坐立两便式心冲击信号检测系统设计与实现

　　心冲击信号(ballistocardiography,BCG)是一种记录心脏机械活动的方法,能够反映出心血管系统和呼吸系统的工作状况·以往采用与身体直接接触的贴肤式BCG检测方法[1-2],存在检测不方便、成本较高等缺点,尤其对于特殊人群,如佩戴存在心理负担、皮肤大面积创伤等患者更不宜采用·针对这种情况,有学者提出非接触式检测,如Inan等设计了基于人体秤的BCG测量装置[3],能够实现BCG信号的站姿检测;王旭等设计特制座椅实现了BCG信号的坐姿检测[4]·这些方法都只能实现单一的“站姿”或“坐姿”检测,并且使用的分立元件较多,引入噪声较大,导致后续信号处理算法复杂·本文提出了一种坐立两便式的BCG检测系统,该检测系统是将传感器固定在两个硬质平板之间构成检测平台,该平台可以直接放置在地面实现站姿检测,也可以将其放置在椅子面上实现坐姿检测,从而可实现坐立两便式检测功能;另外,该系统采用了高精度A/D转换芯片TM7708,并配合使用程控比例放大和数字滤波技术,减少了噪声的引入,提高了系统的集成度·并且该系统检测信号稳定、成本低,适合推广使用·

　　1　系统原理及设计

　　心肌的周期性收缩和舒张会导致与身体紧密接触的检测平台的受力情况发生变化,通过检测这一变化可以表征心动过程,基于此原理,设计了BCG信号采集系统,系统框图如图1所示·

　　为提高系统的检测精度和载荷能力,传感器模块由四只半桥电阻式应变传感器组成·每只半桥模块包含一只1 kΩ应变片和一只带有温度补偿的1 kΩ热敏电阻,热敏电阻可以消除温度对全桥检测电路的影响·按照图2采用惠斯通电桥方式连接·图2中,R1=R2=R3=R4=2 kΩ,激励电压U=5 V·

　　根据图2所示,在signal+和signal-端的电势差为

　　若各桥臂均有应变量,即ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4,且当R ΔRi(i=1,2,3,4)时,全桥电路的输出电压U0和应变量呈线性关系[3-5]

　　将图2所示的电路固定在两个硬质平板之间,构成系统的检测平台·通过它可以将体重、呼吸以及心脏泵血对平台的冲击力的变化转化为带有直流偏移的交流电压信号U0·该平台可以放置在地面,实现站姿检测,也可以将其放置在椅子面上,实现坐姿检测·而文献[4]的设计是将传感器固定在特制椅子的四个脚上,因此,其只适合坐姿的BCG信号检测,并且使用者若想更换椅子,不但需要专业人员安装,而且需要重新对整个装置的动态性能进行评估[5]·因此,设备成本高限制了该装置的推广·而本文设计的检测平台是个独立系统,与放置地点无关,一旦动态性能确定后,无论是站姿还是坐姿方式检测都不会影响动态性能,从而实现了坐立两便式·