CN105825071B - 一种无传感器心率估算装置及其估算方法 - Google Patents

一种无传感器心率估算装置及其估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无传感器心率估算装置及其估算方法，涉及医疗器械领域，用于解决现有测量人工辅助心脏系统心率的方法需利用心电传感器，造成测量不方便的问题，该估算装置包括速度测量模块、逻辑微分模块、数字处理模块和通讯模块；所述逻辑微分模块的输入端与所述速度测量模块的第一输出端连接，输出端与所述数字处理模块的第一输入端连接；所述数字处理模块的第二输入端与所述速度测量模块的第二输出端连接，输出端与所述通讯模块的输入端连接。上述方案中，通过分析转速波形的变化，计算出病人的心率，此方法不仅可以保证心率计算准确，而且无需额外的心率传感器，使用方便安全。

Description

一种无传感器心率估算装置及其估算方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是指一种无传感器心率估算装置及其估算方法。
背景技术
心率是指心脏跳动的频率，心脏每分钟跳动的次数。正常人平静时每分钟60到100次，运动时心跳会加速，心肺功能较好的运动员会比正常人的心跳要慢。
人工辅助心脏系统是一种通过控制机械泵的稳定运行，辅助左心泵血，从而提高心脏泵血能力的装置。
目前，医学上较为准确地测量人工辅助心脏系统的心率方法主要是R波检测法，即通过在静脉植入电波检测探头或红外传感器，检测心电脉冲，通过计算1分钟内R波的个数来计算心率。利用此种方法得到的心率较为准确，但其依赖于心电传感器的灵敏度。此方法主要适用于对卧病在床的重症患者进行心电监护。
故急需一种无传感器心率估算装置及其估算方法，能在无心率传感器的条件下，方便、准确地获取心率。
发明内容
为了解决现有测量人工辅助心脏系统的心率方法需利用心电传感器，造成测量不方便的问题，本发明提供一种无传感器心率估算装置及其估算方法，通过分析转速波形的变化，计算出病人的心率，此方法不仅可以保证心率计算准确，而且无需额外的心率传感器，使用方便安全。
本发明提供的一种无传感器心率估算装置，包括速度测量模块、逻辑微分模块、数字处理模块和通讯模块；所述逻辑微分模块的输入端与所述速度测量模块的第一输出端连接，输出端与所述数字处理模块的第一输入端连接；所述数字处理模块的第二输入端与所述速度测量模块的第二输出端连接，输出端与所述通讯模块的输入端连接；
所述速度测量模块，按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速，并将采集到的电机反馈转速实时发送给所述逻辑微分模块和数字处理模块；
所述逻辑微分模块对所述速度测量模块发来的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，将电机转速变化率由正变负的临界点作为电机反馈转速峰值点，所述逻辑微分模块在电机反馈转速达到峰值点时向所述数字处理模块发送一个电机反馈转速峰值脉冲信号；
所述数字处理模块接收所述逻辑微分模块发来的电机反馈转速峰值脉冲信号，并记录接收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间；所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目及所记录的收到各脉冲信号的时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值脉冲信号出现的次数，将该次数记为心率，并将该心率值发给所述通信模块。
所述通讯模块接收所述数字处理模块发来的心率值并输出。
其中，所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目及所记录的收到各脉冲信号的时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值脉冲信号出现的次数，将该次数记为心率，包括：所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目n，以及该时间内收到第一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间t1和收到最后一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间tn，根据公式HR＝60(n-1)/(tn-t1)求取心率HR。
其中，所述数字处理模块还在收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号时，将当前速度测量模块发来的电机反馈转速存储为当前收到的电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速；
当所述数字处理模块收到的任意两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号的时间间隔小于0.3s时，所述数字处理模块根据存储的各电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速，仅保留这两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号中对应的电机反馈转速较大的电机反馈转速峰值脉冲信号。
其中，所述预先设置的采样频率大于10KHZ。
其中，所述无传感器心率估算装置还包括电机控制模块；所述电机控制模块的输入端与所述通讯模块连接，输出端与人工辅助心脏的电机连接；所述人工辅助心脏的电机还与所述速度测量模块连接；所述电机控制模块接收所述通信模块发来的电机控制指令，并对其进行解析转换，产生电机驱动信号发送给所述人工辅助心脏的电机；所述人工辅助心脏的电机在所述电机控制模块发来的电机驱动信号的控制下进行旋转；所述人工辅助心脏的电机将其位置反馈信号发送给所述速度测量模块；所述速度测量模块接收所述人工辅助心脏的电机发来位置反馈信号计算电机反馈转速。
其中，当所述人工辅助心脏的电机为包括位置传感器的电机时，所述位置反馈信号是所述位置传感器输出的电机转子位置信号；当所述人工辅助心脏的电机为无位置传感器的电机时，所述位置反馈信号是电机定子线圈的反电动势信号。
其中，本发明还提供了一种无传感器心率估算方法，该方法包括步骤：
S1：按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速；
S2：对采样得到的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，比较相邻两个采样点的转速变换率，将转速变化率由正变负的临界点记录为电机反馈转速峰值点，同时记录各电机反馈转速峰值点的出现时间；
S3：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目以及各电机反馈转速峰值点的出现时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值点出现的次数，并将该次数记为心率。
其中，所述步骤S3中心率的求取方法为：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目n，以及该时间内第一个电机反馈转速峰值点的出现时间t1和最后一个电机反馈转速峰值点的出现时间tn，根据公式HR＝60(n-1)/(tn-t1)求取心率HR。
其中，所述步骤S2中记录各电机反馈转速峰值点的出现时间的同时，还存储各电机反馈峰值点对应的电机反馈转速；
所述步骤S2之后S3之前，还包括步骤：判断任意两个相邻电机反馈转速峰值点的出现时间间隔是否小于0.3s，若是，则根据存储的各电机反馈转速峰值点对应的电机反馈转速，删除这两个相邻电机反馈转速峰值点中对应的电机反馈转速较小的电机反馈转速峰值点及其出现时间和其对应的电机反馈转速；否则继续执行S3。
其中，当所述人工辅助心脏的电机为包括位置传感器的电机时，所述S1中根据所述位置传感器输出的电机转子位置信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速；当所述人工辅助心脏的电机为无位置传感器的电机时，所述S1中根据电机的定子线圈的反电动势信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过使用已获得的转速估算心率，而无需使用心电传感器，从而省去了病人到控制端的心率传导线，使用方便，也避免了因病人的意外操作导致心率信号丢失的风险，保证了对病人心率监测的不间断性。采用波动的转速估算心率，转速的波动是左心室收缩舒张一次对血泵引入的最直接的负载效应，而左心室的收缩舒张是心跳时人体波动最剧烈的位置之一，从而保证了心率估算的准确性。采用波峰点记为一次心跳，与转速变换趋势有关，与设定转速无关，即使人工辅助心脏无法满足设定转速的要求，反馈转速无法围绕着设定转速上下波动，但只要心脏搏动，就会引起反馈转速波动，便可以采集到心率，因此保证了心率估算的持续准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无传感器心率估算装置结构示意图；
图2为人工辅助心脏的反馈转速波形；
图3为本发明实施例提供的一种无传感器心率估算方法流程示意图。
[附图标记说明]
1、通讯模块；
2、电机控制模块；
3、电机；
4、速度测量模块；
5、逻辑微分模块；
6、数字处理模块。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1为本发明实施例提供的一种无传感器心率估算装置结构示意图，包括速度测量模块4、逻辑微分模块5、数字处理模块6和通讯模块1；逻辑微分模块5的输入端与速度测量模块4的第一输出端连接，输出端与数字处理模块6的第一输入端连接；数字处理模块6的第二输入端与速度测量模块4的第二输出端连接，输出端与通讯模块1的输入端连接；
其中，速度测量模块4按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速，并将采集到的电机反馈转速实时发送给逻辑微分模块5和数字处理模块6。
逻辑微分模块5对速度测量模块4发来的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，将电机转速变化率由正变负的临界点作为电机反馈转速峰值点，逻辑微分模块5在电机反馈转速达到峰值点时向数字处理模块6发送一个电机反馈转速峰值脉冲信号。
数字处理模块6接收逻辑微分模块5发来的电机反馈转速峰值脉冲信号，并记录接收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间；数字处理模块6根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目及所记录的收到各脉冲信号的时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值脉冲信号出现的次数，将该次数记为心率，并将该心率值发给通信模块1。
通讯模块1接收数字处理模块6发来的心率值并输出。
对于一个人工辅助心脏系统，当设定转速为某一恒值时，其反馈转速并非为与设定转速相同的恒值，而是以设定转速为基准上下波动，近似于正弦波，如图2为人工辅助心脏的反馈转速波形所示。其正向的波峰恰为左心的一次搏动，因此本发明实施例提供的上述方案通过计算反馈转速的波峰个数即可实现计算心率的目的。
优选地，数字处理模块6根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目n，以及该时间内收到第一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间t1和收到最后一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间tn，根据以下公式求取心率HR：
HR＝60(n-1)/(tn-t1) (1)
由于人体心率HR的范围为30次/min——200次/min，因此两个R波之间的时间间隔保持在0.3S—2S，当相邻两次的峰值脉冲间隔时间小于0.3s时，则认为存在一次干扰，为排除这种干扰，优选地，数字处理模块6还在收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号时，将当前速度测量模块发来的电机反馈转速存储为当前收到的电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速。这样，当数字处理模块6收到的任意两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号的时间间隔小于0.3s时，数字处理模块6根据存储的各电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速，仅保留这两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号中对应的电机反馈转速较大的电机反馈转速峰值脉冲信号，删除所存储的这两个电机反馈转速峰值脉冲信号中对应转速较小的那个电机反馈转速峰值脉冲信号。
优选地，预先设置的采样频率大于10KHz，例如选取为20KHZ
优选地，无传感器心率估算装置还包括电机控制模块2；电机控制模块2的输入端与通讯模块1连接，输出端与人工辅助心脏的电机3连接；人工辅助心脏的电机3还与速度测量模块4连接；电机控制模块2接收通信模块1发来的电机控制指令，并对其进行解析转换，产生电机驱动信号发送给人工辅助心脏的电机3；人工辅助心脏的电机3在电机控制模块2发来的电机驱动信号的控制下进行旋转；人工辅助心脏的电机3将其位置反馈信号发送给速度测量模块4；速度测量模块4接收人工辅助心脏的电机3发来位置反馈信号计算电机反馈转速。
其中，当人工辅助心脏的电机3为包括位置传感器的电机时，位置反馈信号是位置传感器输出的电机转子位置信号；当人工辅助心脏的电机3为无位置传感器的电机时，位置反馈信号是电机定子线圈的反电动势信号。
本发明实施例还提供一种如图3所示的无传感器心率估算方法流程示意图，该方法包括步骤：
S1：按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速；
S2：对采样得到的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，比较相邻两个采样点的转速变换率，将转速变化率由正变负的临界点记录为电机反馈转速峰值点，同时记录各电机反馈转速峰值点的出现时间；
S3：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目以及各电机反馈转速峰值点的出现时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值点出现的次数，并将该次数记为心率。
优选地，步骤S3中心率的求取方法为：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目n，以及该时间内第一个电机反馈转速峰值点的出现时间t1和最后一个电机反馈转速峰值点的出现时间tn，根据前面的公式(1)求取心率HR。
优选地，步骤S2中记录各电机反馈转速峰值点的出现时间的同时，还存储各电机反馈峰值点对应的电机反馈转速；而且，步骤S2之后S3之前，还包括步骤：判断任意两个相邻电机反馈转速峰值点的出现时间间隔是否小于0.3s，若是，则根据存储的各电机反馈转速峰值点对应的电机反馈转速，删除这两个相邻电机反馈转速峰值点中对应的电机反馈转速较小的电机反馈转速峰值点及其出现时间和其对应的电机反馈转速；否则继续执行S3。
优选地，当人工辅助心脏的电机为包括位置传感器的电机时，S1中根据位置传感器输出的电机转子位置信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速；当人工辅助心脏的电机为无位置传感器的电机时，S1中根据电机的定子线圈的反电动势信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速。
为具体说明本发明提供的无传感器的心率估算方案，以下以一更为具体的实施例进行详细说明。
人体心电波形中电压幅值最大的点，其与反馈转速的波动点一致，以下将转速的波峰点表述为R波，如前所述，由于人体心率HR的范围为30次/min—200次/min，因此两个R波之间的时间间隔保持在0.3S—2S，假设速度测量模块4(或图2中S1中)的采样频率为20KHZ，设定每3秒刷新一次心率，即数字处理模块6每3s刷新一次记录，在一个3s内，若数字处理模块6持续记录了n次有效峰值脉冲，且第i个有效峰值脉冲对应的时间为ti，i＝1,…,n，根据公式(1)计算心率。假设n＝4，t1＝0.05s，t4＝2.95s，则HR＝62次/min，此时病人心率正常，健康状况良好。
上述方案中，通过使用已获得的转速估算心率，而无需使用心电传感器，从而省去了病人到控制端的心率传导线，使用方便，也避免了因病人的意外操作导致心率信号丢失的风险，保证了对病人心率监测的不间断性。采用波动的转速估算心率，转速的波动是左心室收缩舒张一次对血泵引入的最直接的负载效应，而左心室的收缩舒张是心跳时人体波动最剧烈的位置之一，从而保证了心率估算的准确性。采用波峰点记为一次心跳，这种记录方式仅与反馈转速的变换趋势有关，而与设定转速无关，即使人工辅助心脏无法满足设定转速的要求，反馈转速无法围绕着设定转速上下波动，但只要心脏搏动，就会引起反馈转速波动，便可以采集到心率，因此保证了心率估算的持续准确性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无传感器心率估算装置，其特征在于，包括速度测量模块、逻辑微分模块、数字处理模块和通讯模块；所述逻辑微分模块的输入端与所述速度测量模块的第一输出端连接，输出端与所述数字处理模块的第一输入端连接；所述数字处理模块的第二输入端与所述速度测量模块的第二输出端连接，输出端与所述通讯模块的输入端连接；
所述速度测量模块，按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速，并将采集到的电机反馈转速实时发送给所述逻辑微分模块和数字处理模块；
所述逻辑微分模块对所述速度测量模块发来的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，将电机转速变化率由正变负的临界点作为电机反馈转速峰值点，所述逻辑微分模块在电机反馈转速达到峰值点时向所述数字处理模块发送一个电机反馈转速峰值脉冲信号；
所述数字处理模块接收所述逻辑微分模块发来的电机反馈转速峰值脉冲信号，并记录接收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间；所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目及所记录的收到各脉冲信号的时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值脉冲信号出现的次数，将该次数记为心率，并将该心率值发给所述通讯模块；
所述通讯模块接收所述数字处理模块发来的心率值并输出；
进一步地，所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目及所记录的收到各脉冲信号的时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值脉冲信号出现的次数，将该次数记为心率，包括：所述数字处理模块根据一段时间内收到的电机反馈转速峰值脉冲信号的数目n，以及该时间内收到第一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间t1和收到最后一个电机反馈转速峰值脉冲信号的时间tn，根据公式HR＝60(n-1)/(tn-t1)求取心率HR；
进一步地，所述数字处理模块还在收到每个电机反馈转速峰值脉冲信号时，将当前速度测量模块发来的电机反馈转速存储为当前收到的电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速；
当所述数字处理模块收到的任意两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号的时间间隔小于0.3s时，所述数字处理模块根据存储的各电机反馈转速峰值脉冲信号对应的电机反馈转速，仅保留这两个相邻电机反馈转速峰值脉冲信号中对应的电机反馈转速较大的电机反馈转速峰值脉冲信号；
其中，最小时间间隔的设置方法如下：由于人体心率HR的范围为30次/min——200次/min，因此两个R波之间的时间间隔保持在0.3S—2S，当相邻两次的峰值脉冲间隔时间小于0.3s时，则认为存在一次干扰；
进一步地，所述预先设置的采样频率大于10KHZ；
进一步地，所述无传感器心率估算装置还包括电机控制模块；
所述电机控制模块的输入端与所述通讯模块连接，输出端与人工辅助心脏的电机连接；所述人工辅助心脏的电机还与所述速度测量模块连接；
所述电机控制模块接收所述通讯模块发来的电机控制指令，并对其进行解析转换，产生电机驱动信号发送给所述人工辅助心脏的电机；
所述人工辅助心脏的电机在所述电机控制模块发来的电机驱动信号的控制下进行旋转；所述人工辅助心脏的电机将其位置反馈信号发送给所述速度测量模块；
所述速度测量模块接收所述人工辅助心脏的电机发来位置反馈信号计算电机反馈转速；
进一步地，当所述人工辅助心脏的电机为包括位置传感器的电机时，所述位置反馈信号是所述位置传感器输出的电机转子位置信号；当所述人工辅助心脏的电机为无位置传感器的电机时，所述位置反馈信号是电机定子线圈的反电动势信号。
2.一种无传感器心率估算方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1：按照预先设置的采样频率采集人工辅助心脏的电机反馈转速；
S2：对采样得到的电机反馈转速求取微分得到电机反馈转速的变化率，比较相邻两个采样点的转速变换率，将转速变化率由正变负的临界点记录为电机反馈转速峰值点，同时记录各电机反馈转速峰值点的出现时间；
S3：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目以及各电机反馈转速峰值点的出现时间，求取一分钟内电机反馈转速峰值点出现的次数，并将该次数记为心率；
进一步地，所述步骤S3中心率的求取方法为：根据一段时间内记录的电机反馈转速峰值点的数目n，以及该时间内第一个电机反馈转速峰值点的出现时间t1和最后一个电机反馈转速峰值点的出现时间tn，根据公式HR＝60(n-1)/(tn-t1)求取心率HR；
进一步地，所述步骤S2中记录各电机反馈转速峰值点的出现时间的同时，还存储各电机反馈峰值点对应的电机反馈转速；
所述步骤S2之后S3之前，还包括步骤：判断任意两个相邻电机反馈转速峰值点的出现时间间隔是否小于0.3s，若是，则根据存储的各电机反馈转速峰值点对应的电机反馈转速，删除这两个相邻电机反馈转速峰值点中对应的电机反馈转速较小的电机反馈转速峰值点及其出现时间和其对应的电机反馈转速；否则继续执行S3；
进一步地，当所述人工辅助心脏的电机为包括位置传感器的电机时，所述S1中根据所述位置传感器输出的电机转子位置信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速；当所述人工辅助心脏的电机为无位置传感器的电机时，所述S1中根据电机的定子线圈的反电动势信号采集人工辅助心脏的电机反馈转速。
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