关键字 |
| 阻抗、心率、同步、阻抗分析仪 |
介绍 |
| 从人体电阻抗信号可以得到由于血容量变化和血液电阻率变化。这是生物从人体电阻抗。阻抗是反对派提供的电流通过人体组织。在这篇文章中,阻抗是用来检测心率。收缩和舒张的心跳由活动。在左心室收缩,加速卷的血液通过升主动脉和心脏舒张期期间被血容量加速通过降主动脉由于其合规。这些血液体积变化导致阻抗变化。因此,阻抗变化可以构建一个处理信号用于检测特定时间的心跳。 |
文献调查 |
| 生物阻抗技术自1948年以来,用于生物医学研究领域以及应用程序开发。拉斐尔Gonzalez-Landaeta,迪莉娅·h·迪亚兹,奥斯卡卡萨斯和拉蒙帕拉斯阿的贡献者研究识别生物阻抗测量和心脏疾病之间的关系(1、2、4、5)。技术被识别和开发使用足底电极检测心率,单脚跖电极和秤使用阻抗分析(1、4、5)。一些研究表明阻抗分析仪公元5933年bioimpedance测量中的应用。分析了生物阻抗信号检测和处理各种方法检测心率来实现心率的方法检测了。心电图信号的分析是建立技术检测心率。 |
| 足底电极方法可以用于生物阻抗测量可以精确确定心率[1]。心率检测动脉体积变化。高信噪比以及它估计是bioimpedance信号分析的一部分。电心电图和阻抗信号对健康受试者相比取得了巨大的成功。另一种方法是从生物阻抗测量检测心率在单脚站在一间浴室权重比例用于阻抗分析[4]。磅秤的电极用于应用一双50千赫外电极之间的电压,测量内电极的电压下降。可以看出电心电图的QRS峰对应于生物阻抗信号的峰值。心率可以检测到一个主题,站在一个共同的电子磅秤[5]。检测依赖于感应力变化与血液有关加速度在主动脉和不需要任何传感器连接到身体。该方法应用于三个不同的磅秤和估计他们的灵敏度和频率响应是否适合心率检测。 A pulse detection system is designed which can sense force variations about 240 mN. To validate the method, the electro cardiogram and the force signal can be simultaneously recorded. In all the methods for heart rate detection, synchronous demodulator plays vital role by demodulating the bio-impedance signal from current carrier. Exhaustive research is carried out on synchronous demodulation and synchronous sampling for achieving high CMRR in signal processing methods [2, 8]. In analog differential synchronous demodulator for ac signals, the signal is synchronously demodulated using the floating-capacitor technique that yields a very high CMRR [2]. There are several other methods of synchronous demodulation but floating capacitor method carries more importance due to high signal to noise ratio. In the system presented in this paper, impedance analyzer is used for getting bio-impedance signal. The methods and systems involving impedance analyzer as well as microcontroller units are studied for the implementation of presented work [7]. Wavelet thresholding methods are used for noise removal [3]. In the signal denoising, wavelet coefficients are threshold in order to remove their noisy part. These methods do not assume any nature of the signal, permit discontinuities and spatial variation in the signal and exploit the spatially adaptive multi-resolution of the wavelet transform [3]. Extensive literature study on bio-impedance and impedance analyzer is carried out and relative work is explored in order to present this technique for heart rate measurement using bio-impedance. |
测量原理 |
| 的收缩和舒张活动导致形成阻抗信号的峰值。它会导致相当大的体积变化在动脉。这个重大变化是由生物阻抗信号的峰值和心电信号的QRS波群。动脉体积变化之间的关系和阻抗变化引起的血液电阻率和血容量是由以下方程。 |
 (1) |
| 在方程(1)的体积变化是ΔV动脉,L的长度部分电压电极之间的动脉,血液电阻率ρ,Z0的基底阻抗非脉动的组织。Zρ阻抗变化是由于血液电阻率变化。Zv阻抗变化是由于体积变化[1]。 |
| 测量阻抗,振幅和频率的载波电流通过人体使用电极。当前的信号称为励磁信号。载波信号的调制由于人体组织阻抗这调制信号是生物信号。生物阻抗信号可以通过电极检测到输出。如果目前通过组织被定义为方程(2) |
 (2) |
| 和电压测量检测信号是由方程(3) |
 (3) |
| 则方程(3)可以写成方程(4)。 |
 (4) |
| 我们可以把电阻R (t)和方程(5)。 |
 (5) |
| 的电抗X(t)可以写成方程(6)。 |
 (6) |
| 还IR (t)和第九(t)是同相v (t)和正交组件,分别。阻抗可以利用方程(7)计算。 |
 (7) |
| R (t)和X (t)是同相正交分量Z (t)。同相分量是电阻组件包括阻抗的实部和正交分量是被动组件组成的生物阻抗的虚部(2、8)。 |
| 四电极阻抗测量技术用于信号。在这种技术中,电流通过身体。它会导致电压的变化由于阻抗变化引起的血液电阻率和血容量的变化。生物阻抗信号将代表这些电压变化。因此,生物阻抗信号代表动脉体积变化负责的心跳。 |
材料和方法 |
| 各种测量块使用在这一节中解释。 |
电极 |
| 四电极测量技术检测信号。两个电极用于注入电流。当前的会有所不同,由于阻抗变化由动脉体积变化引起的。由于生成的输出电压电流测量通过使用另一个电极。 |
信号探测器 |
| 同步解调是用于检测生物阻抗信号从载流子。有两种方法来检测信号。其中一个方法就是使用AD630解调器同步采样[8];而在另一种方法取样维持电路用于同步解调。LTC 1043和1μf浮动电容用于实现取样保持电路[2]。本文解释了使用AD5933阻抗转换器用于捕获信号离散傅里叶变换是用来检测信号。 |
| AD5933是高精度阻抗变换器系统解决方案,结合车载频率发生器12位,1议员,模拟-数字转换器。AD5933能产生激励信号可以有最多100 KHz的频率。它有可编程频率扫描能力和串行I2C接口。它可以测量阻抗从1 kΩ10 MΩ。AD5933可以精确测量阻抗值的范围只有不到0.5%的正确的阻抗值为2.7 V至5.5 V电源电压。 |
| 阻抗转换AD5933包含的三个阶段即传输和接收阶段和离散傅里叶变换操作。 |
传播阶段 |
| 如图1所示,传输阶段由直接数字合成器特定频率的核心提供励磁电压输出。直接数字合成器核心是用于创建从一个固定频率的时钟波形。如图1所示,直接数字合成器中的核心由27位提供激励信号的相位累加器的特定频率作为输出。AD5933允许用户执行频率扫描。用户可以决定开始频率。增量在频率扫描的数量和频率的增加也可以由用户决定。 |
| 寄存器船上提供的内存使用软件编程定义这三个频率扫描参数。直接数字合成器输出信号通过可编程增益阶段得到所需的peakto -峰值输出激励信号。 |
| 这个输出励磁信号是通过人体并使用电极响应信号检测。美联储从电极响应信号是接收阶段。输出频率范围1千赫到100千赫可以实现分辨率高达0.1赫兹。 |
接受阶段 |
| 在接收阶段,电流电压转换发生以及可编程增益。在这一点上,是测量的阻抗是未知的。发达在这个未知的阻抗信号电流流入的VIN销AD5933和发展一个电压在电流-电压转换器的输出信号。这个电压是使用可编程增益放大器放大。可编程增益放大器的输出信号是低通滤波和12位,1议员模拟-数字转换器如图2所示。 |
离散傅里叶变换操作 |
| 离散傅里叶变换可以用来近似任何信号无限的正弦和余弦函数的总和。离散傅里叶变换操作的结果是复数实部和虚部的组成。阻抗是一个复数,因此AD5933使用离散傅里叶变换阻抗转换。在AD5933,离散傅里叶变换计算出每个频率点的扫描。方程(8)显示了AD5933离散傅里叶变换的计算。 |
 (8) |
| 在方程(8),X (f)代表的信号频率点f, X (n) ADC输出和cos (n)和罪(n)是抽样测试向量直接数字合成器提供的核心频率f。 |
| 离散傅里叶变换返回一个真实和虚构的数据字在每个输出频率。这两个值存储在两个不同的寄存器AD5933。在校准阻抗的大小和相对相位的阻抗沿扫描每个频率点很容易计算方程(9)和(10)。这样做是芯片使用真实的和虚构的寄存器内容可以从串口读取的I2C接口[7]。摘要bioimpedance信号处理接口公元5933年与手臂皮层处理器如图3所示。在图3中,一个表示当前注入电极和B表示电压测量电极。 |
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| LPCXpresso是所使用的集成开发环境。LPCXpresso是一个低成本的单片机开发平台,提供端到端解决方案使工程师来设计他们的项目。它包括所有必要的工具来开发高质量嵌入式软件应用程序及时和成本有效的方式。设备具体支持ARM皮层。LPCXpresso包括皮层单片机软件接口标准库和源代码。 |
| 硬件的信号检测是吵了。去噪的信号是由自适应阈值算法。它提供了大的信号噪声比,心率可以检测到信号。小波变换用于自适应阈值,因为它更集中在时间[1,3]。小波分析允许的噪音水平分别在每个小波规模和适应相应的去噪算法。 |
讨论 |
| 如果心电图和阻抗信号比较每一个高峰阻抗信号可以与心电信号的QRS波群。生物阻抗信号显示变化根据收缩和舒张的活动。心率可以估计阈值算法应用到生物阻抗信号。它导致的脉冲。心率可以通过计数脉冲的数量估计在10秒通过使用方程(11)。 |
| 心率= 10秒的脉冲x 6 (11) |
结论 |
| 阻抗变换器AD5933可以提供真实和虚构的生物阻抗信号的组成部分。手臂皮层处理器可以有效地用于处理捕获生物阻抗信号。定期发生的收缩和舒张活动影响生物阻抗信号。生物阻抗信号显示明确的向上和向下偏转参照收缩和舒张活动。这将导致测量心率。 |
数据乍一看 |
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引用 |
- 拉斐尔Gonzalez-Landaeta Ramon Pallas-Areny,“从足底Bioimpedance测量心率检测,”IEEE onBiomedical工程、55卷,没有。3,第1167 - 1163页,2008年3月。
- 雷蒙Pallas-Areny奥斯卡卡萨斯,“小说为交流信号同步解调,IEEE仪表和测量,卷。45岁的没有。2,页413 - 416,1996年4月。
- 拉米·科恩,“使用小波去噪”,电气工程系,Technion——以色列理工学院,海法,2012年2月。
- 迪莉娅·h·迪亚兹、奥斯卡卡萨斯和拉蒙Pallas-Areny,“心率检测从轻快的步伐足底Bioimpedance磅秤测量,“年度国际会议的IEEE在医学和生物工程协会(EMBC),布宜诺斯艾利斯,阿根廷,2010,pp.6489 - 6492。
- r . Gonzalez-Landaeta o·卡萨斯,r . Pallas-Aren“心率检测电子磅秤,“年度国际Conferenceof IEEE在医学和生物工程协会(磨床),里昂,2007年,页6283 - 6286。
- 莲花巴特拉和拉吉夫•卡普尔”使用Bioimpedance心率测量的新方法,”在最近的技术进步国际会议交流和计算(ARTCom),戈德亚,2010年,页443 - 445。
- Melwin亚伯拉罕教授C和k . Rajasekaran ARM7 Bioimpedance仪器设备,实现“国际AdvancedResearch杂志在计算机科学和软件工程,3卷,没有。5、2013年5月,页1271 - 1273。
- O。卡萨斯和R。Pallas-Arney”,信号噪声比在生物电阻抗测量使用同步采样,“每年InternationalConference IEEE,生物医学工程的社会。为生物医学工程师,工程进展:新的机会2卷,巴尔的摩,医学博士,1994年,页890 - 891。
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