CN103584847B - 一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触磁感应心率和呼吸率信号同步检测方法及系统，分别将左右胸腔的磁感应信号进行滤波处理，左胸腔相位差信号与右胸腔相位差信号；采用相位检测方法可获得心动和呼吸的生理信息。基于整体胸腔容积电导率的检测原理，筛选获得特定的激励频率，通过单激励和双检测线圈，且激励检测线圈垂直放置方式消弱激励磁场的影响，采用快速独立分量分析方法从相位信息中分离心动和呼吸信息，从而实现心率和呼吸率同步的非接触监测。

Description

一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法及系统

技术领域

本发明属于生物医学工程领域中生理参数监测方法，具体特指用非接触磁感应方式进行心肺活动监测。

背景技术

随着人口老龄化的加剧，医疗成本逐渐增长，对于个人健康情况的监测，特别是家庭环境中的长时间监测的需求愈加迫切，与之同时在临床监护应用中心、肺活动的监护仍然至关重要。目前主要的心肺监护方式包括使用电极及其他接触式传感器，如常规心电图，Holter动态心电图、阻抗心动图、脉搏血氧饱和度仪、呼吸流量计、阻抗式呼吸检测仪等。这些心肺监测手段的共同问题在于均为接触性检测，需要应用体外接触电极，对严重外伤、烧伤、皮肤过敏和传染病等患者无法进行有效的检查或监测。此外大部分检测仪器只能进行呼吸或心脏的其中一种情况，而不能进行心脏、肺部活动情况的同步监测。非接触的监测方式可解决上述问题，实现对严重外伤、烧伤、皮肤过敏和传染病等患者的有效监护，可使被测对象摆脱监测线环、接触电极等困扰，在更为舒适、无影响的环境中实现生命特征监测。磁感应监测技术作为一种非接触检测方法，适用于家庭及临床环境呼吸心动生理监测。使用磁感应测量方法实现心肺活动的同步非接触监测具有重要意义。

根据申请人进行的资料检索，目前非接触生理参数监测方法有：2004年天津泰达生物医学工程股份有限公司申请的“一种非接触式心动和呼吸监测技术”；2012年北京麦邦光电仪器有限公司申请的专利“睡眠心率、呼吸监测系统”；2011年中国人民解放军第四军医大学王健琪等申请的专利“超宽谱雷达式非接触生命参数实时监测系统”。

本发明的非接触磁感应心肺活动监测方法与以上心脏及呼吸活动的同步监测比较，虽然同为非接触生理信号监测，但在测量原理、方法及应用范围上均有所不同于。从测量原理上来看，天津泰达、北京麦邦专利采用测量生理活动肌肉收缩变化的原理，第四军医大学专利采用雷达回波测量原理，而本发明采用容积电导率磁感应测量原理；从测量方法来看，天津泰达、北京麦邦专利采用压力传感器测量，第四军医大学专利采用超宽频谱雷达测量，而本发明采用抵消主磁场的激励检测线圈垂直的射频测量。从应用范围来看，天津泰达、北京麦邦专利主要用于睡眠监护，第四军医大学专利主要应用于灾后搜救，而本方法可用于临床及家庭等多种环境的长时间心肺活动监测。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法及系统，为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法及系统，其包括以下步骤：

101、在被测对象的胸腔正前方设置激励线圈，并分别在激励线圈的左右位置设置检测线圈A和检测线圈B，且检测线圈A和检测线圈B相对于激励线圈左右对称设置；其中激励线圈平行于水平面设置，检测线圈A和检测线圈B垂直于水平面设置，激励线圈的两端；

102、采用高频交流正弦信号发生器给步骤101中的激励线圈施加正弦交流电压以产生激励磁场，并分别获取检测线圈A和检测线圈B中的高频相移正弦电压信号X和Y，并将高频相移正弦电压信号X和Y依次经过前端放大装置及高频带通滤波器滤波后得到滤波信号X'和滤波信号Y'；

103、将步骤102中的滤波信号X'、滤波信号Y'及参考信号M输入采用鉴相器中，3阶巴特沃兹软件滤波器滤波后，采用FFT法或相关法或相敏法得到磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)；

104、采用小波降噪法分别对步骤102中得到的磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)进行降噪处理，得到降噪后的磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)信号；

105、将步骤103中降噪后的磁感应相位差Φ(X-M)及Φ(Y-M)信号采用Fast-ICA分离算法进行分离，并采用频谱分析确定出心率及呼吸率所在导联，求出呼吸率及心率。

进一步的，步骤101中所述高频交流正弦信号发生器采用泰克公司的信号源AFG3252，产生10MHz的激励信号。

进一步的，步骤103中的窄带滤波器采用3阶巴特沃兹滤波器，滤波带宽设置为0.5MHz。

进一步的，步骤103中的小波降噪法采用8阶sym小波进行去噪。

进一步的，步骤104中的Fast-ICA分离算法采用调用matlab中的FastICA-2.5工具箱。

进一步的，所述Fast-ICA分离算法包括步骤：

A、分别对两路相位差信号进行去均值；

B、再对步骤A中去均值后的信号作白化处理；

C、基于负熵最大化理论确定目标函数，应用牛顿迭代算法求出目标函数的最大值，即进行分离矩阵的优化，选用对称正交法正交化矩阵，并对其进行归一化；

D、最后判断分离矩阵是否收敛，若矩阵收敛则分离源信号。

一种非接触磁感应心率和呼吸率信号同步检测系统，其包括检测装置、硬件滤波装置及软件滤波装置、相位差计算模块、降噪模块、信号分离模块及显示装置；其中

所述检测装置包括激励线圈、检测线圈A和检测线圈B，所述检测线圈A和检测线圈B分别对称设置于激励线圈的左右位置，其中激励线圈平行于水平面设置，检测线圈A和检测线圈B垂直于水平面设置；所述检测装置与硬件滤波装置相连接；

所述硬件滤波装置包括前端放大装置及高频带通滤波器；

所述检测线圈A和检测线圈B分别采集左胸腔和右胸腔的激励磁场信号和感应磁场信号，并分别将检测线圈A和检测线圈B中的高频相移正弦电压信号X和Y依次经过前端放大装置及高频带通滤波器滤波后得到滤波信号X'和滤波信号Y'；经过软件鉴相器滤波后采用FFT法或相关法或相敏法得到磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)，并将磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)传输给降噪模块进行降噪处理，再送给信号分离模块进行分离，得出心率和呼吸率，最后将结果传输到显示装置进行显示。

本发明的有益效果：

本发明方法的主要优点是非接触测量生理参数，无需在人体粘贴任何电极，根据该方法可以开发出相应的医疗监护仪器，可以显示反应相应的生理、病理信，能在临床及家庭环境中对对象进行连续长时间监测。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2为本发明传感装置线圈设置方式；

图3为本发明鉴相软件流程图；

图4为本发明放大滤波装置的一种方案电路；

图5为通过非接触磁感应心肺活动监测得到的部分实验结果。

图6为本发明软件鉴相三种算法的程序图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

参照图1，本发明的非接触磁感应心肺活动监测方法及系统是利用置于胸腔前端的激励线圈产生磁场，位于激励磁场中的人体胸腔，感应出扰动磁场；心脏、膈肌以及胸廓的机械作用改变着人体器官组织中血液和空气的运动状况，此时扰动磁场随着组织改变的电导率而变化；检测线圈受到扰动磁场的影响，生成感应电压，该感应电压通过相应检测电路和计算机软件鉴相，得到相应生理活动的曲线及参数显示，以实现对心脏及肺部活动的非接触监测，具体方法为：

将激励线圈平行放置在正对监测目标位置，在激励线圈内产生的交变电流，产生交变磁场；位于交变磁场内的监测目标因电磁感应作用形成感应磁场，此磁场的强度和分布主要由监测目标内部的电导率分布确定；通过垂直于激励线圈的检测线圈，可以检测到感应磁场的幅度和相位；当监测目标内部的电导率分布发生变化时，感应磁场的强度和分布也随之改变，从而使得检测线圈上检测信号的幅度和相位也随之发生改变。

磁感应监测前端传感装置由三个线圈组成（一个激励线圈、两个检测线圈）。两检测线圈以胸腔为中轴线对称同轴放置，且相互平行；激励线圈与检测线圈垂直放置，平行于胸腔，位于两检测线圈中轴线上。线圈由直径为0.8mm的漆包铜丝绕在直径为6.7cm的塑料套管上，匝数为10砸，线圈放置位置及监测目标位置如图2所示。

使激励线圈生成一交变激励磁场，主要通过在激励线圈两端加以标准正弦交流电压；交流电源使用一高频正弦电压发生器（本发明主要使用泰克公司的信号源AFG3252，其支持12种类型的函数（波形），并能生成14位正弦函数波形，频率高达240MHz，速率高达2GS/s，幅度高达20Vp-p，相位可调）。在本发明中可用于生成不同频率的正弦信号，配合采集卡主要生成10MHz附近的激励信号。它产生两路同频的正弦信号，一路作为激励信号加载在激励线圈上，另一路作为系统的参考信号。

激励信号通过激励线圈后在目标所在位置产生激励磁场，将监测目标（主要为心脏、肺部）作为置于激励磁场当中。由于电磁感应作用会产生出感应磁场。人体生理过程中，心脏收缩和舒张维持血液在全身循环，肺的呼吸保证持续的气体交换，这两个机械过程引起胸腔中良导体（血液）和不良导体（空气）的容积变化，从而引起胸腔内心脏及肺部容积电导率的改变。当人体胸腔处于激励交变磁场中时，由于电磁感应的作用，在胸腔内产生感应磁场，其大小与胸腔的容积电导率成正比。采用检测线圈检测激励磁场信号和感应磁场信号，其相位包含反映胸腔容积电导率变化的信息。比较该检测信号与参考信号相位，可得到某一时刻该检测线圈所在位置，心肺活动瞬间，电导率变化所造成的扰动磁场大小。心跳及呼吸为周期性变化，胸腔的电导率变化也为一个准周期过程，测量得到的周期性相差信号反应了这一生理过程。

实现心肺同步磁感应监测，主要采用了高频交流正弦信号作为激励磁场，而检测信号为与激励信号同频的高频正弦电压信号，通过对激励信号及检测信号比较，得到相位差，该相差信号中低频成分与心跳及呼吸体征具有对应性。本发明监测的信号为包含心跳及呼吸信息的相位信号，而实际分离处理的是相位信号中的心跳与呼吸信号成分。若要实现分离处理，需要有两路相位差信号，因此至少需要两个及以上的检测线圈。

感应磁场的测量主要通过感应电压及激励电压的相位差测定实现。本方法鉴相装置包括前端放大滤波装置，及软件鉴相装置。由于前端传感装置所检测到的信号是微弱的电信号，所以需要经过前端增益放大模块进行功率放大。磁感应测量系统检测的是高频弱磁场信号，这要求前端放大电路具有较高的带宽以及灵敏度。测量系统中检测线圈应该与前级放大器相配合，共同完成选频以及信号的放大功能。检测线圈产生的感生电动势具有动态范围大的特点，并且很容易受到外界干扰。放大器最好采用差分输入方式，避免从接地端带入干扰噪声，此外还需要较大的差模电压输入范围以及较高的输入阻抗。本发明实施方案电路之一，是选用AD8130是精密高速仪表放大器，可以实现将高频差动信号转换为单端信号，工作在10MHz时可以达到70dB的共模抑制比，满足系统前端放大的设计要求。利用AD8130实现的前端放大电路原理图如图4所示。

另外，微弱的电信号容易受到外界的干扰，因此还需要进行滤波处理。本发明采用硬件滤波及软件滤波相结合的方式实现，在确保精确度的同时提高运行速度以确保监测的顺利进行。硬件滤波器实施方案之一，根据激励频率采用高频带通滤波器PBP-10.7和PBP-21.4，滤波电路原理图如图4所示。本方法采用的前端放大电路具有较高的带宽以及灵敏度；高频窄带信号作为检测信号，通过窄带滤波器对固定频率检测信号进行提取。

放大滤波后的检测信号与参考信号由PXI-5124数据采集模块进行同步采集。采集控制集成于鉴相软件中。通过前面板选定的数据采集卡以及通道参数，实现对信号的连续或者间隔采集。每采集一次便获得一个长度为采样点数的二维数组。采集的信号进行软件滤波处理，滤波采用3阶巴特沃兹滤波器实现，滤波带宽设置为0.5MHz。

软件滤波后的检测信号与参考信号送入鉴相模块中进行相位差的检测，检测出的实时相位差信息就反应了心肺活动的实时情况。鉴相软件流程图如图3所示。对于相位差的检测主要采用FFT、相关法及相敏法三种方法，三种算法原理如图5所示。在相差信号中，呼吸率与心率在相差信号中有其确定性的频率对应成分，呼吸率明显可考虑直接提取，但呼吸过程的带宽较宽，在心脏活动的频率对应相位上混杂有呼吸的相位谐波成分，且心脏活动的相差被更宽带的噪声所淹没，即使在预处理时进行了增强，也无法直接对心脏活动进行滤波提取。

由于心脏及肺部活动时其中导体的性质及容积大小具有差异性，两种器官由容积导体所引起的电导率变化不同。且心脏在胸腔中所处的位置（一般位于偏左侧胸腔），导致左右胸腔中对称位置，容积导体的电导率变化具有较大差异性。因此观测到的混合的心跳及呼吸信号实际上是相对独立的信源加权和组成，且左右胸腔对称位置上，参与加权的两种独立信源的强度不同。根据这一特点，本发明将心、肺活动信号视作线性瞬时混合模型，通过Fast-ICA算法对心、肺活动信号进行分离，对得到分离信号进行频谱分析，确定心跳及呼吸信息所在导联，并显示、存储分离信号信息，最后计算心率及呼吸率。

当较信噪比低时，为提高分离的准确度，分离前需提高信噪比，本发明中鉴相软件部分采用sym小波（8阶、2层）对各路相差信号去噪，提高信噪比。若在监测时伴随的其他干扰成分较多，且无法在ICA分离之前滤除，则需增加相应监测导联数及分离波形数。

优选的，本发明还提供了一种非接触磁感应心率和呼吸率信号同步检测系统，其包括检测装置、硬件滤波装置及软件滤波装置、相位差计算模块、降噪模块、信号分离模块及显示装置；其中

所述检测装置包括激励线圈、检测线圈A和检测线圈B，所述检测线圈A和检测线圈B分别对称设置于激励线圈的左右位置，其中激励线圈平行于水平面设置，检测线圈A和检测线圈B垂直于水平面设置；所述检测装置与硬件滤波装置相连接；

所述硬件滤波装置包括前端放大装置及高频带通滤波器；

所述检测线圈A和检测线圈B分别采集左胸腔和右胸腔的激励磁场信号和感应磁场信号，并分别将检测线圈A和检测线圈B中的高频相移正弦电压信号X和Y依次经过前端放大装置及高频带通滤波器滤波后得到滤波信号X'和滤波信号Y'；经过软件鉴相器滤波后采用FFT法或相关法或相敏法得到磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)，并将磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)传输给降噪模块进行降噪处理，再送给信号分离模块进行分离，得出心率和呼吸率，最后将结果传输到显示装置进行显示。

本发明的非接触磁感应心肺活动监测方法与2004年天津泰达生物医学工程股份有限公司申请的“一种非接触式心动和呼吸监测技术”；2012年北京麦邦光电仪器有限公司申请的专利“睡眠心率、呼吸监测系统”；2011年中国人民解放军第四军医大学王健琪等申请的专利“超宽谱雷达式非接触生命参数实时监测系统”比较，虽然同为非接触生理信号监测，但在测量原理、方法及应用范围上均有所不同于。从测量原理上来看，天津泰达、北京麦邦专利采用测量生理活动肌肉收缩变化的原理，第四军医大学专利采用雷达回波测量原理，而本发明采用容积电导率磁感应测量原理；从测量方法来看，天津泰达、北京麦邦专利采用压力传感器测量，第四军医大学专利采用超宽频谱雷达测量，而本发明采用抵消主磁场的激励检测线圈垂直的射频测量。从应用范围来看，天津泰达、北京麦邦专利主要用于睡眠监护，第四军医大学专利主要应用于灾后搜救，而本方法可用于临床及家庭等多种环境的长时间心肺活动监测。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于包括以下步骤：

101、采用高频交流正弦信号发生器给激励线圈施加正弦交流电压以产生激励磁场，在激励线圈的左右对称位置设置检测线圈A和检测线圈B，其中激励线圈平行于水平面设置，检测线圈A和检测线圈B垂直于水平面设置；检测线圈A和检测线圈B分别采集左胸腔和右胸腔的激励磁场信号和感应磁场信号，并分别获取检测线圈A和检测线圈B中的高频相移正弦电压信号X和Y，并将高频相移正弦电压信号X和Y依次经过前端放大装置及高频带通滤波器滤波后得到左胸腔滤波信号X'和右胸腔滤波信号Y'；

102、将步骤101中的左胸腔滤波信号X'、右胸腔滤波信号Y'及参考信号M输入软件鉴相器中，经过3阶巴特沃兹软件滤波器滤波后，采用FFT法或相关法或相敏法得到左胸腔磁感应相位差Φ(X'-M)及右胸腔磁感应相位差Φ(Y'-M)；

103、采用小波降噪法分别对步骤102中得到的左胸腔磁感应相位差Φ(X'-M)及右胸腔磁感应相位差Φ(Y'-M)进行降噪处理，得到降噪左胸腔磁感应相位差Φ'(X'-M)及降噪右胸腔磁感应相位差Φ'(Y'-M)信号；

104、将步骤102中降噪左胸腔磁感应相位差Φ'(X'-M)及降噪右胸腔磁感应相位差Φ'(Y'-M)信号采用Fast-ICA分离算法进行分离，并采用频谱分析确定出心率及呼吸率所在导联，求出呼吸率及心率。

2.根据权利要求1所述的非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于：步骤101中所述高频交流正弦信号发生器采用泰克公司的信号源AFG3252，产生10MHz的激励信号。

3.根据权利要求1所述的非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于：步骤103中的窄带滤波器采用3阶巴特沃兹滤波器，滤波带宽设置为0.5MHz。

4.根据权利要求1所述的非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于：步骤103中的小波降噪法采用8阶sym小波进行去噪。

5.根据权利要求1所述的非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于：步骤104中的Fast-ICA分离算法采用调用matlab中的FastICA-2.5工具箱。

6.根据权利要求1或5所述的非接触磁感应心率和呼吸率同步检测方法，其特征在于：所述Fast-ICA分离算法包括步骤：

A、分别对两路相位差信号进行去均值；

B、再对步骤A中去均值后的信号作白化处理；

C、基于负熵最大化理论确定目标函数，应用牛顿迭代算法求出目标函数的最大值，即进行分离矩阵的优化，选用对称正交法正交化矩阵，并对其进行归一化；

D、最后判断分离矩阵是否收敛，若矩阵收敛则分离源信号。

7.一种非接触磁感应心率和呼吸率同步检测系统，其特征在于：包括检测装置(1)、硬件滤波装置(2)及软件滤波装置(3)、相位差计算模块(4)、降噪模块(5)、信号分离模块(6)及显示装置(7)；其中

所述检测装置(1)包括激励线圈、检测线圈A和检测线圈B，所述检测线圈A和检测线圈B分别对称设置于激励线圈的左右位置，其中激励线圈平行于水平面设置，检测线圈A和检测线圈B垂直于水平面设置；所述检测装置(1)与硬件滤波装置(2)相连接；

所述硬件滤波装置(2)包括前端放大装置及高频带通滤波器；

所述检测线圈A和检测线圈B分别采集左胸腔和右胸腔的激励磁场信号和感应磁场信号，并分别将检测线圈A和检测线圈B中的高频相移正弦电压信号X和Y依次经过前端放大装置及高频带通滤波器滤波后得到滤波信号X'和滤波信号Y'；经过软件鉴相器滤波后采用FFT法或相关法或相敏法得到磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)，并将磁感应相位差Φ(X'-M)及Φ(Y'-M)传输给降噪模块(5)进行降噪处理，再送给信号分离模块(6)进行分离，得出心率和呼吸率，最后将结果传输到显示装置(7)进行显示。