脈搏波提取的數(shù)字濾波方法與數(shù)字濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子血壓計(jì)、血氧監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療設(shè)備需要提取和分析人體脈搏信號(hào)的 醫(yī)療電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提取人體脈搏信號(hào)的數(shù)字濾波方法和數(shù)字濾波器，該 方法可應(yīng)用于多種數(shù)字醫(yī)療設(shè)備中。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明以基于"示波法"的電子血壓測(cè)量裝置為例，說明一種可用于提取和分析人 體脈搏信號(hào)的數(shù)字濾波方法及數(shù)字濾波器。電子血壓測(cè)量裝置的基本模塊和系統(tǒng)組成如圖 1所示，該裝置可實(shí)現(xiàn)血壓的自動(dòng)化測(cè)量。"示波法"是在測(cè)量過程中通過壓力傳感器獲取動(dòng) 脈產(chǎn)生的靜壓力信號(hào)，此信號(hào)是包括幅度較大的直流信號(hào)和幅度較小的交流信號(hào)的混合信 號(hào)，直流信號(hào)可以表征測(cè)量過程中袖帶內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力，而其中的交流信號(hào)則是動(dòng)脈傳遞至 袖帶中的脈搏壓力信號(hào)，雖然人體的脈搏強(qiáng)度因人而異，但通常脈搏信號(hào)的強(qiáng)度是在1~ 3mmHg的范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)醫(yī)學(xué)觀察，人體脈搏信號(hào)的功率譜范圍大致為0. 2Hz~40Hz， 而絕大多數(shù)的能量集中在IOHz以下。
[0003] 利用示波法原理測(cè)量血壓，需要將傳感器輸出的靜壓力信號(hào)中的直流信號(hào)和交流 信號(hào)實(shí)現(xiàn)分離，提取交流信號(hào)，并由交流信號(hào)的振幅包絡(luò)線的特征來確定待測(cè)個(gè)體的收縮 壓和舒張壓，如圖2所示，具體確定收縮壓和舒張壓的方法，可參考201310129242. 6號(hào)發(fā)明 專利申請(qǐng)。目前的電子血壓測(cè)量裝置廣泛采用模擬濾波的方法實(shí)現(xiàn)，其通常的做法由一組 運(yùn)放和R、C元件實(shí)現(xiàn)的有源高通濾波器和有源低通濾波器，組成一個(gè)帶通濾波器，從壓力 傳感器的輸出壓力信號(hào)中分離和提取出脈搏信號(hào)。模擬濾波的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約MCU的運(yùn)算 資源，但也有明顯的不足： 1、 確定濾波器的高通截止頻率后，如何選擇合適的電路參數(shù)比較麻煩，濾波器存在較 大延時(shí)，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差； 2、 占用較多的PCB空間，不適合穿戴設(shè)備，而且不合理的布線可能引入新的干擾； 3、 如果采用更高階數(shù)的模擬濾波器，電路將越龐大，會(huì)導(dǎo)致硬件成本增加； 本發(fā)明提出了一種數(shù)字濾波方法和數(shù)字濾波器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器輸出信號(hào)的直 流、交流分量的分離，提取所需的脈搏信號(hào)，如圖3所示。既簡化PCB電路，減少干擾，又能 降低成本，同時(shí)克服模擬濾波器存在的較大延時(shí)。在高性能MCU(如ARM)芯片小尺寸化的 今天，數(shù)字濾波方法特別適用于微型的穿戴設(shè)備，也適合一般的醫(yī)療電子設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述測(cè)量過程中采用模擬濾波器的不足，本發(fā)明提出一種數(shù)字濾波的方 法和數(shù)字濾波器，對(duì)傳感器輸出信號(hào)中混合的直流、交流分量進(jìn)行分離，并實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的 提取和分析。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 1、由于人體脈搏信號(hào)的能量主要集中在〇. 2Hz~10Hz，設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器合理的采樣頻 率Z1S=IOOHz~500Hz(為簡便起見，以下均取/^=100Hz)。
[0006] 2、同時(shí)需重點(diǎn)考慮對(duì)50Hz工頻干擾的抑制和過濾，所以分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)字濾 波器，一個(gè)截止頻率/7=0. 2Hz的高通濾波器和一個(gè)截止頻率/J?=10HZ的低通濾波器，由這 兩個(gè)數(shù)字濾波器串接可形成一個(gè)帶通濾波器，其通帶與脈搏信號(hào)功率譜中能量最為密集的 頻帶一致。這里高通濾波器為N階IIR濾波器（N>=2)，采用IIR形式的原因是對(duì)于接近OHz 的截止頻率要求，只有幾百階甚至上千階的FIR才能獲得與三階IIR相似的性能和效果，大 多數(shù)的MCU根本無法滿足幾百甚至上千階數(shù)的FIR對(duì)運(yùn)算資源的要求。而低通濾波器可以 是一個(gè)N階的IIR或FIR濾波器（N>=2)，只要該濾波器抑制旁瓣電平衰減程度符合測(cè)量系 統(tǒng)對(duì)信號(hào)過濾的要求，那么相應(yīng)的濾波器參數(shù)即可采納。
[0007] 3、截止頻率/7=0. 2Hz的高通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)。本發(fā)明提出了一種截止頻率靠近 OHz的IIR高通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的判定方法，如下： (1)根據(jù)參考文獻(xiàn)，傳感器輸出信號(hào)中包含的脈搏波信號(hào)在OHz~IHz之間可能已存在 低頻干擾(來自于基線漂移、人體肌體自身運(yùn)動(dòng)等諸多因素)，特別是接近〇頻的地方，存在 較大分量的所謂的"〇次諧波"，為了抑制和消除這一干擾，希望高通濾波器在〇~/VHz區(qū) 間能夠快速下降。計(jì)算該數(shù)字濾波器的幅頻響應(yīng)時(shí)，P(Z)I=PW~)|是頻率/的周期性函 數(shù)，計(jì)算過程中，頻率/從〇開始，并按設(shè)定的間隔Af不斷增加，定義該高通濾波器的"近0 頻率"為A/,那么用A/處幅度衰減的大小來衡量該濾波器在0~/VHz區(qū)間下降快慢的程 度，衰減越大則下降越快，下降越快則抑制和消除近〇頻的干擾效果越好。
[0008] (2)為了消除近0頻率處的干擾，還原頻譜干凈的脈搏信號(hào)，只需在歸一化的對(duì)數(shù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在數(shù)字醫(yī)療設(shè)備中從傳感器輸出的交直流混合信號(hào)中提取和分 離人體脈搏波的數(shù)字濾波方法和數(shù)字濾波器，其特征是：由一個(gè)IIR高通濾 波器與一個(gè)IIR低通濾波器(或一個(gè)FIR低通濾波器）串聯(lián)形成的帶通數(shù)字 濾波器，其通帶頻率范圍與脈搏波功率譜能量集中的范圍一致，高通濾波器在 Δ/(近O頻率）處幅度衰減至少達(dá)到-40db以抑制和消除多種因素引起的"0次諧波"，使獲 得的脈搏波頻譜更干凈，而低通濾波器需抑制和消除工頻干擾，判定濾波器濾波效果的標(biāo) 準(zhǔn)是其對(duì)數(shù)幅頻特性的旁瓣衰減<=_40db。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：用于提取和分離脈搏波、截止 頻率在0. 2Hz~0. 5Hz范圍內(nèi)選擇的數(shù)字高通濾波器，其形式應(yīng)是IIR濾波器，而不是FIR 濾波器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：包含一個(gè)"近0頻抑制的IIR 高通濾波器"，以及在4f (近〇頻率）處的幅頻衰減的判定依據(jù)，判定依據(jù)為：歸一化對(duì)數(shù)幅 頻滿足 -40db。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：包含一個(gè)IIR或FIR的低通 濾波器，以及設(shè)定過渡帶寬度和旁瓣電平衰減判定依據(jù)，過渡帶寬度<=l〇Hz，旁瓣衰減判定 依據(jù)是：歸一化對(duì)數(shù)幅頻中旁瓣電平衰減〈=-40db。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：使用的數(shù)字濾波器由兩種結(jié) 構(gòu)組成，可任選一種結(jié)構(gòu)來使用，其一結(jié)構(gòu)是，由一個(gè)N階"近0頻抑制的IIR高通濾波器" (N>=2)和一個(gè)N階IIR低通濾波器（N>=4)串聯(lián)組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：使用的數(shù)字濾波器由兩種結(jié) 構(gòu)組成，可任選一種結(jié)構(gòu)來使用，其二結(jié)構(gòu)是，由一個(gè)N階"近0頻抑制的IIR高通濾波器" (N>=2)和一個(gè)N階FIR低通濾波器（N>=30)串聯(lián)組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：從傳感器輸出的交直流混合 信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以后，先儲(chǔ)存在buffer 1，然后將buffer 1的數(shù)據(jù)作為N階"近0頻抑制的 IIR高通濾波器"（N>=2)的輸入由該濾波器進(jìn)行處理，該濾波器將處理完畢的結(jié)果存儲(chǔ)在 buffer2中待后續(xù)處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：將bufferf中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作 為N階IIR低通濾波器（N>=4)或者N階FIR低通濾波器（N>=30)的輸入，由該濾波器處理， 該濾波器將處理完畢的結(jié)果存儲(chǔ)在bufTer3中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波方法和濾波器，其特征是：由傳感器輸出的數(shù)據(jù)，在濾波 處理過程中沒有借助模擬濾波器電路來處理，而是完全由MCU及相應(yīng)的數(shù)字濾波器代碼運(yùn) 行完成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及電子血壓計(jì)、血氧監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療設(shè)備需要提取和分析人體脈搏信號(hào)的醫(yī)療電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提取人體脈搏信號(hào)的數(shù)字濾波方法和數(shù)字濾波器，該方法可應(yīng)用于多種數(shù)字醫(yī)療設(shè)備中。方案中提出了一種數(shù)字濾波方法和數(shù)字濾波器，對(duì)多種干擾源引起的近0頻率處的干擾給出了簡單易行的處理方法和判定標(biāo)準(zhǔn)，使提取到的脈搏波頻譜盡可能干凈。用此方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器，可用來分離傳感器輸出信號(hào)中包含的直流、交流分量，提取所需的脈搏信號(hào)，既簡化PCB電路，減少干擾，又能降低成本，同時(shí)克服模擬濾波器存在的較大延時(shí)。在高性能MCU芯片小尺寸化的今天，這一數(shù)字濾波方法特別適用于微型的穿戴設(shè)備，也適用于一般的醫(yī)療電子設(shè)備。
【IPC分類】A61B5-145, A61B5-02, A61B5-0225
【公開號(hào)】CN104825140
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410046965
【發(fā)明人】瞿浩正
【申請(qǐng)人】瞿浩正
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2014年2月11日