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)院計算機與信息技術(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),實現(xiàn)無創(chuàng)、易用、實時的遠程健康監(jiān)測服務(wù),成為當(dāng)前的研究熱點[1-2]。醫(yī)院中先進的醫(yī)療設(shè)備可以提供生理參數(shù)檢查的準確結(jié)果,但設(shè)備價格昂貴,有些設(shè)備,如心電監(jiān)護儀、Holter儀等,測量時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。

人體正常生理指標是衡量健康與否的重要標準,包括了心率、呼吸率、體溫和血壓等。心率是心臟單位時間內(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。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準的心電圖(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,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,對測試者進行整晚的BCG信號采集,重點研究了從中準確提取心率、呼吸率等指標,實現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)以藍牙通信方式將采集的數(shù)據(jù)傳送給智能手機,處理和計算后向用戶呈現(xiàn)心率、呼吸率等數(shù)據(jù)[9]。目前研究文獻報道的監(jiān)測系統(tǒng)大多采用單機模式或主從機模式[5,9,11-12]。單機模式的監(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算機機,由計算機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)場檢測主機采集的信號一般以藍牙通信方式發(fā)送給智能手機,經(jīng)智能手機中轉(zhuǎn)后傳輸?shù)竭h端服務(wù)器上,智能手機或遠端服務(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)計實現(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,實時提取出心率、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。

1 心電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架

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,檢測主機對采集的信號進行處理并實時提取出心率、呼吸率參數(shù),通過WIFI無線通信方式上報數(shù)據(jù)。健康云接收和存儲心電數(shù)據(jù),通過安全認證與鑒權(quán)后對外共享數(shù)據(jù)。用戶終端主要功能是檢測主機WIFI網(wǎng)絡(luò)的配置和實時、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)療和健康咨詢機構(gòu)等,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享,實現(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

1.2 檢測床墊設(shè)計

檢測床墊主要由床墊本體、PVDF壓電薄膜傳感器和現(xiàn)場檢測主機組成。根據(jù)項目要求,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

1.3 傳感器在床墊中的集成方法

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行了實驗測試。實驗中,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驗表明: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驗表明: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,進行了呼吸和心跳波的實際測量,結(jié)果如圖4所示,實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

1.4 現(xiàn)場檢測主機硬件設(shè)計

現(xiàn)場檢測主機的硬件框架如圖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)場檢測主機硬件框架

1.4.1 信號采集電路設(shè)計

信號采集電路主要實現(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)計了高輸入阻抗的電壓放大器作前置處理電路,再進行ADC采樣[13]。由集成運放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抗干擾能力,設(shè)計了同向比例放大器,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

主控MCU承擔(dān)著BCG信號的濾波、實時心率、呼吸率的提取計算等。因BCG信號為浮點數(shù)據(jù),運算量大且實時性要求高,檢測主機MCU選用ST公司的STM32F427微處理器,工作頻率達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)計了外部Flash存儲器。無線通信模塊主要負責(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

2 信號預(yù)處理及心率、呼吸率提取方法

對PVDF壓電薄膜傳感器采集的人體生理信號的預(yù)處理、實時提取心率和呼吸率等參數(shù),都在現(xiàn)場檢測主機中實現(xiàn),減少WIFI發(fā)送的數(shù)據(jù)量和頻次。

2.1 信號預(yù)處理

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)生體動或離床時信號波動幅值的特點,通過在一段時間內(nèi)(設(shè)定為5 s間隔)統(tǒng)計信號超過閾值的次數(shù),實現(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、呼吸率進行提取計算。

2.2 心率提取方法設(shè)計與實現(xiàn)

BCG信號中最明顯的是心臟收縮時產(chǎn)生的IJK波,其中J波幅值最大,所以通過計算兩個相鄰的J-J間隔,可以得到一次心動的周期,計算每分鐘的心跳數(shù)。閾值法是常用的J波檢測方法,算法結(jié)構(gòu)簡單、實時性好[15]。本文采用改進的自適應(yīng)差分閾值法定位J波峰點,并結(jié)合不應(yīng)期原理,對多檢、漏檢進行糾正,提高J波的檢測準確率,具體實現(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。為了提高差分效果,減少前后點的誤差,使用隔點進行差分計算,差分算子為:

D(i)=f(i+1)-f(i-1)

式中:D(i)是BCG信號i點的前后幅值差分值,f(i+1)是BCG信號i點后一點的幅值,f(i-1)是BCG信號i點前一點的幅值。

根據(jù)計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)驗值,經(jīng)反復(fù)實驗后得到。

②J波峰點檢測

利用上述閾值,對BCG數(shù)據(jù)點進行判斷,通過求取極大值大于設(shè)定閾值來定位J波峰點位置。

③偽J波峰點的移除

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,則需要移除多檢的J波峰點。

④遺漏J波峰點的補充

人體正常的心率不可能低于30次/min,若出現(xiàn)兩個J波峰點的間距大于2 s,則可認為這兩點之間存在J波漏檢情況,通過尋找這兩個J波峰點之間的極大值點作為新J波峰點。

⑤閾值更新

閾值設(shè)定過高或過低會增大J波峰點的誤檢率,同時在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波峰點后,用滑動窗口法對閾值進行動態(tài)更新,新閾值計算如下:

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)波形計算所的閾值,窗口大小為連續(xù)的5個J波峰點的間距;0.7和0.3為經(jīng)驗值,經(jīng)反復(fù)實驗后得到。

經(jīng)過上述步驟,提取出J波峰點,得到J-J的間隔時間,計算出心率。其中J波峰點檢測實現(xiàn)偽代碼如下:

算法:J波峰點檢測

2.3 呼吸率提取方法設(shè)計與實現(xiàn)

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)差分閾值法進行呼吸波峰點的檢測,對峰點的多檢和漏檢情況,加入了峰點的間隔時間(正常人呼吸不超過30次/分)和兩個呼吸波峰點間必有2個過零點的判斷條件。在正確檢測出5個峰點后進行閾值的更新。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

現(xiàn)場主機的軟件基于實時操作系統(tǒng)FreeRTOS內(nèi)核開發(fā),實現(xiàn)信號采集、信號預(yù)處理和心率、呼吸率實時提取及WIFI數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

監(jiān)測系統(tǒng)上位機采用了云端+APP終端的模式,與通常PC上位機同時負責(zé)數(shù)據(jù)接收、計算、存儲和展示不同,云端軟件系統(tǒng)只負責(zé)數(shù)據(jù)接收和存儲,APP終端軟件負責(zé)數(shù)據(jù)展示。

云端軟件系統(tǒng)實現(xiàn)與現(xiàn)場檢測主機的互聯(lián)、通過網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場檢測主機所采集和處理的數(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)獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。APP上顯示被監(jiān)測對象實時和歷史的監(jiān)測心電信息情況,如圖7所示。

圖7 手機APP顯示界面

4 心電監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

為了檢驗所研發(fā)的非接觸式連續(xù)心電監(jiān)測系統(tǒng)的功能和性能,進行了實物測試驗證。在測試實驗前先征得被測試人員同意,測試過程不損傷被測者人體。

4.1 生理信號采集測試

實驗時,被測者平躺于檢測床墊上,共對身體健康的4人進行實驗測試,其中男女各2名。為了檢驗所研發(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)護儀進行同步測試,實驗現(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,實測數(shù)據(jù)如表2所示。實驗結(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)準確度的要求。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)測試實驗環(huán)境

表2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比表

4.2 心率、呼吸率提取結(jié)果

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波峰點定位中,能準確判斷出多檢和漏檢的情況。

圖9 信號處理及波形峰值點定位

為進一步驗證本文所設(shè)計算法在心率計算上的準確性,選取了4名身體健康的實驗對象,平躺于檢測床墊進行連續(xù)監(jiān)測,同時將現(xiàn)場檢測主機設(shè)計中預(yù)留的ECG通道進行同步采集。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波進行了對比統(tǒng)計。實驗統(tǒng)計結(jié)果如表3所示,與標準ECG檢測方式相比,對J波峰點的準確定位能達到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)計結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套連續(xù)、實時的心電監(jiān)測系統(tǒng),基于STM32F427 MCU研制了現(xiàn)場檢測主機硬件裝置,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實時上傳到云端系統(tǒng),進行存儲和共享;用戶通過手機APP等終端查看實時或歷史監(jiān)測記錄。研發(fā)的系統(tǒng)經(jīng)過實物測試實驗,所測參數(shù)的準確度與醫(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、遠程監(jiān)測、擴展性好等特點。本文完成了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計與實現(xiàn),并進行了功能與性能驗證試驗,但要形成一個先進的實際產(chǎn)品,在硬件與軟件、信號處理等方面,還需要進一步優(yōu)化。