专利名称：一种心率及身体状态监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种心率及身体状态监测装置。
背景技术：
21世纪被称为“银发世纪”，世界范围内的老龄化浪潮滚滚而来。根据中国人口信息研究中心的调查统计，2000年中国60岁以上人口比例为10. 31%，65岁以上人口占总人口的比例为7. 17%，按照国际标准来衡量，中国已经步入老龄化社会，而且在今后几十年其老龄化趋势将愈加明显。另外，随着社会经济的发展，居住方式的变化，家庭结构的小型化， 以及人口流动的加速，子女数的减少，其老人家庭空巢率正在不断的加大。因此，解决“空巢家庭”中老年人的家庭监护问题日趋突出。随着年龄的增加，人体解剖组织结构和生理代谢发生一系列变化，机体功能衰退， 应变能力减退，骨骼也变得较为松脆，这些生理或其他原因引发的变化常常可以通过人体的心律和身体状态表现出来。当人生病时，特别是心脏病发作时，心率都会发生明显的改变。另外，由于自身疾病如心脑血管疾病或外界影响等因素，人的身体状态也常常发生改变。根据美国国家安全委员会的报告指出，在65岁以上的人口中，跌倒所造成的死亡居所有意外死亡原因的第一位，占此年龄段意外死亡的33%。近年来，我国心脑血管疾病发病率持续上升，每年有54. 4万人心脏性猝死。面对越来越严峻的现实，我们应该做好相对的预防措施。首先，心脑血管疾病的发生是有先兆的，如果刚出现病灶时就立刻救治，很多人是能够缓解过来的。现在有很多心脏性猝死的病人是由于发病时无人知晓，没有得到及时的救治，才导致严重的后果。因此建立一套完善的心率和身体状态监测与通信系统是相当重要的。如果能实时地监测人的心率和身体状态，对及时发现心脑血管疾病的病情是有很大帮助的。另外，心率与身体状态也能反映了人的生理信息，如疲劳、醉酒等也会引起心率与身体状态的改变。所以，实时地监测心率与身体状态不仅对于病人，对于健康人也是有用的。但是，临床上使用的心、肺功能检测方法需要医护人员使用专业设备进行操作，且其中大多数方法需要在人体指定部位贴附传感器，人体会感觉不适，不便用于心、肺功能的日常监护。因此有必要研究一种无感觉、且可长时间使用的非临床心肺功能实时监测方法，用于长期监测心肺工作情况并在其出现异常时发出警示。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种心率及身体状态监测装置，将传感器安装在腰带上，本装置包括数据采集模块、FPGA控制模块和DSP数据处理模块；所述数据采集模块包括传感器电路、模拟放大滤波电路和A/D转换电路，其中传感器电路包括一个固定腰带里的电阻应变式传感器和一个三轴加速度传感器，固定腰带里的电阻应变式传感器用于测量心脏跳动引起的体动信号，主要用来监测心率；三轴加速度传感器用来监测身体状态引起的体动信号；模拟放大滤波电路包括前置放大电路、隔直电路、陷波电路、低通滤波电路及三级放大电路，前置放大电路的输出端接至隔直电路的输入端，第一级放大电路的输入端与隔直电路输出端相连接，第一级放大电路输出端接至陷波电路输入端，陷波电路输出端接至第二级放大电路输入端，第二级放大电路输出端接至低通滤波电路输入端，低通滤波电路输出端再接至陷波电路输入端，陷波电路输出端接至后级放大电路输入端。数据采集模块主要通过电阻应变式传感器和三轴加速度传感器采集体动信号并转换成电信号，送到后级模拟放大滤波电路中进行信号调理，经A/D转换电路转换为数字信号送往FPGA内部进行预处理。所述FPGA控制模块，主要进行数据采集、滤波、传输、存储、显示及任务管理。FPGA 控制模块包括电源电路，无线通信模块，SD存储接口，IXD，按键、开关和LED显示。FPGA采集A/D转换电路输出的体动信号数字量，并对这些数字量进行滤波，将滤波以后数据传递给DSP进行数据处理，同时数据存储在SD卡中，并在LCD上实时显示体动信号波形，FPGA根据DSP反馈的指令将采集回来体动信号数据发送给具有串口接口通信模块。所述DSP数据处理模块包括JTAG接口电路、SRAM存储电路和DSP与FLASH连接电路，DSP对FPGA输出的体动信号进行特征提取，监测心率和身体状态。DSP外设SRAM存储器来扩展程序运行期间的存储空间，DSP外设FLASH存储器，实现DSP程序的装载。所述传感器电路中的电阻应变式传感器输出端连接至模拟放大滤波电路输入端， 模拟放大滤波电路输出端连接至一个A/D转换电路输入端，三轴加速度传感器的三个输出端分别连接至三个A/D转换电路输入端，四个A/D转换电路的输出端连至FPGA控制模块的 GPIOjFPGA控制模块通过GPIO与DSP数据处理模块I/O输入端相连，FPGA通过串口外接通信模块，FPGA与SD卡通过SD存储接口连接。所述传感器电路中电阻应变式传感器采集心脏跳动引起的体动信号，微弱的体动信号输出至放大电路，放大电路的输出经由低通滤波电路和陷波电路进行滤波；滤波后输出的信号输入A/D转换电路，产生的数字信号经电平转换并行输出至FPGA控制模块的 GPIO ；三轴加速度传感器采集身体状态变化引起的体动信号，输出引脚CTZ分别接至三个相同的A/D转换电路的串行输入端，产生的数字信号经电平转换并行输出至FPGA控制模块的GPIO，FPGA控制模块根据输入的键控信息，选择一路或多路传感器输出产生的数字信号传递至DSP数据处理模块I/O输入端进行算法处理。采用本发明装置监测心率及身体状态方法，具体按以下步骤执行步骤一采集信号。首先为受试者带上心率及身体状态监测装置，当受试者心率和身体状态发生改变时，传感器采集由此产生的信号，并转换为交流电压输出；步骤二 转换信号。经电阻应变式传感器输出的信号经过模拟放大滤波电路处理后，同三轴加速度传感器输出的信号分别输出至四个A/D转换电路转换为数字信号输出至 FPGA 中；步骤三信号预处理。FPGA采集A/D转换电路输出的体动信号，对采集到的信号进行滤波，将滤波后的数据输出至DSP ；步骤四心率及身体状态监测。DSP模块进行体动信号的处理，计算心率并判别身体状态，所得到的数据反馈到FPGA，FPGA将数据存储在SD卡中，并在LCD上实时显示心率信号波形，FPGA根据DSP反馈的信息，将数据通过串口外接通信模块发送给监护中心工作站。
所述步骤四中，DSP模块对体动信号进行滤波、J波群检测、体动周期计算，从而计算心率。具体方法如下步骤1 选择合适小波基，确定分解尺度，对采集的原始体动信号进行尺度分解；步骤2 确定阈值函数，对体动信号进行小波去噪；阈值函数如式(1)所示，
权利要求
1.一种心率及身体状态监测装置，将传感器安装在腰带上，其特征在于该监测装置包括数据采集模块、FPGA控制模块和DSP数据处理模块；所述数据采集模块包括传感器电路、模拟放大滤波电路和A/D转换电路，其中传感器电路包括一个固定腰带里的电阻应变式传感器和一个三轴加速度传感器，固定腰带里的电阻应变式传感器用于监测心脏跳动引起的体动信号，主要用来监测心率；三轴加速度传感器用来监测身体状态变化引起的体动信号；模拟放大滤波电路包括前置放大电路、隔直电路、陷波电路、低通滤波电路及三级放大电路，前置放大电路的输出端接至隔直电路的输入端，第一级放大电路的输入端与隔直电路输出端相连接，第一级放大电路输出接至陷波电路输入端，陷波电路输出端接至第二级放大电路输入端，第二级放大电路输出接至低通滤波电路输入端，低通滤波电路输出端再接至陷波电路输入端，陷波电路输出端接至后级放大电路输入端；所述FPGA控制模块包括电源电路，无线通信模块，SD存储接口，IXD，按键、开关和LED 显不；所述DSP数据处理模块包括JTAG接口电路、SRAM存储电路和DSP与FLASH连接电路；所述传感器电路中的电阻应变式传感器输出端连接至模拟放大滤波电路输入端，模拟放大滤波电路输出端连接至一个A/D转换电路输入端，三轴加速度传感器的三个输出端分别连接至三个A/D转换电路输入端，四个A/D转换电路的输出端连至FPGA控制模块的 GPI0, FPGA控制模块通过GPIO与DSP数据处理模块I/O输入端相连，FPGA通过串口外接通信模块，FPGA与SD卡通过SD存储接口连接。
2.采用权利要求1所述的心率及身体状态监测装置监测心率及身体状态的方法，其特征在于按如下步骤进行步骤一采集信号，首先为受试者配带上心率及身体状态监测装置，当受试者心率和身体状态发生改变时，传感器采集由此产生的体动信号，并转换为交流电压输出；步骤二 转换信号，经电阻应变式传感器输出的信号经过模拟放大滤波电路处理后，同三轴加速度传感器输出的信号分别输出至四个A/D转换电路转换为数字信号输出至FPGA 中；步骤三信号预处理，FPGA采集A/D转换电路输出的体动信号，对采集到的信号进行滤波，将滤波后的信号输出至DSP ；步骤四心率及身体状态监测，DSP模块进行体动信号的处理，计算心率并判别身体状态，所得到的数据反馈到FPGA，FPGA将数据存储在SD卡中，并在LCD上实时显示体动信号波形，FPGA根据DSP反馈的信息，将数据通过串口外接通信模块发送给监护中心工作站。
3.根据权利要求2所述的心率及身体状态监测方法，其特征在于所述步骤四中，DSP 模块对体动信号处理，计算心率是DSP模块对体动信号进行滤波、J波群检测、心动周期计算，从而计算心率，计算心率具体方法如下步骤1 选择合适小波基，确定分解尺度，对采集的体动信号进行尺度分解；步骤2 确定阈值函数，对体动信号进行小波去噪；步骤3 利用小波模极大值提取局部极值点，局部极值点位置记为Jl ；步骤4 选取单调上升幅度阈值，具体地任选t为幅度的分割阈值，所取的上升沿幅度个数占所有上升沿个数的比例为W，平均幅值为μ ο ；去除的幅度个数占所有上升沿个数的比例为W1，平均幅值为P1 ；信号的总平均上升沿幅度的平均值为μ =WtlX Pc^w1X μ 1;从最小上升幅度值到最大上升幅度值遍历t，当t =、，使g = WtlX ( μ。_ μ ) 2+Wl X ( μ「μ ) 2 最大时，、即为最佳的幅度分割阈值；步骤5 判断Jl中的点的幅值是否大于阈值、，将大于阈值的点保存到J2中；步骤6 确定J波中心点的位置；步骤7 计算心率，利用这些J波的中心点位置计算一个平均周期即心动周期，心动周期的倒数就是所求心率，J为J波中心点对应的采样序数，心动周期= t^l^，心率=60/心动周期 (3)。 米样频率
4.根据权利要求2所述的心率及身体状态监测方法，其特征在于所述步骤四中，DSP 模块进行体动信号处理，判别身体状态的方法按如下步骤进行步骤1 计算加速度能量和E，并判定身体所处方向；身体处于一个三维立体空间中，坐标轴x、y、z满足右手定则，ζ轴与χ轴、y轴相互正交于原点，身体所在平面平行于ζ轴方向定义为垂直方向，垂直于ζ轴方向定义为水平方向，三轴加速度能量变化和E的定义
全文摘要
本发明提供一种心率及身体状态监测装置，传感器安装在腰带上，本装置包括数据采集模块、FPGA控制模块和DSP数据处理模块。受试者心率和身体状态改变时，传感器采集由此产生的体动信号；其中心脏跳动引起的体动信号经模拟放大滤波电路处理后，和身体状态变化引起的体动信号分别经A/D转换电路输出至FPGA；FPGA选择一路或多路传感器输出传至DSP进行体动信号处理，计算心率并判别身体状态，得到的数据反馈到FPGA；FPGA根据DSP反馈的信息，将数据通过串口外接通信模块发送给监护中心工作站。本发明能完成多路信号的实时、快速、精确采集，实现人体生理信息获取，且与穿戴技术结合，实现生理信息的长期动态监测与辨识。
文档编号A61B5/0205GK102302361SQ201110174039
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘岩, 吕轶, 宣杨, 徐彬, 杨丹, 王旭, 蒋芳芳, 邢岩, 雷红纬 申请人:东北大学