CN108158568A

CN108158568A - 一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置及方法

Info

Publication number: CN108158568A
Application number: CN201710961658.2A
Authority: CN
Inventors: 李鸣皋; 徐建中; 王海涛; 蒙果; 单超
Original assignee: General Hospital of PLA Navy
Current assignee: General Hospital of PLA Navy
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-06-15
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: CN108158568B

Abstract

本发明涉及一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置及方法，其步骤：设置包括床体、弹性床垫体和压力传感器的检测装置；弹性床垫体设置在床体上，弹性床垫体上设置有压力传感器；通过试验环境下的系统辨识或航行环境下的系统辨识，获得表述床体加速度信号与舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号之间关系的离散传递函数；对辨识获得的离散传递函数验证确认；根据离散传递函数和床体加速度信号计算舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值；从压力传感器获得的压力变化信号中减去压力变化信号估值，获得压力变化信号的可信估值，该可信估值即为卧床人的胸动信号。本发明能使压力敏感床垫对胸动信号的测量满足舰船人员睡眠监测的需要。

Description

一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种舰船用人体生理信号测量技术领域，特别是关于一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置及方法。

背景技术

卧床睡眠时，人体心脏收缩舒张和呼吸会引起人体胸部的动力学效应，该动力学效应会导致人体与床上床垫的接触压力发生变化，这种压力变化可以通过床垫上设置的压力传感器件测量到，测量到的这种压力变化即是胸动信号(或称胸冲击信号)。利用测量到的胸动信号可以分析得到卧床人的心率、呼吸率数据。同时也可以通过床垫的压力变化，对卧床人体的肢体运动情况进行监测，得到肢体运动数据。将得到的心率、呼吸率数据，以及肢体运动数据结合起来，就可以对卧床人的睡眠状态进行分析。这种通过压力敏感床垫进行睡眠监测的技术方法已经得到应用。

授权公告号为CN100399985C的发明专利“监测睡眠状态和呼吸障碍事件的传感装置”以及授权公告号CN1292707C的发明专利“无电极睡眠状态和呼吸阻碍时间传感装置”，给出了一种通过压力敏感床垫对睡眠进行监测的技术方案。这些技术方案在床垫对应于胸部、腿部的位置布置有压力敏感器件(或称压力传感器)，可以测量得到胸动和肢体运动数据，并利用这些数据分析处理得到心率、呼吸率、肢体运动等信息，从而分析得出卧床人的睡眠结构，以及呼吸障碍等事件。这种技术方案在飞行员等军事作业人员的睡眠监测中发挥了重要作用，可以有效预防飞行事故(杨军，俞梦孙，王宏山等，多参数信息融合实现非脑电的睡眠结构分期，中国生物医学工程学报，2006年，Vol25，No3)(杨军，俞梦孙，苏琳等，睡眠中的心率变异性，北京生物医学工程，1998年，Vol17，No1)。

上述现有的技术方案已经用于陆上(或称岸上)的睡眠监测。在陆上时，床体(包括床和床板)是不动的，床垫上的压力传感器仅感受人体动力学效应引起的压力变化，可以取得好的监测效果。

将现有的技术方案用于舰船上时，情景就与陆地完全不同。由于舰船在海上航行，不可避免地受到海浪作用，有些部位还受到动力装置等振动的影响，这些都导致舰船上床体的运动，床体运动的动力学效应也传导到压力敏感床垫的压力传感器上。这时，通过压力敏感床垫获得的不仅包含卧床人体的胸动和肢体运动信号，还包含了舰船带动床体运动引起的床动信号。舰船运动包含船体的方位姿态改变和位移运动，舰船垂直方向上的升沉运动对压力敏感床垫影响最为突出，舰船其它运动对压力敏感床垫的影响可以忽略。这是压力敏感床垫的测量原理所决定的：人体卧床时对床垫施加的压力包括静压力和动压力，静压是人体体重提供，动压是人体运动提供，这种压力主要体现在垂直方向上，横向的压力变化影响极小。由于舰船的升沉运动基本垂直于床面，其动压力在人体体重这个静压的作用下，使压力敏感床垫的压力传感器感受到压力变化。

舰船的升沉运动受到舰船排水量、船型、航行速度、风浪等多种因素影响。某排水量万吨以上的舰船，在一般风浪时的舰船升沉频率约为0.1Hz～0.25Hz之间，升沉运动幅度约数十公分，升沉加速度幅度约0.3m/s²。人正常的平静心率约为60～100次/分，即频率为1Hz～0.6Hz；人正常的平静呼吸率约为心率的四分之一，即呼吸频率约为0.25Hz～0.15Hz。可见，舰船升沉运动频率与呼吸频率是有重合范围的，其动力学效应对测量的影响也是不可忽略的；其次舰船部分振动的与心率周期也存在一定的重合范围。所以，舰船升沉运动(包括部分振动引起的升沉方向的动力学效应)的频谱与心率和呼吸率的频谱存在交错，压力敏感床垫受到舰船升沉运动的影响在使用中无法避免。这些问题也在压力敏感床垫用于舰船上时使用时明显表现出来。由于卧床人体的肢体运动幅度较大，其动力学效应引起的压力变化很显著，不会受到舰船升沉运动的影响。

由上述可见，现有的压力敏感床垫不能应用于舰船上，为了将压力敏感床垫用于舰船上人员的睡眠监测，必须提出新的技术方案，以解决舰船升沉运动对监测的影响问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置及方法，其能使压力敏感床垫对胸动信号的测量满足舰船人员睡眠监测的需要，实现对舰船上人员的身心状态和健康的监测与管理。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)设置一包括床体、弹性床垫体和压力传感器的检测装置；弹性床垫体设置在床体上，在弹性床垫体上部位于人体胸部位置处设置有压力传感器；2)通过试验环境下的系统辨识或航行环境下的系统辨识，获得表述床体加速度信号Sh_U_D与舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号Sh_S之间关系的离散传递函数G(Z)；3)对辨识获得的离散传递函数G(Z) 验证确认；4)根据离散传递函数G(Z)和床体加速度信号Sh_U_D计算舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值即5)从压力传感器获得的压力变化信号中减去压力变化信号估值获得去除舰船升沉运动影响后，卧床人员心跳、呼吸的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S的可信估值该可信估值即为卧床人的胸动信号。

进一步，所述步骤2)中，通过试验环境下的系统辨识方法获得离散传递函数 G(Z)的过程包括以下步骤：2.1)弹性床垫体铺设在床体上，床体固定在试验台上，模拟人体安置在弹性床垫体上；设置在弹性床垫体上的压力传感器与数据采集处理设备电连接；2.2)设置试验台的位移阶跃运动模式；2.3)开启与压力传感器连接的数据采集处理设备，开始进行数据采集；2.4)延迟预设时间T_Delay，使整个装置的压力测量系统恢复到零状态；2.5)启动试验台，试验台发出设置的位移阶跃运动激励；2.6)数据采集处理设备通过压力传感器测量得到压力变化信号T_S，该压力变化信号T_S仅包含试验台位移阶跃激励导致的压力变化信号 Sh_S，即T_S＝Sh_S，从而得到在位移阶跃激励作用下的压力响应信号Sh_S；2.7)拟合获得压力响应信号Sh_S随时间变化的函数gh(t)；2.8)求函数gh(t)的拉普拉斯变换GH(S)，即GH(S)＝￡[gh(t)]；2.9)由关系式G(S)＝GH(S) /S，计算得到床体加速度信号Sh_U_D与其响应信号Sh_S之间的连续传递函数G (S)；2.10)确定压力敏感床垫的采样间隔T，将连续传递函数G(S)转换得到对应的离散传递函数G(Z)。

进一步，所述步骤2)中，通过航行环境下的系统辨识方法获得离散传递函数 G(Z)的过程包括以下步骤：2.1)将弹性床垫体铺设于舰船的床体上，床体固定于舰船舱室甲板上，床体下部设置有加速度传感器，压力传感器和加速度传感器电连接数据采集处理设备；2.2)将标准体重的人体模型放置于弹性床垫体上，标准体重的人体模型无心跳和呼吸运动；2.3)使舰船在波浪环境下航行；2.4)开启与压力传感器和加速度传感器连接的数据采集处理设备，开始同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D；数据采集处理设备获得的压力变化信号T_S 仅包含舰船升沉运动加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Sh_S，得到在舰船升沉运动加速度作用下的压力变化信号Sh_S；2.5)将采样后的床体加速度信号 Sh_U_D、压力变化信号Sh_S，以及测量噪声Noise表示为按统一的时间顺序的以序号k为变量的信号序列，即床体加速度信号为Sh_U_D(k)，压力变化信号为Sh_S (k)，噪声信号为Noise(k)；2.6)根据步骤2.5)的床体加速度信号为Sh_U_D (k)，压力变化信号为Sh_S(k)，噪声信号为Noise(k)求解离散传递函数G(Z)： G(z)＝B(z^-1)/A(z^-1)；其中的A(z^-1)、B(z^-1)分别为：

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2+...+a_mz^-m，

B(z^-1)＝b₁z^-1+b₂z^-2+...+b_nz^-n；

式中，a₁、a₂、…a_m为多项式A(z^-1)的系数，为一系列常数；b₁、b₂、…b_n为多项式B(z^-1)的系数，为一系列常数；m为多项式A(z^-1)的阶数；n为多项式B(z^-1) 的阶数；z^-m表示Z的负m次方。

进一步，所述步骤2.6)中，床体加速度信号Sh_U_D(k)、测量得到的压力变化信号Sh_S(k)、测量噪声Noise(k)之间的关系为：

A(z^-1)Sh_S(k)＝B(z^-1)Sh_U_D(k)+Noise(k)。

进一步，所述步骤3)中，对辨识获得的离散传递函数G(Z)的验证确认采用人体胸动模拟装置进行；所述人体胸动模拟装置内包括肺模拟体和心脏模拟体，所述肺模拟体由已有肺呼吸动力系统提供模拟呼吸运动，所述心脏模拟体由已有心脏循环动力系统提供模拟心跳泵血运动；所述肺模拟体的呼吸运动和心脏模拟体的心跳泵血共同产生模拟产生人体胸动的激励运动信号，该激励信号通过所述压力传感器和数据采集处理设备获得胸动导致的压力变化信号。

进一步，采用所述人体胸动模拟装置对离散传递函数G(Z)的验证确认步骤如下：3.1)在陆上，将弹性床垫体铺设于床体上，床体固定于地面上，人体胸动模拟装置放置于弹性床垫体上，设置人体胸动模拟装置的心跳频率标准值和呼吸频率标准值；3.2)开启人体胸动模拟装置和数据采集处理设备，数据采集处理设备采集压力变化信号T_S，该压力变化信号T_S仅包含人体胸动模拟装置的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，即T_S＝Ch_S，得到在胸动信号作用下的压力响应信号Ch_S；3.3)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S 即Ch_S剔除，将剔除后得到的Ch_S信号按时间顺序表示为序号k的序列信号Ch_S (k)；3.4)在舰船上，将弹性床垫体铺设在床体上，床体的支脚固定在舰船舱室甲板上，人体胸动模拟装置放置于弹性床垫体上，设置人体胸动模拟装置的频率和幅度与步骤3.1)完全相同；3.5)开启人体胸动模拟装置和数据采集处理设备，同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D，数据采集处理设备获得的压力变化信号T_S既包含人体胸动模拟装置的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，也包含床体加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Ch_S+Sh_S； 3.6)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D 剔除，将剔除后得到的压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D按时间顺序表示为序号k的序列信号T_S(k)和Sh_U_D(k)；3.7)通过离散传递函数G(Z) 和床体加速度序列信号Sh_U_D(k)，由计算获得舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值3.8)由公式计算得到呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号的估值3.9)计算压力变化信号Ch_S(k)与压力变化信号的估值的互相关函数R(p)；3.10)由公式计算获得将信号平移p_max后的新信号序列3.11)由公式计算获得信号相对误差E(k)序列，对E(k)进行平均值计算得到平均值EP；3.12)设定偏差满意值ST，如果 EP≤ST，则系统辨识得到的离散传递函数G(Z)满足要求，否则不满足要求。

进一步，所述步骤3.9)中，在偏移量p≥0范围内，求取互相关函数R(p) 的最大值所对应的偏移量p_max，当互相关函数R(p)存在多个相同的最大值时，取最小的偏移量p作为互相关函数R(p)最大值所对应的偏移量作为p_max。

一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置，其特征在于：该装置包括床体、压力敏感床垫和数据采集处理设备，所述压力敏感床垫包括弹性床垫体、压力传感器和加速度传感器；所述床体上部的床板上铺设有所述弹性床垫体，人体卧于所述弹性床垫体上，在所述弹性床垫体上部位于人体胸部位置处设置有所述压力传感器；所述床体下部通过床脚固定在舰船舱室内的甲板上；在所述床板下方设置有所述加速度传感器，所述加速度传感器的测量轴与舰船的垂线平行；所述压力传感器和加速度传感器的输出端都连接至所述数据采集处理设备，所述数据采集处理设备根据接收到的信号完成胸动信号的检测。

进一步，所述数据采集处理设备包括压力信号调理电路、加速度信号调理电路、A/D转换器和微处理器；所述压力传感器传输至的压力变化信号经所述压力信号调理电路处理后，经一所述A/D转换器传输至所述微处理器；所述加速度传感器传输至的加速度信号经所述加速度信号调理电路处理后，经另一所述A/D转换器传输至所述微处理器；所述微处理器内设置有压力变化信号估值计算模块和差值计算模块，加速度信号经所述压力变化信号估值计算模块得到舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值，该压力变化信号估值和压力变化信号T_S都传输至所述差值计算模块，进而得到胸动信号。

进一步，所述压力传感器由充满液体的软管和软管端头的压力敏感元件构成；所述加速度传感器的量程和频率响应范围由舰船的升沉运动范围和频谱特性确定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了多种舰船升沉运动干扰模型的辨识方法，技术应用方便，而且可以相互印证。2、本发明提出了辨识获得的干扰模型验证确认方法，解决了对舰船上使用的压力敏感床垫的性能检测问题。3、本发明可有效消除舰船运动对卧床人胸动信号测量的干扰，拓展站了压力敏感床垫的应用范围，对海上舰船人员的生理心理健康作用显著。4、本发明使用简单，借助MATLAB软件可以高效地完成该方法的各个步骤，在编制了专门的应用程序之后，普通舰船随行医务人员也可以完成相关的试验。5、本发明可以不改变原有压力敏感床垫的结构和设计，通过在床体上安装加速度传感器，在原有的数据采集处理设备内部增加舰船升沉干扰滤除模块，就可圆满解决原有陆地使用的压力敏感床垫无法在舰船上使用的问题，便于陆用压力敏感床垫与舰船用压力敏感床垫采用统一的模块化设计。

附图说明

图1是本发明的检测装置结构示意图；

图2是本发明的数据采集处理设备结构示意图；

图3是本发明的检测方法流程示意图；

图4是本发明试验环境下的系统辨识方法实施图；

图5是本发明位移阶跃激励下的压力变化响应曲线；

图6是本发明位移阶跃激励下的压力变化响应拟合曲线；

图7是本发明的人体胸动模拟装置结构示意图；

图8是本发明陆地测量得到的胸动信号波形；

图9是本发明航行环境下的系统辨识方法实施图；

图10是本发明航行环境下的压力变化信号波形；

图11是本发明舰船升沉运动导致的压力变化响应估值信号波形；

图12是本发明航行环境下的胸动响应估值信号波形；

图13是本发明航行环境下的胸动响应估值信号与陆地测量得到的胸动信号的相关函数波形；

图14是本发明航行环境下的胸动响应估值信号平移后的波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置，其包括床体5、压力敏感床垫11和数据采集处理设备4；其中，压力敏感床垫11包括弹性床垫体1、压力传感器2和加速度传感器3。床体5上部的床板上铺设有弹性床垫体1，人体6卧于弹性床垫体5上，在弹性床垫体1上部位于人体胸部位置处设置有压力传感器2；床体5下部通过床脚7固定在舰船舱室内的甲板8上。在弹性床垫体1下部位于床头位置处，在床板下方设置有加速度传感器3，加速度传感器3的测量轴与舰船的垂线平行，实现对舰船升沉加速度的测量。压力传感器2 和加速度传感器3的输出端都连接至数据采集处理设备4，数据采集处理设备4根据接收到的信号完成胸动信号的检测。其中，压力传感器2和加速度传感器3 的采用频率优选为500Hz。

上述实施例中，数据采集处理设备4以不同的信号通道分别与压力敏感床垫 11的压力传感器2和床体5上安装的加速度传感器3电连接，以相同的采样频率对压力传感器2和加速度传感器3同时采样。采样频率依据香农采样定理确定，优选地，选取采样频率为压力变化信号和加速度变化信号的频谱范围的10倍以上。

在一个优选的实施例中，如图2所示，数据采集处理设备4包括压力信号调理电路、加速度信号调理电路、A/D转换器和微处理器。压力传感器2传输至的压力变化信号经压力信号调理电路处理后，经一A/D转换器传输至微处理器；加速度传感器3传输至的加速度信号经加速度信号调理电路处理后，经另一A/D转换器传输至微处理器。微处理器内设置有压力变化信号估值计算模块和差值计算模块，加速度信号经压力变化信号估值计算模块得到舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值该压力变化信号估值和压力变化信号T_S都传输至差值计算模块，进而得到去除舰船升沉运动影响后，卧床人员心跳、呼吸的动力学效应导致的压力变化信号的可信估值，代表了卧床人的胸动信号，将该胸动信号与肢体运动信号结合，即可分析卧床人的睡眠状况。

上述各实施例中，压力传感器2由充满液体的软管和软管端头的压力敏感元件构成。

上述各实施例中，加速度传感器3的量程和频率响应范围由舰船的升沉运动范围和频谱特性确定。在本实施例中，加速度传感器3的量程优选为10m/s²，频率响应范围优选为100Hz。由于舰船升沉运动为频率较低，而且舰船在多数海况下的升沉加速度均小于10m/s²，这种选择已经可以满足舰船使用要求。在很高海况的情景下，对睡眠进行监测已没有意义，也没有必要。

综上所述，本发明的检测装置在使用时，人体6卧在弹性床垫体1上，其胸部与压力传感器2紧密接触，将人体6胸部的压力施加于压力传感器2上，人体6 胸部施加的压力包括人体6胸部重量产生的静压力和人体6胸部心跳、呼吸运动产生的动压力。舰船的升沉运动通过床脚7传递给床体5，并进一步传递给压力敏感床垫11上的人体6，这种运动的压力变化信号同样施加于压力传感器2上。舰船的升沉运动传递给床体5上，还施加于床体5安装的加速度传感器3上。这样，数据采集处理设备4通过压力传感器2测量到压力变化信号T_S，该压力变化信号既包含了人体6呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S(胸动信号)，也包含了舰船升沉运动的动力学效应导致的压力变化信号Sh_S；数据采集处理设备4通过加速度传感器3测量到床体5随舰船的升沉加速度信号Sh_U_D。

如图3所示，本发明还提供一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测方法，其包括以下步骤：

1)通过试验环境下的系统辨识或航行环境下的系统辨识，获得表述床体加速度信号Sh_U_D与舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号Sh_S之间关系的离散传递函数G(Z)，离散传递函数也称Z传递函数。

2)对辨识获得的离散传递函数G(Z)验证确认：通过验证确认的离散传递函数G(Z)即可用于舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号Sh_S的计算，不能通过验证确认则返回步骤1)进一步调整辨识模型G(Z)，直至获得可通过确认的离散传递函数G(Z)。

3)由于在舰船上实际使用压力敏感床垫对卧床人员进行监测时，数据采集处理设备4同时采集获取压力传感器2的压力变化信号T_S、加速度传感器3的加速度信号Sh_U_D，根据离散传递函数G(Z)和床体加速度信号Sh_U_D计算舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值即

4)从压力传感器2获得的压力变化信号中减去压力变化信号估值获得去除舰船升沉运动影响后，卧床人员心跳、呼吸的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S的可信估值即代表了卧床人的胸动信号，将胸动信号与肢体运动信号结合，即分析卧床人的睡眠状况。

上述方法是基于压力敏感床垫对动压力信号的线性响应特征。压力敏感床垫测量到的压力信号包括静压和动压，静压由人体重量产生，动压则由卧床人心跳、呼吸的动力学效应产生，同时也由舰船升沉运动的动力学效应产生。测量到的压力是静压与动压之和，动压与压力变化信号对应。由于动压与静压相比很小，由心跳、呼吸的动力学加速度，以及舰船升沉运动的动力学加速度与动压力变化信号之间构成一个时不变的线性动态系统。

上述步骤1)中，表述床体5加速度信号Sh_U_D与舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号Sh_S之间关系的离散传递函数G(Z)可用试验环境下的系统辨识方法获得，也可用航行环境下的系统辨识获得，根据实际情况，可以采用任意一种。试验方法不需出海航行，航行方法不需试验设施。实际使用时，只需使用一种方法即可得到离散传递函数G(Z)。

试验环境下的系统辨识方法中采用位移阶跃作为激励信号。由于位移阶跃信号容易控制产生，采用位移阶跃信号作为激励，可避免加速度阶跃或加速度脉冲信号很难控制产生的问题，同时通过拉普拉斯变换关系获得加速度输入下的连续传递函数，也称拉普拉斯变换传递函数，然后再根据采样间隔转换为离散传递函数G(Z)，使得获取过程更为简单实用。

如图4所示，通过试验环境下的系统辨识方法获得离散传递函数G(Z)的过程如下：

1.1)压力敏感床垫11铺设在床体5上，床体5固定在试验台9上，模拟人体10安置在压力敏感床垫11上；压力敏感床垫11上设置有压力传感器2，压力传感器2与数据采集处理设备4电连接；不安装加速度传感器3；

其中，模拟人体10为标准体重，且无心跳和呼吸运动。

1.2)设置试验台9的位移阶跃运动模式，阶跃幅度为10cm；

1.3)开启与压力敏感床垫11上压力传感器2连接的数据采集处理设备4，开始进行数据采集；

1.4)延迟预设时间T_Delay，使整个装置的压力测量系统恢复到零状态；在本实施例中，延迟时间T_Delay的预设数值为30秒；

1.5)启动试验台9，试验台9发出设置的位移阶跃运动激励；

1.6)数据采集处理设备4通过压力传感器2测量得到压力变化信号T_S，由于标准体重的模拟人体10无心跳和呼吸运动，数据采集处理设备4获得的T_S信号不包含呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，仅包含试验台9位移阶跃激励导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Sh_S，从而得到在位移阶跃激励作用下的压力响应信号Sh_S，如图5所示；

1.7)拟合获得压力响应信号Sh_S随时间变化的函数gh(t)：

在本实施例中，函数gh(t)为：

拟合得到的gh(t)曲线如图6所示；

1.8)求函数gh(t)的拉普拉斯变换GH(S)，即GH(S)＝￡[gh(t)]；

在本实施例中，GH(S)为：

1.9)由关系式G(S)＝GH(S)/S，计算得到床体加速度信号Sh_U_D与其响应信号Sh_S之间的连续传递函数G(S)，也称拉普拉斯变换传递函数；

在本实施例中，连续传递函数G(S)为：

1.10)确定压力敏感床垫的采样间隔T为0.002秒，将连续传递函数G(S) 转换，得到对应的离散传递函数G(Z)；

在本实施例中，采样间隔T优选为0.002秒，则离散传递函数G(Z)为：

G(Z)表示了Sh_U_D的采样信号与其响应信号Sh_S离散信号之间的关系。

上述步骤1)中，如图9所示，还可以采用航行环境下最小二乘辨识算法，获得离散传递函数G(Z)，具体过程如下：

1.1)将压力敏感床垫11铺设于舰船的床体5上，床体5固定于舰船舱室甲板上；

1.2)将标准体重的人体模型放置于压力敏感床垫上，标准体重的人体模型无心跳和呼吸运动；

1.3)使舰船在波浪环境下航行；

1.4)开启与压力传感器2和加速度传感器3连接的数据采集处理设备4，开始同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D；

1.5)由于标准体重的人体模型无心跳和呼吸运动，数据采集处理设备4获得的压力变化信号T_S不包含呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，仅包含舰船升沉运动加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Sh_S，得到在舰船升沉运动加速度作用下的压力变化信号Sh_S；

1.6)将采样后的床体加速度信号Sh_U_D、压力变化信号Sh_S，以及测量噪声Noise表示为按统一的时间顺序的以序号k为变量的信号序列，即床体加速度信号为Sh_U_D(k)，压力变化信号为Sh_S(k)，噪声信号为Noise(k)；

1.7)根据步骤2.5)的床体加速度信号为Sh_U_D(k)，压力变化信号为Sh_S (k)，噪声信号为Noise(k)求解离散传递函数G(Z)：G(z)＝B(z^-1)/A(z^-1)；

其中的A(z^-1)、B(z^-1)分别为：

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2+...+a_mz^-m，

B(z^-1)＝b₁z^-1+b₂z^-2+...+b_nz^-n；

床体加速度信号Sh_U_D(k)、测量得到的压力变化信号Sh_S(k)、测量噪声 Noise(k)之间的关系为：

A(z^-1)Sh_S(k)＝B(z^-1)Sh_U_D(k)+Noise(k)；

令：

h(k)＝[-Sh_S(k-1),-Sh_S(k-2),...,Sh_S(k-m),Sh_U_D(k-1),Sh_U_D(k-2),...,Sh_U_D(k-n)]^T

θ＝[a₁,a₂,...,a_m,b₁,b₂,...,b_n]；

其中，k为各数据的序列编号，取值为0、1、2…，直至最大值，最大值由数据采集时间和采样率决定；θ为由a₁、a₂、…a_m、b₁、b₂、…b_n数据构成的行向量。

有：Sh_S(k)＝h^T(k)θ+Noise(k)，依照L0＞n+m的要求，确定计算阶数L0，并令：

Sh_S_L0＝[Sh_S(1),Sh_S(2),...,Sh_S(L0)]^T，

Noise_L0＝[Noise(1),Noise(2),...,Noise(L0)]^T，

其中，Sh_S_L0为由Sh_S(1)、Sh_S(2)、…Sh_S(L0)构成的列向量，Noise_L0为由Noise(1)、Noise(2)、…Noise(L0)构成的列向量。

有：Sh_S_L0＝H_L0θ+Noise_L0，Noise(k)为白噪声，有：

E{Noise_L0}＝0，cov{Noise_L0}＝σ²I；

式中，E{Noise_L0}为Noise_L0的数学期望值，值皆为0；cov{Noise_L0}为Noise_L0的方差值，值皆为σ²；I为单位矩阵；

确定递推加权矩阵Λ_L0：

其中，λ(1)、λ(2)、…、λ(L0)都为加权系数；

构造目标函数：

J(θ)＝(Sh_S_L0-H_L0θ)^TΛ_L0(Sh_S_L0-H_L0θ)，

使目标函数J(θ)最小时的θ估值为最优估值，记为

按下式计算

此时，可将估值中的代替θ中的a₁、a₂、…a_m、b₁、b₂、…b_n代入以下两公式：

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2+...+a_mz^-m，

B(z^-1)＝b₁z^-1+b₂z^-2+...+b_nz^-n；

得到离散传递函数G(z)＝B(z^-1)/A(z^-1)；

或者将上述步骤1.7)计算数据作为递推计算的初始值，进入步骤1.8)进一步递推计算估值；

1.8)以L0为初始时刻，即L0时刻的值为初值，令：

P(0)＝(H_L0 ^TΛ_L0H_L0)^-1，

按照下列各式，递推计算后续各值：

P(L)＝[I-K(L)h(L)^T]P(L-1)；

式中，L为递推步数序号，0为起始步数序号，该起始步数序号与步骤1.7) 的L0点为同一个时刻点，后续各点以此类推；

预先设定一个适当的小数η，递推过程中，同时满足下面两式时，即达到估值精度要求，终止递推计算；

设终止时的递推步数序号L＝L_end，将估值代替θ带入：

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-1+...+a_mz^-m，

B(z^-1)＝b₁z^-1+b₂z^-1+...+b_nz^-n；

即得到离散传递函数：G(z)＝B(z^-1)/A(z^-1)。

上述步骤2)中，对辨识获得的离散传递函数G(Z)的验证确认采用人体胸动模拟装置10进行。如图7所示，在人体胸动模拟装置10内包括肺模拟体12和心脏模拟体13。肺模拟体12由已有肺呼吸动力系统提供模拟呼吸运动，心脏模拟体13由已有心脏循环动力系统提供模拟心跳泵血运动。肺模拟体12的呼吸运动和心脏模拟体13的心跳泵血共同产生模拟产生人体胸动的激励运动信号，该激励信号通过压力敏感床垫的压力传感器2和数据采集处理设备4获得胸动导致的压力变化信号Ch_S。

采用人体胸动模拟装置10对离散传递函数G(Z)的验证确认步骤如下：

2.1)在陆上，将压力敏感床垫11铺设于床体5上，床体5固定于地面上，人体胸动模拟装置10放置于压力敏感床垫11上，设置人体胸动模拟装置10的心跳频率标准值和呼吸频率标准值；在本实施例中，人体胸动模拟装置10的心跳频率标准值为60/min，呼吸频率标准值为15/min；

2.2)开启人体胸动模拟装置10和数据采集处理设备4，采集压力变化信号 T_S；

2.3)由于处于陆上，数据采集处理设备获得的压力变化信号T_S仅包含人体胸动模拟装置10的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，不包含床体加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Ch_S，得到在胸动信号作用下的压力响应信号Ch_S；

2.4)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S即Ch_S剔除，以消除非零初始状态的影响，在本实施例中，初始延迟预设时间T_Delay取30秒；将剔除后得到的Ch_S信号按时间顺序表示为序号k的序列信号Ch_S(k)，其中k 为1～n的整数，在本实施例中n为300000，包含了10分钟采集的信号。Ch_S(k) 信号是周期性的信号，其信号波形的一段如图8所示；

2.5)如图9所示，在舰船上，将压力敏感床垫11铺设在床体5上，床体5 的支脚7固定在舰船舱室甲板8上，人体胸动模拟装置10放置于压力敏感床垫11 上，设置人体胸动模拟装置10的频率和幅度与步骤2.1)完全相同；

2.6)开启人体胸动模拟装置10和数据采集处理设备4，同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D；

2.7)由于处于舰船上，数据采集处理设备4获得的压力变化信号T_S既包含人体胸动模拟装置10的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，也包含床体加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Ch_S+Sh_S；

2.8)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S和床体加速度信号 Sh_U_D剔除，以消除非零初始状态的影响，在本实施例中，延迟预设时间T_Delay 的数值取30秒；将剔除后得到的压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D按时间顺序表示为序号k的序列信号T_S(k)和Sh_U_D(k)，其中k为1～n的整数，在本实施例中n为300000，包含了10分钟采集的信号。T_S(k)信号波形的一段如图10所示，是胸动信号和舰船运动引起的信号的混合；

2.9)通过离散传递函数G(Z)和床体加速度序列信号Sh_U_D(k)，由(k计)算获得舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值该信号波形的一段如图11所示；

2.10)由公式计算得到呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号的估值该信号波形的一段如图12所示；

2.11)计算步骤2.4)得到的信号Ch_S(k)与步骤2.10)得到的信号的互相关函数R(p)，在偏移量p≥0范围内，求取互相关函数R(p)的最大值所对应的偏移量p_max，当互相关函数R(p)存在多个相同的最大值时，取最小的偏移量p作为互相关函数R(p)最大值所对应的偏移量p_max，互相关函数R(p)波形如图13所示；

在本实施例中的p_max为0.5秒；偏移量p是表示Ch_S(k)信号与时间坐标特意错开的偏移量，p取不同的值时，获得的互相关函数R(p)的值是不同的；p_max是使函数R(p)取最大值的偏移量，同时p_max代表了Ch_S(k)信号与信号在时间轴上的实际偏移量，由于这两个信号不是同时采集、计算得到的，这个时间偏移量必然存在；

2.12)由公式计算获得将信号平移p_max后的新信号序列该信号波形如图14所示，可见该消除了时间偏移后得到的与图8中的Ch_S(k)具有类似的波形特征，可以用代替Ch_S(k) 计算心率和呼吸率；

2.13)为了评判与Ch_S(k)的相似程度，由公式

2.14)设定偏差满意值ST，根据使用要求可选择ST＝10％～50％；

本实施例中选择ST＝50％；对于判断心率和呼吸率，只要两个信号的波形相似就可以获得很好的效果，不必要求两个信号的数值非常准确一致；根据试验数据，当ST≤50％时，计算心率和呼吸率就可以获得非常好的效果；

2.15)如果EP≤ST，则系统辨识得到的离散传递函数G(Z)满足要求，否则不满足要求；在本实施例中，经计算得到平均值EP＝35％，小于设定的50％，因此此例中系统辨识得到的离散传递函数G(Z)满足要求。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置一包括床体、弹性床垫体和压力传感器的检测装置；弹性床垫体设置在床体上，在弹性床垫体上部位于人体胸部位置处设置有压力传感器；

2)通过试验环境下的系统辨识或航行环境下的系统辨识，获得表述床体加速度信号Sh_U_D与舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号Sh_S之间关系的离散传递函数G(Z)；

3)对辨识获得的离散传递函数G(Z)验证确认；

4)根据离散传递函数G(Z)和床体加速度信号Sh_U_D计算舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值即

5)从压力传感器获得的压力变化信号中减去压力变化信号估值获得去除舰船升沉运动影响后，卧床人员心跳、呼吸的动力学效应导致的压力变化信号Ch_S的可信估值该可信估值即为卧床人的胸动信号。

2.如权利要求1所述检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过试验环境下的系统辨识方法获得离散传递函数G(Z)的过程包括以下步骤：

2.1)弹性床垫体铺设在床体上，床体固定在试验台上，模拟人体安置在弹性床垫体上；设置在弹性床垫体上的压力传感器与数据采集处理设备电连接；

2.2)设置试验台的位移阶跃运动模式；

2.3)开启与压力传感器连接的数据采集处理设备，开始进行数据采集；

2.4)延迟预设时间T_Delay，使整个装置的压力测量系统恢复到零状态；

2.5)启动试验台，试验台发出设置的位移阶跃运动激励；

2.6)数据采集处理设备通过压力传感器测量得到压力变化信号T_S，该压力变化信号T_S仅包含试验台位移阶跃激励导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Sh_S，从而得到在位移阶跃激励作用下的压力响应信号Sh_S；

2.7)拟合获得压力响应信号Sh_S随时间变化的函数gh(t)；

2.8)求函数gh(t)的拉普拉斯变换GH(S)，即GH(S)＝￡[gh(t)]；

2.9)由关系式G(S)＝GH(S)/S，计算得到床体加速度信号Sh_U_D与其响应信号Sh_S之间的连续传递函数G(S)；

2.10)确定压力敏感床垫的采样间隔T，将连续传递函数G(S)转换得到对应的离散传递函数G(Z)。

3.如权利要求1所述检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过航行环境下的系统辨识方法获得离散传递函数G(Z)的过程包括以下步骤：

2.1)将弹性床垫体铺设于舰船的床体上，床体固定于舰船舱室甲板上，床体下部设置有加速度传感器，压力传感器和加速度传感器电连接数据采集处理设备；

2.2)将标准体重的人体模型放置于弹性床垫体上，标准体重的人体模型无心跳和呼吸运动；

2.3)使舰船在波浪环境下航行；

2.4)开启与压力传感器和加速度传感器连接的数据采集处理设备，开始同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D；数据采集处理设备获得的压力变化信号T_S仅包含舰船升沉运动加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Sh_S，得到在舰船升沉运动加速度作用下的压力变化信号Sh_S；

2.5)将采样后的床体加速度信号Sh_U_D、压力变化信号Sh_S，以及测量噪声Noise表示为按统一的时间顺序的以序号k为变量的信号序列，即床体加速度信号为Sh_U_D(k)，压力变化信号为Sh_S(k)，噪声信号为Noise(k)；

2.6)根据步骤2.5)的床体加速度信号为Sh_U_D(k)，压力变化信号为Sh_S(k)，噪声信号为Noise(k)求解离散传递函数G(Z)：G(z)＝B(z^-1)/A(z^-1)；

其中的A(z^-1)、B(z^-1)分别为：

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2+...+a_mz^-m，

B(z^-1)＝b₁z^-1+b₂z^-2+...+b_nz^-n；

式中，a₁、a₂、…a_m为多项式A(z^-1)的系数，为一系列常数；b₁、b₂、…b_n为多项式B(z^-1)的系数，为一系列常数；m为多项式A(z^-1)的阶数；n为多项式B(z^-1)的阶数；z^-m表示Z的负m次方。

4.如权利要求3所述检测方法，其特征在于：所述步骤2.6)中，床体加速度信号Sh_U_D(k)、测量得到的压力变化信号Sh_S(k)、测量噪声Noise(k)之间的关系为：

A(z^-1)Sh_S(k)＝B(z^-1)Sh_U_D(k)+Noise(k)。

5.如权利要求1所述检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对辨识获得的离散传递函数G(Z)的验证确认采用人体胸动模拟装置进行；所述人体胸动模拟装置内包括肺模拟体和心脏模拟体，所述肺模拟体由已有肺呼吸动力系统提供模拟呼吸运动，所述心脏模拟体由已有心脏循环动力系统提供模拟心跳泵血运动；所述肺模拟体的呼吸运动和心脏模拟体的心跳泵血共同产生模拟产生人体胸动的激励运动信号，该激励信号通过所述压力传感器和数据采集处理设备获得胸动导致的压力变化信号。

6.如权利要求5所述检测方法，其特征在于：采用所述人体胸动模拟装置对离散传递函数G(Z)的验证确认步骤如下：

3.1)在陆上，将弹性床垫体铺设于床体上，床体固定于地面上，人体胸动模拟装置放置于弹性床垫体上，设置人体胸动模拟装置的心跳频率标准值和呼吸频率标准值；

3.2)开启人体胸动模拟装置和数据采集处理设备，数据采集处理设备采集压力变化信号T_S，该压力变化信号T_S仅包含人体胸动模拟装置的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，即T_S＝Ch_S，得到在胸动信号作用下的压力响应信号Ch_S；

3.3)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S即Ch_S剔除，将剔除后得到的Ch_S信号按时间顺序表示为序号k的序列信号Ch_S(k)；

3.4)在舰船上，将弹性床垫体铺设在床体上，床体的支脚固定在舰船舱室甲板上，人体胸动模拟装置放置于弹性床垫体上，设置人体胸动模拟装置的频率和幅度与步骤3.1)完全相同；

3.5)开启人体胸动模拟装置和数据采集处理设备，同时采集压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D，数据采集处理设备获得的压力变化信号T_S既包含人体胸动模拟装置的呼吸、心跳动力学效应导致的压力变化信号Ch_S，也包含床体加速度导致的压力变化信号Sh_S，即T_S＝Ch_S+Sh_S；

3.6)将初始延迟预设时间T_Delay的压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D剔除，将剔除后得到的压力变化信号T_S和床体加速度信号Sh_U_D按时间顺序表示为序号k的序列信号T_S(k)和Sh_U_D(k)；

3.7)通过离散传递函数G(Z)和床体加速度序列信号Sh_U_D(k)，由计算获得舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值

3.8)由公式计算得到呼吸、心跳的动力学效应导致的压力变化信号的估值

3.9)计算压力变化信号Ch_S(k)与压力变化信号的估值的互相关函数R(p)；

3.10)由公式计算获得将信号平移p_max后的新信号序列

3.12)设定偏差满意值ST，如果EP≤ST，则系统辨识得到的离散传递函数G(Z)满足要求，否则不满足要求。

7.如权利要求6所述检测方法，其特征在于：所述步骤3.9)中，在偏移量p≥0范围内，求取互相关函数R(p)的最大值所对应的偏移量p_max，当互相关函数R(p)存在多个相同的最大值时，取最小的偏移量p作为互相关函数R(p)最大值所对应的偏移量作为p_max。

8.一种舰船升沉运动作用下的胸动信号检测装置，其特征在于：该装置包括床体、压力敏感床垫和数据采集处理设备，所述压力敏感床垫包括弹性床垫体、压力传感器和加速度传感器；所述床体上部的床板上铺设有所述弹性床垫体，人体卧于所述弹性床垫体上，在所述弹性床垫体上部位于人体胸部位置处设置有所述压力传感器；所述床体下部通过床脚固定在舰船舱室内的甲板上；在所述床板下方设置有所述加速度传感器，所述加速度传感器的测量轴与舰船的垂线平行；所述压力传感器和加速度传感器的输出端都连接至所述数据采集处理设备，所述数据采集处理设备根据接收到的信号完成胸动信号的检测。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述数据采集处理设备包括压力信号调理电路、加速度信号调理电路、A/D转换器和微处理器；所述压力传感器传输至的压力变化信号经所述压力信号调理电路处理后，经一所述A/D转换器传输至所述微处理器；所述加速度传感器传输至的加速度信号经所述加速度信号调理电路处理后，经另一所述A/D转换器传输至所述微处理器；所述微处理器内设置有压力变化信号估值计算模块和差值计算模块，加速度信号经所述压力变化信号估值计算模块得到舰船升沉动力学效应导致的压力变化信号估值，该压力变化信号估值和压力变化信号T_S都传输至所述差值计算模块，进而得到胸动信号。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于：所述压力传感器由充满液体的软管和软管端头的压力敏感元件构成；所述加速度传感器的量程和频率响应范围由舰船的升沉运动范围和频谱特性确定。