摘 要

随着医学技术的发展，人类战胜病魔的概率越来越高，但心脏疾病仍然是造成死亡率最高的疾病之一。且我国因心脏病而猝死的人数为全世界最高。所以为了有效的降低心脏病的死亡率，有必要研究一种适用于日常检测心脏活动情况的简易装置。当人体的心脏泵血时，产生的冲击力会使与人体接触的物体产生受力上的变化，这就是BCG（Ballistocardiogram）信号。BCG信号中包含了非常丰富的心脏血管活动的信息，其可以有效的反应心脏的健康状态。

本文将使用三轴加速度传感器来检测这种冲击信号，当心脏活动出现异常时，传感器会检测到异常信号，通过IIC数字输出到51单片机中，单片机接收到信号后通过串口通信将数据发送至 PC端。在PC端本文基于MATLAB GUI完成了对PC端串口数据的读取，以及波形的实时显示，通过观察实时波形我们可以分析出心冲击信号是否存在异常，由于心冲击信号与人体的心脏活动同周期，这样我们就可以有效的检测人体的心脏活动状态，从而避免因为心脏突发异常而造成病人死亡。

关键词：BCG信号;无感觉检测;加速度传感器;IIC;串口通信

Abstract

With the development of medical technology, the probability of human beings to overcome the disease is getting higher and higher, but heart disease is still one of the diseases causing the highest mortality rate. And the number of sudden deaths from heart disease in China is the highest in the world. Therefore, in order to effectively reduce the mortality rate of heart disease, it is necessary to study a simple device that is suitable for daily detection of heart activity. When the body's heart pumps blood, the resulting impact force will cause a change in the force of contact with the body. This is the BCG (Ballistocardiogram) signal. The BCG signal contains very rich information on cardiovascular activity, which can effectively reflect the health of the heart.
This article will use the triaxial acceleration sensor to detect this kind of impact signal. When the heart activity is abnormal, the sensor will detect the abnormal signal. Through IIC digital output to the 51 MCU, the MCU receives the signal and sends the data to the PC through the serial communication. end. On the PC side, based on the MATLAB GUI, we completed the reading of the PC serial port data and the real-time waveform display. By observing the real-time waveform, we can analyze whether there is an abnormality in the heart impulse signal, because the heart impulse signal is in the same cycle as the human heart activity, so that we can effectively detect the state of human heart activity, so as to avoid sudden death due to abnormal heart.

Key Words：BCG signal; serial communications; acceleration sensor; IIC; digital filtering.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.2国内外发展与研究现状 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 3

1.3课题提出的意义以及章节安排 4

1.3.1 课题意义 4

1.3.2 章节安排 4

第2章 BCG信号检测的硬件设计 5

2.1 系统总体方案设计 5

2.1.1 方案的论证 5

2.1.2 总体方案设计 6

2.2 BCG信号采集模块 7

2.3 BCG信号的传输模块 9

2.3.1 AT89C51的最小系统 10

2.3.2 传感器电路与单片机的连接 12

2.3.3 AT89C51与PC端的串口通信 12

第3章 BCG信号检测的软件设计 14

3.1 MMA8451的配置 14

3.2 传感器与单片机之间I2C通信的实现 14

3.3 51单片机与PC端串口通信的软件实现 15

3.4基于MATLAB GUI的串口通信以及实时绘图设计 17

3.4.1 GUI界面的整体布局设计 18

3.4.2 GUI界面的功能实现 20

3.5 整体系统的结果分析 22

第4章 总结与展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

心脏病是一种非常常见并且致死亡率较高的一种疾病，心冲击图与心电图类似，也是一种可以用来在日常生活中监测心脏活动状况的检测手段，它通过检测人体的受力情况从而分析出心脏血管的活动状况，并且它可以随时随地日常进行检测，心冲击图中所包含的心脏活动信息十分丰富，有了心冲击图，人类在突发性心脏疾病的防治上有了长足的进步。

研究的背景

目前为止医学界在临床心脏防治上运用的手段有很多，基本分为两大类，即有创和无创。如心室造影，心肌活检这种需要通过血管穿刺向血管，心脏内插入心导管，再通过导管技术获得心脏血管的数据以及组织，达成检测或者诊断目的的技术，便称为有创性检测。^[1]这种检查手段不可避免的对人体造成一定创伤性，尽管它得到的数据准备，直观，但是由于具有危险性和创伤性，并且会对受测者造成一定的心理压力，所以这种检测手段不适宜用来在日常生活中完成对心脏活动的日常检测。而无创性检测则包括心电图（ECG）,心脏彩超（UCG）,以及本篇论文基本介绍的心冲击图（BCG）。心电图以及心脏彩超在检测过程中都需要在人体表面帖附电极，会给受测者带来一些不适，并且操作较为繁琐，无法进行日常监测。而心冲击图（BCG）则可以在受测者完全无感觉的情况下完成对心脏血管活动状况的检测，只需要在人体直接接触的物体上放置一个传感器即可完成所有的检测工作，且其包含的信息，数据，也不逊色于以上阐述的各种心脏活动检测手段，所以在心冲击图上的研究，具有很大的意义。

1.2国内外发展与研究现状

心脏泵血时会引起与人类身体紧密接触的物体发生受力上的变化，将这种受力变化记录下来便称为心冲击图（Ballistocardiogram,BCG）信号^[2]。BCG信号是心脏监测的方法之一，它反映了心血管系统的工作状态，且无需在人体贴附传感器，可以在受检测者没有察觉的情况下进行检测，长期使用时不会对受检测者造成多余的心理负担。BCG信号中包含很多心血管系统的信息，利用BCG信号检测实时心率可以密切观察心脏变化，监测心脏活动是否存在异常，并且将发病率降到最低。

1.2.1 国外发展现状

人类对BCG信号的研究从十九世纪开始有源可循，最早是在1877年，Gordon发现当人类直立站立在一个粗大的弹簧上时，弹簧会随着人体心脏的活动出现一些微小的振动。这种信号被记录下来就是BCG信号，这也是人类第一次发现BCG信号。二十世纪四十年代，Isaac Starr设计了一种可以检测人体BCG信号的检测床^[3]，这被视为BCG科学研究的开端。他设计的装置主要由一张用绳子悬挂在天花板上的桌子构成，并在横向上进行支撑用于消除横向方向的振动干扰，纵向上的力作用于一根粗大的弹簧，该力信号被放大8000倍后记录下来，为一个存在且可重复的信号，同时具有一定的特征。在此之后，BCG信号检测技术如雨后春笋层出不穷，多为应用机械和光电的融合技术。

图1.1 Starr设计的BCG信号检测装置