号成分。如果两个传感器的坐标系统完美对齐，这种方法将消除由不属于呼吸作用的平移运动引入的加速度差量。该胸带包括一个低功耗微控制器部分，用于从两个IMU获取惯性数据并对其进行处理以提取呼吸参数，以背部IMU为参考。低功耗蓝牙收发器将获取的呼吸参数无线传输到移动应用程序。

8位不同性别、年龄和体质的使用者参与了此次实验。实验在记录IMU胸带数据的同时使用便携式肺活量计，并将肺活量计的数据作为实验参考数据，通过相关性和Bland-Altman分析胸带设备的性能。

 

 图2  从胸带获得的测量值与用肺气量计获得的参考值之间的相关性图，用于三种场景，即用户（a）坐着，（b）站立和（c）行走。图中报告了数据点的多样性。

实验结果表明，对于坐位用户，基于差分惯性的胸带可以达到高相关性(r = 0.92)，并降低了测量呼吸率时的平均差值(MD =−0.27 BrPM)、一致极限(LoA = +1.16/−1.75 BrPM)和平均绝对误差(MAE = 1.15 BrPM)，同时通过Bland-Altman分析，可以得出胸带测量值和参考值之间数据一致性的结论。

实验结果证明该科研团队开发的胸带是值得信赖的，不仅尺寸和重量低，完整且易于使用，而且还能够进行实时监测，同时由于采用了差分惯性方法，设备对外部身体运动引起的伪影相对免疫，相信在未来，随着科技的发展，胸带会进一步增强可集成性，可以更高效准确地识别呼吸系统疾病（如呼吸暂停、打鼾、哮喘、慢性阻塞性肺疾病等），帮助医生更好地分析患者病情。