CN102274009A - 一种基于压电传感器的呼吸和心跳信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电传感器监测呼吸和心跳的信号处理电路。该电路由电荷放大单元、电压放大单元、工频陷波单元、A/D转换单元、处理单元、存储单元、显示单元等部分组成。该处理电路先通过模拟电路单元对压电传感器输出信号进行预处理，再以数字方式完成对信号的后续处理，从而精确提取、分离以及进一步存储呼吸和心跳信号，实现计算呼吸和心跳次数、观察呼吸和心跳波形、初步进行一些呼吸类和心脏类疾病诊断以及长期生理健康监测的目的。

Description

一种基于压电传感器的呼吸和心跳信号处理电路

沈劲鹏  宗洪强  班庆远  杨欣  王金泊  王新安

【技术领域】

本发明涉及医疗监测诊断仪器及电路设计领域，具体涉及一种基于压电传感器的呼吸和心跳信号的处理电路，可以得到人体的呼吸和心跳生理参数，并初步进行疾病诊断。

【背景技术】

心脑血管疾病是一种严重威胁人类，特别是50岁以上中老年人健康的常见病，即使应用目前最先进、完善的治疗手段，仍可有50％以上的脑血管意外幸存者生活不能完全自理！全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人，居各种死因首位。心脑血管疾病已成为人类死亡病因最高的头号杀手！

同时，由阻塞型、中枢型或混合型呼吸暂停引发的睡眠呼吸障碍也一直严重干扰着人们正常的工作和生活，引起睡眠质量下降、日间极度嗜睡和疲劳。长时间的睡眠呼吸障碍甚至会引发一系列的心脑血管系统及其它相关系统疾病。睡眠呼吸暂停是一组有潜在危险的睡眠呼吸障碍疾病，易并发心律失常、高血压、甚至呼吸衰竭或猝死，有人估计全世界每天有3000人死于本病。

减小心脑血管疾病和睡眠呼吸暂停的死亡率的重要手段是早预防、早发现、早治疗，因此心跳和呼吸的即时监测技术就显得越来越重要。

传统的呼吸和心跳监测手段主要是多导睡眠监测仪(PSG)和心电图仪。这种检查方式详细而具体，而且准确度高。但是，多导睡眠监测仪和心电图仪需要固定许多电极，检查不方便，同时它们极其昂贵且笨重，不能用便携式和家用式。

聚偏氟乙烯材料压电常数大、灵敏度高、频率响应范围宽且价格便宜，采用本发明专利的处理电路能够非常适合用作便携式家用睡眠监测系统的传感材料。

除聚偏氟乙烯材料以外，市场上也有一些以其它材料作传感器的呼吸心跳监测产品和专利。但这些系统在传感器精度、信号处理电路的处理能力、检测和安装方式等方面都或多或少地存在着一些不足。

就信号处理电路方面而言，有的睡眠监测系统只能提取出呼吸信号，不能检测和处理心跳信号。同时，绝大部分睡眠监测系统功能过于简单，只能完成对心跳和呼吸信号进行计数的功能，不能达到诊断疾病等目的。如申请号为200310120732.6的专利公开的一种“心搏和呼吸测量装置”、申请号为200410088749.2的专利公开的“一种非接触式心动和呼吸监测技术“等，均只能完成计算呼吸和心跳次数等简单功能。

【发明内容】

本发明的目的是通过数字信号处理方式完成对呼吸和心跳信号的采集、分离、存储和处理，实现对呼吸和心跳的计数以及波形显示，同时也可以实现一些疾病的初步诊断。

为达到上述目的，本发明先通过模拟前端(电荷放大器、电压放大器和工频陷波器)将压电传感器输出的电荷信号转化为电压并初步滤除市电干扰信号(国内市电频率为50Hz)，再通过A/D转换器将信号送给处理单元的各个模块进行处理。

在处理单元中，先通过滤波模块中的数字滤波器和相应滤波算法对信号进行进一步的滤波处理，滤除包括市电噪声、元器件噪声、电磁干扰噪声和温度变化引起的热电效应噪声等噪声信号在内的各种干扰信号，提高信号的信噪比。再通过分离模块以数字滤波的方式分离出呼吸和心跳信号：考虑到正常成年人呼吸频率16～20次/分钟，心率60～100次/分钟，因此可认为0～0.7Hz为呼吸信号，0.7Hz以上为心跳信号。

分离出的呼吸和心跳信号分别通过计数模块得到信号频率和周期。呼吸和心跳信号频率和波形再作为诊断模块的输入进行疾病诊断和自诊断。其中，疾病诊断是将测量得到的呼吸或心跳信号波形和信号频率与疾病数据库中的每个疾病信号以及正常呼吸或心跳信号进行对比。若与某疾病的波形特征相似，则判定该测试者可能患有该疾病。自诊断是将测量的呼吸或心跳信号与历史测量信号数据库中的一些数据进行比对，若发现波形有明显不同则结合疾病数据库判断该测试者是否患有疾病以及是慢性病还是急性病。

最后通过显示单元显示呼吸和心跳信号的频率、周期、波形以及是否正常、若不正常可能患有哪些疾病等。

本发明的有益效果是：

精度高、成本低、功能强大，可以精确分离心跳和呼吸信号，得到呼吸和心跳的频率、周期和波形，能长期观察和存储人体心跳和呼吸生理参数，并且能够初步完成一些呼吸类和心脏类的疾病诊断，实现长期人体生理健康监测功能。

【具体实施方式和附图说明】

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是整个信号处理电路的流程示意图。首先压电传感器测量的信号通过一个电荷放大单元转化为电压信号，同时电荷放大单元也完成将传感器高阻抗转换成低阻抗的作用。通过电压放大单元进行适当放大之后采用一个工频陷波单元将50Hz市电干扰滤除。之后通过A/D转换单元转换成数字信号后处理单元完成对信号做进一步滤波，呼吸和心跳信号的分离、计数和存储以及一定的疾病诊断功能。

图2是通过呼吸波形判断睡眠呼吸暂停类型的一个实例示意图。医学上，睡眠呼吸暂停主要分为三种：阻塞型睡眠呼吸暂停、中枢性睡眠呼吸暂停以及混合型睡眠呼吸暂停。三种睡眠呼吸暂停疾病的发病机理和临床表现均有差异。在胸腹起伏运动方式方面：正常呼吸时胸腹同时且作同相运动；阻塞型呼吸暂停患者呼吸暂停表现为胸腹仍有起伏，只是胸式呼吸和腹式呼吸为反相运动；中枢型呼吸暂停患者呼吸暂停表现为胸腹起伏运动停止；混合型呼吸暂停患者其呼吸暂停症状兼有阻塞型和中枢型两种暂停症状，胸腹运动时而停止时而作反相运动。因此，为监测睡眠呼吸状况，可分别通过压电传感器监测人体胸部和腹部的起伏运动情况，从而判定是否存在睡眠呼吸暂停症状以及属于何种暂停类型。图2中，图a为正常呼吸的呼吸波形；图b为阻塞型暂停的呼吸波形；图c为中枢型暂停的呼吸波形；图d为混合型暂停的呼吸波形。从图中可以很明显地观察到各种类型暂停疾病呼吸波形的区别。因此，通过处理单元的诊断模块可以很容易地诊断出睡眠呼吸暂停的类型。

对于心脏类疾病和其它呼吸类疾病的诊断可以通过类似的方式完成。例如，通过检测心跳信号的频率、振幅变化、波峰波谷畸变等方面可以初步诊断测试者是否患有心率失常、心室颤动等心脑血管疾病。同时，通过将测试得到的呼吸和心跳信号与以前测量的信号作对比，同时结合疾病数据库可以初步判断测试者患有各种慢性病或急性病：若每天或每个月的呼吸和心跳波形及频率都在缓慢变化，则可能患有某种慢性疾病；若呼吸和心跳波形与以前的测量结果相比发生了突变，可能原因之一是患有某种急性病，需重复测试验证或直接去医院作更进一步详细的检查。

以上内容是结合一种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一个基于压电传感器的呼吸和心跳信号处理电路，主要由电荷放大单元、电压放大单元、工频陷波单元、A/D转换单元、处理单元、存储单元、显示单元等部分组成。

2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于：基于压电传感器，传感器材料为聚偏氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的处理单元，其特征在于：至少包含一个滤波模块、一个分离模块、一个计数模块、一个诊断模块和一个控制模块。

4.根据权利要求1所述的处理单元，其特征在于：可以通过软件或硬件的方式实现其各个模块的功能。

5.根据权利要求3所述的分离模块，其特征在于：通过数字滤波的方式分离出呼吸和心跳信号。

6.根据权利要求3所述的诊断模块，其特征在于：至少包含疾病诊断和自诊断两种诊断模式。

7.根据权利要求6所述的疾病诊断模式，其特征在于：通过将测量得到的呼吸或心跳信号数据与相应疾病数据库中各种疾病数据进行相似度对比，初步诊断是否可能患有疾病。

8.根据权利要求6所述的自诊断模式，其特征在于：通过将测量得到的呼吸或心跳信号数据与以前测量得到的数据进行对比，初步诊断是否患有慢性疾病或其它急性病。

9.根据权利要求1所述的存储单元，其特征在于：至少包含一个疾病信号数据库和一个历史测量信号数据库。

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