便意信號檢測及處理方法
2023-09-13 13:22:45 1
專利名稱：便意信號檢測及處理方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測人體便意信號並對其進行處理，使其能夠被用來控制接便裝置的開啟的方法，屬於電子信號處理技術領域，可應用於醫療護理及康復領域。
背景技術：
一些被護理者如痴呆、癱瘓、神智昏迷、中風、下肢骨折、腰肢行動不便、大手術、坐臥及翻身困難者所使用的坐臥設施如護理床、康復床、輪椅等通常配備接便裝置，如在床面1中部開一豁口2，見圖1所示，在該豁口處安裝一對對開小門3，見圖2、圖3所示，在豁口2下方安置容器4。當被護理者排便時，護理人員手動開啟小門3，見圖4所示，排入容器4，之後再手動關閉小門3，設施恢復原狀。不過，在現有的機電技術領域中，存在各種各樣的電動機械裝置，用來開閉類似上述小門3的門等，都屬於常規技術。
另外，在現有的醫學技術中有一種能夠檢測因人體腸胃蠕動而產生的電信號的技術，如中國《醫療保健器具》(MEDICAL APPRATUS INSTRUMENTS)刊物2003.No.11，P.22～27刊登的一篇題為「胃腸電檢測分析系統的原理結構及臨床意義研究」的論文對這一技術的應用作了全面的介紹，在腹壁腸胃投影位置布置表面電極，它能檢測到因腸胃蠕動而產生的生物電信號。具體的檢測過程見圖5所示，1、表面電極置於腹壁腸胃投影位置實時採集其蠕動信號；2、前置放大器將採集的蠕動信號放大；3、帶通濾波器濾掉心電、肌電、呼吸偽差等無關信號；4、繪製胃腸電圖。人體的降結腸以及乙狀結腸同樣處在蠕動狀態中，並且，當人沒有便意時，蠕動波頻率很低，信號電壓幅值很小；當人有便意時，蠕動波頻率加快，信號電壓幅值增大，形成便意信號，同樣是一種生物電信號，因此，上述檢測方法同樣可以檢測到人體在排便前所產生的這種便意信號。
發明內容
雖然按照現有的機電技術可以實現接便器的電動開啟，但是，只能由護理人員啟動相關裝置，而上述特殊人員出現便意，他們自己通常沒有常人的感知和判斷能力，護理人員也就無法準確、及時操作。而現有的人體生物電信號檢測技術其技術目的是對檢測結果本身進行分析，如讀胃腸電圖，作為一種間接反映胃腸運動的無創性方法，結合胃腸內窺鏡、鋇餐/鋇灌腸X線顯影等形態學檢查，為胃腸道疾病的診斷、治療和療效判定提供客觀依據，尚未將可測得的便意信號作為一種控制信號控制接便器的開啟裝置。本發明的目的就是檢測人體便意信號，並對該信號進行處理，成為一種機電裝置的控制信號。為此，我們發明了本發明之便意信號檢測及處理方法。
本發明是這樣實現的，見圖6所示，包括採集信號、生物電放大、陷波、帶通濾波以及信號處理五個過程；其中陷波過程使用陷波器將經生物電放大過程放大了的50Hz電源幹擾信號衰減；在信號處理過程中，預先將人體有便意時的信號電壓幅值作為初始值a，將實時檢測到的信號電壓幅值作為實時值b，當b＞ka，k為大於1的係數，因人體的個體差別而不同，此時輸出實時值b作為接便器開啟的控制信號，這一過程由單片機通過編程實現。
根據本發明之上述方案，可以實時採集人體降結腸、乙狀結腸的微弱蠕動信號，經過生物電放大、陷波、帶通濾波後，實時與同樣經過上述過程預先設定的初始值比較，當實時值大於初始值一定幅度，就成為一種便意信號，並作為一種控制信號輸出，實現了根據人體便意及時、準確控制接便器開啟的技術目的。
圖1是現有配備了人工接便器的護理床示意圖。圖2是現有護理床上配備的人工接便器小門在床面上的位置示意圖。圖3是現有護理床上配備的人工接便器小門關閉時的狀態示意圖。圖4是現有護理床上配備的人工接便器小門打開時的狀態示意圖。圖5是現有檢測及利用因人體胃腸蠕動而產生的生物電信號的過程示意圖。圖6是本發明檢測及處理因人體降結腸、乙狀結腸蠕動而產生的生物電信號的過程示意圖。圖7是本發明之方法中信號處理過程的程序框圖，該圖同時作為摘要附圖。
具體實施例方式
下面具體說明本發明，見圖6所示，包括採集信號、生物電放大、陷波、帶通濾波以及信號處理五個過程。其中採集信號過程是將表面電極置於人體腹壁降結腸、乙狀結腸投影位置獲得因腸蠕動而產生的生物電信號。其中生物電放大過程是採用電子放大器運用屏蔽驅動和浮地跟蹤技術將採集的信號放大10000倍。其中陷波過程是使用陷波器將經生物電放大過程放大到5V的50Hz電源幹擾信號衰減30dB左右，大幅提高信號噪聲比(S/N)，從而保證了本發明之方法取得良好的參數特性和極強的抗幹擾能力。其中帶通濾波過程是使用帶通濾波器使0.02Hz～1.3Hz的頻帶成分通過，其他頻率成分被濾掉。在信號處理過程中，由於腸蠕動的中心頻率約為0.6Hz，即腸蠕動周期約為1.67秒，有的人體腸蠕動周期可能更長，採集一個周期的腸蠕動信號所需時間就大於1.67秒，信號處理周期長，未能實現預先檢測，為了解決這一難題，通過快速傅立葉變換(FFT)將採集的信號狀態從時域轉到頻域，這一過程僅需約1秒左右時間，一方面大幅度縮簡訊號處理周期，另一方面所採集的信號能夠將腸蠕動的狀態特徵表現出來。同時由於頻譜在1.2Hz處電壓幅值大小可以確切反映人體有無便意，有便意時電壓幅值大，無便意時電壓幅值小，因此通過對比便意前後1.2Hz處電壓幅值能快速判斷有無便意。於是，預先將人體有便意時的信號電壓幅值作為初始值a。關於初始值a的確定，首先確定閾值c，該閾值c由臨床實驗確定，一般人在100微伏左右；然後將採集的信號經過快速傅立葉變換(FFT)獲得1.2Hz處的電壓幅值，當其大於100微伏才可以作為初始值a，否則視為無效值，認為是由各種噪聲引起的；之後初始值a每經過一個最小時間間隔如1小時進行一次更新。再將實時檢測到的信號電壓幅值作為實時值b。實時值b是在確定初始值a後對實時採集的腸蠕動信號進行快速傅立葉變換(FFT)獲得的1.2Hz處電壓幅值。當b＞ka時，此時輸出該實時值b作為接便器開啟的控制信號。k為大於1的係數，對於一般人k在1.3～1.5範圍內，因人體的個體差別而不同，如胖瘦、年紀、性別、平時的活動特點等。信號處理過程單片機按照程序控制硬體完成。下面結合圖7所示程序框圖進一步說明信號處理過程，開始；根據某個特定的人體的特點確定係數k，可設三檔，1.3、1.4、1.5，如體胖、年老者可選高檔；對經過前四個過程的信號進行FFT；然後與閾值c比對，如未達到，則繼續取樣，如達到，則將該變換值作為初始值a；將在此之後實時採集到的信號經FFT後作為實時值b；然後，判斷實時值b、初始值a二者比值是否大於係數k，如小於或者等於，則重複前一步驟，如大於，則作出有便意的判斷，同時停止採樣、停止判斷，輸出該實時值b作為控制信號，開啟接便器；在接便過程中保持停止採樣、停止判斷狀態；接便完畢後如果達到更新期，則重新設定初始值a，在更新期內繼續採集實時值b並重複上述對比及判斷過程。
權利要求
1.一種便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，包括採集信號、生物電放大、陷波、帶通濾波以及信號處理五個過程；其中陷波過程使用陷波器將經生物電放大過程放大了的50Hz電源幹擾信號衰減；在信號處理過程中，預先將人體有便意時的信號電壓幅值作為初始值a，將實時檢測到的信號電壓幅值作為實時值b，當b＞ka，k為大於1的係數，此時輸出實時值b作為接便器開啟的控制信號，這一過程由單片機通過編程實現。
2.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，其中採集信號過程是將表面電極置於人體腹壁降結腸、乙狀結腸投影位置獲得因腸蠕動而產生的生物電信號。
3.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，其中生物電放大過程是採用電子放大器將採集的信號放大10000倍。
4.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，其中陷波過程是使用陷波器將經生物電放大過程放大到5V的50Hz電源幹擾信號衰減30dB。
5.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，其中帶通濾波過程是使用帶通濾波器使0.02Hz～1.3Hz的頻帶成分通過，其他頻率成分被濾掉。
6.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，在信號處理過程中，通過快速傅立葉變換將採集的信號狀態從時域轉到頻域。
7.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，通過對比便意前後1.2Hz處電壓幅值能快速判斷有無便意。
8.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，關於初始值a的確定，首先確定閾值c；然後將採集的信號經過快速傅立葉變換獲得1.2Hz處的電壓幅值，當其大於閾值c時作為初始值a；之後初始值a每經過一個最小時間間隔進行一次更新。
9.根據權利要求1所述的便意信號檢測及處理方法，其特徵在於，k在1.3～1.5範圍內。
全文摘要
便意信號檢測及處理方法屬於電子信號處理技術領域，可應用於醫療護理及康復領域。現有接便器的開啟由護理人員手動完成，對於失禁者，幾乎無法及時接便；而現有的人體生物電信號檢測技術其技術目的是對檢測結果本身進行分析，為胃腸道疾病的診斷、治療和療效判定提供客觀依據為此，本發明包括採集信號、生物電放大、陷波、帶通濾波以及信號處理五個過程；在信號處理過程中，預先將人體有便意時的信號電壓幅值作為初始值a，將實時檢測到的信號電壓幅值作為實時值b，當b＞ka，k為大於1的係數，此時輸出實時值b作為接便器開啟的控制信號，這一過程由單片機通過編程實現。本發明可應用於護理床、康復床、輪椅上配備的接便器，解決失禁者潔淨解便的問題。
文檔編號G06F17/00GK1935085SQ20061001724
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者蘇成志, 李曉舟, 繆冠軍, 史庭高, 劉博 , 張乂文 申請人:長春理工大學