CN104392103A - 健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备。其中，健康数据采集与处理装置包括采集模块，用于采集使用者的血液参数信号；以及数据处理模块，用于过滤血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。采用本发明的健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备，在使用者处于运动状态下也能够获得其精确、真实的健康数据。

Description

健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备

技术领域

本发明涉及一种健康数据采集技术，特别是一种健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备。

背景技术

健康数据诸如心率和血氧的动态测量不仅对运动人群相当重要，而且对一些有心脏病及心血管疾病的患者有着重要的监护作用。

然而，现有的健康数据采集与处理装置只能在静态下，即无运动，甚至是在很安静无噪声的情况下，才能够准确的测量心率等健康数据，心率的测量只有在静态的情况下，才能够稳定准确的获取心率信号。限制了使用者及时获取自己的心率和血氧状况，用户不能够及时改变自己的运动状态，尤其是在高强度运动中，很难提醒用户当前运动已超出身体负荷。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备，可以对使用者的运动对采集到的健康数据的干扰，使得采集到的数据更加真实的反映出其身体状况。

根据本发明的一方面，一种健康数据采集与处理装置，包括：

采集模块，用于采集使用者的血液参数信号；

其中，所述采集模块包括发光模块和光接收器，所述发光模块用于向使用者的皮肤发射预定波长的光，所述光接收器用于接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号；

以及，

数据处理模块，用于过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

根据本发明的第二方面，一种可穿戴电子设备，包括如上所述的健康数据采集与处理装置。

根据本发明的第三方面，一种健康数据采集与处理方法，包括：

向使用者的皮肤发射预定波长的光；

接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号；

以及，

过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

采用本发明的健康数据采集与处理装置、包含其的可穿戴电子设备及健康数据采集与处理方法，在使用者处于运动状态下也能够获得其精确、真实的健康数据。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明的健康数据采集与处理装置的一种实施方式的结构图；

图2为本发明的数据处理模块的第一实施方式的结构图；

图3为本发明的数据处理模块的第二实施方式的结构图；

图4为本发明的可穿戴电子设备的一种实施方式的结构图；

图5为本发明的健康数据采集与处理方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图1所示，为本发明的健康数据采集与处理装置的一种实施方式的结构图。

在本实施方式中，健康数据采集与处理装置包括采集模块10和数据处理模块20。

其中，采集模块10用于采集使用者的血液参数信号。血液参数信号例如可以是血氧数据、心率数据等。

数据处理模块20用于过滤血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

由于本发明的健康数据采集与处理装置在完成血液参数信号的采集之后，还进行了干扰信号的滤除，使得最终输出的测量结果更加准确、真实。

在一种实施方式中，采集模块10可以包括发光模块11和光接收器12。发光模块11用于向使用者的皮肤发射预定波长的光，光接收器12用于接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号。发光模块11与光接收器12利用朗伯-比尔(Lamber-Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。人体手指、脚趾或耳垂等部位的组织是由皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的，用一定波长的光照射这些组织时，经过组织吸收、反射衰减后，由光敏元件(例如本实施方式的光接收器12)探测到的透射(或反射)光是在一个相对比较稳定的直流分量(DC)上迭加一个较小的脉动分量(交流分量AC)的脉搏波。直流分量是由非脉动组织(肌肉、静脉血、皮肤、骨骼等)对光吸收产生，交流分量是由血液充盈动脉变化引起的光吸收容量变化产生。利用直流量，可以计算出血氧情况。根据交流量可以计算出心率。

在一种实施方式中，发光模块11可以包括多组发光二极管，光接收器12接收该多组发光二极管发出的、经使用者皮肤反射后的光信号。

例如，发光模块11可以包括两组发光二极管。其中，第一组发光二极管发射红光和红外光，例如可以用于采集血氧数据。第二组发光二极管发射绿光，例如可以用于采集心率数据。光接收器12可分别接收第一组发光二极管和第二组发光二极管发出并经使用者皮肤反射后的光信号。采用两组发射不同波长光的发光二极管，可以使得接收器更加容易识别和处理发光二极管发出的、经使用者皮肤反射后的光信号，便于后续的处理。

参见图2所示，为数据处理模块20的第一实施方式的结构图。

在该实施方式中，数据处理模块20包括信号分解部21和信号重构部22。

信号分解部21用于将血液参数信号分解为逼近信号和细节信号。其中，逼近信号是对血液参数信号进行低通滤波后生成的信号，细节信号是对血液参数信号进行高通滤波后生成的信号。

信号重构部22用于根据逼近信号和所述细节信号生成血液参数复原信号。

例如，信号分解部21可以按照如下的公式对所述血液参数信号进行分解：

$a_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

$d_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

a_m+1(*)经过冲击响应为h(*)的数字滤波后，再抽取偶数样本就得到a_m(n)，a_m+1(*)经过冲击响应为g(*)的数字滤波器后，再抽取偶数样本就得到d_m(n)。抽取偶数样本的目的，是为了减小数据处理过程中的运算量。

信号重构部22可以按照如下的公式生成血液参数复原信号：

$a_{m+1}\left(n\right)=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(n-2k)a_m\left(k\right)+2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(n-2k)d_m\left(k\right).$

其中，m＝-1,-2,…,-M，M为预定的分解级数。分解级数越大，运算量越大，但生成的血液参数复原信号受使用者运动的干扰越小。

h(k)和g(k)分别为低通滤波器H和高通滤波器G的冲击响应序列，且

g(k)＝(-1)^1-kh(1-k),h(k)＝h(-k)。

通过将血液参数信号进行分解和重构，可以剔除工频和电磁干扰、环境光和暗电流、运动干扰、低血流灌注等带来的无用信号。

参见图3所示，为数据处理模块20的第二实施方式的结构图。

在本实施方式中，数据处理模块20包括自适应处理器23。自适应处理器23用于过滤血液参数信号中的干扰信号并得到血液参数复原信号y_T：

$y_T=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{x}_{T-k}=W^{T}X\left(T\right);$

X(T)为血液参数信号，X(T)＝[x_T,x_T-1,...,X_T-P+1]^T；

W(T)为自适应处理器，W(T)＝[w₀,w₁,...,w_p-1]^T。

在一种实施方式中，自适应处理器依据W(T+1)＝W(T)+2λe_TX(T)进行更新；

其中，

λ为步长因子，e_T为血液参数复原信号y_T与理想响应d_T之间的误差；

且e_T＝d_T-y_T＝d_T-W^TX(T)。

作为一种实施方式，可以按照以下方法得到每个W(T)的数值解：

由于e_T＝d_T-y_T＝d_T-W^TX(T)；

则有

e_T ²＝d_T ²-2d_TW^TX(T)+W^TX(T)X(T)^TW；

对上式求解均方差，可得：

$E\left(e_T^2\right)=R_d\left(0\right)-{2W}^T{R}_{\mathrm{dx}}+W^T{R}_{X}W.$

其中，R_X＝E[X(T)X^T(T)]为x_T延时0～p-1的自相关阵；R_dx＝E[d_TX(T)]为d_T与x_T的互相关系数矢量；R_d(0)为响应d_T的均方。

利用上述公式，可得到W(T)的维纳解W^*如下：

$W^{*}=R_x^{-1}{R}_{\mathrm{dx}}.$

将所述W^*代入到更新公式W(T+1)＝W(T)+2λe_TX(T)中的W(T)，即可求解每个时间节点的W(T+1)。

参见图4所示，为本发明的可穿戴电子设备的一种实施方式的结构图。

本实施方式的可穿戴电子设备包含了如上所述的健康数据采集与处理装置。

在一种实施方式中，可穿戴电子设备例如可以是手表。

手表包括表盘(图中未示出)。表盘的上表面包括用于显示血液参数复原信号的显示屏。手表上还有按键5、表带扣6等常规手表的配件。

表盘的与上表面相反的下表面包括环状突出部1。健康数据采集与处理装置固设在下表面上且位于环状突出部1内，使得在使用者佩戴时，所述下表面、环状突出部1和使用者皮肤形成密闭空间。

例如，在本实施方式的手表中，健康数据采集与处理装置的采集模块可以包括用于发射红光和红外光的两个发光二极管2，以及用于发射绿光的两个发光二极管4。光接收器3被上述多个发光二极管环绕。

作为一种优选方案，环状突出部1可采用不透明弹性材质制成。这样一来，当手表佩戴在使用者手腕上时，手表下表面、环状突出部1和使用者皮肤形成的密闭空间可以避免外界光线照射到光接收器3，进而屏蔽外界光干扰。

参见图5所示，为本发明的健康数据采集与处理方法的一种实施方式的流程图。

在本实施方式中，健康数据采集与处理方法包括：

S10:向使用者的皮肤发射预定波长的光；

S20:接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号；

以及，

S30:过滤血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

在一种实施方式中，步骤S30可以具体包括：

S31:将血液参数信号分解为逼近信号和细节信号，逼近信号是对血液参数信号进行低通滤波后生成的信号，细节信号是对血液参数信号进行高通滤波后生成的信号；

以及，

S32:根据逼近信号和细节信号生成血液参数复原信号。

在一种实施方式中，步骤S31可以具体包括：

$a_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

$d_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

步骤S32可以具体包括：

$a_{m+1}\left(n\right)=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(n-2k)a_m\left(k\right)+2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(n-2k)d_m\left(k\right);$

其中，m＝-1,-2,…,-M，M为预定的分解级数；h(k)和g(k)分别为低通滤波器H和高通滤波器G的冲击响应序列，且

g(k)＝(-1)^1-kh(1-k),h(k)＝h(-k)。

在另一种实施方式中，步骤S30可以具体包括：

S33:将血液参数信号进行自适应处理，并得到血液参数复原信号yT；

$y_T=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{x}_{T-k}=W^{T}X\left(T\right);$

其中，

X(T)为血液参数信号，X(T)＝[x_T,x_T-1,...,X_T-P+1]^T；

W(T)为自适应处理过程，W(T)＝[w₀,w₁,...,w_p-1]^T。

在一种实施方式中，自适应处理过程可以依据W(T+1)＝W(T)+2λe_TX(T)进行更新；

其中，

λ为步长因子，e_T为血液参数复原信号y_T与理想响应d_T之间的误差；

且e_T＝d_T-y_T＝d_T-W^TX(T)。

采用本发明的健康数据采集与处理装置和方法、可穿戴电子设备，在使用者处于运动状态下也能够获得其精确、真实的健康数据。当可穿戴电子设备制成手表的形式佩戴在使用者手腕时，可以方便的向使用者提供准确的健康数据。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备(包括处理器、存储介质等)或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

因此，基于上述理解，本发明的目的还可以通过在任何信息处理设备上运行一个程序或者一组程序来实现。所述信息处理设备可以是公知的通用设备。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者设备的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储或者传输这样的程序产品的介质也构成本发明。显然，所述存储或者传输介质可以是本领域技术人员已知的，或者将来所开发出来的任何类型的存储或者传输介质，因此也没有必要在此对各种存储或者传输介质一一列举。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (15)

1.一种健康数据采集与处理装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集使用者的血液参数信号；

其中，所述采集模块包括发光模块和光接收器，所述发光模块用于向使用者的皮肤发射预定波长的光，所述光接收器用于接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号；

以及，

数据处理模块，用于过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

2.根据权利要求1所述的健康数据采集与处理装置，其特征在于：

所述发光模块包括多组发光二极管；

所述光接收器用于接收所述多组发光二极管发出的、经使用者皮肤反射后的光信号。

3.根据权利要求1或2所述的健康数据采集与处理装置，其特征在于：

所述数据处理模块包括信号分解部和信号重构部；

其中，

所述信号分解部用于将所述血液参数信号分解为逼近信号和细节信号，所述逼近信号是对所述血液参数信号进行低通滤波后生成的信号，所述细节信号是对所述血液参数信号进行高通滤波后生成的信号；

所述信号重构部用于根据所述逼近信号和所述细节信号生成血液参数复原信号。

4.根据权利要求3所述的健康数据采集与处理装置，其特征在于，

所述信号分解部按照如下的公式对所述血液参数信号进行分解：

$a_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

$d_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

所述信号重构部按照如下的公式生成所述血液参数复原信号：

$a_{m+1}\left(n\right)=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(n-2k)a_m\left(k\right)+2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(n-2k)d_m\left(k\right)$

其中，m＝-1,-2,…,-M，M为预定的分解级数；h(k)和g(k)分别为低通滤波器H和高通滤波器G的冲击响应序列，且

g(k)＝(-1)^1-kh(1-k),h(k)＝h(-k)。

5.根据权利要求1或2所述的健康数据采集与处理装置，其特征在于，所述数据处理模块包括自适应处理器，所述自适应处理器用于过滤所述血液参数信号中的干扰信号并得到血液参数复原信号y_T；

$y_T=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{x}_{T-k}=W^{T}X\left(T\right);$

其中，

X(T)为血液参数信号，X(T)＝[x_T,x_T-1,...,X_T-P+1]^T；

W(T)为自适应处理器，W(T)＝[w₀,w₁,...,w_p-1]^T。

6.根据权利要求5所述的健康数据采集与处理装置，其特征在于：

所述自适应处理器依据W(T+1)＝W(T)+2λe_T X(T)进行更新；

其中，

λ为步长因子，e_T为所述血液参数复原信号y_T与理想响应d_T之间的误差；

且e_T＝d_T-y_T＝d_T-W^TX(T)。

7.一种可穿戴电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的健康数据采集与处理装置。

8.根据权利要求7所述的可穿戴电子设备，其特征在于：

所述可穿戴电子设备为手表。

9.根据权利要求8所述的可穿戴电子设备，其特征在于：

所述手表包括表盘；

所述表盘的上表面包括用于显示所述血液参数复原信号的显示屏；

所述表盘的与所述上表面相反的下表面包括环状突出部；

所述健康数据采集与处理装置固设在所述下表面上且位于所述环状突出部内，使得在使用者佩戴时所述下表面、环状突出部和使用者皮肤形成密闭空间。

10.根据权利要求9所述的可穿戴电子设备，其特征在于：

所述环状突出部采用不透明弹性材质制成。

11.一种健康数据采集与处理方法，其特征在于，包括：

向使用者的皮肤发射预定波长的光；

接收经使用者皮肤反射后的光信号并生成相应的血液参数信号；

以及，

过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号。

12.根据权利要求11所述的健康数据采集与处理方法，其特征在于，所述“过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号”具体包括：

将所述血液参数信号分解为逼近信号和细节信号，所述逼近信号是对所述血液参数信号进行低通滤波后生成的信号，所述细节信号是对所述血液参数信号进行高通滤波后生成的信号；

以及，

根据所述逼近信号和所述细节信号生成血液参数复原信号。

13.根据权利要求12所述的健康数据采集与处理方法，其特征在于，

所述“将所述血液参数信号分解为逼近信号和细节信号”具体包括：

$a_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

$d_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(2n-k)a_{m+1}\left(k\right);$

所述“根据所述逼近信号和所述细节信号生成血液参数复原信号”具体包括：

$a_{m+1}\left(n\right)=2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}h(n-2k)a_m\left(k\right)+2\underset{k}{\mathrm{\Σ}}g(n-2k)d_m\left(k\right)$

其中，m＝-1,-2,…,-M，M为预定的分解级数；h(k)和g(k)分别为低通滤波器H和高通滤波器G的冲击响应序列，且

g(k)＝(-1)^1-kh(1-k),h(k)＝h(-k)。

14.根据权利要求11所述的健康数据采集与处理方法，其特征在于，

所述“过滤所述血液参数信号中的干扰信号并生成血液参数复原信号”具体包括：

将所述血液参数信号进行自适应处理，并得到血液参数复原信号y_T；

$y_T=\underset{k=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{x}_{T-k}=W^{T}X\left(T\right);$

其中，

X(T)为血液参数信号，X(T)＝[x_T,x_T-1,...,X_T-P+1]^T；

W(T)为自适应处理过程，W(T)＝[w₀,w₁,...,w_p-1]^T。

15.根据权利要求14所述的健康数据采集与处理方法，其特征在于：

所述自适应处理过程依据W(T+1)＝W(T)+2λe_T X(T)进行更新；

其中，

λ为步长因子，e_T为所述血液参数复原信号y_T与理想响应d_T之间的误差；

且e_T＝d_T-y_T＝d_T-W^TX(T)。