一种基于倾角传感器的心率检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及一种基于倾角传感器的心率检测装置及其检测方法，属于心率检测技术领域。

背景技术

随着生活水平的提高，患心血管疾病的人也越来越多，因此人们对自身的健康越来越重视，心血管疾病已经成为当代社会威胁人类健康常见疾病之一，为了能很好的控制发病率，需要长期监控病人心血管类的生理信息。心率是人体极为重要的生理参数之一，心率的快慢可以反映人体机体运血的状况。心率对心血管疾病的检测、预防和对控制心血管疾病的发病率等有重要应用。

心率是指人体心脏每分钟跳动的次数，其值因人而异，并且即使是同一个人在不同状态下，其值也不尽相同，通常，人在安静或睡眠状态时心率较慢，运动、情绪焦虑或病情发作时心率过快，正常成年人心率值在75次/分左右。

目前心率测量方法主要分为三种：一是通过压力传感器测到的波动来计算脉率，往往和测血压连用；二是从心电图中提取相邻r波波峰间隙；三是采用光电容积脉搏波描记法。前两种方法成本高、体积大、佩戴不便，长时间使用会增加使用者生理和心理上的不舒适感。目前广泛采用的方法是光电容积法，但此方法需要传感器紧贴在人体皮肤组织上，当佩戴方式不当、人体出汗或受到其他外界环境干扰时，不能保证数据的准确性。

有鉴于此，本申请人对此进行专门研究，开发出一种非接触、无创性、方便快捷的基于倾角传感器的心率检测装置及其检测方法，本案由此产生。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于倾角传感器的心率检测装置及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于倾角传感器的心率检测装置，包括依次连接的传感器、模数转换器、控制器和数据传输模块、以及与所述传感器、模数转换器、控制器和数据传输模块分别相连的电源模块，所述传感器为高精度倾角传感器。

一种基于倾角传感器的心率检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一、ad信号采集：将带有高精度倾角传感器的控制器置于心脏处采集信号并经模数转换器将信号转换；

步骤二、控制器将转换后的信号放大、隔直、滤波后得到离散的心冲击信号；

步骤三、运算并统计若干个周期的相邻脉搏波间期序列；

步骤四、统计并计算所述若干个周期的相邻脉搏波间期序列的互相关；

步骤五、统计高度相关的相邻脉搏波间期序列的周期并求均值；

步骤六、求出心率值。

作为优选，所述步骤三中，运算并统计8个周期的相邻脉搏波间期序列fi(i∈0,7)，定义脉搏波为j波，相邻脉搏波j波之间间隔时间ttl满足条件ttl∈(375,1714)(单位：毫秒)，记录每隔ttl时间范围，每两个相邻的j波的最大值的时间间隔ti(i∈0,7)，定义该时间间隔ti(i∈0,7)为一个周期。

作为优选，所述步骤四中，利用fourier变换中的卷积定理统计并计算8个周期的相邻脉搏波间期序列的互相关：计算每两个离散序列的相关度ci,j(i,j∈0,7)，当相关度在(0.8,1)∪∈(-1,-0.8)范围内时，序列之间高度相关，定义该两个序列为比较准确的心冲击信号序列，记录ci,j∈(0.8,1)∪ci,j∈(-1,-0.8)中下标值i，j为序列号，设置标志位flagi(i∈0,7)将flagi＝1,flagj＝1。

进一步地，将flagi＝1的心冲击信号序列的周期ti(i∈0,7)求和、计算均值taver并求出心率值ahr。

进一步地，所述心率值的计算通过公式ahr＝60/taver。

进一步地，于所述步骤二和三之间还设有人体生命特征检测步骤：判断1分钟内连续脉搏波的时间间隔是否稳定，若连续两个脉搏波的时间间隔误差在2％的范围内，则认定检测到人体生命特征，否则继续重复该步骤。

作为优选，所述数据传输模块为无线蓝牙模块。

本发明的工作原理：基于倾角传感器的心率检测方法是一种非接触、无创的测量方法，它借助高精度传感器通过检测心脏搏动过程中靠近心脏部位的角度变化实现无创检测心率的方法，高精度倾角传感器用来测量某物是否处于水平、垂直位置或与水平成一定的角度，本质为加速度计，测量地球引力在测量方向上的分量，本发明装置检测的基本原理为人心跳过程中，身体会产生平行于脊椎轴方向的微小振动，采用高精度倾角传感器测量人体心脏搏动引起身体细微的“脉动”，传感器的电信号经过滤波处理后的变化周期就是心率。

本发明能实现如下技术效果：

(1)本发明检测装置能实时记录和显示：一次心率检测为8个心跳周期，检测时间大概在5至8秒，实现了实时检测。同时该带有传感器的控制器可与手机进行蓝牙通信，实现了实时显示和监控。

(2)本发明检测装置克服了传统心率检测仪器高成本，使用不便等缺点，具有非直接接触性、无创性、方便快捷、可长时间记录、性价比高的特点，且检测结果更有效更科学。

附图说明

图1为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的结构框图；

图2为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置与倾角传感器相关的部分电路接口原理图；

图3为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的检测方法的流程图；

图4为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置及其检测方法中心冲击信号(bcg)示意图。

标注说明：倾角传感器001，模数转换器002，控制器003，无线蓝牙004，电源模块005，j波006。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的揭露，兹提供了一个实施例，并结合附图作如下详细说明：

如图1和2所示，图1为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的结构框图，图2为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的电路图，本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置包括依次连接的传感器、模数转换器002、控制器003和数据传输模块、以及与传感器、模数转换器、控制器和数据传输模块分别相连的电源模块，传感器为高精度倾角传感器001，数据传输模块为无线蓝牙模块004。本实施例中，倾角传感器001，模数转换器002，控制器003，无线蓝牙004，均与电源模块005相连。

本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的检测方式：如图3所示，图3为本实施例一种基于倾角传感器的心率检测装置的检测方法的流程图。

步骤s100软件初始化和步骤s101ad信号采集：将带有高精度角度传感器的控制器003贴在人体胸口左边或后背靠近心脏的位置(可以不需要直接接触人体皮肤)，或者将控制器003固定，人主动靠或躺在仪器上面，通过这种方式采集未处理过的、微弱的人体心冲击信号。

控制器003将模数转换后的ad采集信号进行放大、隔直、滤波操作得到离散的心冲击信号序列(bcg)。

步骤s102检测是否具有人体体征：如图4所示，图4为本实施例一种基于倾角传感器001的心率检测装置及其检测方法中心冲击信号(bcg)示意图，对于人体生命特征的检测，提取测量信号中的心冲击信号(bcg),找到bcg中两相邻脉搏波j波，即bcg峰值，统计1分钟内连续j波的时间间隔(即j-j间期)是否稳定。如果连续两个j-j间期误差在2％的范围内，则认为已检测到人体生命特征，否则继续进行步骤s102。

步骤s103记录8个相邻脉搏波间期序列：交由控制器003运算并统计运算并统计8个周期的相邻脉搏波间期序列(j-j间期序列)fi(i∈0,7)，定义脉搏波为j波006，相邻脉搏波j波006之间间隔时间ttl满足条件ttl∈(375,1714)(unit:ms)，记录每隔ttl时间范围，每两个相邻的j波006的最大值的时间间隔ti(i∈0,7)，定义该时间间隔ti(i∈0,7)为一个周期(一个心冲击信号周期)。间期即相邻j波006的时间间隔。

步骤s104求8个相邻脉搏波间期序列的互相关：利用fourier变换中的卷积定理统计并计算8个信号序列的互相关，即8个信号序列每两个离散序列的相关度ci,j(i,j∈0,7)，当相关度在(0.8,1)∪∈(-1,-0.8)范围内时，序列之间高度相关，定义这两个序列为比较准确的心冲击信号序列，记录ci,j∈(0.8,1)∪ci,j∈(-1,-0.8)中下标值i，j，即序列号，设置标志位flagi(i∈0,7)将flagi＝1,flagj＝1，不高度相关的序列认定为噪声信号。

步骤s105统计高度相关的相邻脉搏波间期序列的周期并求均值：将flagi＝1的周期信号序列周期ti(i∈0,7)求和并计算均值taver。

步骤s106求心率值，心率值ahr的计算公式为ahr＝60/taver。

重复上述步骤即可得到每个时间段的实时心率。

步骤s107选择是否需要上传数据，若选择是则执行步骤s108发送请求/报告给上位机，若选择否则执行步骤s101ad信号采集。本实施例中通过无线蓝牙004上传数据。

需要注意的是，峰波在bag中较明显、也较容易区分，测量心率通过j-j间期得到；人心脏每次跳动的频率有差异，信号为非周期离散序列。

采集到的人体心冲击信号很微弱，实际测量情况并非理想状态，难免会受到外界各方面的噪声的影响，当采取信号序列过短时，容易引起误判。所以选择8个连续脉搏波j-j间期的心冲击信号序列作为心率检测的输入，可以确保至少两个周期序列是互相关的心冲击信号序列，而且测量时间也比较合理。因为人体心率范围在35到160之间(包括心动过速和过缓的情况)，超过此范围会有生命危险，根据瞬时心率计算公式

ihr＝60/t①

式中60代表1分钟时间，t代表心跳周期。

可以得到一次心跳的周期范围ttl为375毫秒到1714毫秒,从而得到相邻j波006之间间隔时间ttl，ttl∈(375,1714)(unit:ms)。，

需要说明的是，在连续的心冲击信号序列中，相邻或者相隔时间很短的两个序列之间的应该是高度相关的，在信号处理领域中，互相关(也称为“互协方差”)是用来表示两个信号之间相似性的一个度量，通常通过与已知信号比较用于寻找未知信号中的特性。互相关实质上类似于两个函数的卷积。而当采集信号不准确时，序列间的互相关是随机的，即ci＝±0.5，因此可以通过比较周期信号序列之间的相关度来判断采集信号是否准确。当序列间高度相关时，即ci,j∈(0.8,1)∪ci,j∈(-1,-0.8)，则认定这两个序列为一次心冲击信号序列，记录该序列的时间ti(i∈0,7)，即心冲击信号周期，然后统计8个序列中相关度高的序列并求平均值taver，根据平均心率计算公式②和式①

ahr＝(ihr1+ihr2+...+ihrn)/n②

得平均心率为ahr＝60/taver

以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。