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CN116115234A - 一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统 - Google Patents

一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统 Download PDF

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CN116115234A
CN116115234A CN202310035195.2A CN202310035195A CN116115234A CN 116115234 A CN116115234 A CN 116115234A CN 202310035195 A CN202310035195 A CN 202310035195A CN 116115234 A CN116115234 A CN 116115234A
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CN
China
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heartbeat
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coil
double
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CN202310035195.2A
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陈洁
裘红翠
黄旭庭
周文涛
严文杰
张中锦
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Southeast University
Original Assignee
Southeast University
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    • A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract

本发明公开了一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统。主要由双线圈柔性传感器、鉴相电路、数据采集及存储电路、上位机处理方法构成，双线圈分别位于柔性基板的两侧，呈对称分布，其中一个作为激励线圈另一个作为感应线圈。柔性基板可以选用柔性的聚酰亚胺(PI)板材，线圈为圆形平面螺旋线圈，采用印制电路板来制作传感器线圈。鉴相电路相位检测电路基于乘法器原理，采用模拟鉴相芯片实现。数据采集及存储电路采用微处理器驱动A/D转换电路进行信号采集，并将采集到的原始信号存储在SD卡中。将原始信号数据上传至上位机，即可采用信号分解算法，分离出心跳和呼吸信号。

Description

一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统。
背景技术
随着社会中年轻人因突发性心脏疾病而导致的猝死的报导的增加，以及心肺疾病带来的危害性的提升，国民对自身健康状况，尤其心、脑、肺健康状况的关注度不断上升。心肺活动的监护在临床和家庭监护中具有极其重要的地位。现今临床中常用的心肺活动检测方式主要包括使用贴片电极和其他接触类传感器，但是接触式电极给患者带来诸多不便，如电极材料过敏、限制日常活动等问题。
最近几年，非接触检测方式逐渐走进人们的视野中，为临床无创、长期、便携、连续检测提供了新的解决方案。非接触检测主要包括光电容积描记法(Photoplethysmography,PPG)、生物雷达检测技术、红外检测技术以及电磁感应检测技术等。电磁感应技术主要根据涡流检测原理，能将生物组织电导率差异反馈到感生磁场中，通过分析感生磁场的相位、频率、幅度等，得到生物组织的电特性，进行处理后即可得到需要的生理信号，在生理信号检测方面具有巨大的潜力。
早期，电磁感应技术主要应用于工业环境，比如涡流探伤、位移检测等场合，在生理信号检测方面最早应用于生物组织电导率检测。由于电磁感应技术能够克服骨屏蔽，目前大量应用于脑肿瘤、脑出血以及脑水肿的研究。
作为磁电效应的一个重要分支——电磁感应效应正是这个领域的研究热点，电磁感应技术应用于心肺信号检测是一个新颖的领域，基于涡流效应原理的电磁感应技术正是非接触测量方式之一，可以实现无接触测量，适应范围广泛，有着巨大的潜能。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出了一种基于电磁感应技术的心跳和呼吸信号检测的系统，磁感应相位移(MIPS)技术的基础上，对所得到的响应信号和激励信号进行分解，得到呼吸和心跳信号。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统包括双线圈柔性传感器、鉴相电路、数据采集及存储电路、上位机处理方法四个部分；其中，双线圈柔性传感器包括激励线圈和检测线圈；数据采集及存储电路包括数据采集电路、STM32主控电路、存储电路；激励信号首先输入双线圈柔性传感器和鉴相电路，双线圈柔性传感器输出的检测信号也输入到鉴相电路，鉴相电路输出的相位差信号输入到数据采集及存储电路，数据采集及存储电路的输出信号输入到上位机处理方法，由上位机处理方法得到相应的心率和呼吸率。
其中，
所述双线圈柔性传感器采用双线圈和基板构成，双线圈分别位于基板的两侧，线圈为圆形平面螺旋线圈，参数都相同，呈对称分布，基板可以选用柔性的聚酰亚胺PI板材或者硬质的基板。
所述鉴相电路采用模拟鉴相芯片实现。
所述模拟鉴相芯片的型号为AD8302。
所述数据采集及存储电路采用微处理器驱动A/D转换电路进行信号采集，并将采集到的原始信号存储在SD卡中，微处理器实现信号的采集和保存。
所述微处理器采用处理器STM32F103实现。
所述上位机处理方法将原始信号数据上传至上位机，采用信号分解方法，分离出心跳和呼吸信号；
具体包括：
步骤1：基于双线圈柔性传感器对心肺信号进行检测，并将原始信号数据上传至上位机；
步骤2：对所述原始信号数据应用经验模态分解EMD分解算法，将原始信号分解为一系列频率从高到低排列的本征模态函数IMF，包含了心跳、呼吸以及环境噪声等不同频段的信号；
步骤3：对所述各IMF分量进行Hilbert变换并求解其边际谱；
步骤4：根据正常心跳次数为60～90次/min即1Hz～1.5Hz，正常呼吸时呼吸频率为12～30次/min即0.2Hz～0.5Hz，对所述IMF分量进行匹配，获取重构的心跳信号和呼吸信号，并求得相应的心率和呼吸率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.结构简单，能实现对呼吸和心跳进行测量。本发明利用了基于电磁感应技术，设计了一种简单双线圈结构的传感器。仅仅利用两个线圈分别作为激励和感应线圈，主要是根据涡流检测原理，反映心肺组织电导率的差异，并将这种差异反馈到感生磁场中，通过分析感生磁场的相位、频率、幅度等，得到心肺组织的电特性，进行处理后即可得到需要的呼吸和心跳信号。
2.能够实现非接触测量。本发明中，基于电磁感应技术，根据涡流检测原理，反映心肺组织电导率的差异，这种方法在测试时无需在皮肤上施加电极，实现了无接触测量。
3.实施便捷。本发明将原始信号数据上传至上位机，采用信号分解算法，分离出心跳和呼吸信号。
附图说明
图1是本发明系统整体框架图；
图2是本发明的传感器爆炸图；
图3是本发明算法流程图；
图4是合成的混合信号和分量的时域波形；
图5是合成仿真信号EMD分结果；
图6是IM4信号及其边际谱；
图7是IM5信号及其边际谱。
具体实施方案
下面结合摘要附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1、图2所示，本发明的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，包括双线圈柔性传感器、鉴相电路、数据采集及存储电路和上位机处理算法四个部分。双线圈柔性传感器采用双线圈和基板构成，双线圈分别位于基板的两侧，线圈为圆形平面螺旋线圈，参数都相同，呈对称分布，基板可以选用柔性的聚酰亚胺(PI)板材或者硬质的基板。鉴相电路采用模拟鉴相芯片实现，可以采用AD8302作为模拟鉴相芯片。使用微处理器对鉴相电路的鉴相结果进行数据的实时采集和存储，可以选取具有处理器功能的STM32F103作为系统的微控制器，对数据获取电路和数据存储电路进行控制。信号分解采用信号分解采用具有经验模态分解算法(EMD)，提取心跳信号和呼吸信号并实现心率、呼吸率的计算。
具体实施过程中，用两个正弦函数和一个随机信号的混合信号代表心跳和呼吸信号：
x(t)＝x1+x2+N(t)   (1)
为了方便分析与计算，假设人体呼吸次数每分钟18次，心跳次数每分钟为75次，意味着呼吸频率为0.3Hz，心跳的频率为1.25Hz，并且心跳的强度假定为呼吸强度的十分之一。将呼吸信号的幅值设定为单位1，则心跳信号的幅值为0.1。所以式(1)的x1＝0.1sin(2π*1.25*t)表示心跳信号，x2＝sin(2π*0.3*t)表示心跳信号，用N(t)表示在心电信号采集时产生的随机噪声信号。如图4所示，为合成的混合信号和分量的时域波形。
上位机处理算法流程图如图3所示，使用了EMD结合希尔伯特变换，并求出各个本征模态函数的边际谱，从而判断本征模态函数的频域信息，最终判断其成分，并且得出心率呼吸率。如图5所示，合成的混合信号经EMD算法分解后，得到了7个本征模态函数(IMF)，各IMF的频率由高到低排列。
对各IMF应用希尔伯特变换后求边际谱，得到IMF4和IMF5的边际谱分别如图6和图7所示，图中显示IMF4波形的主要频率为1.258Hz与实际心跳频率1.25Hz相匹配，IMF5波形的主要频率为0.3018Hz与实际呼吸频率0.3Hz相匹配，由此可见EMD算法可以有效的从心肺混合信号中提取出心跳和呼吸信号。

Claims (7)

1.一种用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，该系统包括双线圈柔性传感器、鉴相电路、数据采集及存储电路、上位机处理方法四个部分；其中，双线圈柔性传感器包括激励线圈和检测线圈；数据采集及存储电路包括数据采集电路、STM32主控电路、存储电路；激励信号首先输入双线圈柔性传感器和鉴相电路，双线圈柔性传感器输出的检测信号也输入到鉴相电路，鉴相电路输出的相位差信号输入到数据采集及存储电路，数据采集及存储电路的输出信号输入到上位机处理方法，由上位机处理方法得到相应的心率和呼吸率。
2.按照权利要求1所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述双线圈柔性传感器采用双线圈和基板构成，双线圈分别位于基板的两侧，线圈为圆形平面螺旋线圈，参数都相同，呈对称分布，基板可以选用柔性的聚酰亚胺PI板材或者硬质的基板。
3.按照权利要求1所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述鉴相电路采用模拟鉴相芯片实现。
4.按照权利要求3所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述模拟鉴相芯片的型号为AD8302。
5.按照权利要求1所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述数据采集及存储电路采用微处理器驱动A/D转换电路进行信号采集，并将采集到的原始信号存储在SD卡中，微处理器实现信号的采集和保存。
6.按照权利要求5所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述微处理器采用处理器STM32F103实现。
7.按照权利要求1所述的用于测量呼吸和心跳的心电信号系统，其特征在于，所述上位机处理方法将原始信号数据上传至上位机，采用信号分解方法，分离出心跳和呼吸信号；
具体包括：
步骤1：基于双线圈柔性传感器对心肺信号进行检测，并将原始信号数据上传至上位机；
步骤2：对所述原始信号数据应用经验模态分解EMD分解算法，将原始信号分解为一系列频率从高到低排列的本征模态函数IMF，包含了心跳、呼吸以及环境噪声等不同频段的信号；
步骤3：对所述各IMF分量进行Hilbert变换并求解其边际谱；
步骤4：根据正常心跳次数为60～90次/min即1Hz～1.5Hz，正常呼吸时呼吸频率为12～30次/min即0.2Hz～0.5Hz，对所述IMF分量进行匹配，获取重构的心跳信号和呼吸信号，并求得相应的心率和呼吸率。
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