尹飛超 ,潘津津 ,李紅利 ,焦學軍 ,馮靜達 ,吳大蔚

(1.天津工業(yè)大學 控制科學與工程學院,天津 300387;2.中國航天員科研訓練中心,北京 100094)

0 引言

心臟是人體主要器官之一,與我們自身的健康密不可分。而血壓作為檢測心臟工作的重要參數(shù),在疾病預防和健康評估方面起著至關重要的作用。研究表明高血壓是多種心血管疾病的誘發(fā)因素之一,其中包括心肌梗死、主動脈瘤等高危害疾病[1]。血壓監(jiān)測可以做到提前發(fā)現(xiàn)并實時醫(yī)治。與扁平張力法、基于血液容積的測量法[2]等現(xiàn)有的血壓檢測技術相比,可穿戴式心沖擊圖(BCG)血壓監(jiān)測法更加簡便、高效,同時不會對佩戴者造成多余的負荷。最重要的是可穿戴式心沖擊監(jiān)測法可以實時地對佩戴者的心沖擊信號進行跟蹤監(jiān)測[3]。

此外,呼吸作為人體每時每刻都在進行的生理反應,其幅值、形態(tài)、周期等信息,在一定程度上可反映人體的心肺機能。所以監(jiān)測呼吸信號有助于及時發(fā)現(xiàn)呼吸道、心肺等部位的異常[4]。研究表明BCG 信號中包含大量的呼吸信號,其有替代呼吸信號監(jiān)控阻礙性睡眠呼吸暫停綜合征(OSA)患者睡眠狀況的潛力[5]。因此可從BCG 中提取呼吸信號,替代現(xiàn)有的接觸式測量呼吸的方式,實現(xiàn)呼吸的無接觸測量,這具有極大的現(xiàn)實意義與監(jiān)護價值。

人體溫濕度也是衡量人體是否正常進行生命活動的必要條件。體溫過高、過低或者濕度不適宜,都會造成免疫系統(tǒng)機能下降[6]。所以,在心沖擊信號監(jiān)測中,溫度、濕度也是必不可少的重要參數(shù)。

BCG 信號是Gordon 于1877 年提出,初期BCG 信號的研究受限于科技條件,發(fā)展緩慢[7]。數(shù)字處理技術和傳感器技術的快速發(fā)展,加速了BCG 技術的廣泛應用。目前國內(nèi)BCG 信號都是通過不同類型的體外傳感器測量得到,例如壓力傳感器、加速度傳感器、電容耦合傳感器和光纖傳感器[8]。但這些都是較為大型的采集設備,還沒有出現(xiàn)可穿戴式BCG 信號采集監(jiān)測系統(tǒng)。

文章設計了一款基于BCG 信號的采集系統(tǒng),實現(xiàn)了BCG 信號采集的小型化和可穿戴化。同時該設備還可以對人體呼吸信號以及溫濕度等參數(shù)進行實時監(jiān)測與顯示,既可用于對病人的日常護理監(jiān)測,也可作為健康監(jiān)測的依據(jù),穿戴簡單,操作方便,隨時可以測試,不需要專業(yè)操作人員。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架

BCG 監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1 所示。該系統(tǒng)由電源模塊、微處理器(MCU)、溫濕度模塊、BCG、呼吸模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、LabVIEW 上位機組成。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 硬件設計

心沖擊信號的幅度在1～4 N,頻率范圍在1～20 Hz,是一種低頻力學信號。一個完整的BCG 信號應最少包括H,I,J,K,L,M 和N 波,典型的BCG 信號如圖2所示。

圖2 典型BCG 信號波形

其中J 波是整組BCG 信號波形中幅值最大的一個向上波形。它常用于定位心臟泵血的結束,I～J 幅值大小代表心室收縮能力的好壞。JJ 間期常用于心動周期的計算,對計算心率和心臟變異性分析具有重要意義。

BCG 采集模塊通過MEMS 加速度計LIS2HH12(意法半導體,意大利)來采集原始BCG 數(shù)據(jù)。芯片電路如圖3 所示。

圖3 心沖擊模塊原理

系統(tǒng)要求微處理器(MCU)處理多種類型的芯片數(shù)據(jù),并能夠實現(xiàn)實時傳輸,因此選用MSP430F149 芯片(德州儀器,美國)。該芯片具有低功耗、運算速度快、處理能力強等優(yōu)點,可以滿足系統(tǒng)的各項要求。

考慮到BCG 信號微弱且易受干擾的特點,系統(tǒng)板采用6×6 cm 4 層PCB 板。板層從頂?shù)降追謩e為頂層(TOP)、內(nèi)電層1(GND)、內(nèi)電層2(VCC)、底層(BOTTOM),保證內(nèi)電層VCC 內(nèi)縮距離大于GND 層40 mil 以上。4 層板的內(nèi)部地平面設計,縮短了信號的回流路徑,減少了串擾。對重要信號線嚴格控制走線阻抗,模擬地、數(shù)字地和電源地三地鋪銅分開,避免出現(xiàn)孤銅減少天線效應。采用3D 打印技術制作用來承載系統(tǒng)板的外殼。

1.3 軟件設計

軟件層是基于 MDK5 開發(fā)平臺,并使用C 語言編寫開發(fā)。軟件層的作用主要包括向硬件層發(fā)送指令、接收硬件層的數(shù)據(jù)、算法處理數(shù)據(jù)以及儲存并發(fā)送給LabVIEW 上位機。

1.4 上位機設計

LabVIEW 將計算機硬件與儀器硬件通過軟件結合起來,具有模塊化、數(shù)字化、應用方便等優(yōu)點,非常適合用來設計本系統(tǒng)的上位機。系統(tǒng)上位機包含串口接收與解碼模塊、串口發(fā)送模塊、濾波模塊、顯示與存儲模塊等。

利用LabVIEW 軟件在上位機模塊中添加巴特沃斯函數(shù)濾波器,并且用高通、低通、帶通濾波器濾除肌電干擾、基線漂移、工頻干擾等噪聲。上位機實時監(jiān)測界面如圖4 所示。

圖4 上位機監(jiān)測界面

用戶可以在該平臺完成個人多生理參數(shù)信息的實時監(jiān)控與存儲。此外,上位機系統(tǒng)增加密碼登錄界面,確保用戶個人隱私不會泄露。同時還將本地系統(tǒng)與醫(yī)院的遠程服務器相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步,用戶可以選擇是否通過網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)測試實驗

2.1 被試信息

本次實驗招募7 名在讀研究生,其中男性5 名,女性2 名,實驗前 7 名實驗對象均簽署知情同意書。使用 CMS50D 醫(yī)用脈搏檢測儀(康泰,中國)提前測量7名被試的血壓和心率信息。7 名被試均無身體疾病,健康狀況良好。測得的受測者基本信息如表1 所示。

表1 被試基本信息

由于BCG 信號是心臟收縮過程產(chǎn)生的力學信號,力度變化越劇烈的地方檢測效果可能會更優(yōu)。離心臟越近處感受到的心臟震動將越明顯。經(jīng)觀測左乳頭正上方向右大約35 mm 處(A)心臟震動活動較為明顯,故選擇該點為本試驗測試點之一。除了震動幅度外,所測力方向是否與測量傳感器三軸方位平行也是能否得到較好BCG 數(shù)據(jù)的重要因素之一。考慮到脊柱為人體上半身的左右分嶺,選擇胸前與脊柱平行的3 處(B,C,D)作為另外3 處測試點,其中C 點位于人體兩乳頭水平方向的連線上,B,D 兩點分別位于C 點上下40 mm 處,與C 點垂直對齊,測量位置如圖5 所示。

圖5 測量點分布

2.2 實驗過程與結果

受測者測試過程中處于放松的坐立姿勢,一旦測試途中發(fā)現(xiàn)不適立刻停止實驗。其中一人的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過5～8 Hz 帶通濾波處理后結果如圖6 所示。圖中從下到上分別為A,B,C,D 4 點處的測試結果。

圖6 不同位置BCG 波形對比

從圖中可以得知C 點處測得的BCG 波形相較于其他測試點特征波最為突出,包含的BCG 信號信息也最完整的,下文相關測試均在C 點進行。

7 名被試者身著薄毛衣、秋衣、外套等日常衣物,在安靜環(huán)境下保持呼吸均勻,等待信號穩(wěn)定后開始采樣,選取胸口中心(P 點)和后背中心(O 點)作為兩個采樣點,連續(xù)采集5 min。記錄被試者在運動和靜息狀態(tài)下的溫濕度數(shù)據(jù),每10 s 存儲一次。文章選取其中被試1 的數(shù)據(jù),繪制出對應的溫濕度變化雙Y 軸圖,如圖7—8 所示。

圖7 運動狀態(tài)溫濕度趨勢

受試1 的溫濕度變化趨勢符合預期,在靜息狀態(tài)下溫濕度信號變化較為平穩(wěn),在一固定值上下變化;在受試1 運動1min 左右后,P,O 兩點濕度迅速升高,運動后期O 點甚至達到了100%的相對濕度;運動時,被試者背后先出汗,所以O 點濕度比P 點先到達最大值,P 點隨后到達最大值。

同時利用呼吸信號的低頻特性(<0.5 Hz),從C 點測得的BCG 信號中分離出呼吸信號,并與通過利用胸阻抗方式采集的原始呼吸信號做對比,受試2 的測試數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖8 靜息狀態(tài)溫濕度變化趨勢

圖9 BCG 提取呼吸信號

圖中分別為原始BCG 數(shù)據(jù)、BCG 提取呼吸數(shù)據(jù)以及原始呼吸數(shù)據(jù)。從試驗圖可知,從BCG 中提取的呼吸信號與原始呼吸信號雖然波形特征不完全一致,但具有明顯的呼吸特征,且起伏特征明顯,正向壓與負相壓交替出現(xiàn)。試驗結果表明,可以通過從BCG信號中提取呼吸信號來實現(xiàn)呼吸信號的非接觸檢測。

3 結語

文章設計了一套基于BCG 信號的可穿戴式監(jiān)測設備,體積小,便于攜帶,實現(xiàn)了BCG 信號的實時監(jiān)測,同時可以實時顯示采集的BCG 信號。對原始BCG 信號進行分解可以得到有效的呼吸信號,可將該方法應用于睡眠質(zhì)量檢測。較為純凈的BCG 信號可以應用于人體血壓監(jiān)測,具有重要的臨床意義。