嵌入式压力传感器的偏置对脉搏信号的影响

第34卷第6期 东华大学学报(自然科学版)V01．34，No．6 2008年12月JOURNALOFDONGHUAUNIVERSITY(NA’rURALSCIENCE)Dec．2008 文章编号：167l一0444(2008)06—0672—05 嵌入式压力传感器的偏置对脉搏信号的影响 甘以明1a’1b，丁辛1b，杨旭东1b，周宏2 (1．东华大学8．纺织面料技术教育部重点实验室；b．纺织学院，上海201620； 2．中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，北京100088) 摘 要：结合脉象的临床意义，通过嵌入式压力传感器，采集人体桡动脉上35mm距离范围内共8个点的脉搏信号， 提取各点脉搏信号的特征值．对各点的信号进行时频分析，了解各点采集信号的变异情况．对各点的特征参数进行对 比分析，了解偏置状态下脉搏信号的变化规律．了嵌入服装中的压力传感器在偏置状态下，采集到的脉搏信号能 一致反映穿着者的脉率，并能真实地反映挠动脉血管的波动情况． 关键词：嵌入式压力传感器；脉搏信号；特征值；时频分析 中图分类号：TP202+．4 文献标志码：A InfluenceofOff-SetPositionofImbedded PressureSensoronPulseSignals GANYi-mingll，1b，DINGXin玷，YANGXu-dong玷。ZHOUHon92 (^KqLa嘶toryofTextileScieace＆Technology，MinistryofEducation；b．CollegeofTexfll鹤， 1．Don曲=University。Shang崎201620，C抽tina；2．The●扣甜恤n哪|st盯ResearehInstituteofGeaeral LogisticsDepartmentoftheCPLA，Belling100088，China) Abstract：Pulsesignalsandtheircharacteristicparametershavebeengatheredfrom8pointson35mmof radialarterybypressuresensorembeddedinclothingintermsoftheclinicalmeaning．Thedifferentiation ofpulsesignalsinoff-setpositionhasbeenstudiedbythetime-frequencyofcharacteristicparametersfrom eachpoint．Ithasbeenprovedthatthepulsesignals，gatheredbytheembeddedpressuresensorinoff-set position。cancorrectlyreflectpulserateandthewavemotionofradialartery． Keywords：embeddedpressuresensor；pulsesignal；characteristicparameteritime-frequencyanalysis 智能服装技术结合传感技术与纺织技术，其 发展极其迅速【1)．智能服装通过嵌入医用传感 器，可实时监测人体的生理状态【2，3I．嵌入各类 传感器的智能服装不仅能满足医生对患者的实 时诊断和治疗，而且在一些特殊领域和行业，如 航空航天、深水作业和运动员训练等方面也有广 泛的应用． 嵌入式传感技术在服装上的实现途径之一 就是将传感器集成到服装上，测试着装者的生理 数据．嵌入传感器的智能纺织品所面临的主要挑 战之一是如何把传感器准确地放置到最佳测量 位置上[4J．然而，由于在日常着装中，服装和人体 收稿日期：2007一09—30 作者简介：甘以明(1983一)，男，湖北武汉人，博士研究生。研究方向为产业用纺织品．E-mail：ganfly@126．corn 丁辛(通讯联系人)，男，教授，E-nmil：xding@dhu．edu．cn 万方数据 第6期 。甘以明，等：嵌入式压力传感器的偏置对脉搏信号的影响 673 间不可避免地存在着相对位移，使传感器不能完 全准确地对准所测试的人体部位，造成所谓的位 置偏置．这种位置偏置将可能影响对正确信息的 检测． 本文以脉搏信号为测试对象，通过嵌入服装的 压力传感器，探索位置偏置对脉搏信号正确测试的 影响．采用时频分析法，分析在偏置时采集到的脉 搏信号的变化规律，为可穿戴式生理监测装置的开 发和使用提供参考． 1脉搏信号的采集 根据桡动脉脉搏波形成机制的生理学意义【5]， 在桡动脉内血液流动呈现有规律的变化．采集脉搏 信号最佳点的确定方法，一般先沿桡动脉做一连 线，再从桡骨茎突(腕部的桡侧的骨性隆起处)向连 线做垂直线，此交点定为最佳采脉点．当压力传感 器安置在此最佳点时为正置位置，在穿戴的条件 下，传感器随服装移动，从而造成位置的偏置．由于 传感器贴合皮肤的面积相对手腕比较大，本文主要 考查在着装条件下，传感器沿桡动脉方向偏置的 情况． 结合桡动脉的解剖图，实验前先确定脉搏信号 最佳的位置(A点，见图1)，然后沿桡动脉每间隔 5．0mnl采集一次脉搏信号，在手腕上沿桡动脉确定 了8个脉搏信号采集点，如图1．在每个采集点采集 25s内的连续脉搏信号，提取各点信号的特征值． 图1脉搏信号采集点 F皓1Thecollectionpointsofpulsesignals 图2嵌入式传感器的工作位置 F嘻2Thepositionofembeddedpre皤ure螂 实验采用的压力传感器，压力量程为 一6．7～+40kPa，灵敏度为15／-tV／Pa，精度为 0．5％．数据采集卡的A／D转换位数为12位， 转换时间约25弘s，系统误差小于0．1％．采集 数据的频率为2000Hz．压力传感器嵌入到服 装的袖子处(见图2)，紧紧地压迫手腕上的信 号采集点．检测对象的年龄为24岁，血压为 15／10kPa，健康． 2 实验结果与分析 为了解各点采集信号的变异情况。对各点的信 号进行时频分析．为了解偏置状态下脉搏信号的变 化规律，对各点之间特征参数进行对比分析．从所 采集到的脉搏信号中截取一个典型波形，如图3 所示． 图3典型脉搏信号波形及特征值 Fig．3Thedassiepulsesignalandcharacteristicparameter 根据脉搏波的生理学意义【5。，图中T示脉动 周期，L对应左心室的快速射血期，丁2对应左心室 的收缩期，T3对应左心室的舒张期，H二为主波幅 度，主要反映左心室射血功能和大动脉的顺应性， H：为降中峡幅度，主要与动脉血管外周阻力和主 动脉瓣关闭功能有关，H。为重搏波幅度，主要反映 大动脉弹性(顺应性)和主动脉瓣功能．通过这些参 数，医生能够了解患者的心血管情况和准确地判断 患者的症型． 2．1脉搏信号的时域特性分析 脉搏信号时域分析主要分析脉动幅度和时相 上的变化规律．脉搏信号在脉动时相上的特征参数 与心脏射血、收缩和舒张期有关，在幅度轴上的特 征参数反映了主动脉的顺应性和主动脉瓣的功能 情况．将嵌入式传感器沿桡动脉从A点移动到H 点，分别采集信号，提取各点的单个周期脉搏信号 进行对比分析，如图4． 从图4中可以看出，从A点到H点幅值逐渐 万方数据 674 东华大学学报(自然科学版) 第34卷 毫 ≥ (a)A点 > 昌 ≥ 毫 ≥ (c)C点 t／s (e)E点 t／s (g)G点 毫 ≥ 名 ≥ 名 ≥ (d)Dff． t／s (f)F点 t／s (h)H点 圈4各点脉图信号及特征幅值 Fig．4Thepulsesignalsandcharacteristicamplitudeofeachpoint 降低，H2相对H。不断增大，平滑程度有下降的趋 势．也就是说，在穿戴的条件下，虽然嵌入式传感器 的偏置影响所采集脉搏信号的幅值，但脉搏信号的 特征清晰可辨，信号的细微变化依然可明显反映． 取25S连续采集的脉搏信号，找出各特征点的 坐标，计算在该时间段内各参数的平均值及其变异 系数，见表1．表中，T1／丁主要反映左心室收缩功 能变化，(T2一丁1)／T主要反映心搏排出量变化， T2／T3与心率有关． 从表1中可以看出，在时相上从A点到G点脉 表l各点脉搏信号在时域上的平均值和变异系数 Tablel Theavel-ageandcoefficientofvariationofpulsesignalofeachpointattime-tkmmin 注：表中括号内为特征值的变异系数(％) 万方数据 第6期 甘以明，等：嵌入式压力传感器的偏置时脉搏信号的影响 675 搏信号的变异系数(Cy％)基本没有变化，且在7％ 以下，说明当嵌入式压力传感器在偏置状态下，以 上各点采集到的脉搏信号在时相上的规律具有一 致性．H点(即距离A点35mm处)的脉搏信号变 异系数超过10％，不能准确地反映被检测者的生理 特征．因此在穿戴的条件下，从A到G(偏置在 30／am范围内)各点时域能够一致反映被检测者的 左心室的快速射血期，以及左心室的收缩期、舒张 期的明细变化．也就是说，在正常着装的条件下，虽 然存在着位置偏置，但是沿桡动脉都能一致反映人 体脉搏在时相上的生理特征． 根据桡动脉脉搏波形成机制的生理学意义，脉 搏信号的幅度特性中，降中峡的幅值Ⅳ2受外周力 和主动脉瓣功能的影响，当外周阻力增高时降中峡 抬高，反之降低．另外，重搏波幅值H3的产生是由 主动脉反流的血液使主动脉根部的容积增大，并冲 击主动脉瓣而产生的震荡所形成的．嵌入式传感器 越远离脉搏信号最佳点(A点)，震荡越不稳定，即 与H3相关的变异系数增大． 实验测试证实了上述的分析．从表2可以看 出，从A点到F点，各点H。／H．呈现不断增大的 趋势，证实了在脉动过程中产生降中峡时，主动脉 压力从A点到F点传播，动脉受外周阻力的增加． 从A点到F点，H3／H。的不断减小，证实了虽然主 动脉返流的血液使主动脉根部的容积增大，但是增 大的幅度不断减小．说明嵌入式压力传感器的位置 偏置不仅影响采集到的脉搏信号在幅值上的特征， 而且影响单个周期信号的内部特征． ． 表2中，H2／Hl反映了动脉血管外周阻力的高 低，H3／H1反映了主动脉顺应性和主动脉瓣的功能 情况．H3／H1的变异系数不断增大，主要是由于采样 点离主动脉瓣越来越远、重搏波幅度H3在脉压传递 过程中受到的阻力不断增加造成的．在同一点上，H2 的变异系数都大于H2／H，的变异系数，说明外周阻 力变化波动的周期较长，对脉搏的整体影响明显，但 是对单个周期的脉搏信号影响不明显． 表2各点脉搏信号在幅度上的平均特征值和变异系数 Table2 TheaverageandcoefficientofvariationofpnI辩signalofeachpointatamplitude 注：表中括号内为特征值的变异系数(％) H。／H，的变异系数都大于H。的变异系数，说 明主动脉反流的血液产生的震荡变化频率比脉率 要高．H3／H。的变异系数从15％增加到50％以上， 说明嵌入式压力传感器偏离最佳采脉点(A点)越 远，其在幅度上的特征值的可信度越低．从整体的 变异系数来看，由于嵌入式压力传感器的偏置，所 采集到的脉搏信号将发生变化，但是其变化规律符 合桡动脉脉动的生理学意义．实验结果表明，在穿 戴状态下，嵌入服装的压力传感器可有效地对人体 脉搏波信号予以实时检测． 2．2脉搏信号的频域特性分析 对各点采集的脉搏信号进行离散快速傅里叶 (FFT)变换，将时域的脉搏波信号变换到频域，从脉 搏波频谱中可提取与人体生理病理相对应的信 息【6·71．采用H叮算法对信号进行幅度谱分析，其中 最大的峰值代表脉搏的频率．典型幅度谱图见图5， 各点的幅频特征值见表3．所有频谱图中的共同特点 是：除了主峰外还有两个明显的峰值，其频率为主峰 频率的倍数．说明各采样点的信号在整体的时间域上 具有一致性．虽然嵌入式传感器的偏置使采集到的信 号的幅度明显下降，但在频率特性上具有一致性． f／Hz 图5采集信号的典型离散快速傅里叶变换频谱图 F醵5TheclassicdiscretefastFouriertransform spectrumofpulsesignal 万方数据 676 东华大学学报(自然科学版) 第34卷 从表3中可以看出，该检测对象的脉率为 72次／min(频率为1．2Hz)，属于正常脉率．随着嵌 入式压力传感器偏置程度的增加(即沿A点到G 点)，幅值整体有下降趋势，可知随脉搏波峰值的下 降，幅频谱在峰值频率处的幅度也是下降的．从该频 率特性来看，嵌入式压力传感器的偏置对频率测试的 影响较小，即在穿戴的情况下，嵌入式压力传感器沿 桡动脉位置偏置在30mm范围内，采集得到的脉率 可以一致反映被测试者的动脉血管波动周期． 3 结论 本文利用嵌入服装中的压力传感器，在穿戴的 情况下，测试不同位置偏置下所采集的脉搏信号， 提取了各点的特征值，在时域上分析各点信号的变 异情况，并分析了各点之间的特征值的变化规律． 通过对采样点信号进行离散快速傅里叶变换，比较 分析了各点相应的脉搏频谱曲线． 在时域特性上，沿桡动脉在距离最佳采脉点(A 点)30mm的范围内，时值上可以得到一致的结果． 在频域特性上，同样可以说明各点在时间轴上具有 一致性．说明在穿戴状态下，采集到的信号在时相 上能准确地反映穿戴者的生理状况． 对于反映幅值的特征值，随着嵌入式传感器位 置偏置程度的增加，相对主波幅度而言，降中峡的 幅值有增高趋势，而重搏波幅度有下降趋势，且变 异系数不断增加．说明偏置压力传感器所采集的脉 搏信号的变化具有明显的规律，可以真实地反映着 装者的桡动脉血管波动情况． 参考文献 FEDERICoC．DANIIDDRElectroactivePolymer-hased DevicesforE-textilesinBiomedicine[J]．IEEETransactions onInformationTechnologyinBiomedicine，2005，9(3)： 295—318． SAI。DlTTP-TrendsinMedicalDeviceDesignand Manufacturing[J]．JournalofSurfaceMountTechnology， 2004，17(3)：19—24． 滕晓菲，张元亭．移动医疗：穿戴式医疗仪器的发展趋势 [J]．中国医疗器械杂志，2006，30(5)：330—340． LUPRAN0J，SOLAJ。DASENS。etaLCombinationof BodySensorNetworksandOn-bodySignalProcessing Algorithms：ThePracticalCaseofMyHeartProject[C]／／ Proceedings-BsN2006．Cambridge，USA，3—5April。 2006：76—79． 费兆馥．现代中医脉诊学【M】．北京：人民卫生出版 社，2006． 余伶俐．中医脉诊客观化与数字化研究[J]．辽宁中医杂志， 2006，33(2)：129—131． 汪晓霞。郭培源．基于腕带传感检测系统的脉搏信号时频分析 [J】．北京工商大学学报：自然科学版，2006，24(3)：47—50． (上接第667页) 【6]王颖俊，高长有．溶剂挥发性对PLGA电纺纤维直径及其膜 动态力学性能的影响[J]．组织与重建外科杂志．2007，3 (1)：12． [7]赵征．干法纺丝制备聚碳硅烷纤维中残留溶剂含量的影响 [J]．有机硅，2006，20(6)：295—298． [8]沈新元．高分子材料加工原理[M]．北京：中国纺织出版社， 2000：226—231． [9]MII．LSAF，RICHARDD．HeatandMassTransfer【M]． Chicago：II。。1995：100． 【lO】 KOJIcN，KoJICM，GuOI。AVAIJ。E11S。eta1．Solvent RemovalduringSyntheticandNephilaFiberSpinning[J】． Biomacromolecules，2004，5(5)：1698—1707． [11】何曼君，张红东，陈维孝．高分子物理CM]．上海：复旦大学出 版社，2001：314—318． [12]赵显．溶胶一凝胶法制备多晶氧化铝纤维的研究[J]．硅酸盐 通报。2000(4)：36—38． 万方数据 嵌入式压力传感器的偏置对脉搏信号的影响 作者： 甘以明， 丁辛， 杨旭东， 周宏， GAN Yi-ming， DING Xin， YANG Xu-dong， ZHOU Hong 作者单位： 甘以明,丁辛,杨旭东,GAN Yi-ming,DING Xin,YANG Xu-dong(东华大学,纺织面料技术教育部 重点实验室,上海,201620;东华大学,纺织学院,上海 201620)， 周宏,ZHOU Hong(中国人民 解放军总后勤部军需装备研究所,北京,100088) 刊名： 东华大学学报(自然科学版) 英文刊名： JOURNAL OF DONGHUA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2008,34(6) 参考文献(7条) 1.汪晓霞;郭培源 基于腕带传感检测系统的脉搏信号时频分析[期刊论文]-北京工商大学学报(自然科学版) 2006(03) 2.余伶俐 中医脉诊客观化与数字化研究[期刊论文]-辽宁中医杂志 2006(02) 3.费兆馥 现代中医脉诊学 2006 4.LUPRANO J;SOLA J;DASEN S Combination of Body Sensor Networks and On-body Signal Processing Algorithms:The Practical Case of MyHeart Project 2006 5.滕晓菲;张元亭 移动医疗:穿戴式医疗仪器的发展趋势[期刊论文]-中国医疗器械杂志 2006(05) 6.SALDITT P Trends in Medical Device Design and Manufacturing 2004(03) 7.FEDERICO C;DANILO D R Electroactive Polymer-based Devices for E-textiles in Biomedicine[外文期刊] 2005(03) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgfzdxxb200806007.aspx