加速度傳感器用于心搏圖的設(shè)計(jì)考量

微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的加速度傳感器與陀螺儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航與游戲應(yīng)用，而此類(lèi)傳感器的另一個(gè)亮點(diǎn)是健康醫(yī)療，當(dāng)前較流行的應(yīng)用是測(cè)量病人心臟性能的診斷設(shè)備，常用測(cè)量心臟功能是通過(guò)測(cè)量心電圖，這需要將一系列的電極連與人體接觸。

在心率監(jiān)護(hù)儀或者運(yùn)動(dòng)設(shè)備中，人們可以根據(jù)心電圖中的P-QRS-T波峰信息中的幅度和時(shí)序、或者只是R波峰的時(shí)序等信息，得到復(fù)雜的心電向量圖，典型的心電圖。如圖一所示。

圖一：心電圖中的P-QRS-T波形圖

心電圖可以給出很多的信息，如心臟的故障或疾病，身體的恢復(fù)狀態(tài)，或者身體和心理的壓力狀態(tài)等等。但是心電圖不能很好的測(cè)量心臟的泵血功能與容量，另外，心電圖測(cè)量時(shí)，那么多的電極夾在人體上，無(wú)形給被測(cè)量者壓力，從而也影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。幸運(yùn)的是有其他的方式測(cè)量心臟的功能，如超聲波測(cè)量?jī)x和投影心搏圖，機(jī)械的投影心搏圖通常滯后30--40mS。

通過(guò)投影心搏圖，我們可以通過(guò)測(cè)量胸部的力和加速度，或者遠(yuǎn)程的心搏圖測(cè)量心臟的泵血活動(dòng)等，得出心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。利用心搏圖技術(shù)，測(cè)量時(shí)不需夾戴任何器件，可以在每天的生活狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)測(cè)量，而且只需在人體直立單軸方向進(jìn)行測(cè)量就足夠了，因?yàn)檫@是血液流動(dòng)的主要方向。

投影心搏圖為醫(yī)療預(yù)言提供全局性分析依據(jù)，如探測(cè)身體或精神壓力，或者早期探測(cè)冠心病等。如圖2中信號(hào)的振幅，可以測(cè)量出心臟的每搏量及其變異性，從時(shí)序可以看出心臟的整體功能以及心率與其變異性。搏量變異性可以很容易地監(jiān)測(cè)呼吸與心率變異性，從而估計(jì)康復(fù)狀態(tài)和病人的壓力狀態(tài)。圖二中的I波與IJ波幅度可以用于評(píng)估某些疾病，如主動(dòng)脈瓣膜病，冠狀動(dòng)脈疾病，以及分析預(yù)期壽命等。

圖二：投影心搏圖波形

當(dāng)用加速度傳感器測(cè)量投影心搏圖數(shù)據(jù)，主要的挑戰(zhàn)在于加速度信號(hào)水平相對(duì)于傳感器本身與環(huán)境的噪聲非常低，以及頻率響應(yīng)與機(jī)械諧振等的影響。從病床上測(cè)量投影心搏圖數(shù)據(jù)可以測(cè)量睡眠活動(dòng)、身體條件和康復(fù)狀態(tài)等，這樣不需要任何電極安裝在病人身體上，不會(huì)影響病人的舒適度、也不會(huì)干擾睡眠。這類(lèi)的測(cè)量可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)人們因身體可心里引起的睡眠問(wèn)題，以及監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化訓(xùn)練效果、避免過(guò)度訓(xùn)練。

在最近的一項(xiàng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，村田的工程師們分析了病人在病床上的活動(dòng)，并分離出了心搏圖數(shù)據(jù)，心搏圖數(shù)據(jù)如圖三，從中可以看到床的諧振影響到信號(hào)，且隨時(shí)間衰減。而可靠的測(cè)量信號(hào)在10mg范圍，這需要加速度傳感器的分辨率特別的高，適合此應(yīng)用的傳感器之一是村田的SCA61T，其噪聲密度大約是14μg/√Hz。

圖三：利用村田加速度傳感器SCA61T采集到的心搏圖波形圖原始數(shù)據(jù)

通過(guò)先進(jìn)的濾波算法，可以從病床的諧振與噪聲中分離出心搏圖數(shù)據(jù)，如圖四估算出的心率和搏量，其中的血搏量是不帶單位的數(shù)據(jù)，它需要進(jìn)行標(biāo)定才能等到一個(gè)絕對(duì)值。圖四中的搏量變異性估算得相當(dāng)準(zhǔn)確，它可以用于估算呼吸率。

圖四：估算的搏量

圖四中的點(diǎn)與點(diǎn)之間的時(shí)間就是心臟跳動(dòng)的時(shí)間，心率及心率變異性可以從中計(jì)算出來(lái)，如圖五。村田的工程師也在電子稱(chēng)上使用SCA61T測(cè)量出相同的心搏圖數(shù)據(jù)，當(dāng)然，在電子稱(chēng)上因?yàn)槿说倪\(yùn)動(dòng)，噪聲更大，如圖六。

圖五：從病床上采集到的心率及其變異性等數(shù)據(jù)

圖六：從電子稱(chēng)上采集到的心率及其變異性等數(shù)據(jù)

村田的硅MEMS技術(shù)傳感器結(jié)合了最好的功能、性能、最小的尺寸和最先進(jìn)的加工工藝，上面使用的SCA61T加速度傳感器使用厚的硅晶片，抗振性可以達(dá)70，000g，傳感器采用單晶硅結(jié)構(gòu)，不在存在任何的機(jī)械遲滯和塑性變形。其穩(wěn)定的電容性測(cè)量原理，可以用于測(cè)量高動(dòng)態(tài)測(cè)量，傳感器具有卓越的信噪比。

圖七：加速度傳感器傳感單元結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)著手設(shè)計(jì)基于心搏圖方法的心臟監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需要考慮加速度傳感器要有極低的噪聲密度，如SCA61T噪聲密度僅14μg/√Hz，也就是它的分辨率可以達(dá)到1mm/S2。另外，避免不必要的諧振頻率也是很關(guān)鍵的，如一些機(jī)械振動(dòng)，所以傳感器需要控制頻率響應(yīng)，如村田的加速度傳感器通過(guò)機(jī)械阻尼控制頻率響應(yīng)。最后需要考慮的是，還要有先進(jìn)的信號(hào)濾波算法將有用的信號(hào)從多種干擾信號(hào)中分離出來(lái)，村田為此方案提供相應(yīng)的濾波算法。

如果應(yīng)用環(huán)境中有大量的干擾信號(hào)與心搏圖信號(hào)具有相同的幅度、頻率、響應(yīng)順序，這時(shí)需要再加一個(gè)相同性能的加速度傳感器用于測(cè)量環(huán)境干擾信號(hào)，然后補(bǔ)償?shù)綔y(cè)量數(shù)據(jù)中。