加速度傳感器在心搏圖應(yīng)用中的設(shè)計(jì)探究
發(fā)布時(shí)間:2015-01-27 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】加速度傳感器一個(gè)亮點(diǎn)是健康醫(yī)療應(yīng)用。如果應(yīng)用環(huán)境中有大量的干擾信號(hào)與心搏圖信號(hào)具有相同的幅度、頻率、響應(yīng)順序,這時(shí)再加一個(gè)相同性能的加速度傳感器用于測量環(huán)境干擾信號(hào),然后補(bǔ)償?shù)綔y量數(shù)據(jù)中。
微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的加速度傳感器與陀螺儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航與游戲應(yīng)用,而此類傳感器的另一個(gè)亮點(diǎn)是健康醫(yī)療,當(dāng)前較流行的應(yīng)用是測量病人心臟性能的診斷設(shè)備,常用測量心臟功能是通過測量心電圖,這需要將一系列的電極連與人體接觸。
在心率監(jiān)護(hù)儀或者運(yùn)動(dòng)設(shè)備中,人們可以根據(jù)心電圖中的P-QRS-T波峰信息中的幅度和時(shí)序、或者只是R波峰的時(shí)序等信息,得到復(fù)雜的心電向量圖,典型的心電圖。如圖一所示。
圖1:心電圖中的P-QRS-T波形圖
心電圖可以給出很多的信息,如心臟的故障或疾病,身體的恢復(fù)狀態(tài),或者身體和心理的壓力狀態(tài)等等。但是心電圖不能很好的測量心臟的泵血功能與容量,另外,心電圖測量時(shí),那么多的電極夾在人體上,無形給被測量者壓力,從而也影響到測量的準(zhǔn)確性。幸運(yùn)的是有其他的方式測量心臟的功能,如超聲波測量儀和投影心搏圖,機(jī)械的投影心搏圖通常滯后30--40mS。
通過投影心搏圖,我們可以通過測量胸部的力和加速度,或者遠(yuǎn)程的心搏圖測量心臟的泵血活動(dòng)等,得出心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。利用心搏圖技術(shù),測量時(shí)不需夾戴任何器件,可以在每天的生活狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)測量,而且只需在人體直立單軸方向進(jìn)行測量就足夠了,因?yàn)檫@是血液流動(dòng)的主要方向。
投影心搏圖為醫(yī)療預(yù)言提供全局性分析依據(jù),如探測身體或精神壓力,或者早期探測冠心病等。如圖2中信號(hào)的振幅,可以測量出心臟的每搏量及其變異性,從時(shí)序可以看出心臟的整體功能以及心率與其變異性。搏量變異性可以很容易地監(jiān)測呼吸與心率變異性,從而估計(jì)康復(fù)狀態(tài)和病人的壓力狀態(tài)。圖二中的I波與IJ波幅度可以用于評(píng)估某些疾病,如主動(dòng)脈瓣膜病,冠狀動(dòng)脈疾病,以及分析預(yù)期壽命等。
圖2:投影心搏圖波形
當(dāng)用加速度傳感器測量投影心搏圖數(shù)據(jù),主要的挑戰(zhàn)在于加速度信號(hào)水平相對(duì)于傳感器本身與環(huán)境的噪聲非常低,以及頻率響應(yīng)與機(jī)械諧振等的影響。從病床上測量投影心搏圖數(shù)據(jù)可以測量睡眠活動(dòng)、身體條件和康復(fù)狀態(tài)等,這樣不需要任何電極安裝在病人身體上,不會(huì)影響病人的舒適度、也不會(huì)干擾睡眠。這類的測量可以應(yīng)用于監(jiān)測人們因身體可心里引起的睡眠問題,以及監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化訓(xùn)練效果、避免過度訓(xùn)練。
在最近的一項(xiàng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,村田的工程師們分析了病人在病床上的活動(dòng),并分離出了心搏圖數(shù)據(jù),心搏圖數(shù)據(jù)如圖3,從中可以看到床的諧振影響到信號(hào),且隨時(shí)間衰減。而可靠的測量信號(hào)在10mg范圍,這需要加速度傳感器的分辨率特別的高,適合此應(yīng)用的傳感器之一是村田的SCA61T,其噪聲密度大約是14μg/√Hz。
圖3:利用村田加速度傳感器SCA61T采集到的心搏圖波形圖原始數(shù)據(jù)
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通過先進(jìn)的濾波算法,可以從病床的諧振與噪聲中分離出心搏圖數(shù)據(jù),如圖4估算出的心率和搏量,其中的血搏量是不帶單位的數(shù)據(jù),它需要進(jìn)行標(biāo)定才能等到一個(gè)絕對(duì)值。圖4中的搏量變異性估算得相當(dāng)準(zhǔn)確,它可以用于估算呼吸率。
圖4:估算的搏量
圖4中的點(diǎn)與點(diǎn)之間的時(shí)間就是心臟跳動(dòng)的時(shí)間,心率及心率變異性可以從中計(jì)算出來,如圖5。村田的工程師也在電子稱上使用SCA61T測量出相同的心搏圖數(shù)據(jù),當(dāng)然,在電子稱上因?yàn)槿说倪\(yùn)動(dòng),噪聲更大,如圖六。
圖5:從病床上采集到的心率及其變異性等數(shù)據(jù)
圖6:從電子稱上采集到的心率及其變異性等數(shù)據(jù)
村田的硅MEMS技術(shù)傳感器結(jié)合了最好的功能、性能、最小的尺寸和最先進(jìn)的加工工藝,上面使用的SCA61T加速度傳感器使用厚的硅晶片,抗振性可以達(dá)70,000g,傳感器采用單晶硅結(jié)構(gòu),不在存在任何的機(jī)械遲滯和塑性變形。其穩(wěn)定的電容性測量原理,可以用于測量高動(dòng)態(tài)測量,傳感器具有卓越的信噪比。
圖7:加速度傳感器傳感單元結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)著手設(shè)計(jì)基于心搏圖方法的心臟監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),需要考慮加速度傳感器要有極低的噪聲密度,如SCA61T噪聲密度僅14μg/√Hz,也就是它的分辨率可以達(dá)到1mm/S2。另外,避免不必要的諧振頻率也是很關(guān)鍵的,如一些機(jī)械振動(dòng),所以傳感器需要控制頻率響應(yīng),如村田的加速度傳感器通過機(jī)械阻尼控制頻率響應(yīng)。最后需要考慮的是,還要有先進(jìn)的信號(hào)濾波算法將有用的信號(hào)從多種干擾信號(hào)中分離出來,村田為此方案提供相應(yīng)的濾波算法。
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