CN104398246B - 一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，通过由脉搏波检测模块、能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数据处理模块和无线通信模块构成，并封装为一个芯片。脉搏波检测模块由柔性传感器构成，测量人体脉搏波速度，通过模拟前端校准放大后送入数据处理模块进行数字化、自校准、数据处理和异常判决；为了增强高血压判决的准确性，本发明引入了性别和年龄作为高血压判决因素；无线通信模块起到录入用户性别和年龄信息以及将数据处理模块处理后的数据传递到用户外设的作用。采用本发明的技术方法，单芯片即可实时连续完成人体血压检测，拥有系统体积小和准确性好等优点。

Description

一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片

技术领域

本发明属于生理信息监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片。

背景技术

高血压是影响公众健康的主要疾病，是心血管疾病的主要诱因之一，仅由高血压导致的心脏病就造成数以百万人死亡。然而，高血压在患病前期没有明显症状，有明显症状时高血压已经到达非常严重的程度。根据2010年中国疾病预防控制中心研究公布数据，中国成年人中高血压患病率高达33.5％，患病总人数已突破3.3亿，其中有1.3亿人根本不知道患有高血压，同时由于中国人民的生活水平提升，高血压人群比例增加，同时呈年轻化趋势发展。可以预见，在未来，中国会为高血压和高血压衍生疾病花费巨额的公共医疗投入。

高血压早期诊断可以预防性治疗；同时在家检测血压也可以减小门诊访问次数，节约宝贵的医疗资源和患者时间；更重要的是，实时血压监测记录可以更加准确的检测身体状况，也可以为医生治疗方案提供有力的参考。综上所述，低成本、实时、易于使用的人体血压监测方法是很有必要的。

血压测量分为直接测量法和间接测量法，直接测量方法将测量导管直接插入动脉，可以实时和连续的测量血压信号，结果最为准确，但是该技术要求很高，并会对患者造成损伤，因此仅在大型手术时采用。间接测量法中以柯氏音汞血压计最为普遍，然而柯氏音汞血压计存在由操作人员的主观误差，及柯氏音法本身理论缺陷造成的客观误差，如假性高压和假性低压压力误差，有时不能给出准确血压测量值，同时柯氏音汞血压计还有个重要缺陷在于不能连续和实时的测量血压数据，此外数据不能直接数字化操作，不方便数据的系统录入和一些智能化管理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，通过脉搏波速度和动脉压之间关系，通过Moens-Korteweg方程实现血压测量。

为实现上述发明目的，本发明一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，包括：

一基于柔性传感器的脉搏波检测模块，位于指环下表面仅靠人体手指的一层，用于检测脉搏波速率，并发送至模拟前端；

一模拟前端，用于接收脉搏波检测模块发送的脉搏波速率，并对脉搏波速率进行校准和放大，生成脉冲模拟信号，并发给数字处理模块；

一数字处理模块，用于接收无线通信模块发送的被检测者的年龄、性别和模拟前端发送的脉冲模拟信号；

数字处理模块接收到无线通信模块发送的被检测者的年龄、性别，根据被检测者的年龄、性别参照内部的存储器中对应年龄、性别的血压，获取到被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值；

数字处理模块接收到脉冲模拟信号后，根据脉搏波速度和动脉压之间的关系，利用Moens-Korteweg方程对被检测者进行血压测量，将血压测量的结果与被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值对比，进行第一次判断，判断血压测量的结果是否异常，如果血压出现异常，则进一步确定血压是轻度、中度或重度，同时将血压为中度和重度的状况生成预警信息，再将被检测者的血压测量结果和预警信息一并发送给无线通信模块；

如果出现异常的血压值不在被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值范围内，则分别对被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值以及异常的血压值进行加权平均，再将加权平均后的收缩压和舒张压上限、下限值和加权平均后的异常血压值进行第二次判断，其判断方法与第一次判断相同；

最后将被检测者的基本信息和血压测量的结果存入内部的存储器；

一无线通信模块，用于负责数字处理模块、用户外设以及血压异常预警间的通信；

用户外设通过无线通信模块将被检测者的年龄、性别写入到数字处理模块中的内部存储器；

一能量收集模块，用于收集压电能量或热电能量，并将收集的能量传递给电压调节模块；

一电压调节模块，包括电荷泵和片上集成LDO；电荷泵利用能量收集模块传递的能量对电压调节模块进行电压升压，片上集成LDO再将升压后的电压调整到指定值分别为上述模块供电；

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，通过由脉搏波检测模块、能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数据处理模块和无线通信模块构成，并封装为一个芯片。脉搏波检测模块由柔性传感器构成，测量人体脉搏波速度，通过模拟前端校准放大后送入数据处理模块进行数字化、自校准、数据处理和异常判决；为了增强高血压判决的准确性，本发明引入了性别和年龄作为高血压判决因素；无线通信模块起到录入用户性别和年龄信息以及将数据处理模块处理后的数据传递到用户外设的作用。采用本发明的技术方法，单芯片即可实时连续完成人体血压检测，拥有系统体积小和准确性好等优点。

附图说明

图1是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片的使用状态图；

图2是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片的结构方框图；

图3是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片的一种集成方式图；

图4是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片的另一种集成方式图；

图5是男性年龄与收缩压预警对照图；

图6是男性年龄与舒张压预警对照图；

图7是女性年龄与收缩压预警对照图；

图8是女性年龄与舒张压预警对照图；

图9是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片检测高血压的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片的使用状态图。

在本实施例中，如图1所示，通过将指环式芯片附着在被检测者的手指上，进而来测试被检测者的血压。

如图2所示，一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，包括：基于柔性传感器的脉搏波检测模块1、模拟前端2、数字处理模块3、无线通信模块4、能量收集模块5和电压调节模块6。

如图3所示，指环式芯片的集成方式为：能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数据处理模块和无线通信模块均与标准CMOS工艺兼容，并封装在同一CMOS基片下；基于柔性传感器的脉搏波检测模块封装在柔性传感器基片下；所述的CMOS基片和柔性传感器基片间再通过焊线连接。

如图4所示，指环式芯片的另一种集成方式为：能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数据处理模块、无线通信模和基于柔性传感器的脉搏波检测模块还可以一起封装在具有CMOS工艺兼容柔性传感器的片下。

下面结合图2对指环式芯片内的各个组成器件及相互之间的功能进行详细说明，如下：

基于柔性传感器的脉搏波检测模块1，位于指环下表面仅靠人体手指的一层，用于检测脉搏波速率，并发送至模拟前端2。

模拟前端2，用于接收脉搏波检测模块1发送的脉搏波速率，并对脉搏波速率进行校准和放大，生成脉冲模拟信号，并发给数字处理模块3。

数字处理模块3，用于接收无线通信模块4发送的被检测者的年龄、性别和模拟前端2发送的脉冲模拟信号；

数字处理模块3接收到无线通信模块4发送的被检测者的年龄、性别，根据被检测者的年龄、性别参照内部的存储器中对应年龄、性别的血压，获取到被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值；

在本实施例中，收缩压P(s)和舒张压P_(d)的差值P_(p)为：

$P_{\left(p\right)}=-\frac{3\ln ({\{-\frac{b}{2}-{[{\left(\frac{b}{2}\right)}^2+{\left(\frac{a}{3}\right)}^3]}^{\frac{1}{2}}\}}^{\frac{1}{3}}+{\{-\frac{b}{2}+{[{\left(\frac{b}{2}\right)}^2+{\left(\frac{a}{3}\right)}^3]}^{\frac{1}{2}}\}}^{\frac{1}{3}})}{M_2}$

$a=-{\left(\frac{\ln \frac{V_d}{V_m}}{\ln \frac{V_d}{V_s}}\right)}^{-1}$

$b={\left(\frac{\ln \frac{V_d}{V_m}}{\ln \frac{V_d}{V_s}}\right)}^{-1}-1$

其中，V_d对应于容积脉搏波信号的最低幅度值，V_s对应于容积脉搏波信号的最高幅度值，V_m对应于容积脉搏波信号的平均幅度值，M₂是动脉常数。

因此，舒张压P_(d)可以通过下式计算得到为：

$P_{\left(d\right)}=\frac{\ln \left(\frac{2}{K}\right)}{M_2};$

其中， $K=1-\sqrt{1-4\frac{\ln \left(\frac{V_d}{V_s}\right)}{\ln \left(\frac{V_0}{\exp \frac{\ln \left(V_s\right)-\exp \left({-M}_2{P}_p\right)\ln V_d}{1-\exp \left({-M}_2{P}_p\right)}}\right)}}$

其中，V₀为人体在零血压值状态下对应的容积脉搏波信号幅度值，本实施例中通过水银血压计测试结果和脉搏波数据拟合得到；

收缩压P(s)为：P_(s)＝P_(p)+P_(d)。

数字处理模块3接收到脉冲模拟信号后，根据脉搏波速度和动脉压之间的关系，利用Moens-Korteweg方程对被检测者进行血压测量；利用Moens-Korteweg方程测量血压的方法比较成熟，在此不再赘述。

将血压测量的结果与被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值对比，进行第一次判断，判断血压测量的结果是否异常，如果血压出现异常，则进一步确定血压是轻度、中度或重度，同时将血压为中度和重度的状况生成预警信息，再将被检测者的血压测量结果和预警信息一并发送给无线通信模块；

如果出现异常的血压值不在被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值范围内，则分别对被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值以及异常的血压值进行加权平均，再将加权平均后的收缩压和舒张压上限、下限值和加权平均后的异常血压值进行第二次判断，其判断方法与第一次判断相同；

本实施例中，对异常血压值进行加权平均的方法为：

50岁以前，异常血压的加权平均公式为：加权血压_50岁前＝(舒张压×1.5+收缩压)/2；

50岁到60岁之间，异常血压的加权平均公式为：加权血压_{50岁到60岁}＝(舒张压+收缩压)/2；

60岁之后，异常血压的加权平均公式为：加权血压_60岁后＝(舒张压+收缩压×2)/3。

最后将被检测者的基本信息和血压测量的结果存入内部的存储器；

本实施例中，为了增强高血压判决的准确性，引入了性别和年龄的因素，如图5到图8所示，其中，图5是男性年龄与收缩压预警对照图，图6是男性年龄与舒张压预警对照图，图7是女性年龄与收缩压预警对照图，图8是女性年龄与舒张压预警对照图。被检测者年龄和性别数据通过无线通信模块写入，并存储在内部的存储器中，如果被检测者放弃写入，则采用默认值，默认值为30岁男性收缩压和舒张压值。系统将采集的血压与图5到图8数据对照，判断用户血压是否正常，是否有高血压，如果有则需要判断高血压为轻度、中度或者重度。

无线通信模块4，用于负责数字处理模块3、用户外设7以及血压异常预警8间的通信；

本实施例中，将无线通信模块4与血压异常预警器8连接，当数字处理模块3检测到被检测者的血压异常时，可以通过无线通信模块4发送预警信息给血压预警器8，血压预警器8再通过报警的方式提醒被检测者。其中，血压异常预警器可以为LED灯、手机等，可以通过LED灯闪烁、手机的振动或铃声等方式进行报警；用户外设7将被检测者的年龄、性别等基本信息通过无线通信模块4发送到数字处理模块3，其中，用户外设7可以为手机、PC电脑、平板电脑和远程服务器。

能量收集模块5，用于收集压电能量或热电能量，并将收集的能量传递给电压调节模块6；

电压调节模块6，包括电荷泵和片上集成LDO；电荷泵利用能量收集模5传递的能量对电压调节模块6进行电压升压，片上集成LDO再将升压后的电压调整到指定值分别为上述模块供电。

图9是基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片检测高血压的流程图。

本实施例中，以检测用户高血压为例，其具体流程如图9所示，包括以下步骤：

S901：血压检测功能开启；

S902：能量收集与电压调整模块开启；

S903：脉搏检测模块开启；

S904：模拟前端开启；

S905：数据处理模块自校准；

S906：数据处理模块开启；

S907：无线通信模块开启；

S908：无线通信模块检测附近是否有用户外设？若否，执行S909，否则执行S910；

S909：无线通信模块待机一段时间；

S910：无线通信模块和用户外设建立连接，开始通信；

S911：用户外设实时显示用户血压；

S912：判断用户血压是否为正常高值？若是，执行S913，否则执行S914；

S913：LED灯10秒闪烁一次；

S914：判断用户血压是否为轻度高血压？若是，执行S915，否则执行S916；

S915：LED灯5秒闪烁一次；

S916：判断用户血压是否为中度高血压？若是，执行S917，否则执行S918；

S917：LED灯2秒闪烁一次；

S918：判断用户血压是否为重度高血压？若是，执行S919，否则执行S920；

S919：LED灯常亮；

S920：LED灯熄灭，指示血压正常。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，包括：

一基于柔性传感器的脉搏波检测模块，位于指环下表面仅靠人体手指的一层，用于检测脉搏波速率，并发送至模拟前端；

一模拟前端，用于接收脉搏波检测模块发送的脉搏波速率，并对脉搏波速率进行校准和放大，生成脉冲模拟信号，并发给数字处理模块；

一数字处理模块，用于接收无线通信模块发送的被检测者的年龄、性别和模拟前端发送的脉冲模拟信号；

数字处理模块接收到无线通信模块发送的被检测者的年龄、性别，根据被检测者的年龄、性别参照内部的存储器中对应年龄、性别的血压，获取到被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值；

数字处理模块接收到脉冲模拟信号后，根据脉搏波速率和动脉压之间的关系，利用Moens-Korteweg方程对被检测者进行血压测量，将血压测量的结果与被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值对比，进行第一次判断，判断血压测量的结果是否异常，如果血压出现异常，则进一步确定血压是轻度、中度或重度，同时将血压为中度和重度的状况生成预警信息，再将被检测者的血压测量结果和预警信息一并发送给无线通信模块；

如果出现异常的血压值不在被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值范围内，则分别对被检测者血压的收缩压和舒张压上限、下限值以及异常的血压值进行加权平均，再将加权平均后的收缩压和舒张压上限、下限值和加权平均后的异常血压值进行第二次判断，其判断方法与第一次判断相同；

最后将被检测者的年龄、性别和血压测量的结果存入内部的存储器；

一无线通信模块，用于负责数字处理模块、用户外设以及血压异常预警器间的通信；

用户外设通过无线通信模块将被检测者的年龄、性别写入到数字处理模块中的内部存储器；

一能量收集模块，用于收集压电能量或热电能量，并将收集的能量传递给电压调节模块；

一电压调节模块，包括电荷泵和片上集成LDO；电荷泵利用能量收集模块传递的能量对电压调节模块进行电压升压，片上集成LDO再将升压后的电压调整到指定值分别为上述各模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数字处理模块和无线通信模块均与标准CMOS工艺兼容，并封装在同一CMOS基片下；所述的基于柔性传感器的脉搏波检测模块封装在柔性传感器基片下；所述的CMOS基片和柔性传感器基片间再通过焊线连接。

3.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的能量收集模块、电压调节模块、模拟前端、数字处理模块、无线通信模和基于柔性传感器的脉搏波检测模块还可以一起封装在具有CMOS工艺兼容柔性传感器的片下。

4.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的数字处理模块还能够对被检测者的血压采集单位时间峰值或采集单位时间最低值。

5.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的无线通信模块还可以与血压异常预警器连接，当数字处理模块检测到被检测者的血压异常时，可以通过无线通信模块发送预警信息给血压异常预警器，血压异常预警器再通过报警的方式提醒被检测者。

6.根据权利要求5所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的血压异常预警器可以为LED灯、手机，可以通过LED灯闪烁、手机的振动或铃声方式进行报警。

7.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的用户外设可以为手机、PC电脑、平板电脑和远程服务器。

8.根据权利要求1所述的基于柔性传感器检测人体血压的指环式芯片，其特征在于，所述的对异常血压值进行加权平均的方法为：

50岁以前，异常血压的加权平均公式为：加权血压_50岁前＝(舒张压×1.5+收缩压)/2；

50岁到60岁之间，异常血压的加权平均公式为：加权血压_{50岁到60岁}＝(舒张压+收缩压)/2；

60岁之后，异常血压的加权平均公式为：加权血压_60岁后＝(舒张压+收缩压×2)/3。