一种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及脉搏波检测领域，尤其涉及一种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系 统及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 长时间动态监测脉搏波可以提供被检测者丰富的医学信息，因而受到学术界的普 遍关注。在脉搏波的检测过程中，良好的检测方式是重要的环节，只有确保采集信号的准确 度，对进一步的信号处理才有意义。而脉搏波是微弱低频的生物医学信号，在腕部、指尖、耳 垂等部位可检测脉搏波，一般需要各种放大电路、滤波电路、检波解调电路等复杂电路才能 实现，其中腕带式脉搏波的动态检测装置对小体积、低功耗、高精度、鲁棒性和舒适性有很 高的要求。
[0003]发明人在实现本发明的过程中发现，现有的脉搏波测量方式中，光电容积测量脉 搏波的方法需要功率发光管，功耗较高，一般用来实现对脉搏波的单次短时间测量；压电方 式测量脉搏波中压力大小较难控制，并且对实施测试者以及受试者的要求较高；生物阻抗 检测脉搏波的方式中，一般是直接测量人体阻抗，没有考虑个体差异和普适性，并且电路不 够简单，功耗较高，而且存在金属电极或Ag-AgCl贴片电极对检测时间的限制以及给皮肤 带来不适的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系统及其检测方法，本发明 设计的检测系统电路简单、成本低廉，并且微功耗，操作简单，能实现脉搏波的长时间动态 监测，详见下文描述：
[0005]-种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系统，包括：激励信号和腕带式电极，还包 括：
[0006]半臂自动平衡电桥电路的电桥臂，由固定参考电阻和人体生物阻抗构成，输出信 号Vi;
[0007] 仪表差分放大电路，两个输入信号分别是信号V1、以及反馈平衡调节电路中的平 衡端子产生的用于调节平衡的正弦电压信号V lbl;
[0008] 仪表差分放大电路，输出信号由过米样和快速数字锁相电路解调；
[0009]反馈平衡调节电路，根据过采样和快速数字锁相电路解调出来的初始脉搏波信号 的电压幅值控制平衡端子产生的正弦电压信号Vlbl的幅值，并不断调节正弦电压信号Vlbl 的相位，直到解调出来的新脉搏波信号的电压幅值进入所预设的平衡阈值之内，则反馈平 衡调节电路进入平衡态。
[0010] 所述激励信号是频率相同、相位相反的两路高频正弦电压激励信号。
[0011] 所述腕式电极具体为导电橡胶制作的弹性电极。
[0012] 所述两路高频正弦电压激励信号由微处理器产生；过采样和快速数字锁相电路中 的快速数字锁相由微处理器实现。
[0013] -种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测方法，所述方法是一种半臂电桥平衡法， 所述方法包括：
[0014] 固定参考电阻表示为R，被测生物阻抗表述为Z，经过高频正弦电压信号激励之后 R和Z两者中间节点TO处输出电压信号表示为V 1;
[0015] 数模转换器产生的正弦电压信号表不为Vibl作为仪表差分放大电路的负输入端信 号；
[0016] VjP V ibl经过仪表差分放大电路后的输出电压表不为V _，Vciut由微处理器中的模 数转换器通过4倍的过采样转换成数字信号VAbl;
[0017] 微处理器通过快速数字锁相算法对数字信号VAbl进行解调和平均滤波，得到初始 脉搏波信号的电压幅值；
[0018] 初始脉搏波信号的电压幅值决定了数模转换器产生的正弦电压信号的幅值大 小；
[0019] 通过固定步长调节正弦电压信号的相位，使快速数字锁相解调出新的脉搏波信号 的电压幅值逐渐收敛到平衡阈值范围，则达到相位平衡状态。
[0020] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过自动平衡电桥将生物阻抗的静 态基础阻抗部分用平衡的方式抵消掉，同时将待测的变化阻抗部分放大，并用过采样和快 速数字锁相算法实现解调，以便消除个体差异的影响和提高测量的精度；其次本发明还提 供了舒适的腕带式脉搏波测量电极，适应长时间佩戴和实时监测。本发明具有电路简单、成 本低廉、微功耗、小体积，高精度、高鲁棒性和舒适性高的优点，能实现脉搏波的长时间动态 监测。
【附图说明】
[0021] 图1为基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系统的结构示意图；
[0022] 图2为基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测方法的流程图；
[0023] 图3为基于生物阻抗的腕式脉搏波检测电极的示意图；
[0024] (a)为电极横向安装示意图；(b)为电极纵向安装示意图。
[0025] 图4为自动平衡调节校准的流程图；
[0026] 图5为调节平衡之后测量的脉搏波信号及其功率谱图；
[0027] (a)为脉搏波信号示意图；(b)为功率谱图。
[0028] 图6为没有调节平衡时测量的脉搏波信号及其功率谱图。
[0029] (a)为脉搏波信号示意图；(b)为功率谱图。
[0030] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0031] 1:激励信号； 2:半臂自动平衡电桥电路；
[0032] 3:仪表差分放大电路；4:过米样和快速数字锁相电路；
[0033] 5:反馈平衡调节电路；6:腕带式电极。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0035] 实施例1
[0036] 一种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系统，参见图1，该检测系统包括：激励信 号1、半臂自动平衡电桥电路2、仪表差分放大电路（IA) 3、过采样和快速数字锁相电路4、反 馈平衡调节电路5和腕带式电极6。
[0037] 其中，激励信号1是频率相同、相位相反的两路高频正弦电压激励信号。
[0038] 半臂自动平衡电桥电路2的电桥臂由固定参考电阻和人体生物阻抗构成，输出信 号V1。半臂自动平衡电桥电路2的目的是减小静态基础阻抗带来的巨大差异，从而提高动 态范围和测量精度。
[0039] 仪表差分放大电路3的两个输入信号分别是信号V1、以及反馈平衡调节电路5中 的平衡端子DAC产生的用于调节平衡的正弦电压信号V lbl，仪表差分放大电路3输出信号 Vout由过采样和快速数字锁相电路4解调出来。
[0040] 反馈平衡调节电路5,根据过采样和快速数字锁相电路4解调出来的初始脉搏波 信号的电压幅值控制平衡端子DAC产生的正弦电压信号V lbl的幅值，并不断调节正弦电压 信号Vlbl的相位，直到解调出来的新脉搏波信号的电压幅值进入所预设的平衡阈值之内，则 反馈平衡调节电路5进入平衡态。
[0041] 具体实现时，两路高频正弦电压激励信号可以由微处理器产生；过采样和快速数 字锁相电路4中的快速数字锁相也可以由微处理器实现，过采样电路可以由模数转换器 ADC实现。实际应用时，可以共用一个微处理器，即产生两路高频正弦电压激励信号，也能实 现快速数字锁相。
[0042] 其中，上述提到的微处理器是一种高集成微功耗的处理器，成本低廉，操作简单。 微处理器可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。
[0043] 实施例2
[0044] 下面结合具体的器件型号对实施例1中的基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测系 统进行进一步地描述，详见下文：
[0045] 本发明实施例中，采用的微处理器为低功耗微处理器CY8C3866AXI ;模数转换器 ADC为llbit，采样率为200Ksps，过采样倍数是4。
[0046] 仪表差分放大电路3由可编程增益放大器构成，当反馈平衡调节电路5达到平衡 态之后，适当提高可编程放大器的增益，此时可以解调出阻抗脉搏波信号。反馈平衡调节电 路5中的平衡端子DAC具体为数模转换器。
[0047] 其中，腕式电极6具体为导电橡胶制作的弹性电极，能很好的与皮肤接触，舒适度 较高。本发明实施例中的腕带式脉搏波信号的采集电极是利用导电橡胶实现的。测量脉搏 波时，腕部及身体保持安静状态，弹性导电橡胶电极与皮肤接触性很好，而且不会给受试者 带来不适。
[0048] 快速数字锁相电路中平均滤波的下抽样点数为4'所以模数转换器ADC等效提高 7位，腕带式脉搏波检测系统的等效分辨率达到7. 8 y V/bit。脉搏波波形和脉率能够准确 的测量出来。自动平衡后测量的脉搏波信号的信噪比明显提高。
[0049] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0050] 实施例3
[0051] -种基于生物阻抗的腕带式脉搏波检测方法的基本原理描述如下，详见图2所示 的示意图，首先，该方法是一种半臂电桥平衡法，也可以称为微差调制法，所述半臂调制即 电桥的一半是固定不变电阻R，一半是腕部生物阻抗Z。本发明实施例以用微处理器产生两 路高频正弦电压激励信号、实现快速数字锁相为例进行说明。
[0052] 101 :微处理器产生两路频率相同、相位相反的高频正弦电压激励信号，分别表示 为 V11U)和 V12 (t);
[0053] 其中，电压激励信号是相位完全相反的50KHz高频正弦波，两个臂的中点设为T0。
[0054] 102 :固定参考电阻表示为R，被测生物阻抗表述为Z，经过高频正弦电压信号激励 之后R和Z两者中间节点TO处输出电压信号表示为V 1;
[0055] 其中，"\^作为仪表差分放大电路3的正输入端的输入信号。
[0056] 103 :数模转换器DAC产生的正弦电压信号表示为Vlbl，是调节电桥平衡的关键信 号，Vibl作为仪表差分放大电路3的负输入端信号；
[0057] 104 :VjP V ibl经过仪表差分放大电路3后的输出电压表不为V ^Vciut由微处理器 中的模数转换器ADC通过4倍的过采样转换成数字信号VAbl;
[0058] 105