王 璐 王仲怡 吳子悅 徐敬傲 蔣芳芳 徐禮勝,3 于 濱

1(東北大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 沈陽 110819)

2(東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院 沈陽 110819)

3(沈陽東軟智能醫(yī)療科技研究院有限公司 沈陽 110167)

4(埃因霍芬理工大學(xué)工業(yè)設(shè)計中心 埃因霍芬 5600)

1 引 言

我國衛(wèi)生部心血管病防治研究中心 2019 年發(fā)布的《中國心血管病報告 2018》[1]數(shù)據(jù)顯示，中國心血管病現(xiàn)患病人數(shù)為 2.9 億人，心血管疾病所導(dǎo)致的死亡人數(shù)占城鄉(xiāng)居民總死亡人數(shù) 40%以上，高居首位[1]。據(jù)調(diào)查，中國 60 歲以上老年人有嚴(yán)重的睡眠障礙，其中 Meta 分析報道老年人睡眠障礙患病率為 47.2%[2]，且研究顯示老年人睡眠障礙可能增加罹患心血管疾病、高血壓、糖尿病、抑郁、肥胖等疾病的風(fēng)險[3]，已引起公眾的普遍重視。

心沖擊信號(Ballistocardiography，BCG)是一種反映人體心臟周期性泵血時產(chǎn)生的微弱作用力變化的物理量[4]。這一基本概念早在 19 世紀(jì)就已被提出[5]。BCG 信號產(chǎn)生的原理是：當(dāng)血液流經(jīng)升主動脈和頸動脈分支時，血液沖擊產(chǎn)生向上的作用力，身體則受到相同大小的反作用力作用；當(dāng)血液通過降主動脈向下流動時，作用力方向則相反[6]。BCG 信號與心電信號一樣具有周期性，可以反映人體生理信息，如心臟的心音、心排血量等[7]。心沖擊信號帶寬約為 0.6～20 Hz，理想的人體 BCG 信號由 G～N 八段組成，其中 J為正向最大峰值[8]。

目前，BCG 信號的采集方式主要有 4 種：立式、坐式、平躺式和可穿戴式。其中，對平躺式采集裝置而言，當(dāng)人體平躺時，心臟泵血和呼吸作用會對人體下方的床墊產(chǎn)生反作用力?；谶@一原理，能夠?qū)崿F(xiàn)一種基于 BCG 信號的非接觸式無感知監(jiān)護(hù)方法，以測量人體在睡眠時的心率、呼吸率以及身體微弱體動，用于長期夜間生理監(jiān)護(hù)和睡眠分析。此外，BCG 技術(shù)也能用于替代傳統(tǒng)心電圖和呼吸傳感器對房顫和呼吸暫停等疾病進(jìn)行篩查。同時，非接觸式傳感器和設(shè)備安裝操作簡單，無需專業(yè)人士輔助，易用性和用戶體驗較高，進(jìn)而適用于家庭醫(yī)療和自我監(jiān)護(hù)[9]。

當(dāng)前，針對 BCG、呼吸等體動信號的研究已經(jīng)成為一個熱點。BCG 信號采集系統(tǒng)的傳感器多數(shù)采用 EMFi(Electro-mechanical Film)壓電薄膜傳感器[10-12]、加速度傳感器[13]以及聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)壓電薄膜傳感器[14]。其中，利用加速度傳感器的采集系統(tǒng)較為成熟。村田制造所和歐洲領(lǐng)先的醫(yī)療機構(gòu)合作，成功地利用加速度傳感器采集得到 BCG 信號，并利用算法從信號中提取出患者的心率、心率變異性、呼吸率等生理指標(biāo)[15]。在信號處理方面，清華大學(xué) Cao 等[16]對 BCG 信號進(jìn)行希爾伯特-黃變換處理來計算心率。吉林大學(xué)王春武等[17]將 BCG 信號與同步采集的 ECG 信號進(jìn)行相關(guān)性分析，為 BCG 應(yīng)用于臨床診斷提供了可靠依據(jù)。河北工業(yè)大學(xué)姜星等[18]利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解對BCG 信號進(jìn)行去噪。

本文將 PVDF 壓電薄膜傳感器集成在床墊中，以實現(xiàn)一種無感知的人體心率、呼吸率等基本生命體征的非接觸式監(jiān)測方法。但 PVDF 傳感器靈敏度較高，輕微的體動干擾就會造成 BCG信號嚴(yán)重失真，無法提取有效的 BCG 信號形態(tài)特征，從而影響血流動力學(xué)的分析。因此，選擇本文所研發(fā)系統(tǒng)中傳感器放置位置、床墊硬度以及人體呼吸暫停和躺臥姿勢等常見外界因素對BCG 信號的影響進(jìn)行研究，為后續(xù)利用 BCG 信號評估人體的心率、呼吸等血流動力學(xué)生理指標(biāo)作參考。

2 系統(tǒng)原理與整體方案

壓電薄膜傳感器的核心是 PVDF 壓電薄膜，其具有正壓電效應(yīng)，能將施加于其上的機械振動信號變?yōu)殡娦盘?。壓電薄膜由兩個電極與中間的晶體層緊貼構(gòu)成，其中晶體層中的各個晶格中儲存有永久帶電的電荷。當(dāng)給壓電薄膜施加外力時，這些晶格會發(fā)生形變，電荷的帶電方向也會發(fā)生變化，薄膜的兩個電極上則會感應(yīng)出與作用力大小相對應(yīng)的電荷[19]。本文所選用的 PVDF 壓電薄膜為泰科電子有限公司生產(chǎn)的 FDT 系列薄型 PVDF 傳感器。該傳感器表面粘貼金屬屏蔽層，并用柔性軟布包裹，使用時對人體無壓迫感，能做到 BCG 信號的無感知測量。

本文利用壓電薄膜傳感器，設(shè)計了一種適用于臥姿非接觸式的人體心率、呼吸率等基本生命體征的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測條件限制小、監(jiān)護(hù)時間長等特點，尤其適用于夜間長期監(jiān)護(hù)。

本文針對該系統(tǒng)設(shè)計了模擬信號變換電路部分、信號采集與處理硬件部分。信號采集部分使用從電荷采集到模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入的全差分結(jié)構(gòu)電路，圖 1 為所設(shè)計全差分電路示意圖。為采集到精確的微弱 BCG 信號，設(shè)計了主動屏蔽層驅(qū)動電路等措施進(jìn)一步降低外界引入的干擾。針對長型 PVDF 傳感器內(nèi)阻大、輸出電荷微弱、極易引入外界干擾的問題做了優(yōu)化：在電流/電壓變換電路中使用高靈敏度的運算放大器?？紤]到實用性因素，在電路設(shè)計方面首先引入了 2.5 V 直流偏置，且所有運算放大器均只需 0～5 V 供電，具有軌至軌輸出特性；其次，使用的 FDNR 陷波濾波器對電器元件精度要求低，且元件易得。此外，選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成了如振蕩器、電壓基準(zhǔn)等電路，外部無需其他的驅(qū)動電路。這樣整體電路具有結(jié)構(gòu)精巧簡潔，可以使用單 5 V 電源供電，制造成本低等優(yōu)點。

模擬電路部分采用 Analog Devices 公司AD8641、AD8619 運算放大器、AD8227 儀表放大器，Texas Instrument 公司 OPA350 運算放大器；AD 轉(zhuǎn)換部分使用 ADS1118 16 位 Σ-δ 型全集成 ADC 芯片，嵌入式信號采集設(shè)備使用“樹莓派”ARM 開發(fā)板。硬件電路能采集具有高信噪比的 BCG 信號，具有較低的工頻干擾噪聲、較高的肢體運動噪聲容忍度，能準(zhǔn)確描繪出所測人體的呼吸與 BCG 波形等特點并與心電信號(Electrocardiogram，ECG)同步采集。信號處理器使用“樹莓派”ARM 開發(fā)板，其相應(yīng)的操作系統(tǒng)開發(fā)文檔較為完善，適合在制作前期快速進(jìn)行原型驗證。為驗證本文采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及所采集的BCG 信號的質(zhì)量，使用本系統(tǒng)同步采集 BCG 信號與 ECG 信號。采集得到的信號如圖 2 所示，過濾掉呼吸信號后的 BCG 信號有著較強的規(guī)律性，每個心沖擊信號波群代表著一次心跳動作，對比同步記錄的心電信號可以證明這一規(guī)律性。初步驗證所設(shè)計的采集系統(tǒng)可以采集得到穩(wěn)定可靠的人體 BCG 信號，表明可進(jìn)一步的量化分析與研究。

圖1 雙電流-電壓變換電路組成的差分結(jié)構(gòu)電路Fig.1 Differential circuit for transforming current to voltage

圖2 同步采集的 BCG 信號與 ECG 信號示意圖Fig.2 Synchronalized ECG signal and BCG signal

3 信號質(zhì)量的影響因素分析

在信號采集過程中，BCG 信號質(zhì)量受多重因素影響[17]，如傳感器擺放位置、受試者采集姿勢等。除此之外，由于 PVDF 傳感器的高靈敏度，受試者微小的體動也會影響所采集的 BCG信號的波形特征。本文對傳感器位置、床墊硬度、呼吸暫停和躺臥姿勢等影響 BCG 信號質(zhì)量因素進(jìn)行實驗分析。

3.1 傳感器位置影響

PVDF 傳感器實際上采集的是其表面的機械信號，因此傳感器擺放位置也會對心沖擊信號質(zhì)量造成一定影響。圖 3 為采集信號所需的 3 個PVDF 傳感器(自頭部至腳方向?qū)鞲衅魑恢靡来味x為上方、中間部位和下方)并行放置位置示意圖。其中，中間傳感器放置于心臟正下方，其余兩個傳感器分別置于其上方 5 cm(上)和下方5 cm(下)的位置。

圖3 傳感器擺放位置示意圖Fig.3 The location of the sensors

圖4 傳感器在不同位置采集得到的 BCG 信號示意圖Fig.4 BCG signals acquired at different locations

圖4 為 3 個傳感器同時采集得到的 BCG 信號波形圖。本文計算在 3 種情況采集原始信號的峰峰值、呼吸波峰峰值和心沖擊峰峰值等指標(biāo)，其對比結(jié)果如表 1 所示。從表 1 可看出，位于中間的傳感器信號強度最高，呼吸與 BCG 信號占比均勻；位于上方的傳感器采集的呼吸信號較弱，BCG 信號相對突出；位于下方的傳感器呼吸信號則更突出。由此可以得出結(jié)論，BCG 信號強度最高的位置是心臟正下方對應(yīng)心尖的部位，這與 BCG 信號產(chǎn)生的機理相符。從波形來看，位于心臟正下方傳感器采集得到的 BCG 信號周期性更好、信噪比更高，與標(biāo)準(zhǔn) BCG 信號相似性更好，有利于進(jìn)一步分析使用。這提示在采集信號時，將傳感器置于心臟正下方對應(yīng)心尖的位置，所采集的 BCG 信號質(zhì)量較好。

3.2 床墊硬度影響

心臟與肺部機械運動施加的反作用力將作用在 PVDF 傳感器與床墊上，不同硬度的床墊對PVDF 傳感器采集到的 BCG 信號有著較大影響。本文使用木質(zhì)床板(硬質(zhì))、普通床墊(正常)和軟布折疊床(柔軟)進(jìn)行測試。其中，隨機選取一名受試者分別在 3 種床上以平躺姿勢躺臥，傳感器與人體相對位置基本保持在人體心臟下方不變，仰臥躺好靜息 5 min 后開始記錄數(shù)據(jù)。最終挑選沒有體動干擾的數(shù)據(jù)作圖，具體如圖 5 所示。

三種情況下原始信號峰峰值與使用算法得到的呼吸波峰峰值、心沖擊信號峰峰值對比結(jié)果如表 2 所示。從表 2 可以看出，將傳感器置于適當(dāng)厚度的床墊，原始信號中包含較為明顯的 BCG信號成分。其中，軟布折疊床(軟)所測得的原始信號中呼吸波信號成分更為明顯，而 BCG 成分較少；普通床墊床(正常)所測得的 BCG 信號中呼吸成分較弱，BCG 信號占比雖高，但幅值較低；木質(zhì)床板(硬)所測得的 BCG 信號呼吸與心沖擊信號占比均勻，BCG 信號幅值較高，波形質(zhì)量較好，有利于進(jìn)一步的分析使用。由此可知，在采集信號時，使用硬質(zhì)床板，采集的BCG 信號質(zhì)量較好。

表1 傳感器放置位置對 BCG 信號的影響Table 1 The in fluence of the sensor location on BCG signal

圖5 床墊硬度對 BCG 信號的影響示例Fig.5 The influence of mattress hardness on BCG signal

3.3 躺臥姿勢影響

通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同人的 BCG 信號形態(tài)特征有著細(xì)微差別，且對于同一個人來說，人體躺臥姿勢對 BCG 信號形態(tài)特征也有著較大影響。BCG 信號的測量數(shù)據(jù)定義有 3 個方向[16]：縱向(從頭至腳)、橫向(從身體的一側(cè)到身體的另一側(cè))和腹背方向(從人體的后背到胸部)。本實驗探究了橫向(即側(cè)臥)和腹背方向(平躺)采集得到的 BCG 信號的區(qū)別。為直觀表達(dá)出不同躺臥姿勢的區(qū)別，采用提取 BCG 信號模板的方法來對比不同躺臥姿勢下 BCG 信號波形的區(qū)別。

在提取 BCG 信號模板的過程中，由于 BCG信號 J 波最為明顯且一般為一個周期中幅值最大的點，所以本文采取最大值提取算法提取 J 波峰值點，同時結(jié)合手動標(biāo)注去除錯誤點并標(biāo)注出算法沒有標(biāo)記到的 J 波峰值點。在標(biāo)記出的 J 波峰值點左右各取 125 點即時間為 1S 的序列，疊加后取平均值即可得到如圖 6 所示的 BCG 信號模板，其 J 波峰位于模板正中間。

圖6 提取 BCG 信號模板示例Fig.6 The template of BCG signals

圖7 躺臥姿勢對 BCG 信號的影響Fig.7 The effect of lying posture on BCG signals

表2 床墊硬度對 BCG 信號的影響Table 2 In fluence of mattress hardness on BCG signal

圖7 為同一位受試者側(cè)臥與平躺時 BCG 信號模板的變化。當(dāng)受試者側(cè)臥時，人體 BCG 信號較為典型。但當(dāng)受試者平躺面部向上時，人體 BCG 信號則相對較為簡化，J 波較為明顯，其他波峰則不是很明顯。這與 Bicen 等[20]所描述的這兩種 BCG 信號的區(qū)別相符，也驗證了本文所設(shè)計系統(tǒng)的可實施性。同時，基于側(cè)臥與平躺間BCG 信號的異同，通過比較不同時間的 BCG 信號模板可得知人體躺臥姿勢變化信息。這為后續(xù)應(yīng)用人體 BCG 信號進(jìn)行睡眠監(jiān)護(hù)分析時判斷睡姿提供了可能性。

3.4 呼吸暫停影響

使用憋氣方法驗證呼吸暫停時對呼吸信號提取的影響。圖 8(a)為一段模擬從呼吸暫停到恢復(fù)狀態(tài)的原始信號，使用移動平均濾波處理后，效果如圖 8(b)所示?？梢钥闯觯?jīng)過處理后，基本能還原原始呼吸產(chǎn)生的波動，但呼吸暫停部分有毛刺現(xiàn)象出現(xiàn)。繼續(xù)使用 0.2 Hz 低通濾波對所提取的呼吸波進(jìn)行處理后，毛刺消失，所得波形基本能反映呼吸變化情況(圖 8(c))。

圖8 模擬呼吸暫停過程提取呼吸信號的效果示例Fig.8 Example of extracting respiratory signals during apnea

4 討 論

本文基于 PVDF 傳感器，設(shè)計了能夠有效抑制外界電磁干擾，具有高信噪比的 BCG 信號采集設(shè)備。BCG 信號除了能反應(yīng)心臟節(jié)律信息外，還能作為評估心臟血流動力學(xué)功能的有效依據(jù)。近年來，通過分析 BCG 信號對心肌功能進(jìn)行評估的研究也越來越深入。已有研究表明，通過提取 BCG 信號的特征可以有效評估心臟的射血分?jǐn)?shù)[20]。但這些基于 BCG 信號的心血管血流動力學(xué)研究都對 BCG 信號質(zhì)量和波形特征的重復(fù)性和穩(wěn)定性有著較高的要求。本文通過對比實驗的方式對 BCG 信號質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。實驗結(jié)果表明，在臥姿采集 BCG信號時，應(yīng)選擇較硬床墊、傳感器擺在心臟正下方的位置、受試者保持仰臥平躺姿勢，這樣采集得到的 BCG 信號波形效果最佳，更有利于進(jìn)一步的血流動力學(xué)分析。

5 總結(jié)與展望

本設(shè)計利用 PVDF 傳感器的壓電特性，將傳感器鋪設(shè)于床墊上，采集人體心臟與肺部活動產(chǎn)生的機械信號，使用者無需佩戴傳感器或粘貼電極，只需躺在床上、坐在椅子上或站在平臺上就能夠檢測其心率、呼吸率等基本生理信號，做到心率與呼吸率的無感知測量。

通過與 ECG 信號進(jìn)行對比，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)采集 BCG 信號的有效性，同時從外部以及人體自身角度出發(fā)，探究了傳感器位置、床墊硬度、呼吸暫停、躺臥姿勢等因素對信號有效性的影響，提高了 BCG 信號的實用價值。相較于其他 BCG 信號采集系統(tǒng)的研究——大多數(shù)從電路、傳感器等方面入手[21]，而忽略了 BCG 信號采集因素的影響，本文系統(tǒng)地討論了幾項影響B(tài)CG 信號質(zhì)量較為明顯的因素，為今后 BCG 信號采集系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)。

BCG 信號作為一種能夠無感知測量的生理信號，有著極大的應(yīng)用前景。BCG 信號缺點在于不同人所反映的 BCG 信號形態(tài)有可能不是非常相似，即變異性較大，且受采集姿勢、體動影響較大，這就導(dǎo)致無法用肉眼觀察出 BCG 信號的規(guī)律性，也無法與有關(guān)疾病直接對應(yīng)。隨著醫(yī)學(xué)檢查手段的進(jìn)步，目前彩超、冠脈 CT、血管造影等手段已能清晰地了解心臟實時工作狀態(tài)，這意味著 BCG 信號作疾病診斷有了可靠的標(biāo)準(zhǔn)；且隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，通過深度學(xué)習(xí)或許可以找到信號的規(guī)律性或與現(xiàn)有可靠標(biāo)準(zhǔn)對接，使 BCG 信號具有更廣泛的應(yīng)用價值，如遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控、睡眠呼吸障礙、疾病診斷等。除此之外，將 BCG 信號采集系統(tǒng)應(yīng)用于家用醫(yī)療監(jiān)護(hù)床也是當(dāng)前的一種趨勢。