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基于压电陶瓷传感器的非接触式精准逐拍心率提取方法研究.docx
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基于压电陶瓷传感器的非接触式精准逐拍心率提取方法研究.docx
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1. 引言
心冲击图(BallistoCardioGram, BCG)是一种无接触式的心脏活动监测手段。它来源于
心脏泵血过程中血液流动在人体内部产生的一系列机械冲击力
[1]
。与心电图
(ElectroCatdioGram, ECG)等其他生理信息监测技术相比,BCG 避免了电极线和电极贴长时
间贴在身上带来的束缚和不适,具有无创、无直接接触和检测方便等优势,十分适用于居
家养老、病房等需要长时间监测生理信号的场景。近年来随着传感器和数字信号处理的发
展,BCG 逐渐受到研究人员的重视,研究表明,BCG 可以应用于心率、心率变异性(Heart
Rate Variability, HRV)监测
[2,3]
,也可应用于心脏收缩性以及心输出量变化等心血管功能的
评估
[4]
。
但 BCG 信号在不同测试条件(如测试设备的安置位置与角度、受试者姿势等)下表现出
较大的不一致性
[5]
,此固有特征在一定程度上限制了分析 BCG 的形状特征在评估心血管功
能方面的应用潜力。相比之下,通过检测逐拍心动周期估计心率或者计算 HRV 指标,是
BCG 可行性较高的一种应用路径。
HRV 定义为逐次心跳周期差异的变化情况,一般通过分析心电信号中 R 波间期序列
获得。HRV 反映了心脏本身窦性心律不齐的程度以及神经体液因素与窦房结之间相互作用
的平衡关系。已有的研究表明,HRV 是心源性猝死、冠心病、高血压病及慢性心力衰竭等
心血管疾病及慢性阻塞性肺疾病、糖尿病等疾病预后的预测因子
[6,7]
,还能反映出睡眠状
况、精神压力状况等多种信息
[8,9]
。因此使用无感式的 BCG 信号获取心率变异性指标,对
于用户方便舒适地掌握自身健康状况具有重要意义。
通过 BCG 获取 HRV 的关键在于获得精准可靠的逐拍心率。近年来,已有很多学者在
非接触式获取逐拍心率方面做了研究:在 BCG 信号采集装置方面,有压电薄膜、压电陶
瓷、光纤、毫米波雷达、加速度计、压变电阻以及各类采用 MEMS 工艺的微传感器等
[10-
12]
;在逐拍心动周期的算法方面,目前有自适应阈值法、峰值探测法、倒谱分析法、多示
例学习法、模板匹配法、混合判决方法
[13-16]
。值得注意的是,目前此方面研究更多地关注
逐拍心率检测的覆盖率和平均心率的准确度,但事实上,逐拍心动周期计算的精度,即平
均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)对于心率变异性的计算也尤为重要。例如,在 5 min
短时 HRV 计算中,若 BCG 逐拍心动周期序列平均绝对误差为 10 ms,则由其计算得到的
频域特征 HF 相比 ECG 真实值的偏差可达 15%~25%, SDNN, pNN50 等时域指标偏差也可
达 10%左右,且此偏差具有随机性,这使得 BCG 所得到的 HRV 特征指标的可靠性降低;
而当逐拍心动周期的 MAE 降至 4 ms 时,逐拍心动周期序列所得到的 HF 偏差降低到 8%以
内,SDNN 和 pNN50 等指标偏差降低至 2%。
针对目前大多数方法在逐拍心率计算精度方面的不足,本文完成以下工作:(1)通过采
用优化的传感前端设计,增加传感器的灵敏度和 BCG 信号的时间分辨率;(2)通过对心冲
击信号进行分析,找到 BCG 中最适合提取逐拍心动周期的关键成分;(3)提出一种采用聚
类的自适应模板匹配算法,以准确提取心动周期信息。最后通过实验验证了方法的准确
性。
2. 方法
2.1 基于压电陶瓷的传感前端
BCG 信号采集装置的设计影响逐拍心率提取的准确度。在各种 BCG 监测方式中,压
电陶瓷传感器由于其灵敏度高、价格低廉、设计灵活等优势,具有良好的应用前景。本文
通过压电陶瓷非接触式采集 BCG,计算逐拍心率。
本文所设计的传感前端外壳为一个 ABS 材质塑料圆盒,压电陶瓷片被固定在圆盒内
上壁形变最大位置。外壳上盖结构设计为一侧凸起形状,使其受到震动时响应更灵敏。实
验中将传感前端放置在胸口下方的床垫下,采集到的身体震动信号会经放大、滤波以及模
数转换传输到带有低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, BLE)功能的主控芯片中进行下一步的
传输和处理。BCG 信号的采样频率也影响逐拍心率计算的精准性,经对比测试,本文设置
BCG 采样频率为 250 Hz,以保证逐拍心率计算的准确程度,同时最小化资源消耗。
2.2 BCG 信号关键成分提取
传感前端采集到的原始的压电信号可用式(1)表示
[Math Processing Error]m(n)=r(n)+b(n)+g(n)
(1)
其中,r(n)表示呼吸引起的振动成分,b(n)表示 BCG 成分,g(n)表示噪声成分。心脏
的跳动是一个较为复杂的机械运动过程
[17]
,BCG 中可以反映心脏机械运动和心脏泵血引起
的身体机械运动的很多信息。
但对于一般所测得的 BCG 信号,由心脏原始的泵血引起的信号相对细微,容易被淹
没在由身体四肢震动造成的信号的主能量中,通过不同的处理方式可以凸显出 BCG 中的
不同成分。图 1 是不同方式处理 BCG 信号的结果,虚线是同步采集的 ECG 的 R 波所在位
置。图 1(a)是经过 48 Hz 低通滤波器预处理去除高频噪声后的压电信号,为了求得误差最
小的逐拍心动周期误差,我们尝试了多种不同的方式对此信号进行进一步处理,以获取
BCG 信号中最适合进行精准逐拍心率提取的“关键成分”,下面优选几种具有代表性的方法
具体说明:
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