CN103860154A - 基于磁感应的非接触可穿戴式心肺活动监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于磁感应的非接触可穿戴式心肺活动监测装置，包括：一交流信号源单元，用来产生一激励信号至传感器单元产生激励磁场和一参考信号至信号采集与处理单元；放置在胸前的一传感器单元，传感器单元包括一个环形激励线圈以及一个与激励线圈同轴同平面的检测线圈，用于发射激励信号和检测感应信号；和一信号采集与处理单元，用于对采集的信号进行处理获得心率和呼吸率。

Description

基于磁感应的非接触可穿戴式心肺活动监测装置

技术领域

本发明属于生物医学医疗设备技术领域，具体涉及心血管内外科、医疗保健和医疗评估领域的穿戴式非接触磁感应心肺监测装置。

背景技术

心血管相关疾病的日益年轻化以及亚健康等已经成为影响人们身体健康及生活质量的主要因素，传统的医患之间面对面的诊断模式已经不能满足人们对健康保健的巨大需求。个性化医疗需求的发展以及专业人员的医疗评估也都需要在时间以及资源的利用效率上进一步提高。利用穿戴式生理检测技术，不但能够实现长期、持续的检测，而且能对使用者的健康状况以及生理信息进行实时的显示，有助于医生对用户实施定期监测以及远程会诊。目前主要的可穿戴式监护方式包括使用电极及其他接触式传感器，导电纺织面料制作成的接触式背心等。

但是目前的可穿戴式监护方式都需要安置电极或者应用导电纺织面料等与皮肤直接接触。在长时间监护或者非临床监护时会造成皮肤红肿，出汗影响信号采集、例如烧伤患者和婴儿的应用困难或额外布线等负面效应。尤其是对于有监测需要的专业人员(运动员、战士、宇航员和其他个性化需求用户)，他们需要一种不与皮肤接触，绝对安全又能够自由活动，放在外套或者上衣口袋里而不用贴身就可以实现监测的低功耗、高精度、操作方便的非接触心肺活动监测仪。

非接触的监测方式可以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。为此，研究可穿戴非接触方式实现心肺活动监测具有非常大的价值和意义。近年来国内外研究工作者在心肺非接触检测方面开展了较多的研究，磁感应监护技术为其中一种主要方法，适用于临床、家庭及户外环境生命体征的监测。

针对现有穿戴式心肺监测方法的不足，以及临床心血管科诊疗、个性化医疗保健和专业人员医疗评估的需要，提出一种非接触舒适、低功耗、高精度、小型化、操作方便的可靠监测方法，对提高临床心血管疾病的救治水平、个性化医疗保健和专业人员医疗评估具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服传统穿戴式心肺监测系统与皮肤存在接触，一旦运动出汗或者长时间监测导致负面效应的缺点，而提出一种穿戴式非接触磁感应心肺监测装置。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，包一交流信号源单元，用来产生一激励信号至传感器单元产生激励磁场和一参考信号至信号采集与处理单元；

放置在胸前的一传感器单元，传感器单元用于发射激励信号和检测感应信号；和

一信号采集与处理单元，用于对采集的信号进行处理获得心率和呼吸率。传感器单元包括：一个环形激励线圈以及一个与激励线圈同轴同平面的检测线圈，环形激励线圈接收激励信号，产生激励磁场，检测线圈接收磁感应信号。

信号采集与处理单元包括：

一相位检测单元，对参考信号和检测线圈输出信号进行相位检测，并输出一个与所述参考信号和检测线圈输出信号的两路信号的相位差成正比的直流电压信号。

一处理单元，将采集到的信号进行信号处理，得到心率和呼吸率。

所述相位检测单元的输入端分别与所述参考信号以及接收线圈的输出信号连接。

包括一存储单元，将心率数据实时存储在该存储单元上。

括一显示单元，将心率，呼吸率和心肺的波形实时显示在显示单元上。

包括一报警单元，预设一心率、呼吸率的上限值或下限值，当检测到的心率、呼吸率高于上限值或低于下限值，进行声音或灯光闪烁报警。

所述交流信号源单元，包括一个可以产生10MHz正弦波的晶振，一个功率分配器以及一个功率放大器。

处理单元将采集到的数字信号通过心肺分离识别算法，计算出实时心率，并通过波形显示程序将心率，呼吸率和心肺的波形实时显示。

传感器单元的外侧的激励线圈和内侧检测线圈以同轴同平面印制在电路板上，在外侧的激励线圈和内侧的检测线圈之间为位于中间的闭合圆环。

本发明的磁感应检测装置的优点在于：1、非接触，无任何刺激性和不适感(不需要与被测目标皮肤接触)。2、灵敏度高，运动出汗，有微小的位移都不影响被测结果。3、体积小巧，功率小，可以做到超薄，放置于衣物中，方便随时随地监测。

附图说明

图1为本发明的非接触磁感应颅内压监测装置的框图；

图2为传感器单元结构图；

图3人体非接触可穿戴式心肺监测示意图；

图4人体心肺呼吸监测信号实例；

图5-图8为电路图，图5为电源模块，图6为信号源单元，图7为相位检测单元，图8为处理单元、存储单元、显示单元。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题在于克服传统穿戴式心肺监测系统与皮肤存在接触，一旦运动出汗或者长时间监测导致负面效应的缺点，而提出一种穿戴式非接触磁感应心肺监测装置。

如图1、2所示，一种可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，该传感器单元可以采用固定带穿戴在人体胸前，或者放在外套或者上衣口袋里。可以将交流信号源单元和信号采集与处理单元以及其他的显示单元等可以制作在同一块电路板上，这样该电路板所形成的单元可放置在口袋或随身携带的包中，不与皮肤接触，绝对安全又能够自由活动。也可以形成固定仪器，将传感器单元采用固定方式固定在人体胸前，交流信号源单元和信号采集与处理单元以及其他的显示单元等形成一个装置放置在人体一旁。能够实现实时监测的目的。图3示出将传感器单元用连接在传感器单元两侧的固定带穿戴式置于人胸前。

交流信号源单元生成一路激励信号和一路参考信号，包括一个可以产生10MHz正弦波的晶振，一个功率分配器以及一个功率放大器。晶振输出的信号连接到功率分配器的输入端，通过功率分配器后，输出两路完全一致的交流信号。一路信号作为参考信号连接到相位检测单元的一个输入端；另一路信号通过一个功率放大器以后得到80mW的激励信号，激励信号通过连接线连接到信号采集处理板上的激励线圈，产生激励磁场。

传感器单元，包括一个环形激励线圈以及一个与激励线圈同轴同平面的检测线圈，环形激励线圈接收激励信号，产生激励磁场，检测线圈接收磁感应信号；该传感器单元可以采用电路板制作，如图2所示，外侧的激励线圈和内侧检测线圈以同轴同平面印制在电路板上，在外侧的激励线圈和内侧的检测线圈之间为位于中间的闭合圆环。激励线圈的两端通过两个连接线连接至交流信号源单元的一个输出端(右侧)的正负输出端上，该连接线在跨越各个线圈时不与各圈线圈电连接。检测两圈的两端通过两个连接线连接至信号处理单元的一个输入端(左侧)上的正负输出端上，该连接线在跨越各个线圈时不与各圈线圈电连接。闭合圆环通过连接线接地，闭合圆环的接地连接线跨越各个线圈时不与各圈线圈电连接。图2中的方格为方位示意格，仅是示意，没有物理意义，不表示任何物理结构。被测目标胸部中任何心肺活动引起的感应磁场变化都可以被检测到，具有较高的监测灵敏度。

信号采集与处理单元包括一相位检测单元，对参考信号和检测线圈输出信号进行相位检测，并输出一个与所示参考信号和检测线圈输出信号的两路输入信号相位差成正比的直流电压信号；一处理单元，具有AD采集功能和数据处理功能，将采集到的信号进行模数转换和处理，得到心率和呼吸率。

所述相位检测单元，可以采用鉴相芯片或其他相位检测芯片。相位检测单元的输入端分别与所述参考信号以及接收线圈的输出信号连接；相位检测单元输出一个与两路输入信号相位差(MIPS)成正比的直流电压信号，该电压信号反映了相位差，相位差反映了胸腔体积和心脏体积的变化。采用鉴相芯片有高精度和小型化的特点，鉴相精度0.05°，鉴相带宽1～100MHz，并且芯片体积小巧，使用方便。

处理单元，将从相位检测单元输出的直流电压信号通过A／D转换单元进行转换后，通过心肺分离识别算法，计算出实时心率、呼吸率。该处理单元可以采用单片机，或其他处理器。单片机可以选用STC15F2K60S2单片机，该单片机自带AD采集功能。

还可以包括一存储单元，将心率数据实时存储在一个SD存储卡上。SD卡可存储一段时间的相位差数据。

还可以包括一显示单元，将心率，呼吸率和心肺的波形实时显示在显示单元上。显示单元可以选用一个3.5寸显示屏。

还可以包括一报警单元，预设一心率、呼吸率的上限值或下限值，当检测到的心率、呼吸率高于上限值或低于下限值，进行声音或灯光闪烁报警。

包括一电源，给整个装置供电。可以采用一块3.7V锂电池，通过一个3.3V稳压芯片给整块电路板供电。

采用了上述方案，测量时，将传感器单元放置于被测对象胸部前方，激励信号连接激励线圈产生激励磁场穿过整个被测目标胸部，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，该叠加磁场信号被检测线圈接收，并输出到信号采集与处理单元，相位测量单元测量出相位差，该相位差与被测胸部整体组织电导率呈正比关系，而整体组织电导率与心脏和胸腔的容积相关，胸部容积的变化代表了心脏和肺部的活动。这个相位差通过单片机程序采集处理后得到心律和呼吸率并输出到一个3.5寸显示屏上实时显示出来。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心肺活动的变化。

如图4所示，前0-15s为屏住呼吸时候的心脏活动信号，15s后是志愿者呼吸叠加心律的信号。

图5-图8为实施例电路示意图，图5为电源模块，图6为交流信号源单元，图7为相位检测单元，图8为处理单元、存储单元、显示单元。

本发明的磁感应检测装置的优点在于：1、非接触，无任何刺激性和不适感(不需要与被测目标皮肤接触)。2、灵敏度高，运动出汗，有微小的位移都不影响被测结果。3、体积小巧、功率小，可以做到超薄，放置于衣物中，方便随时随地监测。

Claims (10)

1.一种可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，包括：

一交流信号源单元，用来产生一激励信号至传感器单元产生激励磁场和一参考信号至信号采集与处理单元；

放置在胸前的一传感器单元，传感器单元用于发射激励信号和检测感应信号；和

一信号采集与处理单元，用于对采集的信号进行处理获得心率和呼吸率。

2.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，传感器单元包括：一个环形激励线圈以及一个与激励线圈同轴同平面的检测线圈，环形激励线圈接收激励信号，产生激励磁场，检测线圈接收磁感应信号。

3.如权利要求2所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，外侧的激励线圈和内侧检测线圈以同轴同平面印制在电路板上，在外侧的激励线圈和内侧的检测线圈之间为位于中间的闭合圆环。

4.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，信号采集与处理单元包括：

一相位检测单元，对参考信号和检测线圈输出信号进行相位检测，并输出一个与所述参考信号和检测线圈输出信号的两路信号的相位差成正比的直流电压信号，

一处理单元，将采集到的信号进行信号处理，得到心率和呼吸率。

5.如权利要求4所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，所述相位检测单元的输入端分别与所述参考信号以及接收线圈的输出信号连接。

6.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，包括一存储单元，将心率数据实时存储在该存储单元上。

7.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，包括一显示单元，优选的采用3.5寸显示屏，将心率，呼吸率和心肺的波形实时显示在显示单元上。

8.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，包括一报警单元，预设一心率、呼吸率的上限值或下限值，当检测到的心率、呼吸率高于上限值或低于下限值，进行声音或灯光闪烁报警。

9.如权利要求1所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，所述交流信号源单元，包括一个可以产生10MHz正弦波的晶振，一个功率分配器以及一个功率放大器。

10.如权利要求4所述的可穿戴式非接触磁感应心肺监测装置，其特征在于，处理单元将采集到的数字信号通过心肺分离识别算法，计算出实时心率，并通过波形显示程序将心率，呼吸率和心肺的波形实时显示。

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