[發明專利]一種心率及身體狀態監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201110174039.1
• 申請日: 2011-06-24
• 公開（公告）號: CN102302361A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 楊丹;王旭;徐彬;蔣芳芳;呂軼;雷紅緯;劉巖;宣楊;邢巖
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: A61B5/0205
• 分類號: A61B5/0205;A61B5/11
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

1.一種心率及身體狀態監測裝置，將傳感器安裝在腰帶上，其特征在于：該監測裝置包括：數據采集模塊、FPGA控制模塊和DSP數據處理模塊；

所述數據采集模塊包括傳感器電路、模擬放大濾波電路和A/D轉換電路，其中傳感器電路包括一個固定腰帶里的電阻應變式傳感器和一個三軸加速度傳感器，固定腰帶里的電阻應變式傳感器用于監測心臟跳動引起的體動信號，主要用來監測心率；三軸加速度傳感器用來監測身體狀態變化引起的體動信號；模擬放大濾波電路包括前置放大電路、隔直電路、陷波電路、低通濾波電路及三級放大電路，前置放大電路的輸出端接至隔直電路的輸入端，第一級放大電路的輸入端與隔直電路輸出端相連接，第一級放大電路輸出接至陷波電路輸入端，陷波電路輸出端接至第二級放大電路輸入端，第二級放大電路輸出接至低通濾波電路輸入端，低通濾波電路輸出端再接至陷波電路輸入端，陷波電路輸出端接至后級放大電路輸入端；

所述FPGA控制模塊包括電源電路，無線通信模塊，SD存儲接口，LCD，按鍵、開關和LED顯示；

所述DSP數據處理模塊包括JTAG接口電路、SRAM存儲電路和DSP與FLASH連接電路；

所述傳感器電路中的電阻應變式傳感器輸出端連接至模擬放大濾波電路輸入端，模擬放大濾波電路輸出端連接至一個A/D轉換電路輸入端，三軸加速度傳感器的三個輸出端分別連接至三個A/D轉換電路輸入端，四個A/D轉換電路的輸出端連至FPGA控制模塊的GPIO，FPGA控制模塊通過GPIO與DSP數據處理模塊I/O輸入端相連，FPGA通過串口外接通信模塊，FPGA與SD卡通過SD存儲接口連接。

2.采用權利要求1所述的心率及身體狀態監測裝置監測心率及身體狀態的方法，其特征在于按如下步驟進行：

步驟一：采集信號，首先為受試者配帶上心率及身體狀態監測裝置，當受試者心率和身體狀態發生改變時，傳感器采集由此產生的體動信號，并轉換為交流電壓輸出；

步驟二：轉換信號，經電阻應變式傳感器輸出的信號經過模擬放大濾波電路處理后，同三軸加速度傳感器輸出的信號分別輸出至四個A/D轉換電路轉換為數字信號輸出至FPGA中；

步驟三：信號預處理，FPGA采集A/D轉換電路輸出的體動信號，對采集到的信號進行濾波，將濾波后的信號輸出至DSP；

步驟四：心率及身體狀態監測，DSP模塊進行體動信號的處理，計算心率并判別身體狀態，所得到的數據反饋到FPGA，FPGA將數據存儲在SD卡中，并在LCD上實時顯示體動信號波形，FPGA根據DSP反饋的信息，將數據通過串口外接通信模塊發送給監護中心工作站。

3.根據權利要求2所述的心率及身體狀態監測方法，其特征在于：所述步驟四中，DSP模塊對體動信號處理，計算心率是DSP模塊對體動信號進行濾波、J波群檢測、心動周期計算，從而計算心率，計算心率具體方法如下：

步驟1：選擇合適小波基，確定分解尺度，對采集的體動信號進行尺度分解；

步驟2：確定閾值函數，對體動信號進行小波去噪；

步驟3：利用小波模極大值提取局部極值點，局部極值點位置記為J1；

步驟4：選取單調上升幅度閾值，具體地：任選t為幅度的分割閾值，所取的上升沿幅度個數占所有上升沿個數的比例為w₀，平均幅值為μ₀；去除的幅度個數占所有上升沿個數的比例為w₁，平均幅值為μ₁；信號的總平均上升沿幅度的平均值為：μ＝w₀×μ₀+w₁×μ₁，從最小上升幅度值到最大上升幅度值遍歷t，當t＝t₁，使g＝w₀×(μ₀-μ)²+w₁×(μ₁-μ)²最大時，t₁即為最佳的幅度分割閾值；

步驟5：判斷J1中的點的幅值是否大于閾值t₁，將大于閾值的點保存到J2中；

步驟6：確定J波中心點的位置；

步驟7：計算心率，利用這些J波的中心點位置計算一個平均周期即心動周期，心動周期的倒數就是所求心率，J為J波中心點對應的采樣序數，

心率＝60/心動周期???(3)。

4.根據權利要求2所述的心率及身體狀態監測方法，其特征在于：所述步驟四中，DSP模塊進行體動信號處理，判別身體狀態的方法按如下步驟進行：

步驟1：計算加速度能量和E，并判定身體所處方向；

身體處于一個三維立體空間中，坐標軸x、y、z滿足右手定則，z軸與x軸、y軸相互正交于原點，身體所在平面平行于z軸方向定義為垂直方向，垂直于z軸方向定義為水平方向，

三軸加速度能量變化和E的定義：

Energy=Σn=1T×fs(xac′(n))2+(yac′(n))2+(zac′(n))2---(2)]]>

其中x′_ac(n)、y′_ac(n)、z′_ac(n)表示三軸加速度x軸、y軸、z軸在采樣點n時輸出變化量，T為求和的時間長度，fs表示三軸加速度輸出采樣率；

判定身體所處方向(處于垂直或水平狀體)的方法如下：當人在站立或行走時在z軸的加速度值約為g，x軸、y軸的加速度值接近于0，全局加速度方向平行于z軸；當身體在平臥時，在z軸方向上的加速度值將會減小接近于0，而x軸和y軸中的一個軸的加速度值約為g，由于重心偏離，全局加速度方向發生改變，因此計算全局加速度與z軸夾角φ來判別身體狀態，如果φ＜20°，或φ＞160°，判定身體處于垂直狀態，否則20°＜φ＜160°時，判定身體處于水平狀態；

φ(n)=zdc′(n)(xdc′(n))2+(ydc′(n))2+(zdc′(n))2---(4)]]>

其中φ(n)第n時刻全局加速度與z軸夾角，x′_dc(n)、y′_dc(n)、z′_dc(n)表示三軸加速度x軸、y軸、z軸第n時刻輸出的直流分量；

步驟2：根據判定的身體所處方向和三軸加速度能量和E，確定身體狀態。