CN102028457A - 脉率测量方法及指环式脉率测量仪 - Google Patents

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本发明涉及一种脉率测量方法及采用该方法的指环式脉率测量仪。该方法以手指指腹为脉搏信号测量位置，利用特定波长的光束照射到指腹皮肤表面，通过光电接收器采用透射和/或透射光光强信号，依据光强信号呈脉动性周期变化的交流分量计算脉率。所述指环式脉率测量仪，包括脉搏波采集装置和脉搏波处理和显示装置，所述脉搏波处理和显示装置设有中央控制及信号处理模块，所述中央控制及信号处理模块的控制信号端通过有线或无线的方式与所述脉搏波采集装置连接。本发明具有结构简单、外型小巧，方便佩戴和抗干扰能力强的特点，能够满足人们日常生活保健及日常运动时佩戴的需要。

Description

脉率测量方法及指环式脉率测量仪
技术领域
本发明涉及一种脉率测量方法及采用该方法的脉率测量仪，具体涉及一种无创获取指端动脉脉率的光电装置，属于医疗技术领域。
背景技术
光电容积脉搏波扫描法是获取光电容积脉搏波的常规手段，其是借助光电技术手段，在活体组织中检测血液容积变化的一种无创伤检测方法。当利用一束特定波长的光束照射到人体指端皮肤表面，并以透射或反射方式传送到光电接收器时，由于受到指端皮肤、肌肉和血液等成分的吸收作用，检测器检测到的入射光强度会发生衰减。其中，皮肤、肌肉等组织对入射光的吸收保持恒定，这些来自非脉动部分的光吸收成分构成了容积脉搏波的直流分量。此外，由于皮肤动脉内的血液容积在心脏搏动的作用下呈周期性的脉动变化，光电接收器接收的光强信号也会随之呈脉动性周期变化，即为容积脉搏波的交流分量。由此分析看到，容积脉搏波中包含了心搏信息，因而可以从中获取脉率。
目前，利用光电容积脉搏波扫描法获取脉搏的方法测量位置多为指尖及耳垂等光易穿透部位，然而这些测量部位大多需要在安静状态下测量，不宜在运动状态下测量，若在运动状态测量时，需要引入心电参考，测量过程复杂且容易引起较大误差。其抗运动干扰性能差、结构复杂、不易佩戴而且价格高昂，不能满足人们日常生活保健及日常运动时测量的需要。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种脉率测量方法及采用该方法的指环式脉率测量仪，具有结构简单、外型小巧，方便佩戴和抗干扰能力强的特点。
本发明提供的技术方案：一种脉率测量方法，其以手指指腹为脉搏信号测量位置，利用特定波长的光束照射到指腹皮肤表面，通过光电接收器采用透射和/或透射光光强信号，依据光强信号呈脉动性周期变化的交流分量计算脉率。
该方法包括以下几个步骤：(1)在手指指腹两侧贴附相互间呈一定角度设置的光束发射和接收装置，采集指腹处的脉搏波；(2)根据所述脉搏波的主要能量频带分布范围，使用FIR高通、低通滤波器对所述脉搏信号滤除直流分量及高频成分；(3)使用移动平均方法及去除基线漂移方法进一步去除噪声及干扰；(4)利用抗混叠滤波器对信号进行滤波处理；(5)对步骤(4)处理后的信号取样，并通过快速傅里叶变换(FFT)将其变换至频域，然后获取指端动脉的脉率值。
一种指环式脉率测量仪，包括脉搏波采集装置和脉搏波处理和显示装置，所述脉搏波处理和显示装置设有中央控制及信号处理模块，所述中央控制及信号处理模块的控制信号输出/入端构成脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端，所述脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端通过无线或有线的方式与所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输入/出端连接。
所述脉搏波采集装置采用可以套在人手指上的指环式支撑结构，可以包括内环和与所述内环相配套的外环，所述内环里侧设有LED发光管和与所述LED发光管成一定角度的光电接收器，测量时所述LED发光管和光电接收器贴附于手指指腹两侧，所述外环上可以设有无线收发装置和为所述无线收发装置供电的电池。
所述LED发光管连接用于控制所述LED发光管工作状态的LED发光管驱动电路，所述LED发光管驱动电路的控制信号输入端构成所述脉搏波采集装置的控制信号输入端，通过无线收发装置与所述中央控制和信号处理模块的控制信号输出端连接通信。
所述脉搏波处理和显示装置采用可以戴在人手腕上的腕带式结构，包括壳体和连接所述壳体的腕带，所述中央控制及信号处理模块通常设置在所述壳体内，所述壳体内还设有显示集成电路和与所述显示集成电路连接的显示屏，所述中央控制及信号处理模块的信号输出终端连接所述显示集成电路的信号输入端，所述显示集成电路的信号输出端连接所述显示屏的信号输入端。
所述内环里侧还可以设有信号放大器和模数转换器，所述光电接收器的电信号输出端连接所述信号放大器的信号输入端，所述信号放大器的信号输出端连接所述模数转换器的信号输入端，所述模数转换器的信号输出端构成所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输出端，通过无线收发装置连接所述中央控制及信号处理模块的控制信号输入端。
所述中央控制及信号处理模块内可以设有FIR高通、低通滤波器和抗混叠滤波器。
所述中央控制及信号处理模块所进行的信号处理与计算包括：
(1)信号预处理：使用FIR高通、低通滤波器滤除脉搏信号中的干扰成分，再进行指端动脉光电容积脉搏信号的预处理，同时，有选择性的放大滤除干扰后的信号；
(2)信号抽样：采用抗混叠滤波器技术处理(1)中获得的脉搏信号，对信号进行抽样处理；
(3)FFT频域分析：使用快速傅里叶变换将(2)中抽样信号变换至频域，提取脉率频域峰值进而获得指端动脉脉率值，进而使用FFT频域分析分离出脉搏信号并提取脉率值。
所述LED发光管可以采集一路光束或按时序轮转采集多路光束发送给所述光电接收器，所述光电接收器优选为硅光电接收器，所述指环式支撑结构为压力可调、半径可调的支撑式结构。
有益效果：由于本发明采用可以套在人手指上的指环式结构和配套的可以戴在手腕上的腕带式结构，因此结构简单、外形小巧且佩戴方便。
由于LED发光管与硅光电探测器嵌入指环式支撑结构中的内环，成一定夹角，分附于手指指腹两侧，同时采用透射式光电采集方式发送光波，光传导路径短，获取的脉搏信号清晰、强度大，而且本发明结合了先进的脉搏信号处理算法，显示的波形清晰、明显，具有抗干扰能力强的特点。
由于指环式固定支撑结构长度可调节、压力可调节，保证了LED发光管和硅光电探测器能够适应于不同的手指尺寸，对手指皮肤及皮下血管保持适当的均匀压力也利于安静及运动状态下采集到清晰、稳定的光电容积脉搏波，因此能够满足人们日常生活保健及日常运动时佩戴的需要。
附图说明
图1为本发明的指环式脉率测量仪整体结构示意图；
图2为LED发光管、光电接收器与指环式支撑结构相对位置示意图；
图3为LED发光管、光电接收器与手指指腹的相对位置示意图；
图4为腕带式结构整体分解图；
图5为指端动脉脉率获取装置整体流程图。
具体实施方式
参见图1-5，本发明提供的指环式脉率测量仪，包括脉搏波采集装置1和脉搏波处理和显示装置2，所述脉搏波处理和显示装置设有中央控制及信号处理模块9，所述中央控制及信号处理模块的控制信号输出/入端构成脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端，所述脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端通过无线或有线的方式与所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输入/出端连接，优选地，采用无线的方式连接所述脉搏波采集装置和脉搏波处理和显示装置。
所述脉搏波采集装置采用可以套在人手指上的指环式支撑结构，可以包括内环3和与所述内环相配套的外环4，所述内环里侧设有LED发光管5和与所述LED发光管成一定角度的光电接收器6，测量时所述LED发光管和光电接收器贴附于手指指腹两侧，所述LED发光管采用透射式光电采集方式，发送光束给所述光电接收器，采用透射式光电采集方式，光传导路径短，便于获取清晰的脉搏信号，所述外环上可以设有无线收发装置7和为所述无线收发装置供电的电池8，利用无线收发装置，可以省去布线的麻烦，简化电路，也使该测量仪外形小巧、结构简单。
所述LED发光管连接用于控制所述LED发光管工作状态的LED发光管驱动电路14，所述LED发光管驱动电路的控制信号输入端构成所述脉搏波采集装置的控制信号输入端，通过无线收发装置与所述中央控制和信号处理模块的控制信号输出端连接通信，所述中央控制和信号处理模块发出对LED发光管驱动电路的控制信号，使该电路发出LED驱动信号，驱动所述LED发光管发射光束。
所述脉搏波处理和显示装置采用可以戴在人手腕上的腕带式结构，包括壳体和连接所述壳体的腕带10，所述中央控制及信号处理模块通常设置在所述壳体内，所述壳体内还设有显示集成电路和与所述显示集成电路连接的显示屏11，所述中央控制及信号处理模块的信号输出终端连接所述显示集成电路的信号输入端，所述显示集成电路的信号输出端连接所述显示屏的信号输入端，所述显示屏屏幕将显示处理后的脉搏波波形和经过计算后得到的脉率值。
所述内环里侧还可以设有信号放大器12和模数转换器13，所述光电接收器的电信号输出端连接所述信号放大器的信号输入端，所述信号放大器的信号输出端连接所述模数转换器的信号输入端，所述模数转换器的信号输出端构成所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输出端，通过无线收发装置连接所述中央控制及信号处理模块的控制信号输入端，所述中央控制及信号处理模块对接收到的数字脉搏信号进行实时处理。
所述中央控制及信号处理模块内可以设有FIR高通、低通滤波器和抗混叠滤波器，便于对所测量得到的脉搏波波形进行一系列处理和计算。
所述中央控制及信号处理模块所进行的信号处理与计算包括：
(1)信号预处理：使用FIR高通、低通滤波器滤除脉搏信号中的干扰成分，利用移动平均及曲线拟合去基线相结合的方法进行指端动脉光电容积脉搏信号的预处理，利用移动平均的方法通过移动的平均窗口处理信号，能够去除信号毛刺且能较好地保留脉搏信号特征，采用曲线拟合出基线趋势曲线，由原信号曲线减去拟合出的基线，从而消除基线漂移的影响，同时，有选择性的放大滤除干扰后的信号，由于经过上述处理之后，脉搏信号幅度会衰减很大，因此此步中划分了不同的脉搏波信号强度区间，对处于不同强度区间的脉搏波信号进行不同放大倍数的选择性放大，以增加信号辨识度，提高计算精度；
(2)信号抽样：由脉搏信号主要能量频带范围可知，其为低频信号，直接对低频脉搏信号进行抽样处理，信号会出现频域上的混叠、时域上的失真，采用抗混叠滤波器技术处理(1)中获得的脉搏信号，使用抗混叠滤波器处理信号后，混叠干扰被抑制，而信号所在的低频带则得到了很好的保留，对处理后的信号进行抽样，以降低运算复杂度，提高系统实时性能，需要注意的是，本发明算法中抗混叠滤波器截止频率的选取需要覆盖脉搏信号的频带范围，以防脉搏信号频域信息丢失影响后续处理；
(3)FFT频域分析：安静状态时，脉搏波波形清晰，频谱能量集中于脉率频域峰值附近，然而在运动状态下，时域脉搏波波形失真明显，频谱中杂波分量较多，时域提取其周期信号难度很大，而基于周期信号的频域体现为一系列谐波分量之和的理论基础，使用快速傅里叶变换将(2)中抽样信号变换至频域，根据周期信号频谱呈谐波分布的特征，提取脉率频域峰值进而获得指端动脉脉率值，针对运动干扰明显一路脉搏信号无法提取脉率的情况，利用盲源分离算法处理多路采集的容积脉搏信号分离脉搏信号和运动干扰，进而使用FFT频域分析分离出脉搏信号并提取脉率值。
所述LED发光管采集一路光束或按时序轮转采集多路光束发送给所述光电接收器，LED发光管轮转发射一束红光(如波长为660nm的红光)和一束近红外光(如波长为800nm的近红外光)以及其它特征波长，光束的选择依具体采集路数而定，所述光电接收器优选为硅光电接收器，所述指环式支撑结构压力可调节、半径可调节，所述腕带长度可调节，保证了设置在所述指环式支撑结构内环里侧的LED发光管和硅光电探测器能够适应于不同的手指尺寸，对手指皮肤及皮下血管保持适当的均匀压力，也有利于在安静或运动状态下能够采集到清晰、稳定的光电容积脉搏波，所述腕带长度可调节，便于适应不同胖瘦的人佩戴。
本发明具有结构简单、外型小巧，方便佩戴和抗干扰能力强的特点，能够满足人们日常生活保健及日常运动时佩戴的需要。

Claims (10)

1.一种脉率测量方法，其特征在于其以手指指腹为脉搏信号测量位置，利用特定波长的光束照射到指腹皮肤表面，通过光电接收器采用透射和/或透射光光强信号，依据光强信号呈脉动性周期变化的交流分量计算脉率。
2.如权利要求1所述的脉率测量方法，其特征在于包括以下几个步骤：(1)在手指指腹两侧贴附相互间呈一定角度设置的光束发射和接收装置，采集指腹处的脉搏波；(2)根据所述脉搏波的主要能量频带分布范围，使用FIR高通、低通滤波器对所述脉搏信号滤除直流分量及高频成分；(3)使用移动平均方法及去除基线漂移方法进一步去除噪声及干扰；(4)利用抗混叠滤波器对信号进行滤波处理；(5)对步骤(4)处理后的信号取样，并通过快速傅里叶变换(FFT)将其变换至频域，然后获取指端动脉的脉率值。
3.一种指环式脉率测量仪，包括脉搏波采集装置和脉搏波处理和显示装置，其特征在于所述脉搏波处理和显示装置设有中央控制及信号处理模块，所述中央控制及信号处理模块的控制信号输出/入端构成脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端，所述脉搏波处理和显示装置的控制信号输出/入端通过无线或有线的方式与所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输入/出端连接。
4.如权利要求3所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述脉搏波采集装置采用可以套在人手指上的指环式支撑结构，包括内环和与所述内环相配套的外环，所述内环里侧设有LED发光管和与所述LED发光管成一定角度的光电接收器，测量时所述LED发光管和光电接收器贴附于手指指腹两侧，所述外环上设有无线收发装置和为所述无线收发装置供电的电池。
5.如权利要求4所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述LED发光管连接用于控制所述LED发光管工作状态的LED发光管驱动电路，所述LED发光管驱动电路的控制信号输入端构成所述脉搏波采集装置的控制信号输入端，并通过所述无线收发装置与所述中央控制和信号处理模块的控制信号输出端连接通信。
6.如权利要求5所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述脉搏波处理和显示装置采用可以戴在人手腕上的腕带式结构，包括壳体和连接所述壳体的腕带，所述中央控制及信号处理模块设置在所述壳体内，所述壳体内还设有显示集成电路和与所述显示集成电路连接的显示屏，所述中央控制及信号处理模块的信号输出终端连接所述显示集成电路的信号输入端，所述显示集成电路的信号输出端连接所述显示屏的信号输入端。
7.如权利要求4、5或6所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述内环里侧还设有信号放大器和模数转换器，所述光电接收器的电信号输出端连接所述信号放大器的信号输入端，所述信号放大器的信号输出端连接所述模数转换器的信号输入端，所述模数转换器的信号输出端构成所述脉搏波采集装置的脉搏波信号输出端，通过所述无线收发装置连接所述中央控制及信号处理模块的控制信号输入端。
8.如权利要求7所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述中央控制及信号处理模块内设有FIR高通、低通滤波器和抗混叠滤波器。
9.如权利要求8所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述中央控制及信号处理模块所进行的信号处理与计算包括：
(1)信号预处理：使用FIR高通、低通滤波器滤除脉搏信号中的干扰成分，再进行指端动脉光电容积脉搏信号的预处理，同时，有选择性的放大滤除干扰后的信号；
(2)信号抽样：采用抗混叠滤波器技术处理(1)中获得的脉搏信号，对信号进行抽样处理；
(3)FFT频域分析：使用快速傅里叶变换将(2)中抽样信号变换至频域，提取脉率频域峰值进而获得指端动脉脉率值，进而使用FFT频域分析分离出脉搏信号并提取脉率值。
10.如权利要求9所述的指环式脉率测量仪，其特征在于所述LED发光管采集一路光束或按时序轮转采集多路光束发送给所述光电接收器，所述光电接收器为硅光电接收器，所述指环式支撑结构为压力可调、半径可调的支撑结构。
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