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脈搏信號檢測與分析設備.pdf

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脈搏 信號 檢測 分析 設備
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摘要
申請專利號:

CN201120168414.7

申請日:

20110525

公開號:

CN202288268U

公開日:

20120704

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/02 主分類號: A61B5/02
申請人: 北京電子科技學院
發明人: 王建新,李秀瀅,隋美麗,高獻偉,姚棟,周長春,周玉坤,段曉毅,陳漢林
地址: 100070 北京市豐臺區富豐路7號
優先權: CN201120168414U
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201120168414.7

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本實用新型公開了一種脈搏信號檢測與分析設備,包括:采集人體脈搏信號的傳感器,所述傳感器連接采集感應信號的數據采集卡;所述數據采集卡連接計算機,所述計算機運算所述數據采集卡獲得的信號,并將信號以圖形的形式顯示。所述數據采集卡內包括:用于放大所述傳感器信號的放大電路和用于采集所述放大電路放大后信號的單片機。所述放大電路采用LM358運放芯片。所述設備連接USB充電接口。本實用新型中的設備,可提取脈搏信號,經過分析運算后,通過計算機設備顯示給用戶,用戶可通過計算機設備顯示的內容,判斷脈搏信號體現的身體健康情況。

權利要求書

1.一種脈搏信號檢測與分析設備,其特征在于,包括:采集人體脈搏信號的傳感器,所述傳感器連接采集感應信號的數據采集卡;所述數據采集卡連接計算機,所述計算機運算所述數據采集卡獲得的信號,并將信號以圖形的形式顯示。2.根據權利要求1所述的設備,其特征在于,所述數據采集卡內包括:用于放大所述傳感器信號的放大電路和用于采集所述放大電路放大后信號的單片機。3.根據權利要求2所述的設備,其特征在于,所述放大電路采用LM358運放芯片。4.根據權利要求1所述的設備,其特征在于,所述設備連接USB充電接口。

說明書

技術領域

本實用新型涉及檢測設備,特別是指一種脈搏信號檢測與分析設備。?

背景技術

在醫學領域中,生物醫學參數的測試研究是醫學界和工程技術界都很關心的新興學科。運用近代傳感器測試技術來解決臨床診斷及實驗室研究多種參數的計量檢測,無論對于臨床診斷與監護還是對于醫學基礎研究,都具有極其重要的價值和意義。用傳感器測試技術來對脈搏信息進行定量分析,是目前國內外醫學專家普遍關注的課題之一。雖然目前已有的心血管診療儀器設備多種多樣,例如:比較成熟的技術有心電圖檢測.x光透視、CT掃描檢查、核磁共振、靜脈數字減影造影等,還有目前臨床應用較多的:超聲心動圖、放射性核素心血管造影(核素顯像)、心電機械圖、阻抗心動圖和阻抗微分波圖等,但這些手段要么操作復雜、費用昂貴,不容易反復進行檢查,要么獲得的診斷指標過少,對確診疾病作用有限,特別是當要全面了解對病人診斷治療非常重要的心臟血流動力學情況時,大部分體外檢測儀器都無能為力了,目前臨床只能采取體內插入式導管的檢測方法,但這種方法對病人是有著非常大的創傷和風險的,而且要求實施的意愿有相當高的技術與設備條件。?

因此,目前的信號檢測手段復雜、設備昂貴,不適合在家庭的老人獲得反映身體健康狀態參數。?

實用新型內容

有鑒于此,本實用新型在于提供一種脈搏信號檢測與分析設備,以解決上?述信號檢測手段復雜、設備昂貴,不適合在家庭的老人獲得反映身體健康狀態參數的問題。?

為解決上述問題,本實用新型提供一種脈搏信號檢測與分析設備,包括:采集人體脈搏信號的傳感器,所述傳感器連接采集感應信號的數據采集卡;所述數據采集卡連接計算機,所述計算機運算所述數據采集卡獲得的信號,并將信號以圖形的形式顯示。?

優選地,所述數據采集卡內包括:用于放大所述傳感器信號的放大電路和用于采集所述放大電路放大后信號的單片機。?

優選地,所述放大電路采用LM358運放芯片。?

優選地,所述設備連接USB充電接口。?

本實用新型中的設備,可提取脈搏信號,經過分析運算后,通過計算機設備顯示給用戶。用戶可通過計算機設備顯示的內容,判斷脈搏信號體現的身體健康情況。?

附圖說明

圖1是實施例中的設備結構框圖;?

圖2是運放芯片的結構圖;?

圖3是運放電路的邏輯框圖;?

圖4至圖7為不同的脈搏波動下的時域、頻域的信號分析后的示意圖。?

具體實施方式

為清楚說明本實用新型中的技術方案,下面給出優選的實施例并結合附圖詳細說明。?

如圖1所示,本實用新型中的設備,包括:采集人體脈搏信號的傳感器,?所述傳感器連接采集感應信號的數據采集卡;所述數據采集卡連接計算機,所述計算機運算所述數據采集卡獲得的信號,并將信號以圖形的形式顯示。?

數據采集卡包括:用于放大所述傳感器信號的放大電路和用于采集所述放大電路放大后信號的單片機。?

放大電路主要放大的是脈搏傳感器送來的低壓信號,而數據采集卡只對小于3.3v的電壓信號接收,根據以脈搏傳感器參數放大60倍就可以滿足數據采集卡的要求,選用LM358運放芯片。?

LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。如圖2所示的LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。注:電路放大倍數K=R1/R2+1。圖3為運放電路的邏輯結構示意圖。?

數據采集卡(DAQ),是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析,處理。數據采集系統是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。通常,必須在數據采集設備采集之前調制傳感器信號,包括對其進行增益或衰減和隔離,放大,濾波等對待某些傳感器,還需要提供激勵信號。本實施例中的采集卡的參數包括:?

Analog?Input:?

Converter?Type(轉換類型):????Successive?approximation?

Analog?Inputs(輸入規格):?????共4路輸入,4路可并行采集?

MAX?Sampling?Rate(最高采樣率)KS/s:????20KS/s每路。(所有通道的采樣?率相同,可通過相應的VI或函數設定,0-100K可以設定,1-20K比較標準,如果設定過高,如設定為100K或零K,它將以最高速度運行,這時候采集回來的時間基準會不標準)?

A/D?MAX?Resolution(分辨率)bits:????????????10bits?

AI?FIFO(存儲深度)bytes:????????????????????3Kbytes/channel?

Input?Range(輸入量程)V:????????????????????0-3.3V?

Input?Impedance(輸入阻抗)KΩ:??????????????40KΩ?

模擬輸入電容:??????????????????????????????1pF?

ED微分線性誤差:????????????????????????????±1LSB?

EL積分非線性度:????????????????????????????±2LSB?

EO偏移誤差:????????????????????????????????±3LSB?

EG增益誤差:????????????????????????????????±0.5%?

ET絕對誤差:????????????????????????????????±4LSB?

Analog?Output:?

Converter?Type(轉換類型):??????????????????Successive?approximation?

Analog?Outputs(輸入規格):??????????????????1路輸出?

Output?Resolution(輸出分辨率)bits:?????????10bits?

Maximum?update?rate(最大刷新率)Hz:?????????板卡最高為1MHZ?

Output?range(輸出量程)V:???????????????????0-3.3V?

Output?current?drive(輸出電流):????????????最大電流為700uA?

供電方式:?

1.USB直接供電,無須外部另外添加。(建議用此項。)?

2.外部電源供電方式:DC6.5V-DC12V(接口內針為正,建議直接使用USB?電源即可)?

通過上述采集卡采集的信號,可通過PC機進行分析處理,并顯示給用戶。?

“脈圖分析法”實際上是一種簡單的時域分析法,是將脈象信號時間波形(一般取其中一個周期)上的一些具有“明確”生理意義的“點參數”,如主波、重播前波等參數,作為描述和表征人體脈象的特征,并將這些特征與生理病理因素結合起來,就可能得到一些具有臨床診斷價值的結果。時域分析法具有直觀、臨床醫生容易接受等特點,但仍存在一些難以解決的問題:?

有些脈象信號的時域特征很難準確確定,仍要憑經驗估計,隨機誤差很大。?

時域脈圖法的特征參數很多,難以確定統一的標準。?

時域脈圖法往往是分析一個周期的波形特征,不能將脈搏所包含的全部信息利用起來,因為它僅僅建立在一個周期曲線的某些點上。?

頻譜分析是一種常用的處理波動信息的有效方法,近年來也用于脈搏信息和中醫脈象的研究。正如前面所提到的,許多不同種類的脈象信號在時域波形上區別甚小,在時域內難以對它們辨識,但是當把它們作頻域分析或更復雜的域處理時,其差異就比較明顯。?

通過PC機可進行頻域分析,首先確定脈搏信號采樣頻率,選擇合適的采樣頻率(滿族奈奎斯特采樣定理)可避免混疊現象,適當地提高頻率分辨率可減弱泄漏效應和柵欄效應對頻譜的影響。因此,在采樣時,需要根據信號的特點,合理地選擇采樣參數。?

根據采樣定理,要使模擬信號的采樣序列是唯一的,那么對一個頻帶的有限的模擬信號,其采樣頻率f必須大于或等于信號最高頻率fa必須大于或等于信號最高頻率fh的二倍,即?

fa≥2fh

一般取2-5倍,本系統取fa=5fh=10Hz。?

然后根據需要選定頻率分辨率。頻率分辨率fb取決于所選擇的信號長度(即取樣長度)tp,它們二者之間的關系為:?

f b = 1 t p ]]>

在采樣頻率一定的情況下,取樣長度tp越長,則頻率分辨率fb越小,所求得的頻譜結構越細致。對于脈搏這種較穩定的準周期信號而言,由于它的頻譜結構隨時間變化較小,所以時間分辨率低一些沒有多大關系,而應取較長的取樣長度tp以滿足高精度的頻率分辨率。故本文選取樣長度tp=5S(大約含8個脈搏周期),則頻率分辨為:?

fb=1/tp=0.2Hz。?

選定頻率分辨率之后,可根據?

N=fa/fb

來確定采樣點數N,即N=10/0.2=50。但我們后期的FFT變化需要的采樣點數應為2的n次方,所以決定采樣點數為128。?

脈搏信號的頻譜分析。脈搏信號X(t)先經過前端嵌入式系統轉換成數字信號x(n)并傳送到上位PC機上。然后計算瞬時頻譜:?

Sr(k)=F[W(n)·x(n)],(0≤n≤N-1,0≤k≤N-1)?

其中F[]表示離散傅立葉正變換,其運算過程中的正、逆變換關系為:?

X ( k ) = 1 N Σ n = 0 N - 1 x ( n ) · exp ( - j 2 πkn / N ) x ( n ) = Σ n = 0 N - 1 X ( k ) · exp ( j 2 πkn / N ) ( 0 ≤ n ≤ N - 1 ) , ]]>

W(n)為Hanning窗函數,即:?

W(n)=(1/2)·{1-CoS[2πn/(N-1)]},0≤n≤N-1?

所以功率譜為:?

S γx ( x ) = S γ ( ) ‾ · S γ ( ) ‾ = | S γ ( k ) | ‾ 2 ( 0 ≤ k ≤ N - 1 ) ]]>

其中?為Sr(k)的共軌復數。FFT運算的參數設置如下:?

采樣頻率f=10Hz?

取樣長度T=5s?

采樣點數N=128?

最后獲得脈象功率譜圖。計算過程用快速傅立葉變換(FFT),在上位機上進行。最后獲得的時域、頻域的功率譜圖的示意圖可參見圖4至圖7。?

通過上面幾個樣本的監測與分析,我們可以看出來每個人的脈搏狀態是不一樣的,單從時域波形圖上我們可以看出脈搏在5秒內跳動的次數、脈搏的跳動幅度和計算出脈搏的跳動頻率,但是有時脈搏的跳動會因為外界的變化而有一定的變化,但從頻譜圖中我們直接看出人們的大部分脈搏的功率譜分布在0~30Hz,則可分析得知脈搏是屬于低頻信號,通過FFT變化后的圖形是對稱的,所以我們只需分析左半部分圖形,從圖形我們可以看出脈搏信號功率譜的趨勢是隨著頻率的升高,相應諧波的幅值是單調下降的。在實際測量中,可以測得多個諧波,通過諧波分析,可以得到各諧波的幅頻特性,而正是各諧波的幅值不同決定了脈搏波在時域上的形態不同。高次諧波由于幅值較小,往往與噪聲?混疊在一起,可以忽略。也就是對應的諧波幅值的各種不同來分析相對應時域波形的區別,這些我們是在時域波形上不好分析的,而進一步來確定我的脈搏是否有問題。也可以通過進一步的計算,可以得到各脈搏波功率譜的諧波個數及各諧波峰值,這些都是診斷各種疾病的重要參數。?

對于本實用新型各個實施例中所闡述的設備,凡在本實用新型的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本實用新型的保護范圍之內。?

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