一种人体微震信号模拟方法和装置
阅读说明：本技术 一种人体微震信号模拟方法和装置 (Human body microseismic signal simulation method and device ) 是由 方震 白忠瑞 赵荣建 何光强 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了生理信号检测技术领域的一种人体微震信号模拟方法及装置,包括以下步骤：采集若干条真实的人体卧姿、平静状态下的微震信号,作为基信号存储在主处理器的快闪存储器中；通过输入设备设置输出信号的模拟心跳频率、模拟呼吸频率、信号振幅、波形等参数；根据输入的信号参数对基信号进行信号的频率处理和幅度处理,并将处理后的模拟心跳信号和模拟呼吸信号按照一定规则合并；将处理后的模拟人体微震信号通过数模转换器输出到低频功率放大器；将低频功率放大器连接到振动器,并将振动器通过一定的耦合方式固定在床体,振动器带动测试床产生振动,本发明能够更好地测试待检的无感式体征检测设备的性能。(The invention discloses a human body microseismic signal simulation method and a device in the technical field of physiological signal detection, and the method comprises the following steps: collecting a plurality of real microseismic signals of human body lying and in a calm state, and storing the microseismic signals as base signals in a flash memory of a main processor; parameters such as the simulated heartbeat frequency, the simulated respiratory frequency, the signal amplitude, the waveform and the like of the output signal are set through input equipment; carrying out frequency processing and amplitude processing on the base signal according to the input signal parameters, and combining the processed simulated heartbeat signal and the simulated respiration signal according to a certain rule; outputting the processed simulated human body microseismic signals to a low-frequency power amplifier through a digital-to-analog converter; the low-frequency power amplifier is connected to the vibrator, the vibrator is fixed on the bed body in a certain coupling mode, and the vibrator drives the test bed to vibrate.)
技术领域
本发明涉及生理信号检测技术领域，具体涉及一种人体微震信号模拟方法及装置。
背景技术
随着当今社会人们物质生活水平的提高和生活方式的改变，人均寿命得到了显著提高。但与此同时，心血管疾病、糖尿病、慢性阻塞性肺病等慢性病发病率呈现越来越高的趋势，对人体生命体征进行长期连续监测对于慢性病的预防和控制具有重要意义。然而目前常用的心电(ECG)、血氧容积脉搏波(PPG)等体征监测方式需要将电极贴或传感器直接接触用户皮肤，给用户带来不适，不适合长期监测。
近年，心冲击图(BCG)作为一种非接触式的生理信号监测方式获得研究人员的关注。使用心冲击图进行长期的体征监测具有无创、无干扰、检测方便等优势。申请人于2020年3月18日申请了发明专利“一种精准的心冲击信号逐拍心率计算装置及方法”(申请号为CN202010191922.0)。
为测试不同心率条件下相关产品参数计算的准确性，需要对人体微震信号进行模拟，但目前的人体微震信号模拟装置基本都是采用步进电机产生机械运动信号，如授权公告号为CN106128263B的发明专利“人体体动模拟系统”公开了一种使用步进电机模拟人体体动的系统。授权公告号为CN207462074U的实用新型专利“一种模拟人体微震信号发生仪”公开了一种使用步进电机周期性向待测设备打点的模拟人体微震信号发生仪。这类方法存在的问题是只能周期性地往待测产品表面打点，产生单一的脉冲信号，而人体的心冲击信号其实是相对复杂的信号，此类信号对待检设备内计算心率呼吸率的相关算法要求较高，步进电机无法做到完全模拟真实心冲击信号，无法真正验证系统和算法的可靠性和有效性。
基于此，本发明设计了一种人体微震信号模拟方法和装置，以解决上述问题。
发明内容
为解决当前方法存在的不足，本发明提出一种基于心冲击信号复现的人体微震信号模拟方法，同时提供了一种人体微震信号模拟装置。将事先采集到的不同形状特征和不同心率、呼吸率的真实的BCG信号进行处理得到所需的模拟心跳频率、呼吸频率以及振动幅度，更真实的还原人体微震信号，同时也能产生正常健康人不易达到的心率、呼吸率等体征信号，测试待检设备在体征异常时的准确度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种人体微震信号模拟方法，包括以下步骤：
S101：采集若干条真实的人体卧姿、平静状态下的微震信号，作为基信号存储在主处理器的快闪存储器中；
S102：通过输入设备设置输出信号的模拟心跳频率、模拟呼吸频率、信号振幅、波形等参数；
S103：根据输入的信号参数对基信号进行信号的频率处理和幅度处理，并将处理后的模拟心跳信号和模拟呼吸信号按照一定规则合并；
S104：将处理后的模拟人体微震信号通过数模转换器输出到低频功率放大器；
S105：将低频功率放大器连接到振动器，并将振动器通过一定的耦合方式固定在床体，振动器带动测试床产生振动。
优选的，S101中，所述微震信号为呼吸信号和心冲击信号，每条基信号大于30秒。
优选的，S103中，所述频率处理为采用最近邻法或者线性插值的信号重采样方法。
一种人体微震信号模拟装置，包括主处理器，用于对人体微震信号进行存储、处理和输出，并接收输入设备的输入参数；输入设备，用于设置所要输出的微震信号的模拟心率、呼吸率、幅度、波形等参数；低频功率放大器，用于将接收到的模拟微震信号进行功率放大，赋予其足够的能量；电源设备，用于给主处理器、输入设备以及低频功率放大器进行供电；振动器，用于接收低频功率放大器的激励产生振动。
优选的，所述低频功率放大器的功率大于50W，最低频响范围小于30Hz，所述振动器为体感振动器或低频扬声器。
优选的，所述主处理器包括存储单元，用于存储的心跳基信号和呼吸基信号；信号处理单元，用于按照设置的参数对基信号进行处理；数模转换器，用于将数字信号转化为功放能够使用的模拟信号。
优选的，还包括测试床，用于呈现模拟人体微震信号，检测待检设备性能；耦合，用于将振动器产生的振动传输到测试床。
优选的，所述测试床顶部连接有耦合木架，所述耦合木架顶部与振动器连接安装，所述测试床顶部放置有枕头，所述枕头下放置有待检设备。
优选的，所述振动器电连接有低频功率放大器和主处理器，所述主处理器电连接有触控屏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用真实的人体微震信号作为“基信号”产生模拟体振信号，并可以设置所需模拟心率、呼吸率等参数。克服了其他体振模拟方法只能产生单一的打点信号，不能较好地模拟人体微震信号的不足，能够更好地测试待检的无感式体征检测设备的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明模拟装置的结构示意图；
图3为本发明模拟装置整体应用方法的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
201-输入设备，202-主处理器，2021-信号存储单元，2022-信号处理单元，2023-DAC，203-供电装置，204-低频率放大器，205-振动器，206-耦合，207-测试床，302-耦合木架，304-枕头，305-待检设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种人体微震信号模拟方法和装置，包括以下步骤：
S101：采集若干条真实的人体卧姿、平静状态下的微震信号，作为基信号存储在主处理器的快闪存储器中；
S102：通过输入设备设置输出信号的模拟心跳频率、模拟呼吸频率、信号振幅、波形等参数；
S103：根据输入的信号参数对基信号进行信号的频率处理和幅度处理，并将处理后的模拟心跳信号和模拟呼吸信号按照一定规则合并；
S104：将处理后的模拟人体微震信号通过数模转换器输出到低频功率放大器；
S105：将低频功率放大器连接到振动器，并将振动器通过一定的耦合方式固定在床体，振动器带动测试床产生振动。
其中，通过使用待检设备或其他信号采集设备等采集若干条真实的人体微震信号作为“基信号”存储在主处理器中，使用待检设备或其他信号采集设备采集若干条真实的人体卧姿、平静状态下的微震信号，即呼吸信号和心冲击信号(BCG)，作为“基信号”存储在中央处理器的快闪存储器中。每条“基信号”须大于30秒。
通过输入设备设置输出信号的模拟心跳频率、模拟呼吸频率、信号振幅、波形等参数，根据设定的模拟心跳频率、模拟呼吸频率、信号振幅、波形等参数产生相应的人体微震信号，首先通过输入设备进行参数的设定。
根据输入的信号参数对“基信号”进行信号的频率处理和幅度处理，并将处理后的模拟心跳信号和模拟呼吸信号按照一定规则合并，频率处理为采用最近邻法或者线性插值的信号重采样方法，重采样频率按照以下公式：
Fr_heart＝Fb_heart×HRb/HRset
Fr_resp＝Fb_resp×RRb/RRset
其中Fr_heart为用于心跳基信号的重采样频率，Fb_heart为基信号采样率，HRb为基信号所对应的心跳频率，HRset为设定的输出心率。
Fr_resp为用于呼吸基信号的重采样频率，Fb_resp为基信号采样率，RRb为呼吸基信号所对应的呼吸频率，RRset为设定的输出呼吸率。
进一步的，所述线性插值方法重采样采用以下方法进行：以心跳基信号重采样为例，Fr_heart/Fb_heart的最简分数形式P/Q，然后对基信号进行P倍上采样，再进行Q倍降采样，得到重采样信号，对呼吸基信号的重采样同理。
进一步的，所述“基信号”的幅度处理按照以下公式进行：
S′r_heart＝Sr_heart×K，其中S′r_heart为幅度处理后的模拟心跳信号，Sr_heart为重采样之后的模拟心跳信号，K为设置的幅度参数，且为输出信号的幅度与“基信号”幅度的比值。模拟呼吸信号的幅度处理同理。
进一步的，所述模拟心率将重采样之后的心跳信号和呼吸信号相加，最后所得信号长度为两信号中长度较短的长度。
Sr_sum(n)＝S′r_heart(n)+S′r_resp(n)(n≤min(Nb_heart，Nb_resp))
其中Sr_sum(n)为合成后的混合有心跳和呼吸信号的模拟人体微震信号；S′r_heart(n)为频率处理、幅度处理后的模拟心跳信号；S′r_resp(n)为频率处理、幅度处理后的模拟呼吸信号。
将处理后的模拟人体微震信号通过数模转换器(DAC)输出到低频功率放大器处理后的模拟人体微震信号存储在主处理器中，是一个数字信号(Digital Signals)，需要转换为模拟信号(Analog Signal)，此步骤由数模转换器完成，在本实施例中使用主处理器中带有的DAC模块进行处理。低频功率放大器需要在微震信号的频率范围内具有较好的频率响应，使微震信号的功率或能量放大，才能足以使振动器产生足够能量的振动。
功放连接到振动器，并将振动器通过一定的耦合方式固定在床体，振动器带动床产生振动，功放将信号放大到足够的功率之后，信号通过功放输入到振动器，振动器收到此信号的激励产生相应的振动。并且振动器需通过足够稳定的耦合方式与测试床产生振动，模拟人体微震信号。
参见图2，展示了本发明一种人体微震信号模拟装置的结构示意图，其包括：
输入设备201，用于设置所要输出的微震信号的模拟心率、呼吸率、幅度、波形等参数。主处理器202，用于对人体微震信号进行存储、处理和输出，并接收输入设备的输入参数。其中包括存储单元2021，用于存储的心跳“基信号”和呼吸“基信号”；信号处理单元2022，用于按照设置的参数对“基信号进行处理”；DAC(数模转换器)2023，即数模转换器，用于将数字信号转化为功放能够使用的模拟信号。电源设备203，用于给主处理器、输入设备以及低频功率放大器进行供电。低频功率放大器204，用于将接收到的模拟微震信号进行功率放大，赋予其足够的能量。振动器205，用于接收功放的激励产生振动。耦合206，用于将振动器产生的振动传输到测试床。测试床(含待检设备)207，用于呈现模拟人体微震信号，检测待检设备性能。
其中，输入设备201可以是，但不限于触控屏、按键、PC上位机。主处理器202是一种集成电路芯片，具有信号处理能力，可以是，但不限于中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、微控制单元(MCU)、现场可编程门阵列(FPGA)。信号存储单元2021可以是，但不限于随机存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，快闪存储器(FLASH EPROM)等。DAC(数模转换器)2023可以是集成在主处理器中的模数转换模块，也可以是单独的数模转换芯片。低频功率放大器204的功率应大于50W，最低频响范围应小于30Hz。振动器205可以是，但不限于体感振动器、重低音扬声器等。
参见图3，图3展示了一种人体微震信号模拟装置整体应用方法的示意图，是本发明的一种具体实施例，其中包括：
测试床207，耦合木架302，振动器205，枕头304，待检设备305，低频功率放大器204，主处理器202，TFT触控屏201。具体的，测试床207通过耦合木架302连接，待检设备305放置在枕头304下。TFT触控屏幕201可以接收用户输入的各类参数，并且可以展示当前输出波形。主处理器202中输出的信号通过低频功率放大器204放大之后，激励振动器205产生足够能量的振动，此振动带动测试床207产生振动，与真实人体卧于测试床达到相同效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。