CN115040102A - 一种基于磁涡流原理的非接触式心肺信号检测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁涡流原理的非接触式心肺信号检测方法与系统。该检测方法基于磁涡流原理，利用线圈与人体胸部之间的电磁耦合实现非接触式无感心肺信号检测，该检测系统由电源模块、激励源模块、线圈传感器模块、接口电路模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、数字信号处理模块以及显示模块组成。该发明使用线圈可透过衣物同时实现人体呼吸与心动信号的检测，具有舒适度高、非接触和无感等特点，是较为理想的长期监测心肺信号方式，对在日常生活中监护心肺健康有重要的应用前景和价值。
Description
技术领域
本发明涉及医学信号检测技术领域，更具体地，涉及一种基于磁涡流原理的非接触式心肺信号检测方法与系统。
背景技术
根据世界卫生组织（WHO）统计，心血管疾病以及呼吸系统疾病是制约人体健康预期寿命以及危害人类生命的重要原因，与癌症、糖尿病并称为“四大慢性病”。心肺状态的持续监测对监护心肺健康有重要的应用前景和价值。心肺信号检测的常用方式是：将电极粘贴在人体裸露皮肤上进行心电图（ECG）测量，将传感器固定在鼻腔或胸部进行呼吸测量。但两者均存在与人体直接接触、操作繁琐等缺点，而且会对身体和心理造成一定的负担，舒适度差。
针对现有的应用需求以及现有技术的不足，本发明提出了一种磁涡流原理的心肺信号检测方法与系统，其测量原理是基于线圈与附近人体胸部组织之间的电磁耦合测量胸部组织的阻抗变化。在线圈中通入交流电流产生初级交变磁场，该磁场穿透其附近的人体胸部组织，并诱导涡流进入其中，涡流激发二次交变磁场影响线圈。在涡流效应的作用下，线圈的等效阻抗随着人体胸部阻抗的变化而变化。心肺活动是影响胸部阻抗发生变化的最主要因素。在呼吸运动中肺的体积周期性变化以及空气的进出，以及在心脏搏动过程中心脏体积以及人体组织内血容量周期性变化，将导致胸部电导率发生周期性变化。本发明所设计的系统使用线圈可透过衣物同时实现人体呼吸与心动信号的检测，具有舒适度高、非接触、无感和可穿戴等特点，是在日常生活中较为理想的长期监测心肺信号方式。
发明内容
本发明提供了一种基于磁涡流原理的心肺信号检测方法和系统，利用线圈能够同时实现呼吸与心动的非接触式无感检测。如图1所示，该检测系统由电源模块、激励源模块、线圈传感器模块、接口电路模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、数字信号处理模块以及显示模块组成。所述电源模块与其他所有模块相连，所述激励源模块与线圈传感器模块相连，所述线圈传感器模块与接口电路模块相连，所述接口电路模块与模拟信号处理模块相连，所述模拟信号处理模块与模数转换模块相连，所述模数转换模块与数字信号处理模块相连，所述数字信号处理模块与显示模块相连。需要说明的是该系统并不特指一个具体的系统，而是通用性设计，所包含的模块允许增设、减少或拼接，并不用于局限方法。
所述电源模块，提供整个系统的所需要的电能。
所述激励源模块，产生一定频率的交流电流或电压激励信号用于激励线圈传感器。
所述线圈传感器模块，用于将心肺信号与激励信号进行调制。在激励源模块激励下，线圈传感器中流经交流电流，交流电流产生交变磁场作用于靠近线圈的人体胸部组织；线圈传感器感应人体胸部组织由于涡流效应产生的次级交变磁场。
所述接口电路模块，将线圈电感量和/或阻抗和/或品质因素（Q值）的变化转换成电压量的变化。
所述模拟信号处理模块，用于对接口电路模块输出的模拟信号进行处理使其信噪比得以提高或有利于后端模块采集处理，包括但不限于放大、滤波以及解调等信号处理方式。
所述模数转换模块，用于将模拟信号处理模块输出的模拟信号转换成数字信号。
所述数字信号处理模块，用于对经模数转换模块转换后的数字信号进行处理，将呼吸信号与心动信号分离，计算出呼吸率以及心率等生理参数，包括但不限于锁相算法、数字滤波、小波变换以及独立成分分析等信号处理方式。
所述显示模块，用于显示心肺信号波形以及相关参数。
本发明提供的技术方案存在的有益效果是：
本发明提供了一种非接触式测量人体心肺信号的方法，可以实现心肺信号的无感监测，克服了传统的心肺检测方式舒适度不高的缺点。
附图说明：
图1为一种基于磁涡流原理的非接触式心肺信号检测系统；
图2为一种可行的心肺信号检测电路及系统；
图3为一种可行的心肺信号检测系统的显示界面。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2展示了一种可行的心肺信号检测电路及系统。
电源模块：由电池和线性稳压器（LDO）构成。
激励源模块：使用MCU产生频率为2 MHz的方波作用于模拟开关用于控制电源的通断形成方波激励信号，方波激励信号通过积分电路（由R 1、C 1组成）转变为三角波激励信号，从而实现三角波电压激励源U 1的设计。三角波电压激励源通过控制三极管发射级上的电流
（
）进而控制三极管集电极上的电流 
（ 
，其中，
为三极管的电流放大倍数），实现了三角波电压激励源到三角波电流激励源的转化。
线圈传感器模块：线圈传感器的形状为圆形，外径为81 mm，内径为70 mm，层数为2层，匝数为5匝，电感量约为20uH。
接口电路模块：使用电容C 2与线圈传感器并联构成LC回路，将线圈等效阻抗的变化转变为LC回路两端（P 1、P 2）的电压变化。电容C 2的型号为1% COG/NP0，电容值为330pF。
模拟信号处理模块：包括高通滤波电路、差分放大电路和低通滤波电路。
模数转换模块：模数转换器（ADC）的型号为AD7693，具有500kSPS的吞吐量以及16位的分辨率。
数字信号处理模块：包括数字锁相解调、小波变换以及呼吸率和心率计算。
显示模块：如图3所示，显示所测心肺信号波形以及呼吸率和心率。
Claims (9)
1.一种基于磁涡流原理的非接触式心肺信号检测方法与系统，其特征在于，一种新型的心肺信号检测方法与系统，该检测方法基于磁涡流原理，利用线圈与人体胸部之间的电磁耦合实现非接触式无感心肺信号检测，该检测系统由电源模块、激励源模块、线圈传感器模块、接口电路模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、数字信号处理模块以及显示模块组成，所述电源模块与其他所有模块相连，所述激励源模块与线圈传感器模块相连，所述线圈传感器模块与接口电路模块相连，所述接口电路模块与模拟信号处理模块相连，所述模拟信号处理模块与模数转换模块相连，所述模数转换模块与数字信号处理模块相连，所述数字信号处理模块与显示模块相连。
2.根据权利要求1所述电源模块，其特征在于，提供整个系统的所需要的电能。
3.根据权利要求1所述激励源模块，其特征在于，产生一定频率的交流电流或电压激励信号用于激励线圈传感器。
4.根据权利要求1所述线圈传感器模块，其特征在于，实现心肺信号与激励信号的调制，线圈传感器中流经交流激励电流，交流激励电流产生交变磁场作用于靠近线圈的人体胸部组织，线圈传感器感应人体胸部组织由于涡流效应产生的次级交变磁场。
5.根据权利要求1所述接口电路模块，其特征在于，将线圈电感量和/或阻抗和/或品质因素（Q值）的变化转换成电压量的变化。
6.根据权利要求1所述模拟信号处理模块，其特征在于，对接口电路模块输出的模拟信号进行处理使其信噪比得以提高或有利于后端模块采集处理，包括但不限于放大、滤波以及解调等信号处理方式。
7.根据权利要求1所述模数转换模块，其特征在于，将模拟信号处理模块输出的模拟信号转换成数字信号。
8.根据权利要求1所述数字信号处理模块，其特征在于，对经模数转换模块转换后的数字信号进行处理，将呼吸信号与心动信号分离，计算出呼吸率以及心率等生理参数，包括但不限于锁相算法、数字滤波、小波变换以及独立成分分析等信号处理方式。
9.根据权利要求1所述显示模块，其特征在于，用于显示心肺信号波形以及相关参数。
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