基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，它包括生理信号处理模块、信噪比提升模块、功率谱频率获取模块、能量包络波峰位置获取模块、关键波形位置振幅获取模块、信号归一化处理模块和散点图构建模块；本发明专利技术在信号去噪后，通过对信号进行修正，补偿呼吸波对BCG信号采集过程中的影响，从而使BCG信号提供更多的心脏状态评估数据。信号提供更多的心脏状态评估数据。信号提供更多的心脏状态评估数据。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统及方法


[0001]本专利技术涉及信号处理
，具体地指一种基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统及方法。

技术介绍

[0002]心脏是人体的重要器官，其工作是否正常是评价人体健康的重要指标，临床上可以通过检测心脏的电生理功能和泵生理功能评价心脏的工作情况。但心脏病患者可能突然发病，而临床上使用的新功能检测手段往往不能及时发现这种情况，因此有必要研究一种日常生活的心脏功能实时监测装置，及时发现心脏异常情况并及时提示就医，尽早发现病灶及时治疗。
[0003]当心脏搏动时，血液由心脏排出及流经血管时，会产生一种冲击力，此冲击力可通过人体体内具有弹性的结缔组织传至全身，使躯体产生前后、左右、上下三个方面的振动，而此振动会使与人体紧密接触的支撑物体的受力发生改变，而基于光纤中光的强度对外界振动的响应非常敏感，将心脏泵血的冲击力产生的全身振动记录了下来，因此光强的振幅随时间变化的波形即为心冲击图(Ballistocardiogram，BCG)
[1]，后面的阐述中简称为BCG信号。BCG信号反映了人体心血管系统的工作状况，相比于心电图采集的ECG信号，BCG信号的监测无需在人体上贴附传感器即可以方便获取，其检测方法可以在受测者感受不到的测量状态的情况下得到其心脏活动情况。
[0004]心冲击图信号反映心脏搏动时血液力学改变的一种图形，这种力学改变十分复杂，其变异与心脏之收缩力量、解剖学的构造、血液流动速度、周围血管阻力及舒张期心房室的充盈情况有关。但是心冲击图BCG信号采集并不能如心电采集那么稳定，它受到采集装置、人体呼吸波浮动、人体身体颤动等的干扰。
[0005]在信号采集过程中人体呼吸波浮动的干扰对信号的采集影响很大，当人体吸气过程中，人体胸腔随着吸气上浮，从而对光纤床垫的作用力改变，导致心脏搏动对血管的作用力传导至光纤床垫的力同样发生改变，因此采集过程中不可避免的导致吸气时的波形不同程度的改变，实际上，心脏的泵血的收缩力在短时间内不会有大的波动，因此，对去噪后的BCG信号进行修正是十分有必要的。
[0006]目前，BCG信号的处理均集中在信号去噪上，然后单纯去噪还原后的BCG信号幅度因为吸气时导致的波形振幅不稳定，无法作为心脏收缩力评估的指标。
[0007]参考文献
[0008][1]GUBNER R S,RODSTEIN M,UNGERLEIDER H E.[Ballistocardiography；an appraisal of technic,physiologic principles,and clinical value][J].Circulation,1953,7(2):268
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286.
[0009][2]李政颖，詹婧等.基于光纤传感的生理信号分离提取系统及方法[P].202110031183.3
[0010][3]韩康玲等实用心冲击图学[M],天津：河北人民出版社，1962,54
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60

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的就是要提供一种基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统及方法，本专利技术在信号去噪后，通过对信号进行修正，补偿呼吸波对BCG信号采集过程中的影响，从而使BCG信号提供更多的心脏状态评估数据。
[0012]为实现此目的，本专利技术所设计的基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，它包括生理信号处理模块、信噪比提升模块、功率谱频率获取模块、能量包络波峰位置获取模块、关键波形位置振幅获取模块、信号归一化处理模块和散点图构建模块；
[0013]所述生理信号处理模块用于对采集的原始生理信号利用矩阵迭代分解的方法进行信号分离处理得到心脏搏动心冲击图信号；
[0014]所述信噪比提升模块用于对心脏搏动心冲击图信号根据预设时间长度的时间窗进行心动周期信号的波形整合处理，得到提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号；
[0015]功率谱频率获取模块用于对提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号采用预设阶数的多项式线性拟合方法拟合取出心冲击图信号的上包络，并计算上包络的功率谱，确定功率谱在心率频率范围内的主频；
[0016]能量包络波峰位置获取模块用于对提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号进行能量取包络，并对能量包络信号进行最小二乘滤波，根据功率谱在心率频率范围内的主频确定滤波后的能量包络波峰位置信息；
[0017]关键波形位置振幅获取模块用于根据能量包络波峰位置所在的时间点，分别根据能量包络波峰的时间点，在提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中限定预设时间段，并计算升信噪比后的心脏搏动心冲击图各个的心动周期中预设时间段内振幅最大的点，该点即为心脏搏动心冲击图的J波波峰，得到J波位置和振幅信息，通过J波位置和振幅信息在J波所处的心动周期内寻找对应的H波、I波、K波和L波的位置以及振幅；
[0018]信号归一化处理模块用于将提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中各个心动周期内的H波、I波、J波、K波和L波分别求平均值，得到单个心动周期内H波的平均位置和平均振幅信息、I波的平均位置和平均振幅信息、J波的平均位置和平均振幅信息、K波的平均位置和平均振幅信息和L波的平均位置和平均振幅信息，将提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中单个心动周期内H波的平均位置和平均振幅信息、I波的平均位置和平均振幅信息、J波的平均位置和平均振幅信息、K波的平均位置和平均振幅信息和L波的平均位置和平均振幅信息进行归一化处理得到标准心动周期信号；
[0019]散点图构建模块用于根据原始生理信号在时间窗长度不变的情况下每隔预设时间更新一次提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号，并在预设时间段内持续更新，得到预设时间段内更新后的标准心动周期信号，将预设时间段内更新后的标准心动周期信号中第一个心动周期与第二个心动周期的JJ波间距作为二维坐标系中一个散点的横坐标，将第二个心动周期与第三个心动周期的JJ波间距作为二维坐标系中该散点的纵坐标，所述JJ波间距表示相邻J波与J波的间距，依次确定所有心动周期中各个JJ波间距所对应的散点位置，从而得到第一散点图。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术在信号去噪后，通过对信号进行修正，补偿呼吸波对BCG信号采集过程中的影响，修正后的信号幅度可以反映心脏收缩力的情况，有助于医学人员对BCG信号的波形进
行进一步深入的研究，对BCG信号的各个波给出更为精准的解释，从而使BCG信号提供更多的心脏状态评估数据。本专利技术将为家庭诊疗以及居家养老中的非接触式心脏搏动状况监测中的信号分析提供更为准确的解决方案，为医疗诊断提供更清晰、稳定的数据。为医生评估人体心脏泵血情况提供更为准确的数据。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术的BCG信号特征提取流程图；
[0024]图3为8s时间窗的BCG信号波形图；
[0025]图4为信号融合后BCG信号。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，其特征在于：它包括生理信号处理模块(1)、信噪比提升模块(2)、功率谱频率获取模块(3)、能量包络波峰位置获取模块(4)、关键波形位置振幅获取模块(5)、信号归一化处理模块(6)和散点图构建模块(7)；所述生理信号处理模块(1)用于对采集的原始生理信号利用矩阵迭代分解的方法进行信号分离处理得到心脏搏动心冲击图信号；所述信噪比提升模块(2)用于对心脏搏动心冲击图信号根据预设时间长度的时间窗进行心动周期信号的波形整合处理，得到提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号；功率谱频率获取模块(3)用于对提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号采用预设阶数的多项式线性拟合方法拟合取出心冲击图信号的上包络，并计算上包络的功率谱，确定功率谱在心率频率范围内的主频；能量包络波峰位置获取模块(4)用于对提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号进行能量取包络，并对能量包络信号进行最小二乘滤波，根据功率谱在心率频率范围内的主频确定滤波后的能量包络波峰位置信息；关键波形位置振幅获取模块(5)用于根据能量包络波峰位置所在的时间点，分别根据能量包络波峰的时间点，在提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中限定预设时间段，并计算升信噪比后的心脏搏动心冲击图各个的心动周期中预设时间段内振幅最大的点，该点即为心脏搏动心冲击图的J波波峰，得到J波位置和振幅信息，通过J波位置和振幅信息在J波所处的心动周期内寻找对应的H波、I波、K波和L波的位置以及振幅；信号归一化处理模块(6)用于将提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中各个心动周期内的H波、I波、J波、K波和L波分别求平均值，得到单个心动周期内H波的平均位置和平均振幅信息、I波的平均位置和平均振幅信息、J波的平均位置和平均振幅信息、K波的平均位置和平均振幅信息和L波的平均位置和平均振幅信息，将提升信噪比后的心脏搏动心冲击图中单个心动周期内H波的平均位置和平均振幅信息、I波的平均位置和平均振幅信息、J波的平均位置和平均振幅信息、K波的平均位置和平均振幅信息和L波的平均位置和平均振幅信息进行归一化处理得到标准心动周期信号；散点图构建模块(7)用于根据原始生理信号在时间窗长度不变的情况下每隔预设时间更新一次提升信噪比后的心脏搏动心冲击图信号，并在预设时间段内持续更新，得到预设时间段内更新后的标准心动周期信号，将预设时间段内更新后的标准心动周期信号中第一个心动周期与第二个心动周期的JJ波间距作为二维坐标系中一个散点的横坐标，将第二个心动周期与第三个心动周期的JJ波间距作为二维坐标系中该散点的纵坐标，所述JJ波间距表示相邻J波与J波的间距，依次确定所有心动周期中各个JJ波间距所对应的散点位置，从而得到第一散点图。2.根据权利要求1所述的基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，其特征在于：散点图构建模块(7)还用于将预设时间段内更新后的标准心动周期信号中一个心动周期内的H波到J波的时间作为二维坐标系中一个散点的横坐标，将预设时间段内更新后的标准心动周期信号中该心动周期内的I波与J波振幅差的绝对值作为二维坐标系中一个散点的纵坐标，依次确定所有心动周期中各个H波到J波的时间，以及I波与J波振幅差绝对值所对应的散点位置，从而得到第二散点图。3.根据权利要求1所述的基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，其特征在于：所
述原始生理信号含有心脏搏动的心冲击图信号以及呼吸、体动和身体颤抖引发的噪声信号。4.根据权利要求1所述的基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，其特征在于：所述心动周期频率范围为0.8～2.5Hz，所述预设时间长度的时间窗为7～9秒。5.根据权利要求1所述的基于光纤传感非接触式的BCG信号处理系统，其特征在于：所述原始生理信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，詹婧，黄龙庭，赵涛，陈可为，徐佳琪，周英洪，桂鑫，傅雪蕾，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：