基于壓電薄膜傳感器的心率呼吸率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)*

馬 瑩， 王云峰， 張海英， 黃成軍

0 引 言

心率呼吸率等體征參數(shù)能夠很好地反映人體的睡眠狀況，在相關(guān)領(lǐng)域引起了較大關(guān)注。使用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)壓電薄膜[1]傳感器進(jìn)行人體生理信號(hào)的采集具有較大優(yōu)勢(shì)[2]。壓電薄膜具有頻響范圍寬，材質(zhì)柔軟，抗干擾度強(qiáng)，使用年限長(zhǎng)的特點(diǎn)，非常適用于做人體生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)[3]。

使用無(wú)創(chuàng)傳感器采集仰臥狀態(tài)下的心跳信號(hào)易受以下3類干擾：1)基線漂移噪聲；2)翻身，抖動(dòng)及心情干擾，頻率約5～20 Hz；3)工頻干擾(50 Hz)或其他白噪聲。小波濾波可從原數(shù)字信號(hào)中提取各信號(hào)頻段，實(shí)現(xiàn)信號(hào)與噪聲分離[4]。使用壓電傳感器得到的非平穩(wěn)信號(hào)波動(dòng)不明顯、能量小，常用尋峰方式較難準(zhǔn)確取峰。

本文采用小波變換濾波除噪方式實(shí)現(xiàn)心跳和呼吸信號(hào)的提取，并采用一種新時(shí)域?qū)し逅惴▽?shí)現(xiàn)對(duì)心率呼吸率計(jì)算。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器作對(duì)比在準(zhǔn)確度上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

1 原理和方法

1.1 小波變換

信號(hào)可由低頻部分和高頻部分重構(gòu)得到[5～7]。通過(guò)對(duì)低頻空間的分解，可以使頻率分辨率越來(lái)越高，即MALLAT算法，分解公式為

(1)

(2)

式中H(n),G(n)分別為小波函數(shù)中對(duì)應(yīng)的低通和高通濾波器系數(shù)序列。原序列與濾波器序列先卷積后抽取可得分解后的序列。重構(gòu)公式如下

Aj(n)=h(n)*Aj+1(n)+g(n)*Dj+1(n)=

(3)

Symlets是雙正交小波，具有有限緊支撐性和近似對(duì)稱性,在尺度變換上較為靈活,不僅可以很好地描述細(xì)節(jié)成分，在時(shí)頻域的局部化能力較強(qiáng)的特點(diǎn), 也適用于降低信號(hào)重構(gòu)的相移問(wèn)題[8]。

1.2 尋峰算法

對(duì)特征信號(hào)尋峰處理可以得到信號(hào)變化周期,即心率呼吸率。由于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)采集的峰值點(diǎn)會(huì)有偏差,波峰可能不是有效波峰(稱為偽峰值點(diǎn))。采用一種新時(shí)域?qū)し逅惴ㄓ?jì)算出有效采樣點(diǎn)及波峰數(shù),得到準(zhǔn)確度較高的心率呼吸率[9]。

1.3 壓電薄膜傳感器測(cè)試方法

PVDF壓電薄膜傳感器具有頻帶寬，質(zhì)地柔軟，對(duì)信號(hào)獲取靈敏高的特點(diǎn)。將其放置于胸口下方的床墊下面，人仰臥在床墊上即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獲取。經(jīng)處理后將數(shù)字信號(hào)傳到上位機(jī)。信號(hào)處理流程如圖1。

圖1 信號(hào)預(yù)處理流程

1.4 LabVIEW實(shí)時(shí)展示

LabVIEW[10]上位機(jī)通過(guò)很多可視化控件設(shè)置連接而成，運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)配合硬件循環(huán)運(yùn)作，使.TXT文件中的數(shù)字信號(hào)可以被實(shí)時(shí)地提取、轉(zhuǎn)換、計(jì)算以及顯示。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1 處理基線噪聲

矯正基線漂移是信號(hào)處理的關(guān)鍵?；€漂移近似為低頻成分，利用小波基Sym8對(duì)信號(hào)多尺度分解后對(duì)低頻小波系數(shù)重構(gòu)，即可得到基線漂移。在采樣頻率60 Hz下，低頻分量a8頻寬為0～0.12 Hz，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)小波進(jìn)行8尺度分解即可去除基線漂移。對(duì)小波變換原始信號(hào)去除基線漂移后信號(hào)如圖2。

圖2 基線漂移處理結(jié)果

2.2 特征提取

正常情況下心率為0.9～2.5 Hz，呼吸率為0.13～0.45 Hz，噪聲信號(hào)多為高頻信號(hào)。呼吸和心跳信號(hào)由小波變換對(duì)應(yīng)的低頻部分構(gòu)成。當(dāng)分解層次變高時(shí)，去掉的低頻成分越多，去噪效果雖更好，但失真度也在變大[11]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)采樣頻率60 Hz的信號(hào)，采用Sym8小波基對(duì)小波9階分解即可。呼吸信號(hào)由6階小波重構(gòu)信號(hào)去除基線漂移可得。心跳信號(hào)由3階與5階小波重構(gòu)分量中間頻段構(gòu)成。圖3為由原始信號(hào)得到呼吸心跳原理。由于3階小波重構(gòu)最多濾到3.5 Hz以下，再通過(guò)簡(jiǎn)單的零相移低通濾波可將心率濾波至2.5 Hz以下。

圖3 小波變換得到呼吸心跳波形原理

2.3 時(shí)域?qū)し逅惴?/h3>

對(duì)時(shí)域呼吸心跳波形做尋峰處理，求出心率呼吸率：

1)二階差分尋峰判斷心跳呼吸信號(hào)中單位時(shí)間內(nèi)波峰數(shù),并進(jìn)行波谷檢測(cè)與波形平均處理，處理后所得波峰數(shù)即為該時(shí)段內(nèi)心跳或呼吸次數(shù)。

2)由心率呼吸率有效范圍設(shè)置閾值(此處設(shè)為平均值)，以閾值為基準(zhǔn)，設(shè)定允許的偏移范圍(通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，取基準(zhǔn)值的20 %)，在平均值上下偏移量范圍內(nèi)的點(diǎn)認(rèn)作有效波峰。求出信號(hào)中的有效波峰。

3)對(duì)于偽峰值點(diǎn)采用兩次篩選法，分別篩選出多采集的波峰及少采集的波峰點(diǎn)，進(jìn)行刪峰與補(bǔ)峰處理。

4)計(jì)算呼吸率和心率。由Fs=60fs/(n2-n1)。其中n2，n1分別為相鄰的兩個(gè)峰值點(diǎn)所在位置，fs為硬件采樣頻率，F(xiàn)s為心率或呼吸率，即每分鐘的心跳或呼吸次數(shù)。

由圖4標(biāo)識(shí)可見(jiàn)通過(guò)補(bǔ)償?shù)玫降姆逯迭c(diǎn)。

圖4 取峰值點(diǎn)

3 心率和呼吸率實(shí)時(shí)顯示及驗(yàn)證

3.1 LabVIEW實(shí)時(shí)顯示心率呼吸率

將MATLAB算法函數(shù)導(dǎo)入LabVIEW中。由PVDF傳感器采集的信號(hào)經(jīng)圖1處理通過(guò)串口上傳至上位機(jī)，通過(guò)濾波去噪和尋峰處理得到實(shí)時(shí)顯示心率和呼吸率，隨著時(shí)間變化，幅值在不斷變化。

3.2 算法準(zhǔn)確性測(cè)試

實(shí)際測(cè)量中，人的呼吸處于穩(wěn)定狀態(tài)，且呼吸信號(hào)相較于心跳信號(hào)更易提取。但心率容易受諸多因素影響，且通過(guò)壓電薄膜得到的心跳信號(hào)疊加在呼吸上較為微弱，驗(yàn)證心率的準(zhǔn)確性成為非常關(guān)鍵的內(nèi)容。

脈率、血氧飽和度、灌注指數(shù)(PI)是脈搏飽和血氧儀的主要測(cè)量指標(biāo)。脈率是每分鐘的脈搏數(shù)。對(duì)正常健康人群在常態(tài)下心率和脈率是一致的[12]。指夾式脈搏血氧飽和度儀對(duì)于脈率的測(cè)量精度在96 %以上，測(cè)試健康人群時(shí)，用作心率數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比儀器非常有借鑒價(jià)值。實(shí)驗(yàn)采用指夾式血氧飽和度儀測(cè)到的脈率對(duì)比經(jīng)由改進(jìn)算法得到的心率。如圖5所示為對(duì)2個(gè)人的205組關(guān)于壓電薄膜傳感器以及指夾儀測(cè)得的心率數(shù)據(jù)對(duì)比，由圖中可見(jiàn)，數(shù)據(jù)整體的趨勢(shì)以及吻合度很高。

圖5 壓電傳感器與血氧儀數(shù)據(jù)曲線對(duì)比

實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試10個(gè)正常人的心率數(shù)據(jù)，其中每人的200組數(shù)據(jù)求平均得到平均心率；通過(guò)對(duì)每個(gè)人的200組數(shù)據(jù)進(jìn)行求誤差處理|b-a|/a(a為血氧飽和度儀測(cè)得的心率，b為通過(guò)壓電薄膜傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù))，并將205組誤差求均值，得到誤差數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，通過(guò)壓電薄膜算法測(cè)得的數(shù)據(jù)和指夾儀測(cè)得的數(shù)據(jù)相似度很高，以指夾儀的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算平均誤差約為3.45 %，較同類產(chǎn)品有更好的準(zhǔn)確度[2]。由此證明通過(guò)特征信號(hào)處理算法測(cè)得的心率準(zhǔn)確度很高，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

利用PVDF壓電薄膜傳感器對(duì)人體無(wú)干擾地進(jìn)行生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率呼吸率并與脈搏飽和血氧儀的對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)平均誤差率不超過(guò)4 %，為生命特征信號(hào)的監(jiān)測(cè)提供了有力依據(jù)。

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