基于BCG 的可穿戴式監測系統設計

尹飛超 ,潘津津 ,李紅利 ,焦學軍 ,馮靜達 ,吳大蔚

(1.天津工業大學 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,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]。血壓監測可以做到提前發現并實時醫治。與扁平張力法、基于血液容積的測量法[2]等現有的血壓檢測技術相比,可穿戴式心沖擊圖(BCG)血壓監測法更加簡便、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測法可以實時地對佩戴者的心沖擊信號進行跟蹤監測[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、周期等信息,在一定程度上可反映人體的心肺機能。所以監測呼吸信號有助于及時發現呼吸道、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,替代現有的接觸式測量呼吸的方式,實現呼吸的無接觸測量,這具有極大的現實意義與監護價值。

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,都會造成免疫系統機能下降[6]。所以,在心沖擊信號監測中,溫度、濕度也是必不可少的重要參數。

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,發展緩慢[7]。數字處理技術和傳感器技術的快速發展,加速了BCG 技術的廣泛應用。目前國內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,還沒有出現可穿戴式BCG 信號采集監測系統。

文章設計了一款基于BCG 信號的采集系統,實現了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進行實時監測與顯示,既可用于對病人的日常護理監測,也可作為健康監測的依據,穿戴簡單,操作方便,隨時可以測試,不需要專業操作人員。

1 系統設計

1.1 系統框架

BCG 監測系統的系統框架如圖1 所示。該系統由電源模塊、微處理器(MCU)、溫濕度模塊、BCG、呼吸模塊、數據傳輸模塊、LabVIEW 上位機組成。

圖1 系統框架

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 數據。芯片電路如圖3 所示。

圖3 心沖擊模塊原理

系統要求微處理器(MCU)處理多種類型的芯片數據,并能夠實現實時傳輸,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、處理能力強等優點,可以滿足系統的各項要求。

考慮到BCG 信號微弱且易受干擾的特點,系統板采用6×6 cm 4 層PCB 板。板層從頂到底分別為頂層(TOP)、內電層1(GND)、內電層2(VCC)、底層(BOTTOM),保證內電層VCC 內縮距離大于GND 層40 mil 以上。4 層板的內部地平面設計,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、數字地和電源地三地鋪銅分開,避免出現孤銅減少天線效應。采用3D 打印技術制作用來承載系統板的外殼。

1.3 軟件設計

軟件層是基于 MDK5 開發平臺,并使用C 語言編寫開發。軟件層的作用主要包括向硬件層發送指令、接收硬件層的數據、算法處理數據以及儲存并發送給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、數字化、應用方便等優點,非常適合用來設計本系統的上位機。系統上位機包含串口接收與解碼模塊、串口發送模塊、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。上位機實時監測界面如圖4 所示。

圖4 上位機監測界面

用戶可以在該平臺完成個人多生理參數信息的實時監控與存儲。此外,上位機系統增加密碼登錄界面,確保用戶個人隱私不會泄露。同時還將本地系統與醫院的遠程服務器相連實現數據同步,用戶可以選擇是否通過網絡上傳數據。

2 系統測試實驗

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。離心臟越近處感受到的心臟震動將越明顯。經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 數據的重要因素之一。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,一旦測試途中發現不適立刻停止實驗。其中一人的測試數據經過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,在安靜環境下保持呼吸均勻,等待信號穩定后開始采樣,選取胸口中心(P 點)和后背中心(O 點)作為兩個采樣點,連續采集5 min。記錄被試者在運動和靜息狀態下的溫濕度數據,每10 s 存儲一次。文章選取其中被試1 的數據,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,在靜息狀態下溫濕度信號變化較為平穩,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 的測試數據如圖9 所示。

圖8 靜息狀態溫濕度變化趨勢

圖9 BCG 提取呼吸信號

圖中分別為原始BCG 數據、BCG 提取呼吸數據以及原始呼吸數據。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。試驗結果表明,可以通過從BCG信號中提取呼吸信號來實現呼吸信號的非接觸檢測。

3 結語

文章設計了一套基于BCG 信號的可穿戴式監測設備,體積小,便于攜帶,實現了BCG 信號的實時監測,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量檢測。較為純凈的BCG 信號可以應用于人體血壓監測,具有重要的臨床意義。