一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率信號(hào)同步檢測(cè)方法及系統(tǒng)，分別將左右胸腔的磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，左胸腔相位差信號(hào)與右胸腔相位差信號(hào)；采用相位檢測(cè)方法可獲得心動(dòng)和呼吸的生理信息?；谡w胸腔容積電導(dǎo)率的檢測(cè)原理，篩選獲得特定的激勵(lì)頻率，通過(guò)單激勵(lì)和雙檢測(cè)線圈，且激勵(lì)檢測(cè)線圈垂直放置方式消弱激勵(lì)磁場(chǎng)的影響，采用快速獨(dú)立分量分析方法從相位信息中分離心動(dòng)和呼吸信息，從而實(shí)現(xiàn)心率和呼吸率同步的非接觸監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中生理參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，具體特指用非接觸磁感應(yīng)方式進(jìn)行心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人口老齡化的加劇，醫(yī)療成本逐漸增長(zhǎng)，對(duì)于個(gè)人健康情況的監(jiān)測(cè)，特別是家庭環(huán)境中的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的需求愈加迫切，與之同時(shí)在臨床監(jiān)護(hù)應(yīng)用中心、肺活動(dòng)的監(jiān)護(hù)仍然至關(guān)重要。目前主要的心肺監(jiān)護(hù)方式包括使用電極及其他接觸式傳感器，如常規(guī)心電圖，Holter動(dòng)態(tài)心電圖、阻抗心動(dòng)圖、脈搏血氧飽和度儀、呼吸流量計(jì)、阻抗式呼吸檢測(cè)儀等。這些心肺監(jiān)測(cè)手段的共同問(wèn)題在于均為接觸性檢測(cè)，需要應(yīng)用體外接觸電極，對(duì)嚴(yán)重外傷、燒傷、皮膚過(guò)敏和傳染病等患者無(wú)法進(jìn)行有效的檢查或監(jiān)測(cè)。此外大部分檢測(cè)儀器只能進(jìn)行呼吸或心臟的其中一種情況，而不能進(jìn)行心臟、肺部活動(dòng)情況的同步監(jiān)測(cè)。非接觸的監(jiān)測(cè)方式可解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)嚴(yán)重外傷、燒傷、皮膚過(guò)敏和傳染病等患者的有效監(jiān)護(hù)，可使被測(cè)對(duì)象擺脫監(jiān)測(cè)線環(huán)、接觸電極等困擾，在更為舒適、無(wú)影響的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)生命特征監(jiān)測(cè)。磁感應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種非接觸檢測(cè)方法，適用于家庭及臨床環(huán)境呼吸心動(dòng)生理監(jiān)測(cè)。使用磁感應(yīng)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)心肺活動(dòng)的同步非接觸監(jiān)測(cè)具有重要意義。
[0003]根據(jù) 申請(qǐng)人:進(jìn)行的資料檢索，目前非接觸生理參數(shù)監(jiān)測(cè)方法有:2004年天津泰達(dá)生物醫(yī)學(xué)工程股份有限公司申請(qǐng)的“一種非接觸式心動(dòng)和呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)”;2012年北京麥邦光電儀器有限公司申請(qǐng)的專利“睡眠心率、呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)” ;2011年中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)王健琪等申請(qǐng)的專利 “超寬譜雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。
[0004]本發(fā)明的非接觸磁感應(yīng)心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)方法與以上心臟及呼吸活動(dòng)的同步監(jiān)測(cè)比較，雖然同為非接觸生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，但在測(cè)量原理、方法及應(yīng)用范圍上均有所不同于。從測(cè)量原理上來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利采用測(cè)量生理活動(dòng)肌肉收縮變化的原理，第四軍醫(yī)大學(xué)專利采用雷達(dá)回波測(cè)量原理，而本發(fā)明采用容積電導(dǎo)率磁感應(yīng)測(cè)量原理；從測(cè)量方法來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利采用壓力傳感器測(cè)量，第四軍醫(yī)大學(xué)專利采用超寬頻譜雷達(dá)測(cè)量，而本發(fā)明采用抵消主磁場(chǎng)的激勵(lì)檢測(cè)線圈垂直的射頻測(cè)量。從應(yīng)用范圍來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利主要用于睡眠監(jiān)護(hù)，第四軍醫(yī)大學(xué)專利主要應(yīng)用于災(zāi)后搜救，而本方法可用于臨床及家庭等多種環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法及系統(tǒng)，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法及系統(tǒng)，其包括以下步驟:
[0006]101、在被測(cè)對(duì)象的胸腔正前方設(shè)置激勵(lì)線圈，并分別在激勵(lì)線圈的左右位置設(shè)置檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B，且檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B相對(duì)于激勵(lì)線圈左右對(duì)稱設(shè)置；其中激勵(lì)線圈平行于水平面設(shè)置，檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B垂直于水平面設(shè)置，激勵(lì)線圈的兩端;
[0007]102、采用高頻交流正弦信號(hào)發(fā)生器給步驟101中的激勵(lì)線圈施加正弦交流電壓以產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，并分別獲取檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B中的高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y，并將高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y依次經(jīng)過(guò)前端放大裝置及高頻帶通濾波器濾波后得到濾波信號(hào)X’和濾波信號(hào)Y’ ；
[0008]103、將步驟102中的濾波信號(hào)X’、濾波信號(hào)Y’及參考信號(hào)M輸入采用鑒相器中，3階巴特沃茲軟件濾波器濾波后，采用FFT法或相關(guān)法或相敏法得到磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及 Φ (Y，-M)；
[0009]104、采用小波降噪法分別對(duì)步驟102中得到的磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)信號(hào)；
[0010]105、 將步驟103中降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)信號(hào)采用Fast-1CA分離算法進(jìn)行分離，并采用頻譜分析確定出心率及呼吸率所在導(dǎo)聯(lián)，求出呼吸率及心率。
[0011]進(jìn)一步的，步驟101中所述高頻交流正弦信號(hào)發(fā)生器采用泰克公司的信號(hào)源AFG3252，產(chǎn)生IOMHz的激勵(lì)信號(hào)。
[0012]進(jìn)一步的，步驟103中的窄帶濾波器采用3階巴特沃茲濾波器，濾波帶寬設(shè)置為
0.5MHz。
[0013]進(jìn)一步的，步驟103中的小波降噪法采用8階sym小波進(jìn)行去噪。
[0014]進(jìn)一步的，步驟104中的Fast-1CA分離算法采用調(diào)用matlab中的FastICA-2.5
工具箱。
[0015]進(jìn)一步的,所述Fast-1CA分離算法包括步驟:
[0016]A、分別對(duì)兩路相位差信號(hào)進(jìn)行去均值；
[0017]B、再對(duì)步驟A中去均值后的信號(hào)作白化處理；
[0018]C、基于負(fù)熵最大化理論確定目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用牛頓迭代算法求出目標(biāo)函數(shù)的最大值，即進(jìn)行分離矩陣的優(yōu)化，選用對(duì)稱正交法正交化矩陣，并對(duì)其進(jìn)行歸一化；
[0019]D、最后判斷分離矩陣是否收斂，若矩陣收斂則分離源信號(hào)。
[0020]一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率信號(hào)同步檢測(cè)系統(tǒng)，其包括檢測(cè)裝置、硬件濾波裝置及軟件濾波裝置、相位差計(jì)算模塊、降噪模塊、信號(hào)分離模塊及顯示裝置；其中
[0021]所述檢測(cè)裝置包括激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B，所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別對(duì)稱設(shè)置于激勵(lì)線圈的左右位置，其中激勵(lì)線圈平行于水平面設(shè)置，檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B垂直于水平面設(shè)置；所述檢測(cè)裝置與硬件濾波裝置相連接；
[0022]所述硬件濾波裝置包括前端放大裝置及高頻帶通濾波器；
[0023]所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別采集左胸腔和右胸腔的激勵(lì)磁場(chǎng)信號(hào)和感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)，并分別將檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B中的高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y依次經(jīng)過(guò)前端放大裝置及高頻帶通濾波器濾波后得到濾波信號(hào)X’和濾波信號(hào)Y’ ；經(jīng)過(guò)軟件鑒相器濾波后采用FFT法或相關(guān)法或相敏法得到磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)，并將磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)傳輸給降噪模塊進(jìn)行降噪處理，再送給信號(hào)分離模塊進(jìn)行分離，得出心率和呼吸率，最后將結(jié)果傳輸?shù)斤@示裝置進(jìn)行顯示。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]本發(fā)明方法的主要優(yōu)點(diǎn)是非接觸測(cè)量生理參數(shù)，無(wú)需在人體粘貼任何電極，根據(jù)該方法可以開發(fā)出相應(yīng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器，可以顯示反應(yīng)相應(yīng)的生理、病理信，能在臨床及家庭環(huán)境中對(duì)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明的原理框圖；
[0027]圖2為本發(fā)明傳感裝置線圈設(shè)置方式；
[0028]圖3為本發(fā)明鑒相軟件流程圖；
[0029]圖4為本發(fā)明放大濾波裝置的一種方案電路；
[0030]圖5為通過(guò)非接觸磁感應(yīng)心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)得到的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0031]圖6為本發(fā)明軟件鑒相三種算法的程序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖給出一個(gè)非限定性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0033]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的非接觸磁感應(yīng)心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)是利用置于胸腔前端的激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，位于激勵(lì)磁場(chǎng)中的人體胸腔，感應(yīng)出擾動(dòng)磁場(chǎng)；心臟、膈肌以及胸廓的機(jī)械作用改變著人體器官組織中血液和空氣的運(yùn)動(dòng)狀況，此時(shí)擾動(dòng)磁場(chǎng)隨著組織改變的電導(dǎo)率而變化；檢測(cè)線圈受到擾動(dòng)磁場(chǎng)的影響，生成感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓通過(guò)相應(yīng)檢測(cè)電路和計(jì)算機(jī)軟件鑒相，得到相應(yīng)生理活動(dòng)的曲線及參數(shù)顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟及肺部活動(dòng)的非接觸監(jiān)測(cè)，具體方法為:
[0034]將激勵(lì)線圈平行放·置在正對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置，在激勵(lì)線圈內(nèi)產(chǎn)生的交變電流，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；位于交變磁場(chǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)因電磁感應(yīng)作用形成感應(yīng)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布主要由監(jiān)測(cè)目標(biāo)內(nèi)部的電導(dǎo)率分布確定；通過(guò)垂直于激勵(lì)線圈的檢測(cè)線圈，可以檢測(cè)到感應(yīng)磁場(chǎng)的幅度和相位；當(dāng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)內(nèi)部的電導(dǎo)率分布發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布也隨之改變，從而使得檢測(cè)線圈上檢測(cè)信號(hào)的幅度和相位也隨之發(fā)生改變。
[0035]磁感應(yīng)監(jiān)測(cè)前端傳感裝置由三個(gè)線圈組成(一個(gè)激勵(lì)線圈、兩個(gè)檢測(cè)線圈)。兩檢測(cè)線圈以胸腔為中軸線對(duì)稱同軸放置，且相互平行；激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈垂直放置，平行于胸腔，位于兩檢測(cè)線圈中軸線上。線圈由直徑為0.8mm的漆包銅絲繞在直徑為6.7cm的塑料套管上，匝數(shù)為10砸，線圈放置位置及監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置如圖2所示。
[0036]使激勵(lì)線圈生成一交變激勵(lì)磁場(chǎng)，主要通過(guò)在激勵(lì)線圈兩端加以標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電壓；交流電源使用一高頻正弦電壓發(fā)生器(本發(fā)明主要使用泰克公司的信號(hào)源AFG3252，其支持12種類型的函數(shù)(波形)，并能生成14位正弦函數(shù)波形，頻率高達(dá)240MHz，速率高達(dá)2GS/s，幅度高達(dá)20Vp-p，相位可調(diào))。在本發(fā)明中可用于生成不同頻率的正弦信號(hào)，配合采集卡主要生成IOMHz附近的激勵(lì)信號(hào)。它產(chǎn)生兩路同頻的正弦信號(hào)，一路作為激勵(lì)信號(hào)加載在激勵(lì)線圈上，另一路作為系統(tǒng)的參考信號(hào)。
[0037]激勵(lì)信號(hào)通過(guò)激勵(lì)線圈后在目標(biāo)所在位置產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，將監(jiān)測(cè)目標(biāo)(主要為心臟、肺部)作為置于激勵(lì)磁場(chǎng)當(dāng)中。由于電磁感應(yīng)作用會(huì)產(chǎn)生出感應(yīng)磁場(chǎng)。人體生理過(guò)程中，心臟收縮和舒張維持血液在全身循環(huán)，肺的呼吸保證持續(xù)的氣體交換，這兩個(gè)機(jī)械過(guò)程引起胸腔中良導(dǎo)體(血液)和不良導(dǎo)體(空氣)的容積變化，從而引起胸腔內(nèi)心臟及肺部容積電導(dǎo)率的改變。當(dāng)人體胸腔處于激勵(lì)交變磁場(chǎng)中時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，在胸腔內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，其大小與胸腔的容積電導(dǎo)率成正比。采用檢測(cè)線圈檢測(cè)激勵(lì)磁場(chǎng)信號(hào)和感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)，其相位包含反映胸腔容積電導(dǎo)率變化的信息。比較該檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位，可得到某一時(shí)刻該檢測(cè)線圈所在位置，心肺活動(dòng)瞬間，電導(dǎo)率變化所造成的擾動(dòng)磁場(chǎng)大小。心跳及呼吸為周期性變化，胸腔的電導(dǎo)率變化也為一個(gè)準(zhǔn)周期過(guò)程，測(cè)量得到的周期性相差信號(hào)反應(yīng)了這一生理過(guò)程。
[0038]實(shí)現(xiàn)心肺同步磁感應(yīng)監(jiān)測(cè)，主要采用了高頻交流正弦信號(hào)作為激勵(lì)磁場(chǎng)，而檢測(cè)信號(hào)為與激勵(lì)信號(hào)同頻的高頻正弦電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)激勵(lì)信號(hào)及檢測(cè)信號(hào)比較，得到相位差，該相差信號(hào)中低頻成分與心跳及呼吸體征具有對(duì)應(yīng)性。本發(fā)明監(jiān)測(cè)的信號(hào)為包含心跳及呼吸信息的相位信號(hào)，而實(shí)際分離處理的是相位信號(hào)中的心跳與呼吸信號(hào)成分。若要實(shí)現(xiàn)分離處理，需要有兩路相位差信號(hào)，因此至少需要兩個(gè)及以上的檢測(cè)線圈。
[0039]感應(yīng)磁場(chǎng)的測(cè)量主要通過(guò)感應(yīng)電壓及激勵(lì)電壓的相位差測(cè)定實(shí)現(xiàn)。本方法鑒相裝置包括前端放大濾波裝置，及軟件鑒相裝置。由于前端傳感裝置所檢測(cè)到的信號(hào)是微弱的電信號(hào)，所以需要經(jīng)過(guò)前端增益放大模塊進(jìn)行功率放大。磁感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)的是高頻弱磁場(chǎng)信號(hào)，這要求前端放大電路具有較高的帶寬以及靈敏度。測(cè)量系統(tǒng)中檢測(cè)線圈應(yīng)該與前級(jí)放大器相配合，共同完成選頻以及信號(hào)的放大功能。檢測(cè)線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，并且很容易受到外界干擾。放大器最好采用差分輸入方式，避免從接地端帶入干擾噪聲，此外還需要較大的差模電壓輸入范圍以及較高的輸入阻抗。本發(fā)明實(shí)施方案電路之一，是選用AD8130是精密高速儀表放大器，可以實(shí)現(xiàn)將高頻差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，工作在IOMHz時(shí)可以達(dá)到70dB的共模抑制比，滿足系統(tǒng)前端放大的設(shè)計(jì)要求。利用AD8130實(shí)現(xiàn)的前端放大電路原理圖如圖4所示。
[0040]另外，微弱的電信號(hào)容易受到外界的干擾，因此還需要進(jìn)行濾波處理。本發(fā)明采用硬件濾波及軟件濾波相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，在確保精確度的同時(shí)提高運(yùn)行速度以確保監(jiān)測(cè)的順利進(jìn)行。硬件濾波器 實(shí)施方案之一，根據(jù)激勵(lì)頻率采用高頻帶通濾波器PBP-10.7和PBP-21.4，濾波電路原理圖如圖4所示。本方法采用的前端放大電路具有較高的帶寬以及靈敏度；高頻窄帶信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)窄帶濾波器對(duì)固定頻率檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行提取。
[0041]放大濾波后的檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)由PX1-5124數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行同步采集。采集控制集成于鑒相軟件中。通過(guò)前面板選定的數(shù)據(jù)采集卡以及通道參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的連續(xù)或者間隔采集。每采集一次便獲得一個(gè)長(zhǎng)度為采樣點(diǎn)數(shù)的二維數(shù)組。采集的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理，濾波采用3階巴特沃茲濾波器實(shí)現(xiàn)，濾波帶寬設(shè)置為0.5MHz。
[0042]軟件濾波后的檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)送入鑒相模塊中進(jìn)行相位差的檢測(cè)，檢測(cè)出的實(shí)時(shí)相位差信息就反應(yīng)了心肺活動(dòng)的實(shí)時(shí)情況。鑒相軟件流程圖如圖3所示。對(duì)于相位差的檢測(cè)主要采用FFT、相關(guān)法及相敏法三種方法，三種算法原理如圖5所示。在相差信號(hào)中，呼吸率與心率在相差信號(hào)中有其確定性的頻率對(duì)應(yīng)成分，呼吸率明顯可考慮直接提取，但呼吸過(guò)程的帶寬較寬，在心臟活動(dòng)的頻率對(duì)應(yīng)相位上混雜有呼吸的相位諧波成分，且心臟活動(dòng)的相差被更寬帶的噪聲所淹沒(méi)，即使在預(yù)處理時(shí)進(jìn)行了增強(qiáng)，也無(wú)法直接對(duì)心臟活動(dòng)進(jìn)行濾波提取。
[0043]由于心臟及肺部活動(dòng)時(shí)其中導(dǎo)體的性質(zhì)及容積大小具有差異性，兩種器官由容積導(dǎo)體所引起的電導(dǎo)率變化不同。且心臟在胸腔中所處的位置(一般位于偏左側(cè)胸腔)，導(dǎo)致左右胸腔中對(duì)稱位置，容積導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化具有較大差異性。因此觀測(cè)到的混合的心跳及呼吸信號(hào)實(shí)際上是相對(duì)獨(dú)立的信源加權(quán)和組成，且左右胸腔對(duì)稱位置上，參與加權(quán)的兩種獨(dú)立信源的強(qiáng)度不同。根據(jù)這一特點(diǎn)，本發(fā)明將心、肺活動(dòng)信號(hào)視作線性瞬時(shí)混合模型，通過(guò)Fast-1CA算法對(duì)心、肺活動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分離，對(duì)得到分離信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，確定心跳及呼吸信息所在導(dǎo)聯(lián)，并顯示、存儲(chǔ)分離信號(hào)信息，最后計(jì)算心率及呼吸率。
[0044]當(dāng)較信噪比低時(shí)，為提高分離的準(zhǔn)確度，分離前需提高信噪比，本發(fā)明中鑒相軟件部分采用sym小波(8階、2層)對(duì)各路相差信號(hào)去噪，提高信噪比。若在監(jiān)測(cè)時(shí)伴隨的其他干擾成分較多，且無(wú)法在ICA分離之前濾除，則需增加相應(yīng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)聯(lián)數(shù)及分離波形數(shù)。
[0045]優(yōu)選的，本發(fā)明還提供了一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率信號(hào)同步檢測(cè)系統(tǒng)，其包括檢測(cè)裝置、硬件濾波裝置及軟件濾波裝置、相位差計(jì)算模塊、降噪模塊、信號(hào)分離模塊及顯示裝置；其中
[0046]所述檢測(cè)裝置包括激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B，所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別對(duì)稱設(shè)置于激勵(lì)線圈的左右位置，其中激勵(lì)線圈平行于水平面設(shè)置，檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B垂直于水平面設(shè)置；所述檢測(cè)裝置與硬件濾波裝置相連接；
[0047]所述硬件濾波裝置包括前端放大裝置及高頻帶通濾波器；
[0048]所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別采集左胸腔和右胸腔的激勵(lì)磁場(chǎng)信號(hào)和感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)，并分別將檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B中的高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y依次經(jīng)過(guò)前端放大裝置及高頻帶通濾波器濾波后得到濾波信號(hào)X’和濾波信號(hào)Y’ ；經(jīng)過(guò)軟件鑒相器濾波后采用FFT法或相關(guān)法或相敏法得到磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)，并將磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)傳輸給降噪模塊進(jìn)行降噪處理，再送給信號(hào)分離模塊進(jìn)行分離，得出心率和呼吸率，最后將結(jié)果傳輸?shù)斤@示裝置進(jìn)行顯示。
[0049]本發(fā)明的非接觸磁感應(yīng)心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)方法與2004年天津泰達(dá)生物醫(yī)學(xué)工程股份有限公司申請(qǐng)的“一種非接觸式心動(dòng)和呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)”;2012年北京麥邦光電儀器有限公司申請(qǐng)的專利“睡眠心率、呼 吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”；2011年中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)王健琪等申請(qǐng)的專利“超寬譜雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”比較，雖然同為非接觸生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，但在測(cè)量原理、方法及應(yīng)用范圍上均有所不同于。從測(cè)量原理上來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利采用測(cè)量生理活動(dòng)肌肉收縮變化的原理，第四軍醫(yī)大學(xué)專利采用雷達(dá)回波測(cè)量原理，而本發(fā)明采用容積電導(dǎo)率磁感應(yīng)測(cè)量原理；從測(cè)量方法來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利采用壓力傳感器測(cè)量，第四軍醫(yī)大學(xué)專利采用超寬頻譜雷達(dá)測(cè)量，而本發(fā)明采用抵消主磁場(chǎng)的激勵(lì)檢測(cè)線圈垂直的射頻測(cè)量。從應(yīng)用范圍來(lái)看，天津泰達(dá)、北京麥邦專利主要用于睡眠監(jiān)護(hù)，第四軍醫(yī)大學(xué)專利主要應(yīng)用于災(zāi)后搜救，而本方法可用于臨床及家庭等多種環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間心肺活動(dòng)監(jiān)測(cè)。
[0050]以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟: 101、采用高頻交流正弦信號(hào)發(fā)生器給激勵(lì)線圈施加正弦交流電壓以產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，在激勵(lì)線圈的左右對(duì)稱位置設(shè)置檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B，其中激勵(lì)線圈平行于水平面設(shè)置，檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B垂直于水平面設(shè)置；檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別采集左胸腔和右胸腔的激勵(lì)磁場(chǎng)信號(hào)和感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)，并分別獲取檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B中的高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y，并將高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y依次經(jīng)過(guò)前端放大裝置及高頻帶通濾波器濾波后得到濾波信號(hào)X’和濾波信號(hào)Y’ ； 102、將步驟101中的濾波信號(hào)X’、濾波信號(hào)Y’及參考信號(hào)M輸入軟件鑒相器中，經(jīng)過(guò)3階巴特沃茲軟件濾波器濾波后，采用FFT法或相關(guān)法或相敏法得到磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及 Φ (Y，-M)； 103、采用小波降噪法分別對(duì)步驟102中得到的磁感應(yīng)相位差Φ(X’ -M)及Φ (Y’ -M)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)信號(hào)； 104、將步驟102中降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ(X’ -M)及Φ (Y’ -M)信號(hào)采用Fast-1CA分離算法進(jìn)行分離，并采用頻譜分析確定出心率及呼吸率所在導(dǎo)聯(lián)，求出呼吸率及心率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于:步驟101中所述高頻交流正弦信號(hào)發(fā)生器采用泰克公司的信號(hào)源AFG3252，產(chǎn)生IOMHz的激勵(lì)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于:步驟103中的窄帶濾波器采用3階巴特沃茲濾波器，濾波帶寬設(shè)置為0.5MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于:步驟103中的小波降噪法采用8階sym小波進(jìn)行去噪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于:步驟104中的Fast-1CA分離算法采用調(diào)用matlab中的FastICA-2.5工具箱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)方法，其特征在于:所述Fast-1CA分離算法包括步驟: A、分別對(duì)兩路相位差信號(hào)進(jìn)行去均值； B、再對(duì)步驟A中去均值后的信號(hào)作白化處理； C、基于負(fù)熵最大化理論確定目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用牛頓迭代算法求出目標(biāo)函數(shù)的最大值，即進(jìn)行分離矩陣的優(yōu)化，選用對(duì)稱正交法正交化矩陣，并對(duì)其進(jìn)行歸一化； D、最后判斷分離矩陣是否收斂，若矩陣收斂則分離源信號(hào)。
7.一種非接觸磁感應(yīng)心率和呼吸率同步檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括檢測(cè)裝置(I)、硬件濾波裝置(2)及軟件濾波裝置(3)、相位差計(jì)算模塊(4)、降噪模塊(5)、信號(hào)分離模塊(6)及顯示裝置(7);其中 所述檢測(cè)裝置(I)包括激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B，所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別對(duì)稱設(shè)置于激勵(lì)線圈的左右位置，其中激勵(lì)線圈平行于水平面設(shè)置，檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B垂直于水平面設(shè)置；所述檢測(cè)裝置(I)與硬件濾波裝置(2)相連接； 所述硬件濾波裝置(2)包括前端放大裝置及高頻帶通濾波器； 所述檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B分別采集左胸腔和右胸腔的激勵(lì)磁場(chǎng)信號(hào)和感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)，并分別將檢測(cè)線圈A和檢測(cè)線圈B中的高頻相移正弦電壓信號(hào)X和Y依次經(jīng)過(guò)前端放大裝置及高頻帶通濾波器濾波后得到濾波信號(hào)X’和濾波信號(hào)Y’ ；經(jīng)過(guò)軟件鑒相器濾波后采用FFT 法或相關(guān)法或相敏法得到磁感應(yīng)相位差φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)，并將磁感應(yīng)相位差Φ (X’ -M)及Φ (Y’ -M)傳輸給降噪模塊(5)進(jìn)行降噪處理，再送給信號(hào)分離模塊(6)進(jìn)行分離，得出心率和呼吸率，最后將結(jié)果傳輸?shù)斤@示裝置(7)進(jìn)行顯示。
【文檔編號(hào)】A61B5/0205GK103584847SQ201310546070
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】秦明新, 許佳, 劉文君, 孫建, 金貴, 寧旭, 徐林, 陳明生 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)