CN102048526A

CN102048526A - 基于fpga的心血管参数无创检测装置及控制方法

Info

Publication number: CN102048526A
Application number: CN 201010611890
Authority: CN
Inventors: 潘银松; 冯人杰; 刘嘉敏; 韩孝贞; 潘宇; 师翔
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: CN102048526B

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的心血管参数无创检测装置及控制方法，涉及到人体心血管参数的无创检测装置及控制方法；包括信号采集模块，通过脉搏传感器、压力传感器、光电传感器获取心血管参数信号；信号处理模块，用于传输采集的心血管参数信号；控制与分析模块，采用FPGA控制电路控制心血管参数信号的采集与心血管参数信号的分析处理；还包括血氧饱和度检测模块，通过计算脉搏波的波形系数、心率得到心血管的功能参数值；并在显示屏显示出装置的操作步骤和测量结果；本发明提供的检测装置体积小，便于携带，操作简单，成本低，实现心血管无创检测的家庭化。

Description

基于FPGA的心血管参数无创检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及到人体生理参数检测及电子医疗仪器研制开发技术领域，特别涉及到一种心血管参数的无创检测装置及控制方法。

背景技术

心血管疾病已经成为备受瞩目的健康杀手之一，根据世界卫生组织的报告，每三例死亡中就有一例是由心血管疾病导致。而目前在我国，因心血管疾病导致死亡的人数也逐年增多，每年由于心血管疾病导致死亡的人数大约为300万。在这种情况下，及时发现心血管疾病的病情对降低心血管疾病死亡事件是具有重大意义的。在老年人中，心血管疾病是发病与死亡率最高的疾病之一。因此，如果能在家中及时地检查出心血管疾病的患病情况对降低心血管疾病患病率和死亡率具有极大地帮助。而心血管功能参数是评定心血管疾病的主要参数，检测出心血管功能参数就能很好的评定心血管疾病的状况。所以本***能为心血管疾病的预防和治疗情况的随时掌控提供有效的方式。

根据市场调研和我国专利局查新检索，目前采用的心血管无创检测设备主要都要与计算机相连，而计算机现在虽然普及，但是对于中老年人，正确使用计算机仍是一个关键问题。本发明提出的基于FPGA的心血管功能参数检测***能无创地检测出血压、心率、与心血管相关的10个功能参数及血氧饱和度，不用与计算相连，做成一个便携式的检测仪，使患者能随时随地检查自己的病情。

因此急需一种便于携带、操作简单、成本低的心血管功能参数检测装置及其控制方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种便于携带、操作简单、成本低的心血管功能参数检测装置及其方法；本发明的目的之一是提出一种基于FPGA的心血管参数无创检测装置；本发明的目的之二是提出一种针对基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明的提供的基于FPGA的心血管参数无创检测装置，包括

信号采集模块，获取心血管参数信号；

信号处理模块，用于传输采集的心血管参数信号；

控制与分析模块，采用FPGA控制电路控制心血管参数信号的采集与心血管参数信号的分析处理。

进一步，所述信号采集模块包括脉搏传感器、压力传感器、光电传感器三个传感器中的一个或多个传感器；所述的脉搏传感器可用于检测脉搏信号并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；压力传感器用于检测血管压力并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；所述光电传感器用于检测血氧饱和度并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；

进一步，所述信号处理模块包括***放大滤波电路与A/D转换电路，所述的***放大滤波电路包括第一放大电路、低通滤波、高通滤波和第二放大电路；所述第一放大电路、低通滤波、高通滤波、信号放大、第二放大电路、A/D转换电路和控制与分析模块依次连接，所述第一放大电路接收输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块，所述低通滤波的输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块；

进一步，还包括有键盘、显示屏和充气泵，所述键盘与FPGA控制电路连接；所述显示屏与FPGA控制电路连接；所述充气泵与FPGA控制电路连接；

进一步，还包括有血氧饱和度检测模块，所述血氧饱和度检测模块包括有继电器、二极管、发光器件组和用于产生控制继电器电平的三极管，所述继电器线圈部分的两端并联于二极管的两端，所述二极管的正极与三极管的集电极连接，所述二极管的负极与线圈部分的一端连接，所述继电器的线圈部分的另一端与三极管的集电极连接，所述发光器件组与继电器的转换开关连接，所述发光器件组与继电器之间还设置有开关。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法，包括以下步骤：

1)获取心血管参数信号；

2)传输并处理采集的心血管参数信号；

3)分析处理心血管参数信号。

进一步，所述步骤1)中：确定需要测量的心血管参数对象。

进一步，所述步骤3)中还包括：

31)获取振幅最大的心血管压力信号；

32)获取心血管脉搏波信号；

33)计算脉搏波的波形系数；

34)计算心率HR=60(N-1)/t，而t=Mt0；

其中HR表示心率，t表示第一个脉搏波波峰和第Ｎ个脉搏波波峰之间的时间，M表示从第一个脉搏波波峰到第N个脉搏波波峰之间的采样次数，t0为采样周期；

35)根据测得的波形系数和心率计算出心血管的功能参数值。

本发明的优点在于：

1.本发明采用的脉搏传感器、压力传感器、光电传感器，实现与心血管相关的多个功能参数及血氧饱和度的无创伤检测；

2.本发明基于FPGA编程实现控制与处理检测过程，使得检测装置不用与计算机相连，也不用装心血管无创检测的软件就能方便的实现检测，使得装置体积变小，便于携带，也解决了中老年人不会使用或对电脑使用不惯的问题。这样使得本发明更能在家庭及中老年人中普及，实现心血管无创检测的家庭化。

本发明的其它优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于FPGA的心血管参数无创检测装置示意图；

图2为基于FPGA的心血管参数无创检测装置的原理框图；

图3为基于FPGA的心血管参数无创检测装置中血氧饱和度检测模块的电路图；

图4为基于FPGA的心血管参数无创检测控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为基于FPGA的心血管参数无创检测装置示意图；图2为基于FPGA的心血管参数无创检测装置的原理框图；如图所示，基于FPGA的心血管参数无创检测装置，包括信号采集模块，获取心血管参数信号；信号处理模块，用于传输采集的心血管参数信号；控制与分析模块，采用FPGA控制电路控制心血管参数信号的采集与心血管参数信号的分析处理。

作为上述实施例的进一步改进，所述信号采集模块包括脉搏传感器11、压力传感器13、光电传感器12三个传感器中的一个或多个传感器；所述的脉搏传感器（型号：HK-2000）可用于检测脉搏波形信号并将检测到的信号输送到控制与分析模块中，以便对脉搏信号做更深入的分析。测量时，将脉搏传感器用绑带正确固定于手腕桡动脉处；压力传感器（型号：MPS-2100-006G）是用于获得袖带内气压的变化，用袖带14测量血压时，将袖带固定于大手臂中间；用于检测血管压力并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；所述光电传感器用于检测血氧饱和度并将检测到的信号输送到控制与分析模块中，测量血氧饱和度时，将光电传感器套在手指指尖上。脉搏传感器采集脉搏波信号，由于采用的该传感器采集精度较高，故不需再将信号作其它处理，只通过一根信号线与脉搏信号放大电路相连。将其放大之后输入MAX197的模拟信号输入端，通过A/D转换之后输入FPGA控制处理核心；光电传感器采集信号后也经过一个放大电路再输入MAX197进行模数转换，然后将数据输入FPGA控制处理核心；压力传感器通过一根导管测量袖带内的压力信号和脉搏信号，由于气压信号较微弱，首先要经过合适的放大，且在导管传输过程中要受到干扰，所以经过多次低通滤波和高通滤波，再进行适当放大，然后进行A/D转换，再输入到FPGA控制处理核心；FPGA核心对检测的信息进行分析处理，自动计算，最终得出测量结果，并将测量结果与正常值进行比较。

作为上述实施例的进一步改进，所述信号处理模块包括***放大滤波电路与A/D转换电路，所述信号处理模块包括***放大滤波电路与A/D转换电路，所述的***放大滤波电路包括第一放大电路、低通滤波、高通滤波和第二放大电路；所述第一放大电路、低通滤波、高通滤波、信号放大、第二放大电路、A/D转换电路和控制与分析模块依次连接，所述第一放大电路接收输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块，所述低通滤波的输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块。

作为上述实施例的进一步改进，还包括有键盘16、显示屏17和充气泵，所述键盘与FPGA控制电路连接；所述显示屏与FPGA控制电路连接；所述充气泵与FPGA控制电路连接。

图3为基于FPGA的心血管参数无创检测装置中血氧饱和度检测模块的电路图；如图所示，血氧饱和度检测模块包括有继电器、二极管、发光器件组31和用于产生控制继电器电平的三极管35，所述继电器线圈部分的两端并联于二极管的两端，所述二极管的正极与三极管的集电极连接，所述二极管的负极与线圈部分33的一端连接，所述继电器的线圈部分33的另一端与三极管35的集电极连接，所述发光器件组31与继电器的转换开关32连接，所述发光器件组31与继电器之间还设置有开关34；用型号为HRS4H-S-DC5V的继电器来控制3.3V和2V供电电压的接通从而实现光源工作电压的选择，将波长为660nm光源的2V的供电电压形成一个电路回路，而波长为905nm光源的供电电压由控制继电器的工作来实现；图3中的开关34的作用是为了保护整个电路，不工作时断开；检测时，闭合开关34，波长为660nm的光源点亮，开始工作；然后通过电平控制三极管35发射极引脚的电平高低来使继电器工作，继电器工作时，开关K1将被吸引下来与接线柱2断开，与接线柱3连接，从而接通3.3V的电源，这样就使波长为905nm的光源点亮，开始工作，而波长为660nm的光源由于工作电压达不到而停止发光。通过上述用继电器来控制发光二极管的工作电压来实现使波长为660nm的发光二极管和波长为905nm的发光二极管分别工作，从而实现血氧饱和度的检测。

利用脉搏传感器可以在显示屏上实现脉搏波波形图的观测；利用压力传感器可以测得袖带内的压力，压力传感器采集到的信号分为两路信号，一路用低通滤波滤除交流部分的信号，得到的信号为袖带压力；另一路通过高通滤波之后的信号是脉搏波信号，当袖带压力振荡波的振幅最大时，得到一个袖带压力；同时在采集脉搏波波形时，利用积分算出一个压力值，再将上述求得的两个平均动脉压求平均值，最后得到我们所需要的平均动脉压；并计算出收缩压和舒张压，计算收缩压和舒张压时其乘法因子根据所设计的***来进行标定调节，本***标定值为0.58和0.79。得到这三个参数之后，就能计算出脉搏波的波形系数；波形系数计算公式为：K=(P_M-P_D)/(P_S-P_D)；其中K为波形系数，P_M为平均动脉压，P_S为收缩压，P_D为舒张压。

图4为基于FPGA的心血管参数无创检测控制方法的流程图；基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法，包括以下步骤：

1)确定需要测量的心血管参数对象，获取心血管参数信号；

2)传输并处理采集的心血管参数信号；

3)分析处理心血管参数信号。

4)获取振幅最大的心血管压力信号；获取心血管脉搏波信号；计算脉搏波的波形系数；计算心率HR=60(N-1)/t，而t=Mt0；其中HR表示心率，t表示第一个脉搏波波峰和第Ｎ个脉搏波波峰之间的时间，M从第一个脉搏波波峰到第N个脉搏波波峰之间的采样次数，t0是采样周期；根据测得的波形系数和心率计算出心血管的功能参数值。

具体操作过程为：打开电源15，***会提示输入身高（cm）、体重（kg）。之后***提示选择测量参数（脉搏波测量、心血管血压参数测量、血氧测量）。选择测量对象后，***根据所选择的测量对象提示使用脉搏传感器或者绑袖带或者使用血氧采集探头，准备就绪后按键盘上的确认按钮，则开始采集数据。采集数据完毕，***提示解除袖带等装置；FPGA对数据进行处理，计算，得出所检测的心血管功能参数及血氧饱和度，再由测得的波形系数和心率就能计算出被测者的血压、心率、与心血管相关的10个功能参数及血氧饱和度，并最终在显示屏上显示测量结果，并显示与正常值对比结果，提示被测者的健康状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.基于FPGA的心血管参数无创检测装置，其特征在于：包括

信号采集模块，获取心血管参数信号；

信号处理模块，用于传输采集的心血管参数信号；

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置，其特征在于：所述信号采集模块包括脉搏传感器(11)、压力传感器(13)、光电传感器(12)三个传感器中的一个或多个传感器；所述的脉搏传感器(11)可用于检测脉搏信号并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；压力传感器(13)用于检测血管压力并将检测到的信号输送到控制与分析模块中；所述光电传感器(12)用于检测血氧饱和度并将检测到的信号输送到控制与分析模块中。

3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置，其特征在于：所述信号处理模块包括***放大滤波电路与A/D转换电路，所述的***放大滤波电路包括第一放大电路、低通滤波、高通滤波和第二放大电路；所述第一放大电路、低通滤波、高通滤波、信号放大、第二放大电路、A/D转换电路和控制与分析模块依次连接，所述第一放大电路接收输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块，所述低通滤波的输出信号还通过A/D转换电路将信号输出到控制与分析模块。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置，其特征在于：还包括有键盘、显示屏和充气泵，所述键盘与FPGA控制电路连接；所述显示屏与FPGA控制电路连接；所述充气泵与FPGA控制电路连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置，其特征在于：还包括有血氧饱和度检测模块，所述血氧饱和度检测模块包括有继电器、二极管、发光器件组(31)和用于产生控制继电器电平的三极管(35)，所述继电器线圈部分的两端并联于二极管的两端，所述二极管的正极与三极管的集电极连接，所述二极管的负极与线圈部分(33)的一端连接，所述继电器的线圈部分(33)的另一端与三极管(35)的集电极连接，所述发光器件组(31)与继电器的转换开关(32)连接，所述发光器件组(31)与继电器之间还设置有开关(34)。

6.基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取心血管参数信号；

2)传输并处理采集的心血管参数信号；

3)分析处理心血管参数信号。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中：确定需要测量的心血管参数对象。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA的心血管参数无创检测装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中还包括：

31)获取振幅最大的心血管压力信号；

32)获取心血管脉搏波信号；

33)计算脉搏波的波形系数；

34)计算心率HR=60(N-1)/t，而t=Mt₀；

其中HR表示心率，t表示第一个脉搏波波峰和第Ｎ个脉搏波波峰之间的时间，M表示从第一个脉搏波波峰到第N个脉搏波波峰之间的采样次数，t₀为采样周期；

35)根据测得的波形系数和心率计算出心血管的功能参数值。