文摘
桡动脉脉搏波的不同压力下应用通过一个袖口疾病诊断中发挥着重要的作用,尤其是在中国传统医学(中医)。脉冲波可以通过一个压力传感器阵列收集贴在一个充气袖口。收集脉冲波的过程期间,传感器阵列的一个传感器上下运动时,脉搏波传感器是震惊。传感器的运动导致其他附近的被动位移传感器,因为它们之间的连接结构。然后,产生的振动信号将附近的传感器虽然这些传感器不接受桡动脉脉搏波。这些振动信号视为干扰通常叠加在真实信号从传感器获取这些附近和降低信号质量。上述问题不仅普遍存在于一个压力传感器阵列连接一个腕带,也很容易被忽视。提出了一种新颖的基于韦尔奇的干扰抑制算法估算和削弱相邻传感器通道干扰的方法来克服这个问题。起初,传感器阵列连着一个充气袖口和振动器提出了建立实验平台简化了脉搏波采集过程。然后,干扰抑制算法根据力学分析和韦尔奇的方法的基础上,提出了传感器阵列和振动发电机。 Next anti-interference abilities of the algorithm based on a simplified process are evaluated by different vibration frequencies and applied pressures. The anti-interference abilities of the algorithm based on pulse waves of the radial artery are evaluated indirectly. The results show that the novel interference suppression algorithm could weaken adjacent sensor channel interference and upgrade the signal quality.
1。介绍
桡动脉脉搏波具有重要的生理和病理信息和已被证明是有效的预测和反映疾病如高血压、中风和糖尿病(1- - - - - -3]。脉搏波的能量集中在1 - 10赫兹(4]。随着传感器技术的发展,许多新理论和新类型的传感器应用于检测脉搏波包括压阻传感器(5- - - - - -7)、压电传感器(8- - - - - -10),光电传感器(11- - - - - -13),和超声波传感器(14,15]。
在中医,一个东方医学博士将手腕桡动脉的终端区域划分为三个位置,称为坎昆,关,和太极,可以反映不同脏器的生理和病理信息,分别。脉冲波的变化趋势,医生应用静态信息不同动脉压力强度径向的这三个部分,称为傅,钟,和陈,然后判断病人的病情(16]。因此,一个脉诊检测系统必须提供两个手腕动脉脉搏信息和静态压紧压力。近年来,许多研究关注于multitype传感器设计和相关分析村,气关,在中医17- - - - - -21]。基于这些研究,许多不同的脉冲检测仪器的设计。他们对变量的静态压力村的三分,气关,并使用multitype传感器采集脉搏波。然而,有相邻干扰信号的多通道压力传感器。根据脉冲诊断中医的传统理论,王等人设计了一种多通道脉冲检测系统基于一个灵活的阵列传感器(22]。一个特殊的脉冲传感器是硅胶做的,和可以自动调整的压力通过气球增压。当一个传感器取代由于船的振动,传感器上的气球会变形,然后相邻传感器将被迫取代,导致干扰信号。一种新型多通道手腕脉冲系统用不同的传感器阵列由王et al。23),Bi-Sensing脉冲诊断仪器(BSPDI)由罗等。18],脉诊平台带有触觉阵列传感器设计的et al。24]可以收集脉搏波在不同压力下通过手动或机械压力。传感器是直接由刚性结构连接。当一个传感器取代由于船的振动,传感器将流离失所的刚性结构,这将改变相邻的压力传感器和造成干扰。干扰信号叠加在有用信号,从而影响信号的真实性。上述问题不仅普遍存在于一个压力传感器阵列连接一个腕带,也很容易被忽视。深度信息的新颖的柔性压力传感器阵列设计的桡动脉刘等人之间削弱了干扰传感器之间通过添加海绵传感器和安全气囊25]。一些人提出了一个算法的解决方案。
一般来说,由于直接或间接之间的物理链路传感器,传感器单元的位移引起的振动会干扰相邻传感器连接介质,然后影响相邻传感器的采集波形。然而,干扰会影响脉搏波的形态特征。为了克服这一问题,提出了多通道压力传感器一个相邻干扰模型。根据结构特点的多通道脉冲波采集仪器,一个简单的机械结构模型建立了干扰信号。根据机械结构模型、干扰信号的特征(振幅、频率和相位信息)和干扰信号表达式确定。韦尔奇的平均周期方法用于建立传输通道模型。本文动态压力传感器的输出信号的振动源被定义为通道的输入和输出信号接近传感器被定义为通道输出。
2。材料和方法
2.1。一个信号采集仪
在这篇文章中,一个新颖的柔性压力传感器阵列信号采集仪器用于实现信号采集(25]。这个仪器是由三个复合压力传感器实现同时测量三个波动点。是显示在图1(一)和1 (b),每个复合压力传感器包括一个压电传感器和压阻传感器,用于测量脉搏波和静压。弯曲结构的传感器可以保证信号强度,防止倒置的波形的发生。数据1 (c)和1 (d)表明,聚氨酯海绵是用来有效地消除接触器振动的传播。手腕上的充气袖口被用作压力设备在整个收集过程可以提供了压力从10到140毫米汞柱的间隔10毫米汞柱。在每个压力步骤,袖口膨胀产生指定的压力和持续几秒钟。脉搏波信号和静态压力三个传感器的信息实时记录,直到下一个指令的通货膨胀。通过这种方式,压力梯度下的脉冲波。压力所有步骤完成后,袖跑一个通货紧缩的过程和整个收集过程完成。采样频率大约是225赫兹和录音时间大约是10年代在每个压力区间。有效地消除接触器振动的传播,使用聚氨酯海绵在小说中柔性压力传感器阵列信号采集仪器。为方便表达,传感器组命名为传感器,传感器B, C和传感器,反过来。
(一)
(b)
(c)
(d)
2.1.1。多点振动源发生器
为了研究单个或多个振动源的影响多路传感器信号,设计了一种多谐振荡器信号发生器。如图2,设备大致包括电动机、凸轮、连杆机构和承包商和三个振动点。电机开始运行时,连杆机构是通过凸轮驱动的。然后,长期接触器可以周期性地上下移动驱动三个振动点上下和触觉传感器的表面。为了研究单点振动源的干扰和多点振动之间的相互干扰来源,三个振动点可以拆卸和三个振动点的高度可以调整。ADC电动机控制器是用来控制振动频率。施加越来越大的压力传感器通过充气袖口。下的动态压力变量静态压力测量并记录。人类心脏的收缩产生波,通过动脉的手腕桡动脉产生脉冲波。脉搏波穿过三个部分:气,关、张村。这意味着三个部分的振动时间是不一致的。 However, the average conduction velocity of the human pulse wave is 15 m/s. The maximum distance from chi to guan is 34 mm, and the signal sampling frequency is 225. The time required for a pulse wave to pass from chi to cun is 0.002 s, which is less than the sampling interval of data 0.0044 s. Therefore, the lag of three parts cannot be considered when making a signal generator.
(一)
(b)
2.2。动态力学分析
当压电材料被按下时,它产生极化电荷,其信号振幅和频率成正比的机械变形压电材料。变形改变材料的表面电荷密度,因而产生一个电压与电极表面之间。应用力逆转时,输出电压的极性也逆转。往复力提供了一个交流输出电压。动态压力传感器,传感器的输出信号的大小与形状变量的压电传感器。随着形变量的增加,那么这个传感器的输出信号的振幅增加。当形状变量减少,压电传感器的输出信号的振幅降低。为了简化机械结构模型的复杂性,本文只是分析单点振动源的影响接近传感器。
作为显示在图3,当袖带加压充气安全气囊的恒定值,复合压力传感器的动态压力传感器变形为一恒定的空气压力的作用下。振动源向上移动时,传感器驱动向上向上的支持力量的振动点和传感器的形状变量增加。传感器周围的海绵的压缩力。
振动源向上移动时,压力传感器B电影逐渐减小,变形减少,然后B传感器的输出信号振幅逐渐减小。当传感器的输出信号幅值增加到最大,传感器的输出信号幅度B减少到最低限度。
振动源向下移动时,应变压力传感器的电影减少。作为减少海绵萧条的高度传感器,传感器的信号振幅逐渐减小。当传感器的输出信号幅度减少到最低限度,传感器的输出信号幅度增加到最大。
如前所述,而输出的传感器,传感器的输出信号的相位延迟B是180度。根据信号在传输过程中衰减特性,传感器的输出信号的振幅B小于由动态压力传感器接收。
假设传感器的输出信号是一个正弦函数。这是定义如下:
在方程(1),是信号频率。传感器的输出信号B的表达可以定义如下:
根据上面的两个方程中,我们只需要确定衰减系数;然后,我们可以干扰信号的表达。
2.3。传输通道模型
在公式(2),与两个传感器之间的信道的衰减。信号传输函数反映了信道的传播特性。韦尔奇的平均周期法是最常用的方法来计算一个系统的传输函数。如果输入和输出信号,系统的传输函数是韦尔奇的平均周期估计的方法。
在方程(3),是自备谱密度(SPSD)的输入信号。交叉功率谱密度(运行CPSD)之间的输入和输出信号。在这篇文章中,传感器的输出信号定义为通道的输入和输出信号传感器B被定义为通道输出。为了简化干扰信号模型的复杂性,本文只是分析了影响传感器b单点单点振动源的振动信号是由一个信号发生器,振动信号和干扰信号在不同压力下收集的信号采集仪器。信号采集仪器,中间复合压力传感器(A)收集的振动信号,和其他两个传感器(B和C)收集的干扰信号。
考虑到振动频率的信号发生器是有限的,根据力学分析的结果和输入信号,干扰信号的表达式。假设输入数据的长度 ,点的数量在频域的范围之内是 ,和数据的采样频率( ,摘要),可以得到下面的表达式:
在公式(4),是向下整合的迹象。假设相邻传感器,输出信号 ,然后信号的表达式在数字域的0 -可以表示如下。
根据离散傅里叶变换,
根据输入信号和输出信号之间的关系,本文中的表达式如下:
根据傅里叶反变换,我们可以得到输出信号的时域表达式。 在公式(7)是直流分量。根据上面的表达式,它可以通过使用MATLAB实现。
3所示。实验结果
根据传输函数,幅频特性曲线(亚)和相位频率特性曲线(PFC)。
数据4(一)和4 (b)亚足联曲线和PFC曲线之间的传感器和传感器B和亚足联曲线和PFC传感器和传感器之间的曲线C在相同安全气囊压力,分别。如数据所示4(一)和4 (b),范围0 ~ 35赫兹传感器之间的信道增益和传感器B和传感器之间的信道增益和传感器C是常量和常量值是相等的。与此同时,在0-35赫兹的范围,传感器和传感器之间的相位差B和C之间的相位差传感器和传感器是180度。在有效频率范围内,这些表明,传感器的输出信号的振幅B或C小于传感器接收到传感器,并与动态压力传感器的输出在振动源,传感器的输出信号的相位延迟B传感器或C是180度。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据4 (c)和4 (d)传感器和传感器之间的亚足联曲线B在70毫米汞柱和100毫米汞柱压力。如数据所示4 (c)和4 (d),范围0 ~ 35赫兹传感器之间的信道增益和传感器B和通道增益为70毫米汞柱和100毫米汞柱是常量,常量值是相等的。与此同时,在0-35赫兹的范围,传感器和传感器之间的相位差B在70毫米汞柱和100毫米汞柱是180度。这些表明,70毫米汞柱和100毫米汞柱传感器有相同的有效频率范围和通道增益和相位差是相等的。
为了验证模型的准确性,信号衰减(dB)作为评价指标,在信号衰减反映模型的抑制干扰信号的能力。图5(一个)是错误的条形图输入信号和输出信号之间的亚足联在不同的压力,而传感器收集输入信号和传感器B和C收集输出信号。图的横坐标轴是空气压力值(单位:毫米汞柱),纵轴是信号衰减(单位:dB)。测量的数量是5次。5测量的最大信号衰减是22.6 dB和最小信号衰减是19.3 dB。的最大波动幅度信号衰减是+ 0.49 dB和信号衰减的最小波动范围是+ 0.06 dB。这表明的输出信号测试同一对象的多个测量模型是稳定的。与静态压力的增加,衰减的的值不变,这说明都是一样的在不同的压力。当两个传感器之间的水平距离是常数,的价值基本上是常数。
(一)
(b)
图5 (b)是错误的条形图之间的亚足联输入信号和输出误差信号在不同的压力,而传感器收集输入信号和输出误差信号的误差值是输出信号。5测量,最大信号衰减是45.9 dB和最小信号衰减是45.2 dB。的最大波动幅度信号衰减±1.6 dB,和的最小值波动范围信号衰减±0.3 dB。相比之下,图5(一个),图5 (b)表明该模型可以减弱输出干涉信号超过30分贝。
4所示。讨论和结论
本文提出了复合传感器的力学分析。这是表明之间的相位差信号收集的复合传感器和串扰信号是180度,和信号的振幅比衰减因子 。白手起家的信号发生器用于分析干扰信号的传输特性在一个单点的振动源。的有效频率范围内振动源信号发生器产生的信号是0 ~ 35赫兹。在这个频率范围内,传感器采集的信号之间的相位差和串扰信号是180度。建立了干扰信号的输出模型通过使用傅里叶变换。实验结果证明该信号模型可以构造输出模型的干扰信号。模型可以通过30 dB和衰减干扰信号具有良好的可重复性。同时,串扰信号的a - b和a - c的大小是相等的,这表明相同的振动源干扰强度相同的传感器双方相同的距离。结果可以减少多道信号干扰模型的复杂性。这种技术是一种常见的干扰抑制技术可以使用多传感器阵列和阵列天线的干扰抑制领域的接待。
数据可用性
所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。
附加分
本文介绍的作品主题等待中国及国际专利申请的中国科学院微电子研究所(IMECAS)在中国(PCT / CN2017/092400, PCT / CN2017/092388, PCT / CN2017/092399)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版这篇文章。
确认
本研究支持的资金从中国国家科技重大项目(2018号zx01031 - 201)和中国科学院重点部署项目(没有。kfzd - sw - 218)。这项工作是支持由中国国家重点研发项目(2018 yfc2001200)。作者感谢评论者的有价值的反馈。