CN102688023A - 心脏力学功能检测系统 - Google Patents

Abstract

心脏力学功能检测系统，属于心脏功能检测设备领域，其特征在于，包括心脏力学信号——心冲击图检测装置、信号处理装置、采集装置以及人机交互装置。心冲击图检测装置将含有人体心冲击图的重力信号转化为电信号，传给所述信号处理装置，以将心冲击图检测装置检测的电信号进行前置放大、隔直处理，去除检测对象静态重力信号，保留动态变化的心冲击信号，再经过低通滤波放大，传给所述采集装置。采集装置通过人机交互装置显示检测结果，采集装置提供总线传输检测数据。检测对象只需要安静平稳地坐在装有心冲击图检测装置的椅子或站在装有心冲击图检测装置的平台上，便可以进行心脏力学信号检测，以保证检测结果的准确性。

Description

心脏力学功能检测系统

技术领域

本发明涉及心脏功能检测的医疗设备领域，尤其是涉及一种心脏力学功能检测系统。

背景技术

目前，心脏功能检测方法主要包括对心率、心输出量等心脏功能指标的检测，对心脏的力学性能检测的方法还是少之又少。常用心脏功能检测的方式通常分为创伤性检测和无创伤性检测两大类。

创伤性检测方式包括心脏导管技术，例如冠状动脉造影术；另外，还有FICK氧消耗量法、Swan-Ganz导管及热稀释法。上述创伤性检测方式均会对检测对象造成较大伤害，如冠状动脉造影术会有一定的死亡率和并发症(如心肌梗死、血管或心脏穿破或恶性心率失常等)；FICK氧消耗量法则需要采集检测对象的静脉血和动脉血的样本，不能多次重复检查。

无创伤性检测方式包括心电图、心阻抗图、超声心冲击图、心音图、放射性核素显影、X射线计算机断层成像(X-CT)和磁共振断层扫描(MRI)等，虽然上述检测方式无危险性可重复检查，但是心电图、心阻抗图、超声心冲击图和心音图检测需要将传感器直接放置在检测对象的相应部位，与人体发生直接接触，会使检测对象产生心理负担，很难保证人体机能的自然性，因此易导致心功能检测结果与检测对象的实际情况出现偏差。并且，这些检测方式由于受到设备本身结构的限制，很难实现长时间的心脏检测和日常监护，造成心脏疾病的漏检；同时，检测对象的大幅运动也会导致传感器的脱落或损伤等问题。放射性核素显影、X射线计算机断层成像(X-CT)和磁共振断层扫描(MRI)检测方式对检测对象会有一定的辐射危害，并且价格相对昂贵。

脉搏波是家庭中常用的心血管功能无创检测方法，包括压电法和光电法。压电法使用压敏元件，通过测量血液循环引起的血管壁变形和振动，提取脉搏波信号。它需要将压敏元件以适当的紧固力固定在测量脉搏波的部位上，紧固力的不同会造成脉搏波信号有差别。光电法使用光敏元件测量血管容积脉搏波，通常将光电式脉搏传感器夹在人体指尖，但是强光环境会影响测量结果的正确性，另外当人体手指温度过低导致指尖处动脉血流减少也可使测量不准。

综上可知，现有的心脏功能检测方式，无论是创伤性检测还是无创伤性检测，均会对患者造成影响且不适于长期检测，并且临床上尚未有可无创检测心脏力学特性的系统。

心脏射血造成的重力变化信号在医学上称作心冲击信号(Ballistocardiogram，BCG)。González等在Proceedings of the 29th Annual International Conference of the IEEE EMBS(第29届国际电子电工协会生物医学年会)上发表Heart Rate Detection from an Electronic WeighingScale(利用电子秤检测心律)，该文中提出利用电子体重计测量BCG信号，并从信号中计算得到心率，检测误差为±0.6次/分；但是人很难保持一个固定的站立姿势较长时间，身体的不自觉移动或颤动会对BCG信号产生很大的影响，另外他们的工作也仅仅局限于获得心率而已。Koivistoinen等在Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEEEngineering in Medicine and Biology society(第26届国际电子电工协会生物医学年会)上发表A new method for measuring the ballistocardiogram using EMFi sensors in a normal chair(利用在普通椅子上的压电薄膜进行心冲击图检测的新方法)。文中提出在椅子的靠背和坐垫上安装压电薄膜(EMFi)传感器，测量这两处的压力变化获得BCG信号。但是在椅子靠背的心冲击图信号受呼吸影响很大，而且BCG信号主要集中在竖直方向，所以靠背上传感器得到的BCG信号的稳定性和可靠性较差。在坐垫上的压电薄膜传感器，它输出的压力信号受人坐的位置和面积及负载影响；另外压电薄膜传感器输出的信号不能直接换算出压力的大小，需要另一个压力传感器同时进行校正。

本发明克服了上述两者的缺点，设计了均匀分布三个及以上压力传感器组成的压力传感器平台，一方面均匀分布的三个及以上的压力传感器减少了平台自身在测量时的振动，另一方面三个及以上压力传感器的输出信号按照极性并联在一起，输出信号是各个传感器信号的平均可以减少测量时的噪声。测量时检测对象放松和平稳呼吸坐于或站于压力传感器平台上，系统便可检测到心冲击信号并显示出来，本系统获得的信号信噪比高，检测信号具有较强的稳定性和重复性。

发明内容

针对上述问题，本发明解决的技术问题在于提供一种心脏力学功能检测系统，该系统检测结果准确，采集系统与人体无直接接触，并且对检测对象没有创伤、无辐射。

本发明心脏力学功能检测系统，其特征在于，含有心冲击图检测装置、信号处理装置、采集装置以及人机交互装置，其中：

心冲击图检测装置，是一个应变式压力传感器平台，由两块平行的板以及连接在所述两块互相平行的板之间且等间距分布的至少三个所述应变式压力传感器构成，各个所述应变式压力传感器产生的差模信号按接口极性互相并联，差模信号幅度为10mV；

信号处理装置，由依次串联的前置放大模块、隔直电路模块、低通滤波放大模块构成，其中：

前置放大模块，由两个输入端并联的仪表放大器AD620构成，输入为所述并联连接的至少三个应变式压力传感器输出的差模信号，其放大倍数为100倍，

隔直电路模块，是一个阻容式一阶高通滤波器，截止频率为0.05Hz，输入为所述前置放大模块输出的放大100倍的差模信号，输出为频率在0.05Hz以上的检测对象的心冲击信号，

低通滤波放大模块，由放大倍数为500的所述仪表放大器AD620和集成的八阶低通滤波芯片MAX295串联构成，输出截止频率为100Hz，信噪比为34dB，变化区间为0～5V的心冲击信号；

采集装置，是一个自带ADC的单片机S3C2440，输入为所述低通滤波放大模块输出的心冲击信号，输出的LCD信号输入到VGA接口板并同时由RS-232串行接口输出；

人机交互装置，由所述VGA接口板和触摸屏显示器串接构成，所述VGA接口板是一个友善之臂模块LCD2VGA，输入为所述采集装置输出的LCD信号，所述VGA接口板输出的LCD信号通过所述触摸屏显示器显示心冲击图，其中所述触摸显示屏的操作界面控制所述采集装置是否通过所述RS-232串行接口向外传输检测数据。

与现有技术相比，本发明提供的心脏力学功能检测系统包括心冲击图检测装置、信号处理装置、采集装置、人机交互装置；通过心冲击图检测装置将人体心冲击图信号转化为电信号，信号处理装置将心冲击图检测装置检测的电信号进行处理传给采集装置，采集装置完成数据信号的采集、发送；最后通过人机交互装置显示检测结果；人机交互装置提供操作界面为使用者查看、对比并存储检测结果，并可通过总线与其他终端连接；采集装置提供总线与计算机连接、传输检测数据。可以看出，本发明提供的心脏力学功能检测系统采用无创伤和非直接接触的检测方式。检测时，检测对象只需要安静平稳的坐在装有心冲击图检测装置的平台或站在装有心冲击图检测装置的平台上，便可以进行心脏力学功能检测，不会对检测对象造成心理负担。检测时检测对象放松和平静呼吸，可以保证检测结果准确性，并且，无须将传感器固定到肢体上，因而也不存在传感器脱落、限制检测对象活动范围的问题。

附图说明

图1为本发明提供的心脏力学功能检测系统具体实施例的技术原理图；

图2为本发明提供的心脏力学功能检测系统具体实施例的示意图；

图3为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的三个压力传感器组成的压力传感器平台的俯视图；

图4为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的三个压力传感器组成的压力传感器平台的立体图；

图5为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的四个压力传感器组成的压力传感器平台的俯视图；

图6为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的信号处理电路原理图。

图7为本发明采集的心冲击图信号与心电图(ECG)的对比图。

附图标记如下：

1，压力传感器平台，11，上板，12，压力传感器，13，下板；2，信号处理电路，21，前置放大模块，22，隔直电路模块，23低通滤波放大模块；3，采集装置；4，人机交互装置，41，VGA接口板，42，触摸屏显示器；5，支架；6，椅子，61，扶手，62，靠背，63，坐垫；7，机箱。

具体实施方式

本发明提供的心脏力学功能检测系统，包括心冲击图检测装置、信号处理装置、采集装置和人机交互装置；所述心冲击图检测装置人体心冲击信号和重力信号同时转化为电信号，将该电信号传给所述信号处理装置，该信号处理装置将所述心冲击图检测装置检测的电信号进行放大、隔直处理，去除检测对象静态重力信号，保留动态变化的心冲击图，再经过二次放大及低通滤波，得到的信号传给所述采集装置，所述采集装置完成数据信号的采集、发送；通过所述人机交互装置显示检测结果；同时所述采集装置提供总线与计算机连接、传输检测数据。

优选地，所述心冲击图检测装置具体为压力传感器平台。

优选地，所述压力传感器平台上安装有3个或者4个应变式压力传感器。

优选地，所述压力传感器平台安装在椅子上，所述压力传感器平台与所述椅子坐垫紧密接触。

优选地，所述信号处理装置包括前置放大模块、隔直电路模块、低通滤波放大模块。

优选地，前置放大模块，由两个输入端并联的仪表放大器AD620构成，输入经并联后连接的所述压力传感器的差模信号，输出端把所述差模信号放大100倍。

优选地，隔直电路模块，截止频率为0.05Hz，通过该模块输出0.05Hz以上的信号，去除检测对象的重力信号，并输入到所述第二级放大器，

优选地，低通滤波放大模块，采用AD620进行放大，放大倍数是500倍；低通滤波，采用集成的八阶低通滤波芯片MAX295，所述MAX295输入端和所述第三个AD620的输出端相连，截止频率为100Hz，得到信噪比为34dB，变化区间为0～5V的信号；

优选地，所述采集装置为单片机；所述单片机自带ADC，对信号处理装置的输出信号进行模数转换；所述单片机提供RS-232串行接口与人机交互装置连接，并通过所述人机交互装置的操作界面控制是否向人机交互装置传输检测数据；所述采集装置单片机提供控制低通滤波器截止频率的PWM信号；所述单片机输出LCD信号。

优选地，所述单片机具体为三星S3C2440。

优选地，所述人机交互装置接口为VGA接口板。

优选地，人机交互装置，含有VGA接口板和触摸屏显示器，所述VGA接口板为友善之臂LCD2VGA模块，输入所述S3C2440输出的LCD信号，输出VGA信号到触摸屏显示器。所述触摸屏显示器具有操作界面；该触摸屏显示器安装在角度可调的支架上。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的原理为血液在心血管循环过程中会对人体产生作用力导致人体重力的微弱变化，通过测量重力信号的微弱变化来评价心脏力学功能。

参考图1，图1为本发明提供的心脏力学功能检测系统具体实施例的技术原理图；同时参考图2为本发明提供的心脏力学功能检测系统具体实施例的示意图。

如图1所示，本发明具体实施例提供的心脏力学功能检测系统，包括压力传感器平台1、信号处理装置2、采集装置3、人机交互装置4。

压力传感器平台1将检测对象的身体重力信号和心冲击图同时转化为电信号，将该电信号通过屏蔽线传给信号处理电路2，信号处理电路2将压力传感器平台1检测的电信号进行放大、隔直处理，去除检测对象的静态重力信号，保留动态的心冲击图，再经过低通滤波放大，得到的信号传给采集装置3，采集装置3完成数据信号的采集、发送至人机交互装置4；最后通过人机交互装置4的VGA接口板41连接的触摸屏液晶显示器42显示检测结果。另外，触摸屏显示器42除显示实时检测结果外，还能够提供为操作者控制的操作界面，可增加或减少显示信号的纵向幅度和横向宽度，并可通过采集装置3向计算机传输检测数据。

参考图3和图4，图3为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的三个传感器组成的压力传感器平台的俯视图；图4为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的三个传感器组成的压力传感器平台的立体图。

更具体地，如图3和图4所示，压力传感器平台1包括相互平行的上板11、下板13以及与上板11、下板13连接的均匀分布的三个压力传感器12。压力传感器平台1安装在椅子6的坐垫63下方，椅子6具有靠背62和扶手61的椅子坐垫，压力传感器平台1与坐垫63紧密接触。

其中，压力传感器12负责将施加在上面的压力信号变为电信号，其工作原理是用应变片搭建H桥，当检测对象坐在压力传感器平台1上时，检测对象的重力会使得应变片的电阻会发生变化，从而产生两个差模电信号(信号+，信号-)。由于对压力传感器12的动态性能要求较高，同时需要5V供电。综合考虑了量程、性能、供电电源等参数，本实施例中选用三个压力传感器12组成的稳定结构，其安装方式如图3和图4所示，也可采用四个或多个传感器实现，具体安装形式不再一一说明。三个压力传感器12的输出差模信号按照极性分别并联在一起，其连接方式见图6，形成压力传感器平台1总的输出差模信号(signal+，signal-)，幅度为10mV左右，所以需要对输出信号进行放大处理，信号放大处理通过信号处理电路2实现，将在下文说明。

图5为本发明提供的心脏力学功能检测系统中的四个传感器组成的压力传感器平台的俯视图，连接设置与三个传感器组成的压力传感器平台相同，其中四个传感器分布在平台的四个对角。

同时参考图6，图6为本发明提供的心脏力学功能检测系统的电路连接图。

在本实施例中，信号处理电路2包括前置放大模块21、隔直电路模块22、低通滤波放大模块23。

如图2和图6所示，具体地，一级放大21包括两个AD620(仪用放大器，适合用于差模信号的放大)。压力传感器平台1总的输出差模信号(signal+，signal-)连接到第一个AD620的IN-(2脚)和IN+(3脚)，其输出端(6脚)得到放大-50倍的信号；压力传感器平台1总的输出差模信号(signal+，signal-)连接到第二个AD620的IN+(3脚)和IN-(2脚)，其输出端(6脚)得到放大50倍的信号，两个AD620输出端得到了一对新的差模信号(以2.5V为中心)。

然后，对得到的新的差模信号进行隔直处理，隔直电路22采用电容和电阻组成的一阶高通滤波器，高通的截止频率设为0.05Hz，从而保留检测对象的有效动态心冲击信号(＞0.05Hz)。第一个AD620输出端(6脚)连接到有极电容C1的阳极，第二个AD620输出端(6脚)连接到有极电容C2的阴极，在电阻R4两端输出经过隔直的差模信号。隔直电路22的目的是去除检测对象的静态重量，只保留检测对象的动态的心冲击信号。

之后，需要对信号进行二级放大23，使用第三个AD620。C1阴极输出接第三个AD620的IN-(2脚)，C2阳极输出接第三个AD620的IN+(3脚)，第三个AD620输出端(6脚)将输入信号放大500倍，使信号已经达到采集的要求，此时，心冲击图的信号幅度已经满足采集装置要求。

经过二级放大23后的信号需进行低通滤波24，以使噪声减小，本系统使用了集成的八阶低通滤波芯片(MAX295)。第三个AD620输出端(6脚)连接到MAX295的IN端(14脚)，输出在OUT端(11脚)。低通的截止频率设为100Hz，具有很好的滤波效果，最后得到的输出信号的信噪比可以达到了34dB，效果显著。

MAX295OUT端(11脚)输出的0-5V的信号连接到采集装置3(自带ADC的S3C2440芯片)的AIN2口(R12脚)，利用S3C2440的ADC进行模数转换。

另外，在本实施例中，采集装置3提供LCD输出信号，输送到VGA接口板；采集装置3提供RS-232串行接口与计算机连接，并通过触摸屏显示器42的操作界面控制是否向计算机传输检测数据；采集装置3提供控制八阶低通滤波器截止频率的PWM信号。所使用的采集装置3安装在开发板上，开发板可满足以上功能，而且方便实现更多的扩展功能。采集装置3以及VGA接口板41安装在机箱7内。并且，触摸屏显示器42安装在角度可调的支架5上，可以很方便地调整触摸屏显示器42的倾斜角度，方便操作。

本实施例中，VGA接口板41选用友善之臂LCD2VGA模块，利用三星S3C2440单片机的LCD控制功能实现信号的实时显示。三星S3C2440单片机在完成接口和显示屏控制的同时还可利用其强大的计算功能进行信号处理而且可以在上面运行用户控制程序，从而为下一步的软件设计提供了方便。

此外，为了更好的实现心脏功能的检测，在上述心脏力学功能检测系统的硬件基础上，开发了相关的嵌入式软件。嵌入式软件安装在单片机控制装置上，完成数据的采集、计算、显示、存储、传输功能，并实现触摸屏显示器42操作界面的显示和按键控制。

本实施例提供的心脏力学功能检测系统的具体应用：

可以应用本发明提供的心脏力学功能检测系统检测到含心率和呼吸率等信息的心冲击信号。

本发明提供一套无创心脏力学功能评价系统，对冠状动脉性心脏病、主动脉瓣病变程度、心肌缺血和心力衰竭等心血管疾病具有辅助诊断作用，具有一定的临床应用价值。

本实施例提供的心脏力学功能检测系统采用无创伤和非直接接触的检测方式进行心脏功能检测，检测对象只需要安静平稳地坐在装有压力传感器平台1的椅子上即可，不会对检测对象造成损伤和心理负担，检测时检测对象放松和平静呼吸，可以保证检测结果准确性，并且，无须将传感器固定到肢体上，因而也不存在传感器脱落、限制检测对象活动范围的问题，可实现心脏功能的长时间不间断监测，为心血管疾病的临床和亚临床诊断提供依据。

Claims (1)

1.心脏力学功能检测系统，其特征在于，含有心冲击图检测装置、信号处理装置、采集装置以及人机交互装置，其中：

心冲击图检测装置，是一个应变式压力传感器平台，由两块平行的板以及连接在所述两块互相平行的板之间且等间距分布的至少三个所述应变式压力传感器构成，各个所述应变式压力传感器产生的差模信号按接口极性互相并联，差模信号幅度为10mV；信号处理装置，由依次串联的前置放大模块、隔直电路模块、低通滤波放大模块构成，其中：

前置放大模块，由两个输入端并联的仪表放大器AD620构成，输入为所述并联连接的至少三个应变式压力传感器输出的差模信号，其放大倍数为100倍，

隔直电路模块，是一个阻容式一阶高通滤波器，截止频率为0.05Hz，输入为所述前置放大模块输出的放大100倍的差模信号，输出为频率在0.05Hz以上的检测对象的心冲击信号，

低通滤波放大模块，由放大倍数为500的所述仪表放大器AD620和集成的八阶低通滤波芯片MAX295串联构成，输出截止频率为100Hz，信噪比为34dB，变化区间为0～5V的心冲击信号；

采集装置，是一个自带ADC的单片机S3C2440，输入为所述低通滤波放大模块输出的心冲击信号，输出的LCD信号输入到VGA接口板并同时由RS-232串行接口输出；

人机交互装置，由所述VGA接口板和触摸屏显示器串接构成，所述VGA接口板是一个友善之臂模块LCD2VGA，输入为所述采集装置输出的LCD信号，所述VGA接口板输出的LCD信号通过所述触摸屏显示器显示心冲击图，其中所述触摸显示屏的操作界面控制所述采集装置是否通过所述RS-232串行接口向外传输检测数据。

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