人體心臟跳動沖擊力檢測系統的制作方法

本發明涉及心臟檢測技術領域，特別是一種人體心臟跳動沖擊力檢測系統。

背景技術：

目前，心臟功能檢測方法主要包括心率、心輸出量等心臟功能指標的檢測，對心臟力學性能的檢測方法還是很少的，且不夠成熟。而臨床上常用的心臟功能檢測有創傷性和無創傷性兩大類。

有創傷性檢查包括心血管造影，心臟插管血流動力學檢測染料稀釋法，電磁流量計法等。優點是數據準確，可靠；缺點是有創傷，設備和技術條件要求高。如冠狀動脈造影術會有一定的死亡率和病發癥(如心肌梗死、血管或心臟穿破或惡性心律失常等)。

無創傷性心功能檢查,包括心電圖,心音圖,頸動脈搏動圖,心尖搏動圖。這4個合稱心電機械圖，此外還有超聲心動圖,心阻抗圖,心前區阻抗圖及各種型號的多導生理儀等。優點是無創傷,無痛苦,簡單方便,準確迅速.缺點在于不及有創傷性心功能準確。但目前的儀器經過微機處理,與有創傷性檢查準確程度接近了,很受醫生和病人的歡迎.但是心電圖、心阻抗圖、超聲心沖擊圖和心音圖的檢測需要將傳感器直接放置在檢測對象的相應部位，與人體發生直接接觸，會有束縛，使檢測對象產生心理負擔，很難保證人體機能的自然性，因此導致心功能檢測結果與檢測對象的實際情況出現偏差。并且這些檢測方式由于受到設備本身結構的限制，很難實現長時間的心臟檢測和日常監護，造成心臟疾病的漏檢；同時，檢測對象的大幅運動也會導致傳感器的脫落或損傷等問題。

綜上可知，現有的心臟功能檢測方式，無論是創傷性還是無創傷性檢測，都會對患者造成影響而且不適于長期監測，目前臨床上還未出現無創的心沖擊檢測系統。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述問題，設計了一種人體心臟跳動沖擊力檢測系統。

實現上述目的本發明的技術方案為，一種人體心臟跳動沖擊力檢測系統，該系統包括：

傳感器：用于檢測心臟跳動的沖擊力度；

前置級處理模塊：與傳感器的信號輸出端連接，并對傳感器采集的信號進行初步處理；

信號離散化模塊：與前置級處理模塊的信號輸出斷連接，并對前置處理的信號進行進一步加工；

信號傳輸模塊：與信號離散化模塊的信號輸出端連接，并將離散后的信號向外傳輸；

信號處理主機：接收信號處理模塊發出的離散的信號，并處理從而顯示人體實時心臟跳動沖擊力的標量圖和顯示實時的心率情況的信號后期處理部分。

所述傳感器為壓電薄膜式傳感器，其信號端口通過導線與前置級處理模塊的信號輸入端連接。

所述前置級處理模塊是由電荷放大器、與電荷放大器信號輸出端通過導線連接的低通濾波器、與低通濾波器信號輸出端通過導線連接的電壓放大器以及通過導線與電壓放大器輸出端連接的電壓抬升電路共同構成的。

所述壓電薄膜式傳感器的信號端口引出兩根傳輸導線，一根接地另一根與電荷放大器輸入端相接。

所述電荷放大器是由1個ca3140放大器、1個1nf的瓷片電容和1個100mω電阻依次通過導線連接組成的電路。

所述信號離散化模塊是將連續信號離散化的msp430單片機。

所述信號傳輸模塊為藍牙模塊。

所述信號處理主機為臺式電腦。

信號采集模塊：采用壓電薄膜傳感器，當你拉伸或彎曲一片壓電薄膜，薄膜上下電極表面之間就會產生一個電信號，并且同拉伸或彎曲的形變成比例，在縱向施加一個很小的力時，橫向上會產生很大的應力，而如果對薄膜大面積施加同樣的力時，產生的應力會小很多。因此，壓電薄膜對動態應力非常敏感。由于形變產生的電荷會從與薄膜連接的電路流失，所以壓電薄膜并不能探測靜態應力。薄膜只感受到應力的變化量，最低響應頻率可達0.1hz。基于壓電薄膜傳感器的特殊工作原理電路中傳輸的電信號僅包含心跳、呼吸等人體器官動作產生的微弱信號。

前置級處理模塊：由傳感器采集到信號包含心臟跳動信號、呼吸信號以及其他各種器官跳動所產生的信號，且采集到的信號十分微弱其幅值變化范圍位于毫伏級不易后期處理與計算，故而設計前置處理機去除噪音并將信號幅值放到的合適范圍方便后續處理。

信號離散化處理模塊：經過上述模塊處理后的信號是模擬量信號在直觀上利于觀看與研究但在傳輸過程中存在較大困難，因而運用離散化模塊將信號離散為數字信號傳輸到電腦上。

信號傳輸模塊：在外部電路上獲得數字信號需要傳輸到電腦上進行進一步處理，考慮到電磁的生物效應問題與設備的使用性等問題，我們在設備上加用了藍牙傳輸模塊，將處理器電腦和信號采集與前置級分開，既保證了設備的靈活性又是人體避免了長時間的電腦輻射。

信號后期處理模塊：處理后的信號僅為一些離散的數據點，處理模塊將它們轉化為直觀地心臟沖擊掃描圖線，并通過我們特殊的算法轉化為實時變化的心率。具體算法詳見系統軟件設計。

利用本發明的技術方案制作的人體心臟跳動沖擊力檢測系統，使得進行人體生理體征的非接觸檢測成為可能，而且整個系統價格低廉，便于安裝，穩定性較高。該系統檢測結果準確，檢測過程與人體無直接的接觸，對檢測者無創傷，無束縛，無輻射。

附圖說明

圖1是本發明所述人體心臟跳動沖擊力檢測系統的連接結構示意圖；

圖2是本發明所述人體心臟跳動沖擊力檢測系統的整體電路圖；

圖3是本發明所述前置級處理模塊的連接結構示意圖；

圖4是本發明所述電荷放大器的電路圖；

圖5是本發明所述低通濾波器的電路圖；

圖6是本發明所述電壓放大器的電路圖；

圖7是本發明所述電壓抬升電路的電路圖；

圖中，1、傳感器；2、前置級處理模塊；3、信號離散化模塊；4、信號傳輸模塊；5、信號處理主機；6、電荷放大器；7、低通濾波器；8、電壓放大器；9、電壓抬升電路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行具體描述，如圖1-7所示，一種人體心臟跳動沖擊力檢測系統，該系統包括：

傳感器1：用于檢測心臟跳動的沖擊力度；

前置級處理模塊2：與傳感器的信號輸出端連接，并對傳感器采集的信號進行初步處理；

信號離散化模塊3：與前置級處理模塊的信號輸出斷連接，并對前置處理的信號進行進一步加工；

信號傳輸模塊4：與信號離散化模塊的信號輸出端連接，并將離散后的信號向外傳輸；

信號處理主機5：接收信號處理模塊發出的離散的信號，并處理從而顯示人體實時心臟跳動沖擊力的標量圖和顯示實時的心率情況的信號后期處理部分。

其中，所述傳感器1為壓電薄膜式傳感器，其信號端口通過導線與前置級處理模塊的信號輸入端連接；所述前置級處理模塊2是由電荷放大器6、與電荷放大器信號輸出端通過導線連接的低通濾波器7、與低通濾波器信號輸出端通過導線連接的電壓放大器8以及通過導線與電壓放大器輸出端連接的電壓抬升電路9共同構成的；所述壓電薄膜式傳感器的信號端口引出兩根傳輸導線，一根接地另一根與電荷放大器輸入端相接；所述電荷放大器6是由1個ca3140放大器、1個1nf的瓷片電容和1個100mω電阻依次通過導線連接組成的電路；所述信號離散化模塊3是將連續信號離散化的msp430單片機；所述信號傳輸模塊4為藍牙模塊；所述信號處理主機5為臺式電腦。

在本技術方案中，壓電薄膜傳感器：將傳感器平鋪固定于坐墊中，引出兩根傳輸線與外部電路連接，一根接地另一根與電荷放大器輸入端相接。測量時人體正常在坐墊上防止大幅度運動，此時傳感器自動采集人體信號并將信號傳輸到前置處理級。

電荷放大器：將傳感器電容中的電荷量變化轉化為電壓變化，輸出給下一級。電荷放大器是一個有源元件，由1個ca3140放大器、1個1nf的瓷片電容和1個100mω電阻組成，輸出信號的變化范圍位于毫伏級。

低通濾波器：我們知道人體正常的心率在60-100次/分鐘，其頻率為1-1.7hz，由于工頻干擾的普遍存在和人體其他器官跳動產生的噪聲存在，設計低通濾波器將噪音濾除，包含1個op27放大器、2個360kω電阻、2個10kω電阻和2個瓷片0.1uf電容。上一級傳輸過來的信號經過此電路處理后信號中僅包含bcg信號，擁有較高信噪比，可以較完好的濾除工頻干擾，避免了再次設計陷波電路減少了元器件的使用，降低了電路功耗和電路間的噪音干擾。

電壓放大器：上一級傳輸過來的信號幅值范圍位于毫伏級，信號微弱在傳輸過程和計算過程中存在困難，故而需要將信號幅值范圍放大到合適的范圍，考慮到芯片的工作電壓范圍故信號變化范圍要在放大器的工作電壓范圍內，避免失真現象發生。電壓放大器包括的元器件有1個op27放大器、1個500kω滑動變阻器和2個10kω電阻。

電壓抬升電路：經由上述模塊傳輸過來的信號由于電氣元件特性導致其數值得分布僅存在負數值，因為msp430單片機的工作電壓在0-3.3v之間，所以設計電壓抬升電路將信號所有數值提升到0值以上變化。電壓抬升電路的組成元器件有：1個op27放大器、1個10kω電阻、1個50kω滑動變阻器和2個2kω電阻。

信號離散模塊：信號離散模塊用msp430單片機將連續信號離散化，采樣頻率為1000hz。

信號傳輸模塊：信號傳輸模塊采用hc06作為從模塊將msp430單片機處理后的信號發送給上位機，hc05作為主模塊接收從模塊發來的離散數據，保證了信號傳輸的穩定性和快速性。

本技術方案利用msp430單片機的a/d轉換功能，將得到的模擬信號轉換為離散信號，采樣頻率為1khz，將a/d轉換后的12位離散數據分成高四位和低八位通過藍牙發送給上位機，上位機利用matlab中gui串口通訊助手接收下位機藍牙發送的數據，利用matlab中的findpeaks函數找出數據中的峰值點，利用兩峰值點的距離n,得到心率為60*n/1000，為了保證心率的準確性，將算的20個心率值求平均得到最終的心率值。

本技術方案的特點是我們的系統使用的信號為心臟沖擊掃描波，測量部分使用市場上新出現的壓電薄膜傳感器，采集人體的bcg信號作為信號源，與常規的心電檢測測試方法相比：

在測量方法方面：傳統方式是心電測量或通過測血氧飽和度的方法來計算心率。心電測量利用電極采取人體的心電變化規律分析心臟的工作情況，由于電極的存在，在數據采集的過程中人的束縛性較大，不能進行長時間持續的測量，而不能在突發心臟問題發生時發揮作用。而在測量血氧飽和度時，需要佩戴特殊裝置，約束被測者自身的行為。而我們的系統可以滿足測試者正常生活的需求，測試者在工作、休息的同時可以測量自己心臟跳動情況，真正實現無束縛。

在電氣原理和安全性問題方面：使用者使用其他電氣元件時，心電測量會受到電氣元件的電場或磁場的影響，而血氧飽和度的測量并非是自身信號的采集，而是需要外加刺激，在測量中安全問題應該考慮由于bcg信號是人體自身心臟的機械泵血能力，并能根據頻率的不同將bcg信號與其他生理信號區分，所以硬件電路和數據的分析更加的簡單。

在數據存儲方面：我們系統的設計能夠將采集到的數據進行存儲，并能夠在需要的時候調出，生成波形并算出心率，為醫生的診斷提供依據。

測試方法：用示波器將硬件處理后的波形顯示出來，并與標準bcg信號進行比對，能夠看出明顯的j波(類似于ecg的r波)。并觀察不同的人得出不同的bcg波，觀察個體差異。在測量數據的同時記錄脈搏跳動的個數，并將兩個數據進行比對，求得計算心率和脈搏跳動次數的誤差，并不斷完善程序，得到更好的效果。

上述技術方案僅體現了本發明技術方案的優選技術方案，本技術領域的技術人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現了本發明的原理，屬于本發明的保護范圍之內。