專利名稱：心臟力學功能檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及心臟功能檢測的醫療設備領域，尤其是涉及ー種心臟力學功能檢測系統。
背景技術：
目前，心臟功能檢測方法主要包括對心率、心輸出量等心臟功能指標的檢測，對心臟的力學性能檢測的方法還是少之又少。常用心臟功能檢測的方式通常分為創傷性檢測和無創傷性檢測兩大類。創傷性檢測方式包括心臟導管技木，例如冠狀動脈造影術；另外，還有FICK氧消耗量法、Swan-Ganz導管及熱稀釋法。上述創傷性檢測方式均會對檢測對象造成較大傷害，如冠狀動脈造影術會有一定的死亡率和并發癥(如心肌梗死、血管或心臟穿破或惡性心率 失常等)；FICK氧消耗量法則需要采集檢測對象的靜脈血和動脈血的樣本，不能多次重復檢查。無創傷性檢測方式包括心電圖、心阻抗圖、超聲心沖擊圖、心音圖、放射性核素顯影、X射線計算機斷層成像(X-CT)和磁共振斷層掃描(MRI)等，雖然上述檢測方式無危險性可重復檢查,但是心電圖、心阻抗圖、超聲心沖擊圖和心音圖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，因此易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；同吋，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。放射性核素顯影、X射線計算機斷層成像(X-CT)和磁共振斷層掃描(MRI)檢測方式對檢測對象會有一定的輻射危害，并且價格相對昂貴。脈搏波是家庭中常用的心血管功能無創檢測方法，包括壓電法和光電法。壓電法使用壓敏元件，通過測量血液循環引起的血管壁變形和振動，提取脈搏波信號。它需要將壓敏元件以適當的緊固カ固定在測量脈搏波的部位上，緊固カ的不同會造成脈搏波信號有差另IJ。光電法使用光敏元件測量血管容積脈搏波，通常將光電式脈搏傳感器夾在人體指尖，但是強光環境會影響測量結果的正確性，另外當人體手指溫度過低導致指尖處動脈血流減少也可使測量不準。綜上可知，現有的心臟功能檢測方式，無論是創傷性檢測還是無創傷性檢測，均會對患者造成影響且不適于長期檢測，并且臨床上尚未有可無創檢測心臟力學特性的系統。心臟射血造成的重力變化信號在醫學上稱作心沖擊信號(Ballistocardiogram,BQaノ。Gonzcilez 4在 Proceedings of the 29th Annual International Conference ofthe IEEE EMBS(第29屆國際電子電エ協會生物醫學年會)上發表Heart Rate Detectionfrom an Electronic Weighing Scale (利用電子秤檢測心律)，該文中提出利用電子體重計測量BCG信號，并從信號中計算得到心率，檢測誤差為±0.6次/分；但是人很難保持一個固定的站立姿勢較長時間，身體的不自覺移動或顫動會對BCG信號產生很大的影響，另外他們的工作也僅僅局限于獲得心率而已。Koivistoinen等在Proceedings of the 26thAnnual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biologysociety (第26屆國際電子電エ協會生物醫學年會)上發表A new method for measuringthe ballistocardiogram using EMFi sensors in a normal chair(利用在普通椅子上的壓電薄膜進行心沖擊圖檢測的新方法)。文中提出在椅子的靠背和坐墊上安裝壓電薄膜(EMFi)傳感器，測量這兩處的壓カ變化獲得BCG信號。但是在椅子靠背的心沖擊圖信號受呼吸影響很大，而且BCG信號主要集中在豎直方向，所以靠背上傳感器得到的BCG信號的穩定性和可靠性較差。在坐墊上的壓電薄膜傳感器，它輸出的壓カ信號受人坐的位置和面積及負載影響；另外壓電薄膜傳感器輸出的信號不能直接換算出壓カ的大小，需要另ー個壓力傳感器同時進行校正。本發明克服了上述兩者的缺點，設計了均勻分布三個及以上壓カ傳感器組成的壓力傳感器平臺，一方面均勻分布的三個及以上的壓カ傳感器減少了平臺自身在測量時的振動，另一方面三個及以上壓カ傳感器的輸出信號按照極性并聯在一起，輸出信號是各個傳感器信號的平均可以減少測量時的噪聲。測量時檢測對象放松和平穩呼吸坐于或站于壓カ傳感器平臺上，系統便可檢測到心沖擊信號并顯示出來，本系統獲得的信號信噪比高，檢測信號具有較強的穩定性和重復性。

發明內容
針對上述問題，本發明解決的技術問題在于提供一種心臟力學功能檢測系統，該系統檢測結果準確，采集系統與人體無直接接觸，并且對檢測對象沒有創傷、無輻射。本發明心臟力學功能檢測系統，其特征在于，含有心沖擊圖檢測裝置、信號處理裝置、采集裝置以及人機交互裝置，其中心沖擊圖檢測裝置，是ー個應變式壓カ傳感器平臺，由兩塊平行的板以及連接在所述兩塊互相平行的板之間且等間距分布的至少三個所述應變式壓カ傳感器構成，各個所述應變式壓カ傳感器產生的差模信號按接ロ極性互相并聯，差模信號幅度為IOmV ；信號處理裝置，由依次串聯的前置放大模塊、隔直電路模塊、低通濾波放大模塊構成，其中前置放大模塊，由兩個輸入端并聯的儀表放大器AD620構成，輸入為所述并聯連接的至少三個應變式壓カ傳感器輸出的差模信號，其放大倍數為100倍，隔直電路模塊，是ー個阻容式ー階高通濾波器，截止頻率為0. 05Hz，輸入為所述前置放大模塊輸出的放大100倍的差模信號，輸出為頻率在0. 05Hz以上的檢測對象的心沖擊
信號，低通濾波放大模塊，由放大倍數為500的所述儀表放大器AD620和集成的八階低通濾波芯片MAX295串聯構成，輸出截止頻率為100Hz，信噪比為34dB，變化區間為O 5V的心沖擊信號；采集裝置，是ー個自帶ADC的單片機S3C2440，輸入為所述低通濾波放大模塊輸出的心沖擊信號，輸出的IXD信號輸入到VGA接ロ板并同時由RS-232串行接ロ輸出；
人機交互裝置，由所述VGA接ロ板和觸摸屏顯示器串接構成，所述VGA接ロ板是一個友善之臂模塊LCD2VGA，輸入為所述采集裝置輸出的LCD信號，所述VGA接ロ板輸出的LCD信號通過所述觸摸屏顯示器顯示心沖擊圖，其中所述觸摸顯示屏的操作界面控制所述采集裝置是否通過所述RS-232串行接ロ向外傳輸檢測數據。與現有技術相比，本發明提供的心臟力學功能檢測系統包括心沖擊圖檢測裝置、信號處理裝置、采集裝置、人機交互裝置；通過心沖擊圖檢測裝置將人體心沖擊圖信號轉化為電信號，信號處理裝置將心沖擊圖檢測裝置檢測的電信號進行處理傳給采集裝置，采集裝置完成數據信號的采集、發送；最后通過人機交互裝置顯示檢測結果；人機交互裝置提供操作界面為使用者查看、對比并存儲檢測結果 ，并可通過總線與其他終端連接；采集裝置提供總線與計算機連接、傳輸檢測數據。可以看出，本發明提供的心臟力學功能檢測系統采用無創傷和非直接接觸的檢測方式。檢測時，檢測對象只需要安靜平穩的坐在裝有心沖擊圖檢測裝置的平臺或站在裝有心沖擊圖檢測裝置的平臺上，便可以進行心臟力學功能檢測，不會對檢測對象造成心理負擔。檢測時檢測對象放松和平靜呼吸，可以保證檢測結果準確性，并且，無須將傳感器固定到肢體上，因而也不存在傳感器脫落、限制檢測對象活動范圍的問題。


圖I為本發明提供的心臟力學功能檢測系統具體實施例的技術原理圖；圖2為本發明提供的心臟力學功能檢測系統具體實施例的示意圖；圖3為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的三個壓カ傳感器組成的壓カ傳感器平臺的俯視圖；圖4為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的三個壓カ傳感器組成的壓カ傳感器平臺的立體圖；圖5為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的四個壓カ傳感器組成的壓カ傳感器平臺的俯視圖；圖6為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的信號處理電路原理圖。圖7為本發明采集的心沖擊圖信號與心電圖(ECG)的對比圖。附圖標記如下1，壓カ傳感器平臺，11，上板，12，壓カ傳感器，13，下板；2，信號處理電路，21，前置放大模塊，22，隔直電路模塊，23低通濾波放大模塊；3，采集裝置；4，人機交互裝置，41，VGA接ロ板，42,觸摸屏顯不器;5，支架;6,椅子,61,扶手,62,靠背,63,坐墊；7,機箱。
具體實施例方式本發明提供的心臟力學功能檢測系統，包括心沖擊圖檢測裝置、信號處理裝置、采集裝置和人機交互裝置；所述心沖擊圖檢測裝置人體心沖擊信號和重力信號同時轉化為電信號，將該電信號傳給所述信號處理裝置，該信號處理裝置將所述心沖擊圖檢測裝置檢測的電信號進行放大、隔直處理，去除檢測對象靜態重力信號，保留動態變化的心沖擊圖，再經過二次放大及低通濾波，得到的信號傳給所述采集裝置，所述采集裝置完成數據信號的采集、發送；通過所述人機交互裝置顯示檢測結果；同時所述采集裝置提供總線與計算機連接、傳輸檢測數據。優選地，所述心沖擊圖檢測裝置具體為壓カ傳感器平臺。
優選地，所述壓カ傳感器平臺上安裝有3個或者4個應變式壓カ傳感器。優選地，所述壓カ傳感器平臺安裝在椅子上，所述壓カ傳感器平臺與所述椅子坐墊緊密接觸。優選地，所述信號處理裝置包括前置放大模塊、隔直電路模塊、低通濾波放大模塊。優選地，前置放大模塊，由兩個輸入端并聯的儀表放大器AD620構成，輸入經并聯后連接的所述壓カ傳感器的差模信號，輸出端把所述差模信號放大100倍。優選地，隔直電路模塊，截止頻率為O. 05Hz，通過該模塊輸出O. 05Hz以上的信號，去除檢測對象的重力信號，并輸入到所述第二級放大器， 優選地，低通濾波放大模塊，采用AD620進行放大，放大倍數是500倍；低通濾波，采用集成的八階低通濾波芯片MAX295，所述MAX295輸入端和所述第三個AD620的輸出端相連，截止頻率為IOOHz，得到信噪比為34dB，變化區間為O 5V的信號；優選地，所述采集裝置為單片機；所述單片機自帶ADC，對信號處理裝置的輸出信號進行模數轉換；所述單片機提供RS-232串行接ロ與人機交互裝置連接，并通過所述人機交互裝置的操作界面控制是否向人機交互裝置傳輸檢測數據；所述采集裝置單片機提供控制低通濾波器截止頻率的PWM信號；所述單片機輸出LCD信號。優選地，所述單片機具體為三星S3C2440。優選地，所述人機交互裝置接ロ為VGA接ロ板。優選地，人機交互裝置，含有VGA接ロ板和觸摸屏顯示器，所述VGA接ロ板為友善之臂IXD2VGA模塊，輸入所述S3C2440輸出的IXD信號，輸出VGA信號到觸摸屏顯示器。所述觸摸屏顯示器具有操作界面；該觸摸屏顯示器安裝在角度可調的支架上。為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步的詳細說明。本發明的原理為血液在心血管循環過程中會對人體產生作用カ導致人體重力的微弱變化，通過測量重力信號的微弱變化來評價心臟力學功能。參考圖1，圖I為本發明提供的心臟力學功能檢測系統具體實施例的技術原理圖；同時參考圖2為本發明提供的心臟力學功能檢測系統具體實施例的示意圖。如圖I所示，本發明具體實施例提供的心臟力學功能檢測系統，包括壓カ傳感器平臺I、信號處理裝置2、采集裝置3、人機交互裝置4。壓カ傳感器平臺I將檢測對象的身體重力信號和心沖擊圖同時轉化為電信號，將該電信號通過屏蔽線傳給信號處理電路2，信號處理電路2將壓カ傳感器平臺I檢測的電信號進行放大、隔直處理，去除檢測對象的靜態重力信號，保留動態的心沖擊圖，再經過低通濾波放大，得到的信號傳給采集裝置3，采集裝置3完成數據信號的采集、發送至人機交互裝置4 ;最后通過人機交互裝置4的VGA接ロ板41連接的觸摸屏液晶顯示器42顯示檢測結果。另外，觸摸屏顯示器42除顯示實時檢測結果外，還能夠提供為操作者控制的操作界面，可増加或減少顯示信號的縱向幅度和橫向寬度，并可通過采集裝置3向計算機傳輸檢測數據。參考圖3和圖4，圖3為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的三個傳感器組成的壓カ傳感器平臺的俯視圖；圖4為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的三個傳感器組成的壓カ傳感器平臺的立體圖。更具體地，如圖3和圖4所示，壓カ傳感器平臺I包括相互平行的上板11、下板13以及與上板11、下板13連接的均勻分布的三個壓カ傳感器12。壓カ傳感器平臺I安裝在椅子6的坐墊63下方，椅子6具有靠背62和扶手61的椅子坐墊，壓カ傳感器平臺I與坐墊63緊密接觸。其中，壓カ傳感器12負責將施加在上面的壓カ信號變為電信號，其工作原理是用應變片搭建H橋，當檢測對象坐在壓カ傳感器平臺I上吋，檢測對象的重力會使得應變片的電阻會發生變化，從而產生兩個差模電信號(信號+，信號-)。由于對壓力傳感器12的動態性能要求較高，同時需要5V供電。綜合考慮了量程、性能、供電電源等參數，本實施例中選用三個壓カ傳感器12組成的穩定結構，其安裝方式如圖3和圖4所示，也可采用四個或多個傳感器實現，具體安裝形式不再一一說明。三個壓カ傳感器12的輸出差模信號按照極性分別并聯在一起，其連接方式見圖6，形成壓カ傳感器平臺I總的輸出差模信號(signal+，signal-)，幅度為IOmV左右，所以需要對輸出信號進行放大處理，信號放大處理通過信號 處理電路2實現，將在下文說明。圖5為本發明提供的心臟力學功能檢測系統中的四個傳感器組成的壓カ傳感器平臺的俯視圖，連接設置與三個傳感器組成的壓カ傳感器平臺相同，其中四個傳感器分布在平臺的四個對角。同時參考圖6，圖6為本發明提供的心臟力學功能檢測系統的電路連接圖。在本實施例中，信號處理電路2包括前置放大模塊21、隔直電路模塊22、低通濾波放大模塊23。如圖2和圖6所示，具體地，一級放大21包括兩個AD620(儀用放大器，適合用于差模信號的放大)。壓カ傳感器平臺I總的輸出差模信號(signal+，signal-)連接到第一個AD620的IN- (2腳)和IN+ (3腳)，其輸出端(6腳)得到放大_50倍的信號；壓力傳感器平臺I總的輸出差模信號(signal+, signal-)連接到第二個AD620的IN+(3腳)和IN-(2腳)，其輸出端(6腳)得到放大50倍的信號，兩個AD620輸出端得到了ー對新的差模信號(以2. 5V為中心)。然后，對得到的新的差模信號進行隔直處理，隔直電路22采用電容和電阻組成的ー階高通濾波器，高通的截止頻率設為O. 05Hz，從而保留檢測對象的有效動態心沖擊信號(>0. 05Hz)。第一個AD620輸出端(6腳)連接到有極電容Cl的陽極，第二個AD620輸出端(6腳)連接到有極電容C2的陰極，在電阻R4兩端輸出經過隔直的差模信號。隔直電路22的目的是去除檢測對象的靜態重量，只保留檢測對象的動態的心沖擊信號。之后，需要對信號進行ニ級放大23，使用第三個AD620。Cl陰極輸出接第三個AD620的IN-(2腳)，C2陽極輸出接第三個AD620的IN+(3腳)，第三個AD620輸出端(6腳)將輸入信號放大500倍，使信號已經達到采集的要求，此時，心沖擊圖的信號幅度已經滿足采集裝置要求。經過ニ級放大23后的信號需進行低通濾波24，以使噪聲減小，本系統使用了集成的八階低通濾波芯片(MAX295)。第三個AD620輸出端(6腳)連接到MAX295的IN端(14腳)，輸出在OUT端(11腳)。低通的截止頻率設為100Hz，具有很好的濾波效果，最后得到的輸出信號的信噪比可以達到了 34dB，效果顯著。
MAX2950UT端(11腳)輸出的0_5V的信號連接到采集裝置3 (自帶ADC的S3C2440芯片)的AIN2 ロ (R12腳)，利用S3C2440的ADC進行模數轉換。另外，在本實施例中，采集裝置3提供LCD輸出信號，輸送到VGA接ロ板；采集裝置3提供RS-232串行接ロ與計算機連接，并通過觸摸屏顯示器42的操作界面控制是否向計算機傳輸檢測數據；采集裝置3提供控制八階低通濾波器截止頻率的PWM信號。所使用的采集裝置3安裝在開發板上，開發板可滿足以上功能，而且方便實現更多的擴展功能。采集裝置3以及VGA接ロ板41安裝在機箱7內。并且，觸摸屏顯示器42安裝在角度可調的支架5上，可以很方便地調整觸摸屏顯示器42的傾斜角度，方便操作。本實施例中，VGA接ロ板41選用友善之臂IXD2VGA模塊，利用三星S3C2440單片機的IXD控制功能實現信號的實時顯示。三星S3C2440單片機在 完成接口和顯示屏控制的同時還可利用其強大的計算功能進行信號處理而且可以在上面運行用戶控制程序，從而為下一步的軟件設計提供了方便。此外，為了更好的實現心臟功能的檢測，在上述心臟力學功能檢測系統的硬件基礎上，開發了相關的嵌入式軟件。嵌入式軟件安裝在單片機控制裝置上，完成數據的采集、計算、顯示、存儲、傳輸功能，并實現觸摸屏顯示器42操作界面的顯示和按鍵控制。本實施例提供的心臟力學功能檢測系統的具體應用可以應用本發明提供的心臟力學功能檢測系統檢測到含心率和呼吸率等信息的心沖擊信號。本發明提供ー套無創心臟力學功能評價系統，對冠狀動脈性心臟病、主動脈瓣病變程度、心肌缺血和心力衰竭等心血管疾病具有輔助診斷作用，具有一定的臨床應用價值。本實施例提供的心臟力學功能檢測系統采用無創傷和非直接接觸的檢測方式進行心臟功能檢測，檢測對象只需要安靜平穩地坐在裝有壓カ傳感器平臺I的椅子上即可，不會對檢測對象造成損傷和心理負擔，檢測時檢測對象放松和平靜呼吸，可以保證檢測結果準確性，并且，無須將傳感器固定到肢體上，因而也不存在傳感器脫落、限制檢測對象活動范圍的問題，可實現心臟功能的長時間不間斷監測，為心血管疾病的臨床和亞臨床診斷提供依據。
權利要求
1.心臟力學功能檢測系統，其特征在于，含有心沖擊圖檢測裝置、信號處理裝置、采集裝置以及人機交互裝置，其中 心沖擊圖檢測裝置，是ー個應變式壓カ傳感器平臺，由兩塊平行的板以及連接在所述兩塊互相平行的板之間且等間距分布的至少三個所述應變式壓カ傳感器構成，各個所述應變式壓カ傳感器產生的差模信號按接ロ極性互相并聯，差模信號幅度為IOmV ;信號處理裝置，由依次串聯的前置放大模塊、隔直電路模塊、低通濾波放大模塊構成，其中 前置放大模塊，由兩個輸入端并聯的儀表放大器AD620構成，輸入為所述并聯連接的至少三個應變式壓カ傳感器輸出的差模信號，其放大倍數為100倍， 隔直電路模塊，是ー個阻容式ー階高通濾波器，截止頻率為O. 05Hz，輸入為所述前置放大模塊輸出的放大100倍的差模信號，輸出為頻率在O. 05Hz以上的檢測對象的心沖擊信號， 低通濾波放大模塊，由放大倍數為500的所述儀表放大器AD620和集成的八階低通濾波芯片MAX295串聯構成，輸出截止頻率為100Hz，信噪比為34dB，變化區間為O 5V的心沖擊信號； 采集裝置，是ー個自帶ADC的單片機S3C2440，輸入為所述低通濾波放大模塊輸出的心沖擊信號，輸出的LCD信號輸入到VGA接ロ板并同時由RS-232串行接ロ輸出； 人機交互裝置，由所述VGA接ロ板和觸摸屏顯示器串接構成，所述VGA接ロ板是ー個友善之臂模塊LCD2VGA，輸入為所述采集裝置輸出的LCD信號，所述VGA接ロ板輸出的LCD信號通過所述觸摸屏顯示器顯示心沖擊圖，其中所述觸摸顯示屏的操作界面控制所述采集裝置是否通過所述RS-232串行接ロ向外傳輸檢測數據。
全文摘要
心臟力學功能檢測系統，屬于心臟功能檢測設備領域，其特征在于，包括心臟力學信號——心沖擊圖檢測裝置、信號處理裝置、采集裝置以及人機交互裝置。心沖擊圖檢測裝置將含有人體心沖擊圖的重力信號轉化為電信號，傳給所述信號處理裝置，以將心沖擊圖檢測裝置檢測的電信號進行前置放大、隔直處理，去除檢測對象靜態重力信號，保留動態變化的心沖擊信號，再經過低通濾波放大，傳給所述采集裝置。采集裝置通過人機交互裝置顯示檢測結果，采集裝置提供總線傳輸檢測數據。檢測對象只需要安靜平穩地坐在裝有心沖擊圖檢測裝置的椅子或站在裝有心沖擊圖檢測裝置的平臺上，便可以進行心臟力學信號檢測，以保證檢測結果的準確性。
文檔編號A61B5/0205GK102688023SQ20121013515
公開日2012年9月26日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者唐勁天, 曹欣榮, 朱雪州, 蘇建偉, 郭虹 申請人:清華大學