CN103610452A - 一种非接触磁感应式脉搏检测方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触磁感应式脉搏检测方法，包括：步骤(1)，在待测手指中放置两个轴向对称的线圈组，其中激励线圈并产生频率为200k-50MHz，功率为10mw-2w的激励信号，该激励信号经过被测手指；接收线圈拾取被测手指内血管产生的感生磁场的信号和激励线圈的感应信号的二者叠加感应信号；步骤(2)，通过鉴相器将步骤(1)拾取的接收线圈的叠加感应信号与激励信号进行相位差检测，然后输入计算机，得到磁感应相位差的随时间的变化曲线；步骤(3)，根据相位差和脉搏压力的函数关系得到“时间-脉搏压力”的脉搏波信号，识别特征量，得到心率HR，心输出量CO，平均动脉压I_map信息。该监测方法可以对脉搏波进行无创非接触的实时监测。

Description

一种非接触磁感应式脉搏检测方法

技术领域

本发明属于生物医学医疗设备技术领域，具体涉及非接触磁感应式脉搏压监测方法。

背景技术

2010年以来每年全球有30％左右的人口死于心血管疾病，成为威胁人类健康的主要原因。根据中国卫生部公布的第四次国家卫生服务调查数据：中国约有1.14亿心血管疾病患者，每年死于心血管疾病的人数达300万，约占总死亡人数的45％，预计2025年中国心血管疾病患者人数可能突破3亿。脉搏是人体重要的生理特征之一，由心脏周期性的收缩和舒张引起，必然受到心脏状况的影响，同时综合了动脉管特征(内膜厚度和弹性)和血液特征参数(传播速度、数量、体积和粘度等)等因素。无论是中国传统医学还是现代医学，都把从脉搏中提取有用信息作为诊断心血管疾病的重要手段。因此，对人体脉搏定性或定量的研究，在心血管疾病的早期预防和诊断中有较高应用价值。

脉搏信号的准确提取为基于脉搏波的生理病理诊断提供了客观依据，其精度影响了脉搏信号处理和分析效果，从18世纪开始，国内外研究人员开始研制简单易操作用于脉搏无创检测方法。现有的脉搏检测方法分为以下几类：光电式脉搏检测方法，半导体应变式脉搏检测方法，压电式脉搏检测方法，图像脉搏检测方法等。

(1)光电式脉搏检测方法

光电式检测方法的原理是根据特定波长的光线对血液容积变化有较高敏感度，手指尖反射光强度的变化就是脉搏波动的规律，通过光电管将光信号转换为电信号输出。光电式脉搏检测方法的抗干扰能力较强，线性度和灵敏度较好，但是对容积脉搏波血流信号机理研究尚不完整，检测范围还有一定的局限性。

(2)半导体应变式脉搏检测方法

该方法应用了半导体应变材料的压阻效应，当应变片受到形变时，其阻值会发生相应的变化，通过转换电路将阻值的改变体现在电流或电压的变化上.该方法的的灵敏度较高，横向效应小，但对应变片和传感器之间的粘合度要求较高，其粘合质量直接影响了方法的精度。

(3)压电式脉搏检测方法

压电式传感器利用了压电材料的特性直接将压力信号转化为电信号。不足之处在于压电式脉搏传感器的低频特性较差，脉搏信号失真度较大，要设计高输入阻抗电路，而且需要隔离防潮措施。

(4)图像脉搏检测方法

图像脉搏检测方法的原理是利用光感元器件将接受到的光信号转换为电信号输出，其动态范围较广，线性度较好，耗电量小。缺点是图像脉搏传感器只能处理一段脉搏信号，难以推广到脉搏信号的多个区域。

上述方法中除提到的不足之处外，还普遍存在对接触部位要求高，不能随意移动，有传感器和身体接触带来的不适感，不能长时间实时监测等缺点。

针对现有脉搏捡测方法的不足和临床心血管科疾病诊疗的需要，提出一种具有灵敏度高、非接触磁感应式、无任何不适感、可像戒指一样自由移动的，可长时间实时的脉搏检测方法，对提高心血管科患者的救治水平和未来的老年化以及个性化医疗具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有脉搏捡测方法的不足和临床心血管科的需要，提出一种能够随意移动、消除不适感、能够长时间实时监测的采用磁感应法的非接触磁感应式脉搏检测方法。

本发明提出的非接触磁感应脉搏检测方法，包括以下步骤：

步骤1)，被测手指周围放置磁感应检测传感器，该磁感应检测传感器包括两个间隔开的线圈，其中一个线圈作为激励线圈并连接于所述激励源输出端，根据激励源提供的频率为200k-50MHz范围内，功率为10mw-2w范围内的正弦波激励信号产生交变的激励磁场信号，该激励磁场信号的相位是θ_Ve，激励磁场信号穿过被测手指，在被测手指及其中的血管中产生涡流，该涡流又产生一个二次磁场信号，激励磁场信号和二次磁场信号叠加在一起形成一个相对于参考信号发生相位改变的叠加磁场信号，这个叠加磁场信号被磁感应检测传感器中的另外一个作为接受器的接收线圈感应到，该叠加磁场信号的相位为θ_Vi。

步骤2)，鉴相器的输入端分别与所述激励源的输出端以及所述接收线圈的输出端连接，鉴相器对所述作为参考信号的激励信号的相位θ_Ve和叠加磁场信号的相位θ_Vi的相位差△θ进行检测，相位差信号经过带通采样进入计算机，得到相位差△θ随时间的变化曲线；

步骤3)，根据脉搏压力P和相位差成正比关系，得到脉搏波的图形，从中根据脉搏特征量识别算法可以得到诸如心率HR、心输出量CO或平均动脉压I_map信息。

其中，脉搏压力P和相位差△θ的正比关系是P=K*△θ，其中K为常数。

其中，健康成人的K=300mmHg／degrees。

其中，所述的激励信号的相位θ_Ve是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ve}}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}{\mathrm{Re}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}\right],$

其中Z_L代表激励线圈的阻抗，Z_out是激励源的输出阻抗，△Z_L代表激励线圈被感生线圈影响而带来的变化的阻抗。

检测信号的相位θ_vi是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Vi}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}{V+\mathrm{Re}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}\right),$

其中V是激励信号的电压，△V是感应的叠加磁场信号的电压，

最后得到相位差△θ为

Δθ=θ_Vi-θ_Ve。

其中，步骤2)中的带通采样的采样频率为10.6MHz。

进一步，步骤2)中的相位差信号经过小波降噪滤波处理和去除基线漂移，得到完整平滑的的相位差随时间变化的信号。

其中，其中去噪的小波为7阶db小波8层分解去除高频和低频噪音。

其中，所述的去除基线漂移方法为提取经小波去噪处理后的相位差信号中每脉搏周期结束与下一周期脉搏波开始前的一段数据，将这段数据取平均值，用整个信号减去这个均值，即可将信号的基线基本移到零点处。

其中，所述的脉搏波特征量识别过程步骤如下：

31)，根据正常人脉搏大致60次／分～100次／分的特点，从得到的脉搏波曲线中的第30个数据点开始，每30个数据点为一个窗口，这个窗口的中心点在第45个数据，坐标也就是(T₄₅，P₄₅)，找出第一个窗口的最大值P_max(1)；

32)，接着窗口向前移动，得到第二个窗口的最大值P_max(2)；

33)，这样P_max(1)和P_max(2)之间就是第一个的脉搏波的间期T(1)；

34)，重复上面的过程，当移动到第6个脉搏波，并计算出T(1)，T(2)，T(3)，T(4)，T(5)的时候，计算出平均间期 $T_{\mathrm{average}}=\frac{T\left(1\right)+T\left(2\right)+T\left(3\right)+T\left(4\right)+T\left(5\right)}{5};$

35)，当移动到第7个脉搏波的时候，窗口移动发生变化，以第6个脉搏波的波峰点P_max(6)+T_average／2作为窗口的中心点，各取左右15个数据点组成新的30个点的窗口，找到最大值P_max(7)，得到间期T(6)；

36)，重复步骤35)，以后每个窗口的选择都取决于前面5个脉搏波间期的平均值，以避免间期变化带来的误差，得到T(7)，T(8)，……T(x)；

37)，最后得到脉搏波的平均频率

即心率，x为自然数；

38)，脉搏波的波形面积与动脉血管参数息息相关，通过积分可得到波形面积S(1)，S(2)，……，S(y)，以上y为自然数；

该磁感应传感器的两个线圈由2个同样大小的铜导线线圈组成，铜导线直径0.1-0.6mm，线圈直径2-4cm，10-30匝，两个线圈距离1-3cm，成轴向放置，手指穿过其中。

所述的激励源是指可产生频率200k-50MHz的，输出功率为10mw-2w，频率稳定度在10^-6以上的信号发生器，鉴相器为在200K-50MHz频率范围内，鉴相精度达到0.05度以上的鉴相器。

采用了上述方案，本发明的非接触磁感应脉搏检测方法，通过一个激励源发出的激励信号，使磁感应检测装置产生交变的激励磁场信号，激励磁场信号穿过整个手指，在被测手指内产生涡流，涡流又产生另外一个磁场信号，称为二次磁场信号，原激励磁场和二次磁场信号叠加在一起一个叠加磁场信号，此叠加磁场信号相对于激励源发出的参考信号(这个参考信号的相位和激励信号的相位是相同的，所以可以代替激励信号)的相位发生改变，用一个鉴相器检测此相位差，这个相位差与被测手指的整体组织电导率呈正比关系，而手指内血液的流动导致了整体组织电导率的变化。于是，相位差的变化就反映了手指内血液的流动。血液的流动规律是脉搏波的基础。因此，可以通过检测叠加磁场信号和参考信号之间的相位差反映手指整体电导率的变化进而检测脉搏波的变化。

附图说明

图1为本发明的非接触磁感应脉搏检测方法的方框图；

图2为初始相位差△θ随时间的变化曲线；

图3为小波去噪处理和去除基线漂移处理后的相位差△θ随时间的变化曲线；

图4为脉搏波的压力P随时间的变化曲线。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题在于针对现有脉搏捡测方法的不足和临床心血管科疾病诊疗的需要，提出一种非接触磁感应式脉搏检测方法。

参照图1，首先在被测手指1周围放置磁感应检测传感器，该磁感应传感器由2个同样大小的铜导线(铜导线直径0.1-0.6mm)线圈组成，其中一个为激励线圈3，另一个为接收线圈4，激励线圈3和接收线圈4的直径为2-4cm，10-30匝，激励线圈3和接收线圈4成轴向放置，手指穿过其中，且他们之间距离为1-3cm。本发明所述的激励源2是指可产生频率范围在200k-50MHz的，优选10.7MHz，输出功率为10mw-2w，优选0.5w，频率稳定度在10^-6以上的信号发生器。该磁感应检测装置连接于激励源2输出端，磁感应检测装置中激励线圈3，根据激励源2提供的激励信号产生交变的激励磁场信号，该激励磁场信号的相位是θ_Ve，激励磁场信号穿过被测手指1，在被测手指1及其中的血管中产生涡流，该涡流又产生一个二次磁场信号，激励磁场信号和二次磁场信号叠加在一起形成一个相对于参考信号发生相位改变的叠加磁场信号，该参考信号选取激励源2提供的激励信号，这个测量的叠加磁场信号被磁感应检测传感器中的接受线圈4感应到，并进行接收，该叠加磁场信号的相位为θ_Vi。

所述的激励信号的相位θ_Ve是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ve}}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}{\mathrm{Re}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}\right],$

其中Z_L代表激励线圈的阻抗，Z_out是激励源的输出阻抗，△Z_L代表激励线圈被感生线圈影响而带来的变化的阻抗。

检测信号的相位θ_vi是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Vi}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}{V+\mathrm{Re}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}\right),$

其中V是激励信号的电压，△V是感应的叠加磁场信号的电压。

一台鉴相器5的输入端分别与所述激励源2的输出端以及所述接收线圈4的输出端连接，鉴相器5对所述参考信号和叠加磁场信号的相位差进行检测，该相位差用于反映手指血管内的容积变化。最后得到相位差△θ为

Δθ=θ_Vi-θ_Ve。

相位差信号经过带通采样进入计算机，得到相位差△θ随时间变化的曲线，如图2所示。

本发明所述的鉴相器是指可以测量2路信号的相位差，在200K-50MHz频率范围内，优选8MHz内，鉴相精度达到0.05度以上的鉴相器。

进一步的，得到的相位差信号经过带通采样(采样频率10.6MHz)进入计算机。

进一步的，本发明还提出了一种相位差信号滤波方法的创新，将得到的相位差信号经过7阶db小波信号分解降噪处理再重构，进入PC，得到的相位差随时间的曲线。

去除基线漂移是本发明的另一点创新，对相位差信号进行去除基线漂移：去除基线漂移方法为本文提取经小波去噪处理后的相位差信号中每脉搏波周期结束与下一周期脉搏波开始前的一段数据，将这段数据取平均值，用整个信号减去这个均值，即可将信号的基线基本移到零点处。得到如图3所示的脉搏波信号。

进一步的，得到的相位差通过P=K*△θ(K=300mmHg／degrees，成人)，计算出压力P随时间变化的曲线，就是完整的可用于临床诊断的实时显示的脉搏波波形如图4所示。

进一步的，通过脉搏波，我们可以采用现有的脉搏波特征量识别方法，识别出心率HR、心输出量CO或平均动脉压I_map等信息。除了现有方法，本发明也提出了具有更好效果的一种脉搏波特征量识别方法，过程步骤如下：

31)，根据正常人脉搏大致60次／分～100次／分的特点，从得到的脉搏波曲线中的第30个数据点开始，每30个数据点为一个窗口，这个窗口的中心点在第45个数据，坐标也就是(T₄₅，P₄₅)，找出第一个窗口的最大值P_max(1)；

32)，接着窗口向前移动，按照步骤31)的方式，得到第二个窗口的最大值P_max(2)；

33)，这样P_max(1)和P_max(2)之间就是第一个的脉搏波的间期T(1)；

34)，重复上面的过程，当移动到第6个脉搏波，并计算出T(1)，T(2)，T(3)，T(4)，T(5)的时候，计算出平均间期 $T_{\mathrm{average}}=\frac{T\left(1\right)+T\left(2\right)+T\left(3\right)+T\left(4\right)+T\left(5\right)}{5};$

35)，当移动到第7个脉搏波的时候，窗口移动发生变化，以第6个脉搏波的波峰点P_max(6)+T_avearge／2作为窗口的中心点，各取左右15个数据点组成新的30个点的窗口，找到最大值P_max(7)，得到间期T(6)；

36)，重复步骤35)，以后每个窗口的选择都取决于前面5个脉搏波间期的平均值，以避免间期变化带来的误差，得到T(7)，T(8)，……T(x)；

37)，最后得到脉搏波的平均频率

即心率，x为自然数；

38)，脉搏波的波形面积与动脉血管参数息息相关，通过积分可得到波形面积S(1)，S(2)，……，S(y)，以上y为自然数；

采用了上述方案，本发明的非接触磁感应脉搏检测方法，通过一个激励源发出的激励信号，使磁感应检测装置产生交变的激励磁场信号，激励磁场信号穿过整个手指，在被测手指内产生涡流，涡流又产生另外一个磁场信号，称为二次磁场信号，原激励磁场和二次磁场信号叠加在一起一个叠加磁场信号，此叠加磁场信号相对于激励源发出的参考信号(这个参考信号的相位和激励信号的相位是相同的，所以可以代替激励信号)的相位发生改变，用一个多频鉴相器检测此相位差，这个相位差反应脉搏波的变化。

Claims (10)

1.一种非接触磁感应式脉搏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，被测手指周围放置磁感应检测传感器，该磁感应检测传感器包括两个间隔开的线圈，其中一个线圈作为激励线圈并连接于所述激励源输出端，根据激励源提供的频率为200k-50MHz范围内，功率为10mw-2w范围内的正弦波激励信号产生交变的激励磁场信号，该激励磁场信号的相位是θ_Ve，激励磁场信号穿过被测手指，在被测手指及其中的血管中产生涡流，该涡流又产生一个二次磁场信号，激励磁场信号和二次磁场信号叠加在一起形成一个相对于参考信号发生相位改变的叠加磁场信号，这个叠加磁场信号被磁感应检测传感器中的另外一个作为接受器的接收线圈感应到，该叠加磁场信号的相位为θ_Vi；

步骤2)，鉴相器的输入端分别与所述激励源的输出端以及所述接收线圈的输出端连接，鉴相器对所述作为参考信号的激励信号的相位θ_Ve和叠加磁场信号的相位θ_Vi的相位差△θ进行检测，相位差信号经过带通采样进入计算机，得到相位差△θ随时间的变化曲线；

步骤3)，根据脉搏压力P和相位差成正比关系，得到脉搏波的图形，从中根据脉搏特征量识别算法可以得到诸如心率HR、心输出量CO或平均动脉压I_map等信息。

2.如权利要求1所述的非接触磁感应式脉搏检测方法，其特征在于，脉搏压力P和相位差△θ的正比关系是P=K*△θ，其中K为常数，健康成人的K=300mmHg／degrees。

3.如权利要求2所述的非接触磁感应式脉搏检测方法，其特征在于，所述的激励信号的相位θ_Ve是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ve}}=\mathrm{arctg}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}{\mathrm{Re}\left(\frac{Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}{Z_{\mathrm{out}}+Z_L+{\mathrm{\ΔZ}}_L}\right)}\right],$

其中Z_L代表激励线圈的阻抗，Z_out是激励源的输出阻抗，△Z_L代表激励线圈被感生线圈影响而带来的变化的阻抗，

检测信号的相位θ_vi是

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Vi}}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}{V+\mathrm{Re}\left(\mathrm{\ΔV}\right)}\right),$

其中V是激励信号的电压，△V是感应的叠加磁场信号的电压，

最后得到相位差△θ为

Δθ=θ_Vi-θ_Ve。

4.如权利要求1-3任一项所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，

步骤2)中的带通采样的采样频率为10.6MHz。

5.如权利要求4所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，

步骤2)中的相位差信号经过小波降噪滤波处理和去除基线漂移，得到完整平滑的相位差随时间变化的信号。

6.如权利要求5所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，去噪的小波为7阶db小波8层分解去除高频和低频噪音。

7.如权利要求5所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，所述的去除基线漂移方法为提取经小波去噪处理后的相位差信号中每脉搏周期结束与下一周期脉搏波开始前的一段数据，将这段数据取平均值，用整个信号减去这个均值，即可将信号的基线基本移到零点处。

8.如权利要求5至8任一项所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，所述的脉搏波特征量识别过程步骤如下：

31)，根据正常人脉搏大致60次／分～100次／分的特点，从得到的脉搏波曲线中的第30个数据点开始，每30个数据点为一个窗口，这个窗口的中心点在第45个数据，坐标也就是(T₄₅，P₄₅)，找出第一个窗口的最大值P_max(1)；

32)，接着窗口向前移动，按照步骤31)的方式，得到第二个窗口的最大值P_max(2)；

33)，这样P_max(1)和P_max(2)之间就是第一个的脉搏波的间期T(1)；

34)，重复上面的过程，当移动到第6个脉搏波，并计算T(1)，T(2)，T(3)，T(4)，T(5)的时候，计算出平均间期 $T_{\mathrm{average}}=\frac{T\left(1\right)+T\left(2\right)+T\left(3\right)+T\left(4\right)+T\left(5\right)}{5};$

35)，当移动到第7个脉搏波的时候，窗口移动发生变化，以第6个脉搏波的波峰点P_max(6)+T_average／2作为窗口的中心点，各取左右15个数据点组成新的30个点的窗口，找到最大值P_max(7)，得到间期T(6)；

36)，重复步骤35)，以后每个窗口的选择都取决于前面5个脉搏波间期的平均值，以避免间期变化带来的误差，得到T(7)，T(8)，……T(x)；

37)，最后得到脉搏波的平均频率即心率，x为自然数；

38)，脉搏波的波形面积与动脉血管参数息息相关，通过积分可得到波形面积S(1)，S(2)，……，S(y)，以上y为自然数。

9.如权利要求1或2所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，该磁感应传感器的两个线圈由2个同样大小的铜导线线圈组成，铜导线直径0.1-0.6mm，线圈直径2-4cm，10-30匝，两个线圈距离1-3cm，成轴向放置，手指穿过其中。

10.如权利要求1或2所述的非接触磁感应式脉搏波检测方法，其特征在于，所述的激励源是指可产生频率200k-50MHz的，输出功率为10mw-2w，频率稳定度在10^-6以上的信号发生器，鉴相器为在200K-50MHz频率范围内，鉴相精度达到0.05度以上的鉴相器。

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