基于压电电缆传感器的心率测量与反馈系统设计
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第４２卷第１期２０１９年２月
电子器件
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ
Ｖｏｌ ４２㊀Ｎｏ １Ｆｅｂ.２０１９
项目来源:国家自然科学基金项目(６１３０６１３８)ꎻ江苏高校品牌专业建设工程项目(ＴＡＰＰ)ꎻ江苏省高等学校大学生实践创新训
练计划项目(２０１７１０３０００２１Ｚ)
收稿日期:２０１８－０３－２１㊀㊀修改日期:２０１８－０４－１８
ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｅａｒｔＲａｔｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＦｅｅｄｂａｃｋＳｙｓｔｅｍ
ＢａｓｅｄｏｎＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣａｂｌｅＳｅｎｓｏｒ∗
ＺＨＡＮＧＪｉａｈｏｎｇ１ꎬ２ꎬ３∗ꎬＰＡＮＺｈｏｕｇｕａｎｇ３ꎬＬＩＭｉｎ１ꎬ３ꎬＣＨＥＮＨｕ３ꎬＬＩＵＭｉｎ３
(１.ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ
Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＪｉａｎｇｓｕＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｎＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ
ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００４４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００４４ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｂａｓｉｃｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙꎬｈｅａｒｔｒａｔｅｒｅｆｌｅｃｔｓｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｈｕｍａｎｈｅａｌｔｈ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅａｌ￣ｔｉｍｅａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｈｅａｒｔｒａｔｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬａｎｏｎ￣ｃｏｎｔａｃｔｈｅａｒｔｒａｔｅｍｏｎｉｔｏ￣ｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｂｌｅｓｅｎｓｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｏｒｄｓｂｏｄｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｈｅａｒｔ
ａｃｔｉｖｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｂａｌｌｉｓｔｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ(ＢＣＧ)ｓｉｇｎａｌ.ＴｈｅＢＣＧｓｉｇｎａｌｉｓｄｅｎｏｉｓｅｄｂｙｕｓｉｎｇＦＩＲｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄｂｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｓｅｌｆ￣ａｄａｐｔｉｖｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｉｎｓｏｍｎｉａｓｙｍｐｔｏｍｓꎬａｆｅｅｄｂａｃｋｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅａｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆ２４Ｇｓｔｏ７２Ｇｓａｃｔｉｎｇｏｎｔｈｅｎｅｒｖｅｃｅｎｔｅｒ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｅａｒｔｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｉｓａｂｏｕｔʃ３ｂｅａｔｓ/ｍｉｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｍｅｄｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓꎬａｎｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｘｃｉｔｅｍｅｎｔａｎｄｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｎｏｎ￣ａｕｔｏｎｏｍｉｃｎｅｒｖｅｓꎬｗｈｉｃｈｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｌｅｅｐ.Ｔｈｉｓｉｓｉｎｌｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｅａｒｔｒａｔｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｂｌｅꎻＢＣＧｓｉｇｎａｌꎻＦＩＲｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｉｎｇꎻｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄꎻｍａｇｎｅｔｉｃ
ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ
ＥＥＡＣＣ:７２３０ꎻ７２２０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１９.０１.０５０
基于压电电缆传感器的心率测量与反馈系统设计
∗
张加宏１ꎬ２ꎬ３∗ꎬ潘周光３ꎬ李㊀敏１ꎬ３ꎬ陈㊀虎３ꎬ刘㊀敏３
(１.南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室ꎬ南京２１００４４ꎻ２.南京信息工程大学江苏省大气环境
与装备技术协同创新中心ꎬ南京２１００４４ꎻ３.南京信息工程大学电子与信息工程学院ꎬ南京２１００４４)
摘㊀要:心率作为人体最基本的生理参数之一ꎬ反映着人体健康变化状况ꎮ为提高心率监测的实时性与准确性ꎬ设计了一种基
于压电电缆传感器的非接触式心率监测系统ꎮ该系统利用心冲击图又称体震(ＢＣＧ)信号记录心脏活动引起的身体震动ꎬ并通过ＦＩＲ数字滤波器进行信号去噪ꎬ然后利用差分阀值检测算法进行波形特征提取ꎮ为实现对失眠症状的自适应调节ꎬ设计了基于磁诱导模块的反馈装置产生２４Ｇｓ~７２Ｇｓ的磁场作用于神经中枢ꎮ实验测试结果表明ꎬ与医用仪器相比ꎬ心率测量误差约为ʃ３次/分ꎬ而磁诱导模块改善了非自主神经的兴奋与抑制水平间接提高了睡眠质量ꎬ符合未来家庭监测仪器的发展方向ꎮ
关键词:心率监测ꎻ压电电缆ꎻＢＣＧ信号ꎻＦＩＲ数字滤波ꎻ差分阀值ꎻ磁诱导模块
中图分类号:ＴＰ２１２.６㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１９)０１－０２５９－０８㊀㊀近年来ꎬ随着生活节奏的不断加快ꎬ很多人的身体长期处在亚健康状态ꎬ出现亚健康的人群往往首先出现心率变化的异常ꎬ并伴有各种各样的睡眠障碍ꎮ睡眠不足会引起机体代谢紊乱ꎬ进而影响机体
各系统的正常生理功能ꎮ另外ꎬ现代社会空巢老人问题日趋严峻ꎬ子女繁忙ꎬ无暇照顾老人ꎬ一旦出现问题后果将不堪设想ꎮ因此ꎬ对有健康隐患的人群的心率指标进行长期有效的监测有利于及早制定干