Design of a Respiration Pattern Detecting Device based on Thoracic Motion Tracking with Complementary Filtering

Tamamlayıcı Filtreleme ile Göğüs Hareket İzlemeye Dayalı Bir Solunum Motifi Algılama Cihazı Tasarımı

Abstract

The respiration pattern represents the volume of air in the lungs as afunction of time during human respiration process. Abnormal changes in thispattern can be signs of several diseases or conditions. There exit severalrespiration pattern detection methods. Among them, an easy technique relies onsensing the movements of thoracic and (or) abdominal regions. In this study, adevice based on thoracic motion tracking with complementary filtering has beendeveloped to detect the respiration pattern. The device is equipped with a motionsensor placed in a flexible belt housing a three-axis accelerometer and a three-axisgyroscope and a UART-to-USB converter providing computer connectivity. Thedevice is operated by a microcontroller that controls the operation of the motionsensor, applies complementary filtering to the motion data acquired and transfersthe results to a personal computer. The device is powered from the computer it isconnected to. Experiments with using the device during continues inhaling andexhaling, deep inhaling followed by breath-hold and deep exhaling followed bybreath-hold respiration activities in standing, lying and seated postures show thatthoracic motion tracking with complementary filtering may provide quite wellrespiration pattern detections.

Özet

Solunum motifi, insan solunum işlemi sırasında zamanın bir fonksiyonu olarak akciğerlerdeki hava hacmini temsil eder. Bu desendeki anormal değişiklikler birtakım hastalıkların veya durumların belirtileri olabilir. Solunum motifinin tespitinde birçok yöntem bulunmaktadır. Bunlar arasında kolay bir teknik göğüs ve (veya) karın bölgelerinin hareketlerinin algılanmasına dayanmaktadır. Bu çalışmada, tamamlayıcı filtreleme ile göğüs hareket izlemeye dayalı bir solunum deseni tespit cihazı geliştirilmiş bulunmaktadır. Cihaz esnek bir kemer içine yerleştirilmiş üç eksenli bir ivmeölçer ve üç eksenli bir jiroskop barındıran bir hareket algılayıcısı ve bilgisayar bağlantısı sağlayan bir UART-USB dönüştürücüsü ile donatılmıştır. Cihaz hareket algılayıcısının çalışmasını kontrol eden, elde edilen hareket verilerine tamamlayıcı filtreleme uygulayan ve sonuçları kişisel bir bilgisayara aktaran bir mikrodenetleyici tarafından işletilmektedir. Cihaz bağlı olduğu bilgisayardan beslenmektedir. Ayakta durma, yatma ve oturma pozisyonlarında; sürekli nefes alma ve verme, derin nefes almayı takiben nefes tutma ve derin nefes vermeyi takiben nefes tutma solunum aktiviteleri süresince cihaz kullanarak gerçekleştirilen deneyler tamamlayıcı filtreleme ile göğüs hareketi izlemenin oldukça iyi solunum deseni tespitlerine imkân tanıyabildiğini göstermektedir.