文摘
血压评估起着至关重要的作用在日常临床诊断程序以及个人监测。因此,血压监测设备必须支付方便和易于使用的用户,没有副作用。提出了一种紧凑、经济、高效、方便的无线传感器实时监测血压biosignal体积描记法。拟议中的传感器促进血压信号形状传感、信号处理和数据转换以及监控终端的无线传输。随后,接收的数据可以被编译并存储在一个计算机通过无线模块。在监测期间,用户可以观察血压信号处理和显示在图形用户界面(GUI)发达的使用虚拟仪器(VI)应用程序。该设备包括一个手指夹光脉冲传感器、模拟信号预处理,单片机,无线模块。它会消耗大约500兆瓦的电力操作时主动模式和综合使用商用现货(COTS)组件。实验结果表明,该装置是可靠和促进有效的血压监测。提出无线photoplethysmographic (PPG)传感器是一个初步的目的(或第一)版本的设备表现。 It provides raw blood pressure data for further classification. Additionally, the collected data concerning the blood pressure wave shape can be easily analysed for use in other biosignal observations, interpretations, and investigations. The design approach also allows the device to be built into a wearable system for further research purposes.
1。介绍
几个创新导致了重大进展在医疗保健系统中通过加强不同监测系统的功能和能力。急性不稳定的疾病可以使用新时代电子设备在他们的早期诊断。现代诊断与治疗方法操作成本高,需要昂贵的设备。
此外,近年来,可穿戴技术的出现提供准确的记录和精确的加工生物。血压是一个至关重要的生理参数,表明功能健康的心血管系统1]。传统的血液压力监测设备是有限的范围对收缩压和舒张压的测量(2)或不可靠和不舒服从长期使用的角度。因此,存在需要侵入性,门诊系统长期血压监测而占细节关于血压变异性。这样一个系统将有利于简单的可用性和及时的预测严重的心血管疾病在抗高血压治疗(3]。
psychophysiology-monitoring系统在开发过程中,需要考虑的方面是很重要的,如方便,舒适,和最小副作用在用户。这样的系统检测和记录病人的生理生物信号通过传感器连接到他们的身体。虽然说在本地存储和处理信号,监测系统必须包括一个无线模块允许有效信号传输和在需要时。可穿戴biosignal监测仪器是首选由于其提供舒适和方便使用。此外,嵌入式传感器等设备可以放置直接接触用户的身体(病人的),以及他们的脉冲可以被记录下来。可穿戴技术已经被证明是有效的,并承诺在医学和临床应用由于其非侵入性,舒适,和精确测量技术。
一些研究人员已经提出了许多方法来收集和分析心理生理生物。一个现存的研究(4)提出了一种机制来血容量和使用透射型photoplethysmography从指尖脉搏信号。该传感器敏感、经济和消费更少的力量。它采用发光二极管作为发射器和光电晶体管作为检测器。单片机处理来自传感器的信号。该机制的优点是成本效益、密实度和降低功耗。
Ghamari et al。5)提出了一种无线分设备封装在一个wristband-type单元,其中arterial-pulse数据是使用一个传感器,收集和分析的设备。表示设备组成一个光学传感器、信号调理单元、单片机和蓝牙模块。收集脉冲数据监控、过滤、放大、处理,并转移到另一个智能设备。此外,作者提出了一个模型使用两个高斯函数来描述photoplethysmographic信号。
岛崎博士和Hara6)提出了一个心率(HR)传感装置和运动产物(MA)取消马分和传感器(6]。据称说设备产生精确的结果甚至在激烈的体育锻炼的情况下由于使用两个sensors-HR传感器安装在受试者的腰(后)和设备(霍尔特监视器)安装在胸监测心电图波形。作者详细描述马取消原则,尽管他们没有讨论适当的相关设计参数的值。
Gothwal [7)提出了一个经济、可穿戴PPG系统使用可用的组件。设备组成一个光学传感器(红外发射机和接收机),预处理单元(缓冲放大器,两级带通滤波器、放大器和比较器),处理器(单片机),和显示装置。从受试者的手指被获得的生物提供红外发射机和接收机的输入。为了避免过度负荷,获得的信号是通过缓冲放大器使用IR-receiver输出之间的耦合机制和带通滤波器的输入。随后,缓冲放大器的输出使用单片机处理。
在另一项研究[8),一个心率监视器(人力资源管理)基于反射photoplethysmography技术开发从受试者的指尖感觉脉冲。感觉到脉搏信号过滤,放大使用两级运算放大器(放大器),使用单片机和相同的处理。记录心率是显示在液晶显示器(LCD)每分钟节拍(BPM)。据称该设备是方便,便宜,和便携式与竞争。运动员可以使用这个设备来监控他们的心率以最少的错误。
Zangroniz et al。9]介绍了可穿戴photoplethysmography传感器评估精神痛苦的能力。该设计采用光学体积描记图使用一个适当的传感器获得血容量信息。此外,判别树模型被开发来确定参数的依赖关系。评估该模型显示82.35%的整体精度。
类似地,提出了一种多用途photoplethysmographic传感器(10)检测得出photoplethysmographs通过穿透皮肤在不同深度。该装置被命名为“SmartPPG”,它可以在传输和反射模式与传播模式下运行被局限于瘦身parts-fingers和耳垂。光源是用来照亮的部分皮肤下观察,从而反映photoplethysmographs。操作在反射模式优化的光波长和其来源和光电探测器之间的距离。
Botman et al。11)开发了一个设备监测心血管活动。该设备是专门从事自动化工作站进行数据收集和分析在大型医学测量。提出的设计是基于一个分传感器连接到身体部位,如鼻梁、耳垂,手指和手腕,促进生理参数的评估,如心率和脉搏波的特征。
[Leier et al。12]提出使用智能光学传感器来监控不同组织层次构成心血管系统。收购了PPG信号的基础上,提出了传感器可以提取生理参数,如心脏和呼吸率、皮肤微循环动态,血氧饱和度,vasomotion活动。表示传感器可以连接到病人的身体在四个不同的点根据其距离四个光电探测器。系统由32个发光能力四种不同波长的发射源。所有的电子元件,包括发光二极管和光敏二极管,模压用医疗级硅胶促进耐磨性的安逸和舒适。
石川et al。13)提出了一个wristband-type PPG心率传感器(13能够检测心率变异性。此外,该设备配备一个运动产物取消框架来处理运动文物在日常活动。评估该传感器操作期间,活动手臂,手指和手腕观察导致显著运动文物可以忽略不计。此外,评估结果表明,该设备和耦合运动取消框架可以不断用于监视心率变异性。此外,该设备可以用来识别和分析情绪。
Spigulis et al。14)开发了一种无线分传感器结合GaAs-radiation发射和Si-photon二极管放置彼此相邻模仿分反射。在可编程单片机处理采样信号采样频率(例如,100 Hz)使用10位analogue-to-digital转换器。随后被处理信号实时传输通过蓝牙模块在10米范围内。
上述现存的研究主要侧重于使用分心率分析传感器之后,当地device-LCD显示监测结果。虽然一些现存的研究允许数据被存储在外部存储设备,其他人支持数据传输便携式监测设备通过直接(USB和/或SPI接口)或无线(蓝牙或GPRS)连接。任何进一步处理的原始数据可以张贴他们的收藏。此外,存在商业产品可以直接用于临床和心理生理应用程序(15- - - - - -17];然而,这些产品不提供用户访问原始数据。
本文提出一种设备能够记录血压biosignal形状年会上和临床用途。该设备包含一个无线模块(ISM-Industry、科学、医学乐队)传输,显示,存储biosignal获得数据监控终端(计算机)。波形状用于本研究从健康的志愿者,获得和获得的数据是连续监测的实时交互式GUI同时被用于血压监测。收集的数据有关的血压波形可以很容易地用于分析其他biosignal观察,解释,和调查。设备旨在最大化舒适,方便,支付能力,和密实度,减少副作用(如果有的话),运营成本和功耗。初步提出了无线分传感器(或第一)版本的设备表现。它为进一步分类,提供了原始的血压数据和设计方法使设备可以集成到一个可穿戴系统用于进一步的研究。
2。材料和方法
2.1。Photoplethysmography (PPG)
“photoplethysmography”一词来源于希腊语“plethysmos”,意思是“增加。“所18),体积描记法意味着“[…]发现变化的大小部位由于变化的血液通过或包含在身体部分。“跳动的组织卷可以使用常规的测量体积描记器,如应变仪,测量在极端条件下变化的能力。这种技术可以应用于所有血管来决定他们的整体体积变化。动脉脉动是最重要的,而毛细血管很固执的,因为他们只记录轻微颤动。静脉振荡可能发生取决于测量技术,尽管这些振荡往往取消应用程序的外部压力(19]。可以测量动脉血压间接使用体积描记图(20.]。
Photoplethysmography传统体积描记法类似,尽管不完全相同。当操作在传输模式下,分设备使用LED操作一边组织和光电探测器的其他证明妨碍,入射光的吸收。如果领导和光电探测器放置彼此相邻,所有事件灯可能反映了组织的表面。Plethysmographic设备不能测量血压;然而,他们可以评估血容量的变化。plethysmographic原理如图1。
体积变化的血管被Hertzman[首次报道22)使用术语“photoplethysmography”,他们描述了两个体积描记器信号components-pulsatile(卷脉冲)和基线(血容量)。因此,体积描记器信号由交流电(AC)组件是指示性的总吸光度由于动脉血液脉动的组件,而由直流(DC)组件显示吸光度造成其他nonpulsatile组件以及不断的动脉和静脉的血液。典型的体积描记器信号是描绘在图2。
绝对血容量的变化可以使用chamber-plethysmography方法,准确地测量中体积变化( )可以转化为血流量( )使用的关系 。然而,某些情况下唯一担心的相对量。这种情况下提供信息与时间完全没有任何考虑振幅或信号的形状。在这种情况下,电阻抗体积描记法或photoplethysmography可以帮助提供必需的信息。一个关于体积描记法一直在报道(文献综述23),和更全面的审查关于PPG可以发现在24]。
动脉血压是PPG信号变化的主要原因,和图中描述3动脉血压,PPG依赖类似于真正的体积描记图(19,25]。
2.2。提出了系统
无线photoplethysmography传感器设计的原理提出了在图中进行了描述4。获得PPG信号首先作为输入提供给单片机通过信号调节滤波器和放大器电路。随后分析了获得的数据和组织包适合传输的无线网络通过通用异步接收发送器(UART)。数据接收的无线模块传输到电脑,它可以显示和/或存储。
LED放置一根手指的一端通过皮肤释放出红外线。动脉血液吸收部分根据脉冲发射光这变化。手指的光电探测器放置在另一端接收任何nonabsorbed光和生成一个连续脉冲信号有关。
一个两级模拟预处理块过滤器和放大信号从传感器接收。第一阶段由一个被动的高通滤波器截止频率(高通滤波器) 为了消除直流信号组件。此外,一个活跃的低通滤波器(LPF)不断增加和截止频率101和2.34赫兹,分别成立于第一阶段。说HPF-LPF组合可以消除不必要的直流信号组件,从而减少噪声干扰超过60赫兹。第二阶段的配置是相同的第一阶段。这些过滤器(第一)和放大器(第二个)阶段修改分传感器信号接近TTL(晶体管—晶体管逻辑)脉搏、心率同步。
单片机形式无线分传感器的主要组成部分,因为它是一个集成数据采集系统几个特性,包括低功耗、小体积和低成本。皮肤阻抗的模拟信号转换到数字等价物之前处理。此外,单片机与无线通信通过UART串口块。
无线块执行分传感器之间的射频通信和遥控接收机通过wi - fi连接。收集的数据传送了UART串口无线模块,传输相同的笔记本电脑或个人电脑(PC)。选择了无线模块由于其免费带宽和操作范围宽(通常是50米)。电源块消散能力其他组件所需的电源电压,实现设备最优调控功能。
3所示。结果与讨论
3.1。设备实现
提出设置使用“手指夹”Kyto电子生产的传感器(手指脉搏传感器人力资源管理- 2511 b),如图5(一个)。此外,监控装置包括光电组件,一个红外LED,光电晶体管。LED光电晶体管发射极和阴极电相互连接以及其他设备使用一个标准的3.5毫米连接杰克。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
建立了模拟预处理电路使用一个标准的双层FR4 PCB板(1.6毫米厚),如图5 (b)。PCB原理图和板布局使用奥腾设计开发工具。PCB板测量 。芯片操作amplifier-MCP6004-and格言集成电压reference-MAX6190-were选为分模拟预处理电路的组件。MCP6004是一个低功率放大器,展品其他特性有利于模拟预处理,如[26]。MAX6190是精密、微功率和低压差电压参考。它有一个最大的串模隙引用35μ静止电源电流,使它理想的结合使用电池供电的仪器(27]。
Arduino甲虫委员会选择用于信号处理由于其易用性,简单的可用性和灵活性方面创建强大的应用程序在使用现有的库。甲虫说董事会在图中进行了描述5 (c)。因为这是一个早期的设计和开发目的设备,最低硬件低功耗和成本效益的考虑。
Arduino甲虫是一个忽略版本的强大的Arduino莱昂纳多董事会,尽管它提供了相同的功能。它的关键特性是其compactness-it措施 。列出的附加功能板(28]。
为2.4 GHz ESP8266 wi - fi无线数据传输模块,图中所示5 (d)从事这项研究。ESP8266提供了一个完整的、独立的wi - fi网络解决方案,它可以应用临时或使用网络基础设施。附加功能可以找到关于ESP8266 wi - fi平台(29日]。
图5 (e)描述的第一个版本提出无线分模块的硬件。可以看到,前端模拟预处理单元界面的Arduino甲虫董事会和ESP8266无线模块。前端模拟预处理单元旨在Arduino甲虫板的大小相匹配。可堆叠系统由前端模拟预处理单元,Arduino甲虫,和ESP8266 wi - fi模块组成的底部,中间,和系统的最高层次,分别。内的所有块设备操作规范在3 V电压。电源采用两个3 V硬币电池和消耗大约500兆瓦的电力操作时主动模式,定义按照电力消耗的主要组件(传感器、前置放大器(前置放大器),单片机,无线模块(26- - - - - -30.]。
3.2。GUI实现
虚拟仪器软件是用于开发图形用户界面(GUI)监测血压信号的形状,如图6。
(一)
(b)
信号从无线分传感器可以被扫描,获得配置,并分析了使用GUI,如图6(一),显示血压信号振幅的变化(V)对收购时间(s)。在这项研究中,血压信号从不同的参与者预处理,获得收集和存储在一个专用的数据库。该算法不断获取和处理原始的血压数据,如图6 (b),几个工具箱结合虚拟仪器软件快速血压数据采集和监测31日]。血压信号从参与者获得存储在一个数据记录器未来心理生理学和医疗研究目的。
3.3。实验的程序
实验期间执行在这项研究中,PPG信号收集使用一个手指夹工具;基于传输的操作photoplethysmography现象。内安装一个IR-LED手指夹(约18 mA电流额定值)发出红外波穿过手指,光电二极管的后续执行信号检测,之后将他们转换为相应的电压值使用一个分压器电路。此生成的信号对应的体积内血液流动的手指,因此,反映了脉冲波在血管生成。实验和测试进行评估提出了分传感器系统。实验设置如图7。
在实验期间,PPG sensor-via手指夹乐器附加到一个健康的参与者手指获得生物(图8)。传播获得的生物信号处理模块的预处理,数据存储、分析,并组织到数据包传输的无线模块。这些数据包接收到监控终端(笔记本电脑/ PC)连同原始分生物被存储在数据记录器,同样可以在GUI。
3.4。实验结果和讨论
图9描绘了血压信号的图形表示形式。信号处理可以在本地存储在笔记本电脑或个人电脑。
使用上面的接口(图9),用户可以观察血压信号的形状和相关变化趋势在实时监测实验。这有助于早期发现异常血压检测。
结果通过评估生血压信号从健康的参与者获得图中描述10。数据存储在数据记录器在测量以及血压信号包括文物由于环境光的干扰。
Hertzman [22)定义的两个重要PPG-AC脉冲波形phases-anacrotic(脉冲前沿)和catacrotic(脉冲下降沿)。血压信号的形状代表anacrotic和catacrotic阶段在图中进行了描述11从图(使用信号10如上图所示)。
anacrotic阶段表示收缩压,而catacrotic阶段关注舒张压和外围波反射。描绘在图中,可以观察到的重搏切迹catacrotic阶段参与者展示健康的动脉系统兼容。
PPG信号描绘在图9可以直接观察期间血压测量收缩期和舒张期阶段。的背景下,本研究仅限于提供原始的血压数据。然而,它的范围可以扩展到包括一个分析方法,促进了估计无卷边袖头血压使用PPG信号生成的在这个研究。回归树是一个合适的分析方法,它可以用于血压评估(32]。生PPG信号需要初步处理(预处理)平和(即。、删除信号文物)PPG信号。一个过滤器可以用来执行预处理说,随后可以跟着二维正常化(宽度和振幅)的过滤PPG信号。预处理分部分组成脉冲面积、上升时间和宽度范围的25%,50%,75%。因此,三个最重要的分波形特性的脉冲,脉冲上升时间、脉冲宽度的25%,可以进一步加工利用回归树。
4所示。结论
本文提出一种简单、紧凑,便宜,功耗小,舒适、无创、实时、耐用的无线photoplethysmograph传感器监测血压信号的形状。本研究实现的第一个版本说无线photoplethysmograph传感器,并初步评估结果(固定测试场景)揭示认识可靠的监测血压信号形状。此外,提出了无线传感器提供了原始的血压数据,可以用于未来的血压评估和分类。在拟议的系统中,文物在PPG信号可以减少通过附加一个尼龙搭扣带在手指,减少环境光干扰,并确保准确位置传感器的参与者的手指。
该设备与一个可穿戴系统可以实现支持进一步的研究属于心理生理学和医疗应用程序。为未来努力,作者打算开发一种更方便的和紧凑的无线分可穿戴传感器在体育活动中获取数据的能力。该传感器可以结合分析方法准确地估计和血压水平进行分类。
数据可用性
研究数据不可用由于相关参与者的隐私的担忧。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢台湾科学技术部(大多数107 - 3113 - e - 008 - 003)的资助这项研究。