加速度传感器用于心搏图的设计考量

来源:加速度传感器网 2015/6/4

　　微机电技术（MEMS）的加速度传感器与陀螺仪已经广泛应用于导航与游戏应用，而此类传感器的另一个亮点是健康医疗，当前较流行的应用是测量病人心脏性能的诊断设备，常用测量心脏功能是通过测量心电图，这需要将一系列的电极连与人体接触。

　　在心率监护仪或者运动设备中，人们可以根据心电图中的P-QRS-T波峰信息中的幅度和时序、或者只是R波峰的时序等信息，得到复杂的心电向量图，典型的心电图。如图一所示。

图一：心电图中的P-QRS-T波形图

　　心电图可以给出很多的信息，如心脏的故障或疾病，身体的恢复状态，或者身体和心理的压力状态等等。但是心电图不能很好的测量心脏的泵血功能与容量，另外，心电图测量时，那么多的电极夹在人体上，无形给被测量者压力，从而也影响到测量的准确性。幸运的是有其他的方式测量心脏的功能，如超声波测量仪和投影心搏图，机械的投影心搏图通常滞后30--40mS。

　　通过投影心搏图，我们可以通过测量胸部的力和加速度，或者远程的心搏图测量心脏的泵血活动等，得出心脏的机械运动。利用心搏图技术，测量时不需夹戴任何器件，可以在每天的生活状态下实现测量，而且只需在人体直立单轴方向进行测量就足够了，因为这是血液流动的主要方向。

　　投影心搏图为医疗预言提供全局性分析依据，如探测身体或精神压力，或者早期探测冠心病等。如图2中信号的振幅，可以测量出心脏的每搏量及其变异性，从时序可以看出心脏的整体功能以及心率与其变异性。搏量变异性可以很容易地监测呼吸与心率变异性，从而估计康复状态和病人的压力状态。图二中的I波与IJ波幅度可以用于评估某些疾病，如主动脉瓣膜病，冠状动脉疾病，以及分析预期寿命等。

图二：投影心搏图波形

　　当用加速度传感器测量投影心搏图数据，主要的挑战在于加速度信号水平相对于传感器本身与环境的噪声非常低，以及频率响应与机械谐振等的影响。从病床上测量投影心搏图数据可以测量睡眠活动、身体条件和康复状态等，这样不需要任何电极安装在病人身体上，不会影响病人的舒适度、也不会干扰睡眠。这类的测量可以应用于监测人们因身体可心里引起的睡眠问题，以及监测运动员优化训练效果、避免过度训练。

　　工程师们分析了病人在病床上的活动，并分离出了心搏图数据，心搏图数据如图三，从中可以看到床的谐振影响到信号，且随时间衰减。而可靠的测量信号在10mg范围，这需要加速度传感器的分辨率特别的高。