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坐式心冲击信号检测系统设计及心率分析.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.49M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 坐式心冲击信号检测系统设计及心率分析# 姜星1，耿读艳1，付志刚2，张园园1** （1. 河北工业大学电气工程学院，天津 300130； 2. 解放军第 254 医院健康管理科，天津 300142） 摘要：为了实时监测人体工作和睡眠状态的相关生命体征，使突发性心脏病和心脑血管疾病 患者得到及时救护，设计实现了一种基于心冲击（ballistocardiogram，BCG）信号的无束缚 实时生命体征监测系统。通过电荷放大器、低通滤波器、电压放大器处理压电薄膜传感器输 出的体震信号，并通过微处理器采集后无线传输到上位机，实现了信号的连续存储、分析和 预警功能。采用 10 名健康成年被试者的 BCG 信号和 ECG 信号对比分析，验证了系统对生 命体征监测的有效性，为生命体征监测走入办公室和家庭做了有益的尝试。 关键词：心冲击；体震信号；生命体征；实时监测 中图分类号：TP274 The design of seated BCG signal acquisition system and analysis of heart rate Jiang Xing1, Geng Duyan1, Fu Zhigang2, Zhang Yuanyuan1 (1. School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130; 2. Liberation Army 254 Hospital, Tianjin 300142) Abstract:In order to real-timely monitor the vital signs which are related to the state of human work and sleep, a chainless and real-time Vital signs monitoring system was designed based on BCG signal to make patients who suffer sudden heart attack and cardiovascular disease get rescue in time. Body vibration signal comes through the output of the Charge amplifier, low-pass filter and piezoelectric thin film sensor disposed by voltage amplifier, and then the signal is transferred to PC with the microprocessor collecting, the function of signal’s continuous storage, analysis and early warning comes true. The effectiveness of the system monitoring vital signs was verified with the comparison and analysis of 10 healthy adult subjects’ BCG signal and ECG signal, which makes a beneficial attempt to make vital signs monitoring system step into office and home. Keywords: BCG; Body vibration signal; Vital signs; Real-time monitoring 5 10 15 20 25 30 0 引言 心脏是人身体中最重要的一个器官，主要功能是为血液流动提供压力，把血液运行至身 35 体各个部分。心脏的跳动节律最高的是窦房结，约为 100 次/分，房室结约为 50 次/分，最低 的是浦倾野纤维，约为 20-40 次/分。当窦房结有病变时，只能靠房室结和浦倾野纤维维持 心跳，每分钟只能跳 50 次以下，满足不了身体的需要，于是即发生多种心律紊乱，甚者可 引起心搏停止[1]。所以患者有无心脏病表现，猝死发生的时间和方式不可预知，具有突发性。 因此对心脏的实时检测来预防心脏病就变得尤为重要，目前较为成熟的是心电检测，然而这 40 种检测方法需要被试者身上贴有电极，不适宜长时间检测，具有局限性。 心冲击扫描图是一种新的无接触心脏活动检测方法[2]。心脏射血时会引起人体重力变 化，心冲击扫描图就是利用压力传感器获取的射血引起的重力变化信号。它与心电相比，它 基金项目：2014 年度军队后勤科研计划课题（CBJ14C005） 作者简介：姜星（1993），女，研究生，主要研究方向：生物医学电磁技术、信号测量与控制 通信联系人：耿读艳（1973 年-），男，教授、硕导，主要研究方向：生物医学电磁技术、信号测量与控制. E-mail: dygeng@hebut.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 具有无创、无直接接触和检测方便等优势。近几年随着传感器和数字信号处理的发展，研究 人员又开始重视心冲击扫描图的研究，且研究表明其具有很大的研究意义，可应用在很多医 疗方面的检测[3-4]。 45 本文主要设计了基于压电薄膜的坐式心冲击信号的采集系统。实现了无接触、无束缚的 心率实时监测，并进行了心冲击图-心电图（BCG-ECG）的联合采集，通过对这两种信号的 心率分析和有效性分析，来确定本文所设计的心冲击信号采集系统的实用性和准确性[5]。 1 信号采集装置的总体设计 50 本文所设计的系统主要包括几个部分：采集人体信号的压电薄膜式传感器、连接传感器 对采集的信号做后续的电路处理，包括电荷放大器、低通滤波器、电压放大器、电压抬升电 路、信号离散模块、无线传输模块、串口通讯、上位机设计。整体的设计框图，如图 1 所示。 55 60 图 1 电路整体设计框图 Fig.1 Overall design circuit diagram 1.1 硬件电路的设计 心冲击产生的压力幅值只有1.5-4N，本文设计的心冲击信号采集系统所用的是W80压电 薄膜传感器，它的最低响应频率可达0.1Hz，能感受到0.1µN的压力变化。与传统的压电材料 相比它具有频率响应范围较宽、动态范围较大、机械性能强度较高、电力转换灵敏性和声阻 抗匹配等特点，并且有质量轻、不易脆裂、抗冲击性强、防水性好、价格低廉等优势[6-9]。 由此压电薄膜得到心冲击信号很微弱，需要对传感器进行前置的电路处理，使用电荷放 大器将传感器电容中的电荷量变化转化为电压变化，输出到下一级，选用了 CA3140 放大器， 得到的输出信号范围在毫伏级 [10]。因为我们所研究分析的体征信号为心率，其频率为 1-1.7Hz，所以使用低通滤波器，它有较高的信噪比，而且能较好的滤除工频干扰。由于输 65 出的信号幅值为毫伏级，需要对其进行电压放大，经过电压放大器可以将电压放大到合适范 围[11]。由于得到的电压有负值，而本文所用的单片机只能识别、处理正值电压信号，所以 需要一个电压抬升电路得到所需的正值电压信号。如图 2 所示为各个电路所制成的硬件电路 板。 - 2 - 人体 电荷放大器 压电薄膜式传感器 低通滤波器 电压放大器 电压抬升电路 信号离散化 无线传输模块 上位机软件
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 70 1.2 数据采集的设计 图2 硬件电路实物图 Fig.2 Physical hardware circuit diagram 将前置电路得到的电压信号，利用单片机进行A/D转换，将得到的模拟型号转换为数字 信号，其采样频率为1000Hz，将A/D转换后的12位数据分为高四位和低八位，以波特率为 75 115200b/s通过蓝牙传输送到PC机，上位机通过串口调试接受数据并保存。利用MATLAB软 件分析所得到的数据信息，最终算出准确的心率。 2 实验设计与数据处理 2.1 实验的数据采集 本文为了验证所得到的BCG信号的准确性，将采取同步采集被使者的BCG和ECG信号 80 ，并实时保存。使用ECG-300A数字式三道心电图机和所设计的BCG采集系统分别同步采集 ，将被试者所采集的BCG信号经过分析后与ECG信号对比，分析BCG的准确性。 图3 同步采集设备实物图 Fig.3 Synchronization acquisition device real figure 85 为了验证装置的有效性，并对人体心冲击信号的特征进行研究，本文共采集了10位健康 成年人的数据，其中有5位男性，5位女性。被试者要保持平稳的坐姿，匀速呼吸，等待信号 稳定后采集2min的BCG信号，与此同时采集被试者的ECG信号。将采集到的数字信号经过 MATLAB处理后得到BCG和ECG的信号图。如图4所示为某一被试者采集的原始信号示意图 。 90 由图可以观察到，BCG信号中可以明显观察到J峰，同时，可以看到BCG信号的IJK波形 是有重复性的，所以表示我们采集的BCG信号是具有鲁棒性的。另外，不同的被试者之间的 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 波形形状和幅度上存在着较大的差别，这些差别来源于每个人不同的心脏活动状态以及身体 结构[12]。 95 如图4 某一被试者采集的原始信号示意图 Fig.4 A certain subjects collection of the original signal 由于该设备的便携性，不仅可以检测人体在坐姿状态下的心率，在日常生活中也可以检 测睡眠，真正做到工作和家庭的全面检测。如图 5 所示，将该设备的传感器置于床垫中连接 号设备装置，就可以检测人体睡眠时的心率。 100 2.2 数据处理 图5 睡眠检测图 Fig. 5 Sleep test figure 由于MATLAB所具备高效的数学计算能力和完善的功能，在本文中，使用MATLAN作 105 为数学工具，由于采集到的BCG信号是16进制数据，所以在MATLAB中对采集到的数据首 先进行预处理，即将数据还原为原始信号值。然后对数据进行分析[14]。 由于采集到的数据包含呼吸、身体移动、肠胃蠕动、电路自身噪声等干扰信息。因此， 为了消除BCG信号的噪声，突出心动周期信息，需要对BCG信号进行预处理，包括，平滑 曲线，消除趋势项，得到较好的心冲击图，然后找到峰值计算心率[15-16]。经过处理后的BCG 信号图，如图6(a)(b)所示。 110 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (a) BCG原始图 (a) BCG original figure 115 3 实验结果分析 (b) 处理后的信号图 (b) processed signal 图6 BCG信号处理前后对比图 Fig. 6 BCG figure with signal processing 120 经过心冲击图和心电图方法计算得出的心率如表1所示，通过观察两种方法的计算结果 基本一致。虽然个别数据有所差距，但是整体的计算结果是很理想的。所以本文所设计的坐 式心冲击图信号采集系统是具有时效性和准确性的。 根据心冲击图和心电图方法计算得出的心动周期时间间隔的比较，这是HRV分析的基 础[17-18]。图7为分别通过心冲击图的JJ间期和心电图的RR间期方法计算得到的某一正常成年 人的心动周期。两种方法计算的到的心动周期时间间隔并不绝对相等，但是基本接近且变化 125 趋势一致。 女性被试（次/min） 男性被试(次/min) 表1 被试者的心率计算结果 Table 1 Subjects of heart rate calculation results HR(BCG) 69 HR(ECG) 68 70 70 68 67 71 73 70 61 73 74 76 77 67 68 72 71 77 77 130 图7 一段时间内两种方法计算的心动周期间隔 Fig. 7 Intervals of cardiac period calculated from ECG and BCG - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4 结论 该系统使用的信号为心脏冲击扫描波，测量部分使用是市场上价格低廉的压电薄膜传感 器，采集人体的BCG信号作为信号源，后续电路装置的体积也比较小，便于携带，与常规的 135 心电检测相比，在实际操作中传统方式对人的束缚性较大，长时间的测量会影响被检测者的 心情，约束被试者的自身行为，不能作为家庭的正常生活需求。基于此本文设计的心冲击扫 描图采集装置主要由采集人体信号的压电薄膜式传感器，通过电路的多级放大和转换，将其 无线传输到上位机软件，最终得到测量的BCG信号。可以满足被试者正常的生活需求，在工 作和休息的同时可以测量自己的心率情况，真正的实现无束缚。本文所设计的系统具有体积 140 小、便于携带、性价比高、实用性强、测量也较为准确等优点。 [参考文献] (References) 145 150 155 160 165 [1] 梅岩艾,王建军.生理学原理[M].北京:高等教育出版社,2008: 198-208. [2] 王 春 武 , 王 旭 , 龙 哲 , 等 . 坐 立 两 便 式 心 冲 击 信 号 检 测 系 统 设 计 与 实 现 [J]. 东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版),2012,33(006): 786-789. [3] 金晶晶.心冲击图信号的无感觉检测与分析方法研究[D].东北大学,2010. [4] 赵儒哲. 穿戴式非接触电极 ECG 系统与心脏病预警技术[D]. 东北大学,2015. [5] 张晶,曹欣荣,唐劲天,徐桂芝,等.压电薄膜式心冲击图信号采集系统的设计与实现 [J].生命科学仪 器,2013,05: 57-62. [6] 王国力,赵子婴,白金星.PVDF 压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报,2004,12(4): 688-692. [7] 张晶. 压电薄膜式心冲击图信号采集系统的开发与应用[D].河北工业大学,2014. [8] 牛凤筠. 基于 PVDF 压电薄膜传感器的生理信号检测系统研究[D].长春理工大学,2011 [9] 王国力,赵子婴,白金星.PVDF 压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报,2004,12(4): 688-692. [10] 齐晓慧. 基于压电薄膜的可穿戴呼吸脉搏监测系统[D].吉林大学,2015. [11] 苏 弘 , 周 波 , 李 小 刚 , 马 晓 莉 . 一 种 低 噪 声 快 电 荷 灵 敏 前 置 放 大 器 的 研 制 [J]. 核 电 子 学 与 探 测 技 术,2003,23(2):105-107. [12] Etemadi M., Inan O.T.,Giovangrandi l., Kovacs G.T.A. Rapid Assessment of Cardiac Contractility on a Home Bathroom Scale.IEEE transactions on information technology in biomedicine, 2011 15(6):864-869. [13] 周玉彬,俞梦孙.用无电极的方法测量人体生理信号[J],北京生物医学工程,2001,22(2): 91-94. [14] 胡广书. 数字信号处理-理论、算法与实现[M].北京: 清华大学出版社, 2012.10. [15] 宗慧. 心电信号处理及心率变异性分析研究[D].山东大学,2009. [16] 王 春 武 , 王 旭 , 龙 哲 , 张 柯 欣 . 基 于 心 冲 击 信 号 的 心 率 提 取 算 法 [J]. 东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版),2012,08:1103-1106. [17] 陈明杰. 心率变异信号采集及其功率谱分析的研究[D].重庆大学,2002. [18] 王琛磊. 基于 DSP 的睡眠监测系统设计与实现[D].华南理工大学,2013. [19] 曹欣荣,刘蕾,蔡东阳,郭鹏,唐劲天. 心冲击图特征统计及其医学诊断应用[J]. 清华大学学报(自然科学 版),2014,05:633-637. - 6 -
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