顧東袁,傅曉婕,楊東勇,李志中,盧 瑾
(1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)系,杭州 310023)
人口老齡化給醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn),采用電子信息技術(shù)的發(fā)展成果,研發(fā)人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、易用、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測服務(wù),成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-2]。醫(yī)院中先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備可以提供生理參數(shù)檢查的準(zhǔn)確結(jié)果,但設(shè)備價(jià)格昂貴,有些設(shè)備,如心電監(jiān)護(hù)儀、Holter儀等,測量時(shí)需在人體皮膚上粘貼帶有導(dǎo)電膏的濕電極,易引起皮膚不適,使用不便。家庭健康監(jiān)測系統(tǒng)廣泛采用非接觸式的監(jiān)測技術(shù),設(shè)備使用簡便,對被監(jiān)測者干擾少。
人體正常生理指標(biāo)是衡量健康與否的重要標(biāo)準(zhǔn),包括了心率、呼吸率、體溫和血壓等。心率是心臟單位時(shí)間內(nèi)跳動的次數(shù),心率能反映人體生理健康狀況,是臨床醫(yī)學(xué)檢測指標(biāo)。心沖擊(Ballistocardioram,BCG)信號反映了心臟搏動和大動脈血液循環(huán)等對人體產(chǎn)生的作用力。通過BCG信號可以提取心率(HR)、呼吸率(BR)等參數(shù),可用于無接觸心電檢測[3]。BCG信號一般以非接觸式采集,雖然其精度和波形特征不如標(biāo)準(zhǔn)的心電圖(Electrocardiogram,ECG)[4],但長期連續(xù)的BCG信號對于醫(yī)學(xué)診斷具有重要參考作用。BCG信號的采集已有壓力傳感器、加速度傳感器、雷達(dá)波傳感器、織物電極等多種手段[5-7]。一種應(yīng)變力與輸出電荷成正比的柔性聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜傳感器,因兼具柔軟、輕便、高壓電系數(shù)和高頻響帶寬等優(yōu)點(diǎn),近年在人體生理信號檢測中得到應(yīng)用[8-10]。Paalasmaa J等人把PVDF傳感器制成檢測帶、鋪設(shè)在床上,對測試者進(jìn)行整晚的BCG信號采集,重點(diǎn)研究了從中準(zhǔn)確提取心率、呼吸率等指標(biāo),實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)以藍(lán)牙通信方式將采集的數(shù)據(jù)傳送給智能手機(jī),處理和計(jì)算后向用戶呈現(xiàn)心率、呼吸率等數(shù)據(jù)[9]。目前研究文獻(xiàn)報(bào)道的監(jiān)測系統(tǒng)大多采用單機(jī)模式或主從機(jī)模式[5,9,11-12]。單機(jī)模式的監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器采集的信號通過USB、串口等方式傳送到計(jì)算機(jī)機(jī),由計(jì)算機(jī)完成信號處理及參數(shù)提取工作。主從模式的監(jiān)測系統(tǒng)中,現(xiàn)場檢測主機(jī)采集的信號一般以藍(lán)牙通信方式發(fā)送給智能手機(jī),經(jīng)智能手機(jī)中轉(zhuǎn)后傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器上,智能手機(jī)或遠(yuǎn)端服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理。上述兩種監(jiān)測系統(tǒng)不同程度地存在使用不便、數(shù)據(jù)存儲容量少和數(shù)據(jù)共享受限等問題。
本文采用PVDF傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套非接觸式的連續(xù)心電監(jiān)測系統(tǒng),采集被測者臥床休息或睡眠期間的BCG信號等,實(shí)時(shí)提取出心率、呼吸率等參數(shù),通過WIFI將參數(shù)上傳云端監(jiān)測系統(tǒng),生理數(shù)據(jù)供監(jiān)測者查看,也可共享給第三方。所研發(fā)的健康監(jiān)測系統(tǒng)適用于家庭、養(yǎng)老院等場合,傳感器與人體不直接接觸,數(shù)據(jù)采集過程也不需要被監(jiān)測者操作。
本文研發(fā)的心電監(jiān)測系統(tǒng)主要由檢測床墊、健康物聯(lián)網(wǎng)云平臺(簡稱“健康云”)、用戶終端和第三方數(shù)據(jù)平臺組成,總體構(gòu)架如圖1所示。檢測床墊集成有PVDF壓電薄膜傳感器和檢測主機(jī),檢測主機(jī)對采集的信號進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)提取出心率、呼吸率參數(shù),通過WIFI無線通信方式上報(bào)數(shù)據(jù)。健康云接收和存儲心電數(shù)據(jù),通過安全認(rèn)證與鑒權(quán)后對外共享數(shù)據(jù)。用戶終端主要功能是檢測主機(jī)WIFI網(wǎng)絡(luò)的配置和實(shí)時(shí)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看;第三方數(shù)據(jù)平臺主要指社區(qū)、醫(yī)療和健康咨詢機(jī)構(gòu)等,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、大數(shù)據(jù)與智能分析等。
圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架
檢測床墊主要由床墊本體、PVDF壓電薄膜傳感器和現(xiàn)場檢測主機(jī)組成。根據(jù)項(xiàng)目要求,檢測床墊是帶有健康磁條的床墊,床墊本體由床套、健康磁條、乳膠墊層、EPE橋架和棕墊組成。PVDF壓電薄膜傳感器為五層結(jié)構(gòu),如圖2所示,中間一層是PVDF薄膜,薄膜上下為電極層,為了避免電極發(fā)生物理和化學(xué)損傷,在兩電極外表面加了厚度小于0.2 mm的透明保護(hù)膜。電極引出采用雙排金屬端子,確保焊接導(dǎo)線后不改變其壓電性能,電極接線采用帶屏蔽層的導(dǎo)線?,F(xiàn)場檢測主機(jī)主要完成信號采集和處理、將心電數(shù)據(jù)通過WIFI方式上傳等功能。
圖2 PVDF壓電薄膜傳感器
在檢測床墊中,PVDF壓電薄膜傳感器安裝于床墊內(nèi)、位于人臥床時(shí)人心臟的下方。因PVDF壓電薄膜傳感器的物理形狀、在床墊中安裝位置等,都直接影響傳感器的有效受力情況,從而影響輸出信號的質(zhì)量,本文針對圖2所示的4種不同外形傳感器(1號、2號、3號和4號)和傳感器在床墊各層間的安裝位置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)中,用示波器顯示心跳、呼吸信號波形,對比傳感器輸出的波形及特征,確定傳感器在床墊中的最佳位置。4種傳感器尺寸表1所示,傳感器在床墊中不同層間的安裝位置如圖3所示。
表1 傳感器形狀和尺寸信息表
圖3 傳感器在床墊中的位置示意圖
不同外形傳感器的對比實(shí)驗(yàn)表明:對于呼吸信號,2號和4號傳感器在波形特征和幅值強(qiáng)度上,均好于1號和3號傳感器;對于心跳波信號,1號、2號和4號傳感器所測得到的信號幅值有所不同,但BCG信號中體現(xiàn)心臟收縮的I、J、K波和呼吸的特征明顯。因此,確定采用4號傳感器。PVDF傳感器在床墊各層間放置位置對比實(shí)驗(yàn)表明:呼吸波的波形特征都較明顯,僅幅值有差異;對于心跳波形,傳感器安裝在EPE橋架與棕墊間的波形效果較好。系統(tǒng)完成集成后,進(jìn)行了呼吸和心跳波的實(shí)際測量,結(jié)果如圖4所示,實(shí)測的信號特征及幅值都較為理想。
圖4 集成后檢測床墊所測的呼吸和心跳波形
現(xiàn)場檢測主機(jī)的硬件框架如圖5所示,主要由信號采集和主控及通信兩部分組成。
圖5 現(xiàn)場檢測主機(jī)硬件框架
1.4.1 信號采集電路設(shè)計(jì)
信號采集電路主要實(shí)現(xiàn)壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號到電壓信號轉(zhuǎn)換及ADC采樣,電路如圖6所示。由于PVDF壓電薄膜輸出的是極微弱的電荷信號,設(shè)計(jì)了高輸入阻抗的電壓放大器作前置處理電路,再進(jìn)行ADC采樣[13]。由集成運(yùn)放OPA2336、反饋電容Cf和大電阻Rf組成前置電路,將微弱的電荷信號變成具有高信噪比的電壓信號。采用TI公司的ADS1292集成模擬前端芯片,對轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和增益放大,信號采集參數(shù)可通過ADS1292內(nèi)部寄存器進(jìn)行靈活設(shè)置,采集的24位數(shù)據(jù)以SPI方式發(fā)送給主控MCU。為保證采集信號的完整性和增強(qiáng)抗干擾能力,設(shè)計(jì)了同向比例放大器,產(chǎn)生1/2Vcc偏置電壓,與傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓共同作為ADS1292通道2的輸入。ADS1292通道1預(yù)留為ECG信號采集。
1.4.2 主控及通信電路設(shè)計(jì)
主控MCU承擔(dān)著BCG信號的濾波、實(shí)時(shí)心率、呼吸率的提取計(jì)算等。因BCG信號為浮點(diǎn)數(shù)據(jù),運(yùn)算量大且實(shí)時(shí)性要求高,檢測主機(jī)MCU選用ST公司的STM32F427微處理器,工作頻率達(dá)180MHz,且內(nèi)置硬件FPU單元、支持DSP多種指令集,保證信號濾波、提取等算法快速運(yùn)行。為滿足采集模塊高頻率發(fā)送數(shù)據(jù)和設(shè)備斷網(wǎng)狀態(tài)下仍具備數(shù)據(jù)存儲能力,采用winbond公司的W25Q256FV芯片設(shè)計(jì)了外部Flash存儲器。無線通信模塊主要負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)以TCP方式發(fā)送給云端,選用了上海慶科公司的EMW3165通信模組,以串口方式與主控MCU通信。電源部分采用超低壓差的LDO芯片TPS73230,并進(jìn)行有效的模數(shù)隔離,盡量減少電源噪聲對模擬前端芯片所產(chǎn)生的干擾。
圖6 信號采集電路圖
對PVDF壓電薄膜傳感器采集的人體生理信號的預(yù)處理、實(shí)時(shí)提取心率和呼吸率等參數(shù),都在現(xiàn)場檢測主機(jī)中實(shí)現(xiàn),減少WIFI發(fā)送的數(shù)據(jù)量和頻次。
相關(guān)研究表明:人體呼吸頻率都在1 Hz以下,頻譜能量集中在0.1 Hz~0.5 Hz之間;心跳頻率在1 Hz~40 Hz之間,頻譜能量集中在1 Hz~10 Hz之間[14]。因BCG信號易受工頻、肌電及電子元件高頻噪聲等干擾,本文采用Hamming窗FIR濾波器分別針對呼吸和心跳相應(yīng)頻段進(jìn)行軟件濾波。采用截止頻率為20 Hz的低通濾波器對采集的信號進(jìn)行去噪聲濾波,心跳信號的提取采用1 Hz~20 Hz帶通濾波器,呼吸信號的提取采用1 Hz的低通濾波器。
實(shí)際系統(tǒng)中,需考慮人在床墊上的體動或起床離開等情況。根據(jù)發(fā)生體動或離床時(shí)信號波動幅值的特點(diǎn),通過在一段時(shí)間內(nèi)(設(shè)定為5 s間隔)統(tǒng)計(jì)信號超過閾值的次數(shù),實(shí)現(xiàn)人的體動、離床/在床狀態(tài)判斷。在體動或離床期間,不對心率、呼吸率進(jìn)行提取計(jì)算。
BCG信號中最明顯的是心臟收縮時(shí)產(chǎn)生的IJK波,其中J波幅值最大,所以通過計(jì)算兩個相鄰的J-J間隔,可以得到一次心動的周期,計(jì)算每分鐘的心跳數(shù)。閾值法是常用的J波檢測方法,算法結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好[15]。本文采用改進(jìn)的自適應(yīng)差分閾值法定位J波峰點(diǎn),并結(jié)合不應(yīng)期原理,對多檢、漏檢進(jìn)行糾正,提高J波的檢測準(zhǔn)確率,具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
①初始J波檢測閾值
通過自學(xué)習(xí)方法設(shè)定初始J波閾值。選取預(yù)處理后的BCG信號(10 s),使用差分法尋找極值點(diǎn)。為了提高差分效果,減少前后點(diǎn)的誤差,使用隔點(diǎn)進(jìn)行差分計(jì)算,差分算子為:
D(i)=f(i+1)-f(i-1)
式中:D(i)是BCG信號i點(diǎn)的前后幅值差分值,f(i+1)是BCG信號i點(diǎn)后一點(diǎn)的幅值,f(i-1)是BCG信號i點(diǎn)前一點(diǎn)的幅值。
根據(jù)計(jì)算得到的極大值和極小值集合,舍棄集合中最大最小值后取算術(shù)平均,得到該段BCG信號中波峰均值peak_avg和波谷均值trough_avg,初始閾值定義為:
TH=0.65×(peak_avg-trough_avg)
式中:0.65為經(jīng)驗(yàn)值,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后得到。
②J波峰點(diǎn)檢測
利用上述閾值,對BCG數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行判斷,通過求取極大值大于設(shè)定閾值來定位J波峰點(diǎn)位置。
③偽J波峰點(diǎn)的移除
人體正常的心率不可能超過150次/min,所以每個J波相鄰的間距不小于400 ms,若在該間距內(nèi)存在多個J波峰點(diǎn),則需要移除多檢的J波峰點(diǎn)。
④遺漏J波峰點(diǎn)的補(bǔ)充
人體正常的心率不可能低于30次/min,若出現(xiàn)兩個J波峰點(diǎn)的間距大于2 s,則可認(rèn)為這兩點(diǎn)之間存在J波漏檢情況,通過尋找這兩個J波峰點(diǎn)之間的極大值點(diǎn)作為新J波峰點(diǎn)。
⑤閾值更新
閾值設(shè)定過高或過低會增大J波峰點(diǎn)的誤檢率,同時(shí)在BCG信號連續(xù)監(jiān)測過程中,其幅值及形態(tài)也會有所變化。所以在連續(xù)檢測出5個J波峰點(diǎn)后,用滑動窗口法對閾值進(jìn)行動態(tài)更新,新閾值計(jì)算如下:
TH=0.7TH′+0.3×(Win_TH×0.65)
式中:TH為最新的閾值;TH′為前一次的閾值;Win_TH為窗口內(nèi)波形計(jì)算所的閾值,窗口大小為連續(xù)的5個J波峰點(diǎn)的間距;0.7和0.3為經(jīng)驗(yàn)值,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后得到。
經(jīng)過上述步驟,提取出J波峰點(diǎn),得到J-J的間隔時(shí)間,計(jì)算出心率。其中J波峰點(diǎn)檢測實(shí)現(xiàn)偽代碼如下:
算法:J波峰點(diǎn)檢測
呼吸信號經(jīng)預(yù)處理并消除基線漂移干擾之后,呼吸波近似為正弦曲線,圍繞0點(diǎn)上下波動。本文先通過最小二乘法曲線擬合來消除基線漂移,采用與心率算法中類似的自適應(yīng)差分閾值法進(jìn)行呼吸波峰點(diǎn)的檢測,對峰點(diǎn)的多檢和漏檢情況,加入了峰點(diǎn)的間隔時(shí)間(正常人呼吸不超過30次/分)和兩個呼吸波峰點(diǎn)間必有2個過零點(diǎn)的判斷條件。在正確檢測出5個峰點(diǎn)后進(jìn)行閾值的更新。
現(xiàn)場主機(jī)的軟件基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS內(nèi)核開發(fā),實(shí)現(xiàn)信號采集、信號預(yù)處理和心率、呼吸率實(shí)時(shí)提取及WIFI數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。
監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)采用了云端+APP終端的模式,與通常PC上位機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、計(jì)算、存儲和展示不同,云端軟件系統(tǒng)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和存儲,APP終端軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示。
云端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場檢測主機(jī)的互聯(lián)、通過網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場檢測主機(jī)所采集和處理的數(shù)據(jù)并存儲,并以API接口方式提供數(shù)據(jù)共享。設(shè)計(jì)了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NOSQL數(shù)據(jù)庫和文本數(shù)據(jù)庫三者結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲方案,BCG信號序列型數(shù)據(jù)和提取的心率、呼吸率數(shù)值型數(shù)據(jù)分別存入文本庫和MongoDB中,并打上數(shù)據(jù)標(biāo)簽,由Elastic Search分布式索引系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)檢索;數(shù)據(jù)接收使用Redis高速緩存,緩解短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力;云端軟件基于Spring Boot開發(fā),采用Spring Cloud微服務(wù)化架構(gòu)和Docker容器化部署。
APP終端軟件采用原生與H5混合開發(fā)模式、以Android Studio為工具研發(fā)。APP終端以HTTP方式從云端監(jiān)測系統(tǒng)中獲取歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),以MQTT訂閱消息服務(wù)獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。APP上顯示被監(jiān)測對象實(shí)時(shí)和歷史的監(jiān)測心電信息情況,如圖7所示。
圖7 手機(jī)APP顯示界面
為了檢驗(yàn)所研發(fā)的非接觸式連續(xù)心電監(jiān)測系統(tǒng)的功能和性能,進(jìn)行了實(shí)物測試驗(yàn)證。在測試實(shí)驗(yàn)前先征得被測試人員同意,測試過程不損傷被測者人體。
實(shí)驗(yàn)時(shí),被測者平躺于檢測床墊上,共對身體健康的4人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,其中男女各2名。為了檢驗(yàn)所研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)的性能,選用深圳邁瑞公司的UMEC6醫(yī)療級多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行同步測試,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。選取了靜息狀態(tài)下100組數(shù)據(jù)取平均取整,實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng),心率、呼吸率監(jiān)測數(shù)據(jù)與醫(yī)療級儀器的數(shù)據(jù)基本一致,滿足長期健康監(jiān)測應(yīng)用中對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求。
圖8 監(jiān)測系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境
表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對比表
為提取心率和呼吸率參數(shù),將預(yù)處理后BCG信號和心跳、呼吸信號的峰值點(diǎn)繪圖,如圖9所示。結(jié)果表明:心跳和呼吸的波形清晰且起伏明顯,尤其在心跳波的J波峰點(diǎn)定位中,能準(zhǔn)確判斷出多檢和漏檢的情況。
圖9 信號處理及波形峰值點(diǎn)定位
為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)算法在心率計(jì)算上的準(zhǔn)確性,選取了4名身體健康的實(shí)驗(yàn)對象,平躺于檢測床墊進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,同時(shí)將現(xiàn)場檢測主機(jī)設(shè)計(jì)中預(yù)留的ECG通道進(jìn)行同步采集。選取其中10 min的監(jiān)測數(shù)據(jù),對心率提取中J波多檢、漏檢情況與ECG的R波進(jìn)行了對比統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示,與標(biāo)準(zhǔn)ECG檢測方式相比,對J波峰點(diǎn)的準(zhǔn)確定位能達(dá)到97%以上,對正常人靜息心率檢測誤差基本控制在3次/min以內(nèi)。
表3 BCG信號中J波檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套連續(xù)、實(shí)時(shí)的心電監(jiān)測系統(tǒng),基于STM32F427 MCU研制了現(xiàn)場檢測主機(jī)硬件裝置,并與PVDF壓電薄膜傳感器組合集成于床墊中,以非接觸方式采集人體生理信號;設(shè)計(jì)自適應(yīng)差分閾值法,提取人體心率、呼吸率參數(shù),監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WIFI實(shí)時(shí)上傳到云端系統(tǒng),進(jìn)行存儲和共享;用戶通過手機(jī)APP等終端查看實(shí)時(shí)或歷史監(jiān)測記錄。研發(fā)的系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)物測試實(shí)驗(yàn),所測參數(shù)的準(zhǔn)確度與醫(yī)療專用設(shè)備所測結(jié)果基本一致,滿足家庭監(jiān)測等應(yīng)用要求。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺等技術(shù)研發(fā),具有非接觸檢測、對被測人無干擾、使用簡單方便、遠(yuǎn)程監(jiān)測、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。本文完成了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行了功能與性能驗(yàn)證試驗(yàn),但要形成一個先進(jìn)的實(shí)際產(chǎn)品,在硬件與軟件、信號處理等方面,還需要進(jìn)一步優(yōu)化。