[摘要]这是一种新型的心率检测装置,它不直接接触人体,通过测量心脏跳动对人体产生的微弱震动信号,即体震信号,来实现测量心率。体震信号经过压力传感器转换为电信号,经由放大模块等信号处理电路,再通过串行接口输出到PC机中进行预处理,最终应用改进的心律检测算法提取出受试者的心率。
[关键词]电阻应变压力传感器 体震信号 心率检测
一、系统工作原理与构成
BCG能通过身体紧密接触的物体传播,所以,把传感器置于椅子腿下面,经过压力传感器将其转换为电信号,通过放大器放大,然后过高通滤波和工频陷波电路去除高频噪声和工频干扰,然后,再经过两级放大和低通滤波得到干净的BCG;再经 A /D转换 ,由单片机采样后通过串行接口输出到PC机中进行分析和处理。因为BCG很微弱 ,极易受噪声影响,所以,输入电缆外加屏蔽层,并且,前置放大的输入信号通过反馈电路分别反馈到电缆屏蔽层和前置放大器的输入端 ,在电路的输入端抑制了噪声的影响。系统的工作原理如图 1所示。
图 1 系统工作原理框图
二、采集电路设计
1.传感器设计
本文使用4只压力敏感元件接成全桥电路来测量 BCG对与人体接触的物体产生的压力。如图2所示,每只敏感元件由2只阻值变化相反的电阻构成。若4只敏感元件的阻值相等,即R1=R2=R3=R4,则该电路的输出为
(1)
图 2 传感器连接电路图
图 3 前置放大与反馈电路
式(1)说明:只要施加在 4只敏感元件上的压力不变,施力点与位置无关。在压力一定的情况下,4只敏感元件阻抗匹配时,无论压力分布情况如何,输出端的 V1和 V2的差值基本上是一定的,避免了由于压力分布不均所引起的测量误差。
2.前置放大电路设计
差模小信号BCG要求放大模块既有很高的灵敏度和放大倍数,又有很高的抗干扰能力。装置的放大模块由前置放大电路和主放大电路两部分组成。主放大电路采用两级放大方式提高装置的放大倍数。前置放大电路既要对有用信号放大又要抑制噪声,是装置设计的重点。前置放大电路与反馈电路的构成如图 3所示。
其中,V1和 V2为传感器的输出;Vo为仪表放大器输出;V为共模干扰;V为共模信号的反馈电压。根据图3得
三、检测算法实现
1.信号的预处理。即使文中设计的检测电路装置能抑制大部分噪声,但受仪器和人体等方面的影响,导致采集到的原始 BCG中仍含有较多干扰成分。为了得到准确的心率,我们要对原始信号预处理消除噪声。小波阈值去噪法是根据信号与噪声在各尺度上的小波系数具有不同特性的特点,按照一定阈值处理小波系数 ,或直接保留下来 (硬阈值法)或进行收缩(软阈值法) ,对得到的小波系数进行重构,去除原始信号噪声的方法硬阈值法实现方便 ,其原理是当小波系数的绝对值不小于给定的阈值时,令其保持不变,否则令其为0。
2.心率检测算法。BCG随心动周期呈现出一定周期性的变化,但与ECG不同的是,BCG的周期性并不严格,所以,称BCG的周期为伪周期。如果能确定 BCG的伪周期就可以确定心率。我参考文献中提出一种通过计算 BCG最大上升幅度来计算伪周期并提取心率的方法 ,这种方法需要同时计算局部极大值和极小值得到信号的幅值 ,需要保存的数据量较大。本文对此方法进行改进 ,只需计算局部极大值即可检测心率 ,得到一种新的心率检测算法 ,其步骤如下:
参考文献:
[1]严钟豪,谭祖根.非电量电测技术 [M].北京:机械工业出版社.
[2]康华光,陈大钦.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社.