基于壓電薄膜的非接觸式人體生理信號監(jiān)測椅

張 琪，王太宏，段小川

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361102；2.南方科技大學(xué) 電子與電氣工程系，廣東 深圳 518055；3.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361102)

0 引言

人體的心率、呼吸信號可以在一定程度上反映人體的代謝情況，對人體心肺功能的監(jiān)測具有很大的參考價值。傳統(tǒng)生理信號檢測儀需要將電極粘貼在人體表面，這種設(shè)備價格貴，操作復(fù)雜，不適合長期監(jiān)測。近年來，一些智能穿戴設(shè)備被人們所熟知。但多數(shù)都需要與人體接觸，且其測試信號精度不高，不便作為診斷依據(jù)。非接觸式人體生理信號監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]因不使用電極與人體接觸，減少了復(fù)雜的連線，使監(jiān)測更便捷舒適，受到了人們的廣泛關(guān)注。

1877年，Gordon提出了心沖擊信號(BCG)的概念，Starr等表明正常BCG信號具有周期性，應(yīng)與心臟活動保持一致，且具體描述了BCG信號為“W”型波。BCG信號是在心臟泵血及大動脈血液循環(huán)的過程中引起的身體振動信號，人體呼吸作用由于胸腔的起伏也同樣會引起身體有規(guī)律的振動，其與BCG信號疊加成為人體體震信號。因此，對人體振動信號進(jìn)行監(jiān)測可以實(shí)時反應(yīng)出受試者的心率和呼吸變化，且具有非接觸性、測試簡便等優(yōu)勢。

聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜具有體積小，質(zhì)地柔軟，靈敏度高及加工性能好的特點(diǎn)，更適宜作為人體振動信號采集工具[3]。本文基于PVDF壓電薄膜傳感器設(shè)計了新型非接觸式人體生理監(jiān)測裝置，用希爾伯特-黃變化并結(jié)合改進(jìn)的尋峰算法對監(jiān)測到的原始體震信號進(jìn)行降噪和濾波，實(shí)驗(yàn)分析不同狀態(tài)下心沖擊信號的變化規(guī)律，并準(zhǔn)確提取呼吸和心跳參數(shù)，為人體心肺功能監(jiān)測提供診斷依據(jù)。

1 非接觸式監(jiān)測裝置設(shè)計

人體在心臟活動及血液循環(huán)的過程中，因力的作用會使身體產(chǎn)生周期性的振動[4]。心沖擊信號主要包含H、I、G、K、L波，其產(chǎn)生原理圖如圖1所示。

圖1 心沖擊信號產(chǎn)生原理

基于BCG信號的產(chǎn)生原理，由于心臟有規(guī)律的收縮和舒張及全身血液循環(huán)，BCG信號是沿人體脊椎方向產(chǎn)生的微弱振動信號。通過傳感裝置捕捉人體產(chǎn)生的振動信號可以對受試者進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1.1 PVDF傳感器特性

PVDF薄膜傳感器是一種新型的動態(tài)應(yīng)變傳感器，其表面產(chǎn)生的電荷信號與其表面受到的應(yīng)變大小成正比：

Qo=d33·FN

(1)

式中:Qo為輸出的電荷信號；FN為表面受到的壓力；d33為PVDF壓電薄膜傳感器的壓電常數(shù)。

與其他壓電傳感器相比，PVDF壓電薄膜傳感器具有良好的靜態(tài)特性，且具有較強(qiáng)的靈敏度，在監(jiān)測人體生理振動信號上有很大的優(yōu)勢[5]。

1.2 坐姿生理信號監(jiān)測椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 壓電薄膜預(yù)處理。為了減弱工頻信號干擾帶來的噪聲影響，首先將PVDF壓電薄膜傳感器引出接線端處及四周邊緣貼導(dǎo)電膠帶，以起到靜電屏蔽的作用。

2) 傳感裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖2為該非接觸式BCG信號采集裝置。對于面向家庭人員的日常生理信號監(jiān)測，選用坐姿BCG信號測量方法。設(shè)計了裝有PVDF壓電薄膜傳感器的新型椅子結(jié)構(gòu)，在受試者靜坐在椅子上的同時，傳感器就可以捕捉到其身體縱向的BCG信號，操作簡便且不會有任何的不適感。

圖2 非接觸式BCG信號采集裝置

將壓電薄膜傳感器固定為雙面拱型結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)式是建筑工程中常用的結(jié)構(gòu)之一，拱形結(jié)構(gòu)一端受力會均勻的向四周分散，將整個長條形壓電薄膜傳感器固定成兩個拱形相對連接的雙面拱結(jié)構(gòu)，是由于雙面拱結(jié)構(gòu)本身具有一定的彈性且恢復(fù)能力更強(qiáng)，在其表面受到應(yīng)變作用時，更大限度的產(chǎn)生形變效果，且相對于平鋪結(jié)構(gòu)受力更均勻[6]，可以更好地捕捉此類微小的振動信號，因此提高了壓電薄膜傳感器的靈敏度。

選取3 mm薄木板將傳感器固定在座椅下方，采取厚度較薄的實(shí)心木板材料作為外殼固定，薄殼結(jié)構(gòu)可以更好地傳遞應(yīng)變，減少傳遞過程中的噪聲干擾。

2 硬件電路設(shè)計

PVDF傳感器采集到的振動信號很微弱，在傳給上位機(jī)處理前需要用信號調(diào)理電路進(jìn)行放大。實(shí)驗(yàn)選用電荷放大器作為一級放大器，通過反饋結(jié)構(gòu)，電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。圖3為電荷放大電路。圖中輸出電壓為

(2)

式中：Q為PVDF壓電傳感器輸入的電荷量；Cf為電容。

圖3 電荷放大電路

為了在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時保證電路放大效果，實(shí)驗(yàn)選取Cf=10 nF，電阻Rf=100 MΩ。

二次放大電路選用電壓放大器將電荷放大器的輸出電壓再次放大。圖4為電壓放大電路。圖中輸出電壓為

(3)

圖4 電壓放大電路

圖4中，選取電阻R1=R2=7.5 kΩ，手動調(diào)節(jié)滑動變阻器R3可改變電路放大效果。

3 信號處理

因采集到的原始信號中有許多的噪聲干擾，本文使用LabVIEW平臺，設(shè)計上位機(jī)監(jiān)測軟件對呼吸和心跳信號進(jìn)行提取，并可以在界面實(shí)時顯示出人體心率和呼吸率變化，并監(jiān)測其是否在正常范圍內(nèi)，否則將會在軟件界面產(chǎn)生預(yù)警。上位機(jī)程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件信號流程圖

3.1 心跳信號提取

正常呼吸頻率為0.83～1.7 Hz，經(jīng)過信號提取得到受試者的正常靜息BCG信號如圖6(b)所示。對BCG信號做頻域分析得到其頻率值，則心率值為

RH=60·fheart

(4)

式中fheart為心臟跳動的頻率。

圖6 原始振動信號及BCG信號的提取

3.2 呼吸信號提取

正常呼吸頻率為0.13～0.3 Hz，經(jīng)信號提取得到受試者正常平穩(wěn)呼吸信號的提取如圖7(b)所示。

圖7 原始振動信號及呼吸信號的提取

4 測試準(zhǔn)確性分析

4.1 生理信號監(jiān)測椅性能測試

為了測試所提出的“雙面拱”型非接觸式生理信號監(jiān)測椅，選取相同材質(zhì)的平面結(jié)構(gòu)PVDF薄膜傳感器貼在座椅下方進(jìn)行對比試驗(yàn)，對所采集信號進(jìn)行比對。

由圖8可知，將傳感器搭建為有一定彈性的雙面拱結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)傳感器采集信號的靈敏度，對于此類微小信號測量有更大的優(yōu)勢。

圖8 雙面拱型壓電傳感器及平面型傳感器

4.2 心率監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

指夾式脈搏血氧儀的脈率檢測準(zhǔn)確度在97%以上，對于健康的測試者來說，測得脈率可以作為心率基準(zhǔn)值[7]。實(shí)驗(yàn)選擇一男一女兩名身體健康的測試對象，在靜息狀態(tài)連續(xù)2 min實(shí)時監(jiān)測心率變化，得到各60組數(shù)據(jù)，同時用指夾式脈搏血氧儀測得結(jié)果對比心率。得到的心率時間圖如圖9所示。由圖可知，心率變化整體趨勢吻合度較高。同時計算120組數(shù)據(jù)的心率誤差|b-a|/b(其中a為本裝置所測心率值，b為脈搏血氧儀所測心率值)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，心率平均誤差為2.013%，可以滿足日常生理監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求。

圖9 測量心率與血氧儀心率對比

4.3 呼吸監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇一名受試者，設(shè)定一以固定頻率發(fā)出聲音的報時器，使其根據(jù)報時器引導(dǎo)進(jìn)行呼吸作用，每次持續(xù)30 s取呼吸平均值，選取0.4 Hz和0.2 Hz各模擬5次。圖10為此受試者不同頻率下的呼吸信號圖。同時計算10組數(shù)據(jù)的呼吸率誤差|d-c|/d(其中c為本裝置測得呼吸率，d為定時器頻率計算得到的呼吸率)，經(jīng)計算得平均呼吸率誤差為4.88%，隨著呼吸頻率的升高，引導(dǎo)呼吸會出現(xiàn)一些誤差，但就日常生理監(jiān)測來說，可以基本反映人體呼吸情況。

圖10 0.4 Hz和0.2 Hz下呼吸信號

5 結(jié)束語

本文改進(jìn)了PVDF傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套基于PVDF壓電薄膜的人體生理信號監(jiān)測椅，其成本低，操作簡便，可以完成對人體呼吸、心率信號的日常監(jiān)測和波形分析。研發(fā)的系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，心率、呼吸率與醫(yī)療設(shè)備所測結(jié)果基本一致，有很好的實(shí)用價值。由于BCG信號幅值較小，人體活動或外界振動會對其產(chǎn)生較大影響，在之后的研究過程中，應(yīng)更提升系統(tǒng)的抗干擾性。