CN101828908A - 无袖带便携式监测人体生理参数的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种无袖带便携式监测人体生理参数的装置和方法，壳体内光信号接收器依次与信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块和单片机连接，单片机外接一块数据存储器；外壳连接系带系在人体手腕，外壳的表面为液晶显示屏；光电检测模块设置在外壳背面，与桡动脉对应的体表皮肤接触；贴片式温度传感器设置在外壳背面的中部，与腕部皮肤接触，光电检测模块，将获得人体脉搏波光容积描记信号进行运算，通过对信号特征时间的提取和信号功率谱的计算得出人体血压，血氧饱和度，心率和呼吸频率的参数值；利用温度传感器获得人体体表温度信号，本发明可以在一个便携式装置上无创、舒适、实时、准确地显示出人体多项生理参数。

Description

无袖带便携式监测人体生理参数的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种无袖带便携式监测人体生理参数的装置与方法，属于生物医学工程领域中用于对人体生理参数如血压、心率、呼吸频率、血氧饱和度和体温的监测装置。

背景技术

目前血压的测量可分为直接测量和间接测量。直接测量是将连接有压力传感器的导管直接插入大动脉或心室来测量血压，虽然利用这种方法测得的血压数据最为准确，但其技术要求较高，有一定创伤性，不适合广泛使用。间接测量是通过检测动脉管壁的搏动、血管容积变化等参数间接得到血压，简便易行且无创。间接测量血压的方法有脉搏血压测量法，音调血压测量法和基于脉搏波传输时间的血压测量法。

传统的血氧饱和度测量是先从人体中抽取血液再利用分析仪器分析血液得到血氧饱和度数值。这种检测方法虽然准确，但是对患者造成痛苦，也有可能带来感染。依据光电容积脉搏波原理设计出的无创脉搏血氧计是一种快速测量血氧饱和度的有效方法，利用该方法设计的血氧计成本低、安装维护方便、使用时不需要校正，可以用于长时间测量。

呼吸频率的检测通常用的方法有阻抗法，直接测量呼吸气流法和气道压力法等。

心率可以从心电图的特征参数中获得也可以通过测量脉搏间接得到心率。

体温通过温度计与人体接触测量得到。

对现有技术文献检索发现，世界知识产权组织授权专利，授权专利号为：WO/2010/001233，授权日期为：2010年1月7日。该专利自述为：“无创血压检测系统和方法由下面的具体措施给予说明：用一个传感器或一个探测器来获得一个物体的体容积描记信号或光容积描记信号。该信号的两个或更多的特征点之间的时间差可以计算出来。例如，该时间差与脉冲离开传感器或探测器到反射点再回到传感器或探测器这一固定的距离相关，利用这个时间差，血压的检测可以进行连续测量也可以进行一定时间周期的测量。”该专利利用一路光信号进行了血压的测量，在很大程度上减少了被监测者在测量时的不适感，但是该专利的缺点是：该专利只进行了血压的测量研究，没有将脉搏波的光容积描记信号充分分析，并且处理模块比较庞大，不具有便携性。

美国发明专利，授权专利号为：US7179228B2，授权公告日：2007年2月20日。该专利自述为：“该装置的组成包括：光源和产生第一路信息的光电探测器组成的光模块，产生第二路压力信号的柔韧贴片型压力传感器，完成接收和处理第一路和第二路信息并计算出实时血压数值的处理器模块。”这个专利的主要缺点是：为了使压力传感器获得准确的血管压力参数，检测者需要将该装置紧紧的按在人体桡动脉表面，正是由于如此，如果进行长时间的血压测量，会由于测量装置与血管之间的作用力而使血液流动受到阻碍从而使被测量者产生不适感。同时，检测者对施加在装置的压力变化会影响到血压的数值。

另外，中国专利，授权公告号：CN1698536A，授权公告日2005年11月23日；中国专利，授权公告号：CN100502768C，授权公告日：2009年6月24日；这些专利都是采用心电信号和脉搏波光容积描记信号相结合计算出人体血压值，由于心电信号的引入需要添加一部心电测量装置，增添了检测的复杂程度，不便于便携式使用和长时间检测。

发明内容

本发明提供了一种无袖带便携式检测人体生理参数的装置和方法，该方法和装置是基于对脉搏波光容积描记信号特征点的分析而计算出人体生理参数，包括：利用光电检测的方法获得人体脉搏波光容积描记信号，通过对信号特征时间的提取和信号功率谱的计算得出人体血压，血氧饱和度，心率和呼吸频率的参数值；利用温度传感器获得人体体表温度信号，通过对该信号的处理实现人体体温的检测。

一种无袖带便携式监测人体生理参数的装置，包括：电源，光电检测模块，贴片式温度传感器，信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块，单片机，液晶显示屏，数据存储器，其特征在于：

A)光电检测模块包括红光光源、红外光光源和光信号接收器，所述的光信号接收器在红光光源和红外光光源二者连线的中点位置，且三者在一条直线上，以方便对漫反射光信号的获得和特征时间的确定；光信号接收器依次与信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块和单片机连接，单片机外接一块数据存储器；

B)电源，信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块、单片机及数据存储器设置在一个壳体内，该外壳连接系带系在人体手腕，外壳的表面为液晶显示屏；

C)光电检测模块设置在外壳背面，与桡动脉对应的体表皮肤接触；

D)贴片式温度传感器设置在外壳背面的中部，与腕部皮肤接触，将上述光电检测模块和贴片式温度传感器测试的信号传送至单片机；

E)单片机的输出端与液晶显示屏连接，液晶显示屏上设置有：输入的收缩压血压值，输入的舒张压血压值，增减按钮，输出的收缩压数值，输出的血氧饱和度数值，输出的心率数值，输出的舒张压数值，输出的温度数值，输出的呼吸频率数值和电源开关；

上述A)、B)、C)、D)E)组成无袖带便携式监测人体生理参数的装置。

所述的外壳侧面还设置有蜂鸣器，蜂鸣器与单片机的输出端连接，用于将超出正常范围的生理参数声控报警，液晶显示屏上每个显示的数值旁边均设置LED灯，用于显示超出正常范围的生理参数。

一种无袖带便携式监测人体生理参数的方法，其特征在于：

将无袖带便携式监测人体生理参数的装置带在手腕部位，光电检测模块贴紧桡动脉对应的体表皮肤部位，利用光信号接收器接收由红光光源和红外光光源发射的经过漫反射后的信号，经信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块后，输入单片机；

F)单片机对两路信号的特征点和特征时间提取，经过公式(1)、(2)得到收缩压的血压值和舒张压的血压值；

$P_{\mathrm{sys}}=\frac{{\mathrm{\α}}_s}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_s---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{dia}}=\frac{{\mathrm{\α}}_d}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_d---\left(2\right)$

其中P_sys为收缩压，P_dia为舒张压，PTT为脉搏波传播时间，α_s、α₁、θ_s，α_d、α₂和θ_d为修正参数；分别采用三个P_sys和P_dia便可以确定修正参数的值；

G)单片机对其中的任一路信号，确定脉搏波的周期T，通过公式(3)得到心率：

$f_{\mathrm{hea}}=\frac{60}{T}---\left(3\right)$

H)单片机对两路信号的峰值和谷值进行确定，通过公式(4)的计算，得到血氧饱和度：

其中分别为红光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

和

为红光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

μ和o为修正参数；

I)利用单片机对其中一路光容积描记脉搏波信号进行运算，求出该信号的功率谱，呼吸频率在光容积描记脉搏波信号的功率谱中有明显的特征峰值，通过确定该峰值，判断出该特征峰值对应的频率f，即此频率为被检测者的呼吸频率f_brea，也可以利用公式(5)

N_brea＝60×f                                 (5)

计算得到被检测者在一分钟内的呼吸次数N_brea；

J)体温的测量由贴片式温度传感器测量的体表温度信号经过单片机处理后通过公式(6)

T₁＝αT₂+β                                        (6)

得到对应的腋下温度或者口腔温度，其中T₁为腋下温度或口腔温度，T₂为温度传感器测量的体表温度，α和β为修正参数。

本发明的有益效果在于：无袖带式光电脉搏波监测人体生理参数装置可以无创、舒适、实时的显示出人体生理参数，使多项人体生理参数在一个装置上得到测量，大大简化了测量的步骤，减少了测量所花费的时间，消除了被测量者的不适感。在监测过程中，该装置不会对人体产生任何危害，因此可以用于长时间生理参数的监测。同时，该装置便携性好，附加了报警和数据存储功能。由于装置的便携性，测量者可以在安静舒适的环境中进行生理参数的测量，大大减小了“白衣效应”的影响，使得该装置测得的生理参数在临床上的意义更加重大。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中光电检测装置的放大示意图；

图3为光容积描记脉搏波两路信号示意图；

图4为检测装置的佩戴示意图；

图5为本装置显示面板示意图。

1、电源，2、光电检测模块，3、贴片式温度传感器，4、信号放大模块，5、信号滤波模块，6、A/D转换模块，7、单片机，8、液晶显示屏，9、数据存储器，10、红光光源，11、光信号接收器，12红外光光源，13、输入的收缩压血压值，14、输入的舒张压血压值，15、增减按钮，16、输出的收缩压数值，17、输出的血氧饱和度数值，18、输出的心率数值，19、输出的舒张压数值，20、输出的温度数值，21、输出的呼吸频率数值，22、电源开关，23、报警蜂鸣器，24、LED灯。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。一种无袖带便携式监测人体生理参数的装置如图1、图2所示，包括：电源1，光电检测模块2，温度贴片传感器3，信号放大模块4，信号滤波模块5，A/D转换模块6，单片机7，液晶显示屏8，数据存储器9，其特征在于：

A)光电检测模块2包括红光光源10、红外光光源12和光信号接收器11，所述的光信号接收器11在红光光源10和红外光光源12二者连线的中点位置，且三者在一条直线上，以方便对漫反射光信号的获得和特征时间的确定；光信号接收器11依次与信号放大模块4，信号滤波模块5，A/D转换模块6和和单片机7连接，单片机的输出端连接数据存储器9；

B)电源1，信号放大模块4，信号滤波模块5，A/D转换模块6及单片机7设置在一外壳内，外壳连接系带系在人体手腕，外壳的表面为液晶显示屏8；数据存储器9设置在外壳体外；

C)光电检测模块2设置在外壳背面，与桡动脉对应体表皮肤接触；

D)温度贴片传感器3设置在外壳背面的中部，与腕部皮肤接触，将光电检测模块2和温度贴片传感器3测试的信息传送单片机7；

E)单片机的输出端与液晶显示屏8连接，液晶显示屏结构如图4所示，液晶显示屏8上设置有：输入收缩压的血压值13，输入舒张压的血压值14，增减按钮15，输出的收缩压数值16，输出的血氧饱和度数值17，输出的心率数值18，输出的舒张压数值19，输出的温度数值20，输出的呼吸频率数值21和电源开关22；

上述A)、B)、C)、D)E)组成无袖带便携式监测人体生理参数的装置。

所述外壳侧面还设置有蜂鸣器23，蜂鸣器与单片机7的输出端连接，用于将结果超出正长范围的生理参数声控报警，同时液晶显示屏8上每个显示的数值旁边均设置LED灯24，用于显示超出正常范围的生理参数。

一种无袖带便携式监测人体生理参数的方法，其特征在于：

将无袖带便携式监测人体生理参数的装置带在手腕部位，光电检测模块2贴紧桡动脉对应体表皮肤，利用光信号接收器11接收由红光光源10和红外光光源12发射的经过漫反射的光线，经信号放大模块4，信号滤波模块5，A/D转换模块6后，输入单片机7；

F)单片机7对两路信号的特征点和特征时间提取，经过公式(1)、(2)得到收缩压的血压值和舒张压的血压值；

$P_{\mathrm{sys}}=\frac{{\mathrm{\α}}_s}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_s---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{dia}}=\frac{{\mathrm{\α}}_d}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_d---\left(2\right)$

其中P_sys为收缩压，P_dia为舒张压，PTT为脉搏波传播时间，α_s、α₁、θ_s，α_d、α₂和θ_d为修正参数；采用三个P_sys将(1)式联立方程，确定参数α_s、α₁、θ_s，采用三个P_dia将(2)式联立方程，便可以确定参数α_d、α₂和θ_d的值；只要测出PTT的值，便可由(1)式确定收缩压，由(2)式确定舒张压；

G)单片机对其中的任一路信号，确定脉搏波的周期T，通过公式(3)得到心率：

$f_{\mathrm{hea}}=\frac{60}{T}---\left(3\right)$

H)单片机对两路信号的峰值和谷值进行确定，通过公式(4)的计算，得到血氧饱和度：

其中

分别为红光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

和

为红外光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

μ和o为修正参数；

I)利用单片机对其中一路光容积描记脉搏波信号进行运算，求出该信号的功率谱，呼吸频率在光容积描记脉搏波信号的功率谱中有明显的特征峰值，通过确定该峰值，判断出该特征峰值对应的频率f，即此频率为被检测者的呼吸频率f_brea，也可以利用公式(5)

N_brea＝60×f                                            (5)

计算得到被检测者在一分钟内的呼吸次数N_brea；

J)体温的测量由温度贴片传感器测量的体表温度信号经过单片机处理后通过公式(6)

T₁＝αT₂+β                                (6)

得到对应的腋下温度或者口腔温度，其中T₁为腋下温度或口腔温度，T₂为温度传感器测量的体表温度，α和β为修正参数。

使用时将本发明监测装置的系带系在人的手腕上，将设置在外壳背面的光电检测模块2与腕部桡动脉对应的皮肤接触；将设置在外壳背面中部的温度贴片传感器3与腕部皮肤接触，打开电源，光信号接收器11接收到由红光光源10和红外光光源12产生的光电容积描记脉搏波信号，由光信号接收器11收集，经信号放大模块4，信号滤波模块5，A/D转换模块6后，输入单片机7；有公式(1)得到收缩压血压值，由公式(2)得到舒张压血压值，由公式(3)得到心率，由公式(4)得到血氧饱和度，由公式(5)得到呼吸频率或每分钟呼吸次数，由公式(6)得到人体温度，并将生理参数数值在液晶显示屏8上显示，同时将生理参数在存储设备9中存储。装置中贴片式温度传感器3、光电检测模块2、单片机7和液晶显示屏8都用锂电池供电。

若某一生理参数指标超出正常范围，单片机启动蜂鸣23发出警示音，同时相应指标参数的LED灯24闪烁，以示报警。

Claims (3)

1.一种无袖带便携式监测人体生理参数的装置，包括：电源，光电检测模块，贴片式温度传感器，信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块，单片机，液晶显示屏，数据存储器，其特征在于：

A)光电检测模块包括红光光源、红外光光源和光信号接收器，所述的光信号接收器在红光光源和红外光光源二者连线的中点位置，且三者在一条直线上，以方便对漫反射光信号的获得和特征时间的确定；光信号接收器依次与信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块和单片机连接，单片机外接一块数据存储器；

B)电源，信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块、单片机及数据存储器设置在一个壳体内，该外壳连接系带系在人体手腕，外壳的表面为液晶显示屏；

C)光电检测模块设置在外壳背面，与桡动脉对应的体表皮肤接触；

D)贴片式温度传感器设置在外壳背面的中部，与腕部皮肤接触，将上述光电检测模块和贴片式温度传感器测试的信号传送至单片机；

E)单片机的输出端与液晶显示屏连接，液晶显示屏上设置有：输入的收缩压血压值，输入的舒张压血压值，增减按钮，输出的收缩压数值，输出的血氧饱和度数值，输出的心率数值，输出的舒张压数值，输出的温度数值，输出的呼吸频率数值和电源开关；

上述A)、B)、C)、D)E)组成无袖带便携式监测人体生理参数的装置。

2.根据权利要求1所述的无袖带便携式监测人体生理参数的装置，其特征在于：外壳侧面还设置有蜂鸣器，蜂鸣器与单片机的输出端连接，用于将超出正常范围的生理参数声控报警，液晶显示屏上每个显示的数值旁边均设置LED灯，用于显示超出正常范围的生理参数。

3.一种无袖带便携式监测人体生理参数的方法，其特征在于：

将无袖带便携式监测人体生理参数的装置带在手腕部位，光电检测模块贴紧桡动脉对应的体表皮肤部位，利用光信号接收器接收由红光光源和红外光光源发射的经过漫反射后的信号，经信号放大模块，信号滤波模块，A/D转换模块后，输入单片机；

F)单片机对两路信号的特征点和特征时间提取，经过公式(1)、(2)得到收缩压的血压值和舒张压的血压值；

$P_{\mathrm{sys}}=\frac{{\mathrm{\α}}_s}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_s---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{dia}}=\frac{{\mathrm{\α}}_d}{\mathrm{PTT}}+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{PTT}}^2}+{\mathrm{\θ}}_d---\left(2\right)$

其中P_sys为收缩压，P_dia为舒张压，PTT为脉搏波传播时间，α_s、α₁、θ_s，α_d、α₂和θ_d为修正参数；分别采用三个P_sys和P_dia便可以确定修正参数的值；

G)单片机对其中的任一路信号，确定脉搏波的周期T，通过公式(3)得到心率：

$f_{\mathrm{hea}}=\frac{60}{T}---\left(3\right)$

H)单片机对两路信号的峰值和谷值进行确定，通过公式(4)的计算，得到血氧饱和度：

其中、分别为红光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

和

为红光光源所得到的一路信号的峰值和谷值，

、μ和o为修正参数；

I)利用单片机对其中一路光容积描记脉搏波信号进行运算，求出该信号的功率谱，呼吸频率在光容积描记脉搏波信号的功率谱中有明显的特征峰值，通过确定该峰值，判断出该特征峰值对应的频率f，即此频率为被检测者的呼吸频率f_brea，也可以利用公式(5)

N_brea＝60×f            (5)

计算得到被检测者在一分钟内的呼吸次数N_brea；

J)体温的测量由贴片式温度传感器测量的体表温度信号经过单片机处理后通过公式(6)

T₁＝αT₂+β(6)

得到对应的腋下温度或者口腔温度，其中T₁为腋下温度或口腔温度，T₂为温度传感器测量的体表温度，α和β为修正参数。

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