CN104545951A - 基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，包括：计算机端或便携智能终端，所述人体状态监测平台还包括：基于功能性近红外光谱和运动检测的可穿戴智能头带，所述可穿戴智能头带用于监测佩戴位置的近红外光反射光强信号，还用于监测头部运动和头部姿势信号；所述近红外光反射光强信号、头部运动和头部姿势信号通过无线传输方式传输到计算机端或便携智能终端；计算机端或便携智能终端通过数字滤波、特征提取、机器学习，得到用户心理/生理/行为状态并显示。本发明有望在人-机情感交互、日常心理/生理健康管理、社交平台情绪/健康分享等应用场景下为提高用户体验发挥重要作用，带来可观的社会和经济效益。

Description

基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台
技术领域
本发明涉及可穿戴智能头带领域，尤其涉及一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台。
背景技术
随着人们健康理念的变化和对健康管理需求的增加，运动健康类的可穿戴设备是近年来可穿戴设备中种类最多、投入最多的产品。但目前这些市场化的产品大多都是实现运动监测、心率监测、健身锻炼指导等功能，从生理健康角度为用户提供健康管理方面的辅助，产品虽如雨后春笋般出现，但产品同质化严重。本发明通过监测用户大脑血氧、血流量和头部运动行为，实现心理、生理双重健康的监护和管理，突破现有智能手环、手表、戒指等可穿戴产品对大脑和心理健康关注不足的缺陷。
大脑是人体代谢最活跃的器官之一，人的思维、情感、言行及其他器官的活动密切相关，而人脑完善的功能建立在充足的血氧供应基础上。大脑的血氧供应受体位、运动、情绪、脑区激活、心搏、呼吸等许多因素的影响。因而，大脑血氧饱和度的变化能够反应人的脑区激活程度、情绪、心理状态、健康状况等。头部运动信息能够从行为的角度反应人的状态，如姿势、活跃程度、运动量等信息。因此，这两种信息结合能够很好的反应人的精神、行为、健康等状态，为人-机情感交互、日常健康监护和管理、社交平台上的情感交互提供新的思路和用户体验。
脑血氧饱和度的变化可以通过功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)技术进行无创检测，fNIRS利用血液主要成分对600-900nm近红外光良好的散射性，实现检测血氧变化。760nm左右和850nm左右的近红外光分别对脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白敏感。因为大脑不同皮层内散射的数量不会因为神经活动而变化，皮层组织散射导致的衰减被认为是恒定的，因此认知活动中测量到的光强衰减的变化就被认为是由于吸收的变化导致的，而这个变化又是大脑活动组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化所致，因而通过测定大脑活动区域脑皮层散射光的强度，可以通过朗伯-比尔定律(Lambert—Beer Law)[1]计算推知该区域血氧和血容量的变化。这样就可以得到在进行认知活动时脑内氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对浓度变化，从而推测认知活动相关的脑区及各脑区之间的相互关系。因此可以采用功能性近红外光谱技术获得大脑活动时血氧水平的变化，进而研究认知活动过程的神经机制。
运动检测传感器目前已实现高度集成和小型化，应用方便。运动检测已是近年来智能手环等可穿戴设备典型的功能，但这些产品一般都是着重用运动检测传感器监测人在运动锻炼过程中的运动量以及身体姿态，以实现对用户的运动进行监测，进而为用户提供健康和运动方面的监护和指导。本发明中运动检测传感器用于头部运动的监测，进而通过分析头部运动特征识别用户行为。
发明内容
本发明提供了一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，本发明从生理和行为两个方面为分析人的心理、生理、行为状态提供更全面的信息，进而应用于人-机情感交互、日常健康管理、社交平台健康/情绪分享等热门应用领域中，提升用户体验，有望带来可观的社会和经济效益，详见下文描述：
一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，包括：计算机端或便携智能终端，所述人体状态监测平台还包括：基于功能性近红外光谱和运动检测的可穿戴智能头带，
所述可穿戴智能头带用于监测佩戴位置的近红外光反射光强信号，还用于监测头部运动和头部姿势信号；
所述近红外光反射光强信号、头部运动和头部姿势信号通过无线传输方式传输到计算机端或便携智能终端；
计算机端或便携智能终端通过数字滤波、特征提取、机器学习，得到用户心理/生理/行为状态并显示。
所述可穿戴智能头带包括：CPU、蓝牙、存储器、直流电源和传感器电路，所述传感器电路包括：运动检测传感器和近红外传感器电路，
其中，所述近红外传感器电路分为光源控制电路、探测器控制电路和近红外信号采集电路；
所述光源控制电路包括：多路转换器、模拟开关、恒流源和3个双波长近红外LED作为光源；
所述探测器控制电路包括：模拟多通道转换器和8个近红外光探测器；
所述近红外信号采集电路由放大器、低通滤波器和一个4通道16位A/D转换器组成。
所述光源位于相邻四个近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上，所述运动检测传感器位于近红外光探测器的中点；每个光源与邻近的四个近红外光探测器形成四个信号通道。
所述光源的两种波长分时开启，同时相应的近红外光探测器开启数据采样。
所述人体状态监测平台还包括：开发者接口，
所述开发者接口，包括原始数据接口和处理后数据接口，为开发者提供读取原始数据和任意阶段处理数据的接口。
所述人体状态监测平台应用于人-机情感交互、社交软件中的情绪/健康状态分享、日常心理/生理健康管理应用场景中。
本发明提供的技术方案的有益效果是：近红外光探测器通过大脑氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度和血流量的变化实现从生理层面的大脑的生理/心理活动监测，进而实现脑区激活、大脑供血/供氧、思维活动等的监测。运动检测传感器实现行为层面的头部运动行为分析，识别行为特征，进而实现对用户的行为进行监测。本发明将人-机交互和健康监测从现有较普遍的运动、行为、生理层面扩展到行为、生理、心理层面，更注重情感交互和脑的健康。开放平台设计将应用开发权限提供给第三方开发者，从而为用户提供更丰富的应用。有望在人-机情感交互、日常心理/生理健康管理、社交平台情绪/健康分享等应用场景下为提高用户体验发挥重要作用，带来可观的社会和经济效益。
附图说明
图1为一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台的结构示意图；
图2为传感器布局示意图；
图3为fNIRS传感器控制时序示意图；
图4为头带电路结构示意图；
图5为基础软件功能结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，参见图1，包括：基于功能性近红外光谱和运动检测的可穿戴智能头带、便携智能终端(智能手机、平板电脑、智能手表等)或计算机。其中，便携智能终端中搭载有配套的基础软件和应用软件，计算机中搭载有配套的基础软件和应用软件。上述2种应用软件均通过应用开发工具包SDK(Software Development Kit)获得。该人体状态监测平台可以应用在人-机情感交互、社交软件中的情绪/健康状态分享、日常心理/生理健康管理等应用场景中。
其中，可穿戴智能头带实现双波长功能性近红外原始数据和头部运动数据采集，并无线传输至便携智能终端或计算机端，便携智能终端面向便携化应用场景，计算机端面向非便携化应用场景；计算机端基础软件和便携智能终端基础软件分别在计算机端和便携智能终端完成数据接收、存储、处理、分析，得到脑力负荷、脑力疲劳、情绪、困倦度、睡眠状态、心搏率变异性、健康状况等心理、生理、行为状态参数，并实时显示；SDK提供原始数据和处理后的数据的读取接口，用于第三方开发者开发基于便携智能终端和非便携计算机端的应用软件；计算机端和便携智能终端的应用软件由第三方开发者开发，可面向人-机情感交互、日常心理/生理健康管理、社交平台情绪/健康状态分享这三种典型应用场景。
一、基于功能性近红外光谱和运动检测的可穿戴智能头带
1、传感器布局
本发明采用3个双波长(730nm,850nm，不限于这两种波长组合)近红外LED作为光源(S1，S2，S3)，8个近红外光探测器(D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8)，一个运动检测传感器(M)，形成如图2所示的传感器布局，近红外光探测器两两之间间距为4cm，光源位于相邻四个近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上(即光源S1位于D1，D2，D3和D4近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上；光源S2位于D3，D4，D5和D6近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上；光源S3位于D5，D6，D7和D8近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上)，运动检测传感器M位于D3和D5的中点(或位于D4和D6的中点)。这样，光源与邻近探测器之间的距离约为2.83cm。每个光源与邻近的四个探测器形成四个信号通道，总共12通道，各通道对应的光源-探头如表1所示。图2中所示佩戴方式为运动检测传感器M位于前额，这是本发明的典型应用佩戴方式，而非唯一佩戴方式，具体佩戴方式可由第三方开发者根据应用场景佩戴于头部的特定位置。
表1各通道对应光源-探测器列表
2、近红外传感器控制时序
在多光源功能性近红外设备中，为避免不同光源之间的相互干扰，多个光源分时开启。本发明中有3个光源，每个光源有两种波长，为避免不同光源、不同波长之间的干扰，需要设计一定的时序。基本时序如图3所示，每个光源的两种波长分时开启，同时相应的探测器开启数据采样。如：S1的730nm波长开启时，对应的探测器D1、D2、D3、D4开启数据采样，随后S1的730nm波长关闭，S1的850nm波长开启，对应的探测器D1、D2、D3、D4开启数据采样。保证每一时刻仅有一个光源的一个波长开启，各光源、波长之间不会相互干扰。
3、电路结构
本发明头带部分电路结构如图4所示，包含CPU、蓝牙、存储器、直流电源和传感器电路，传感器电路包括：运动检测传感器M和fNIRS传感器，运动检测传感器M采用集成模块，fNIRS传感器电路分为光源控制电路、探测器控制电路和fNIRS信号采集电路，光源控制电路由多路转换器、模拟开关、恒流源和3个双波长光源(S1、S2、S3)组成，探测器控制电路由模拟多通道转换器和8个探测器(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)组成，fNIRS信号采集电路由放大器、低通滤波器和一个4通道16位A/D转换器组成。前述fNIRS传感器控制时序由CPU控制fNIRS传感器电路完成。存储器负责数据暂存，蓝牙负责将数据传输至便携智能终端或非便携计算机。
二、计算机端/便携智能终端基础软件
计算机端基础软件和便携智能终端基础软件在功能上相同，分别在计算机端和便携智能终端完成特定功能。软件基本功能结构如图5所示，包含数据接收/存储、数据处理、用户界面和第三方开发者接口，数据处理过程包含数字滤波、特征提取、机器学习，得到用户心理/生理/行为状态，用户界面实现用户自定义设置、原始数据显示和处理后结果显示，开发者接口包括原始数据接口和处理后数据接口，为开发者提供读取原始数据和任意阶段处理数据的接口。这里的用户心理/生理/行为状态包括脑力负荷、脑力疲劳、情绪、困倦度、睡眠状态、脑血氧饱和度、心搏率变异性、健康状况等状态参数。
三、开放平台设计
本发明完成智能头带硬件部分、计算机端/便携智能设备终端基础软件和应用开发工具包SDK的设计和实现，提出本发明的典型应用方法。开放所有数据调用接口，供第三方开发者根据不同应用场景开发应用。
四、三种典型应用场景应用
本发明中的智能头带通过检测脑部血氧和头部运动信息，通过机器学习算法分析用户的脑力负荷、脑力疲劳、情绪、困倦度、睡眠状态、心搏率变异性、血氧饱和度、健康状况等状态参数，这些参数可用于人-机情感交互、日常心理/生理健康管理、社交平台情绪/健康分享等，以提高用户在人机交互、健康管理、网络社交等场景下的用户体验。这里以这三种场景为例说明应用，但其应用场景不限于这三种场景。
应用场景一：人-机情感交互
智能设备已被广泛应用于工作和生活中，人与智能设备之间的交互存在一个问题就是目前的智能设备绝大多数不能有效感知用户的生理/心理/行为状态，进而也不能实现根据用户的状态变化提供反馈以用户体验。而本发明能够识别用户的生理/心理/行为状态，进而改善这一不足。如：在用户听音乐的过程中，根据用户的情绪状态为用户选择适当音乐；在游戏中，根据用户脑力负荷、脑力疲劳程度自动调节游戏难度；在脑力工作过程中根据脑力负荷、脑力疲劳为用户提供作息意见；在驾车过程中监测脑力疲劳、困倦度，当出现过度疲劳时提醒用户注意安全、休息，并提供其他刺激；应用于服务机器人，机器人根据用户的情绪/行为状态为用户提供相应服务。
应用场景二：日常心理/生理健康管理
健康已成为近年来的可穿戴设备的主题，但主要集中于体育运动中的运动检测、心率监测、血压、血糖监测等传统的健康范畴。而现代社会人们对健康的理解已远不止于此，长期脑力负荷、脑力疲劳、负面情绪、睡眠等问题已成为困扰人们的主要健康问题，心搏变异性、脑部供血、血氧饱和度变化等参数也是日常健康的重要指标，而本发明中的可穿戴头带结合便携智能终端可以对这些心理/生理/行为状态进行实时监测。在健康管理应用中，将监测到的用户状态上传至专业健康管理服务中心的云端，由健康管理服务中心生成心理/生理健康报告和指导意见，供用户参考。
应用场景三：社交平台情绪/健康状态分享
社交平台已成为当代人生活中不可或缺的一部分，私密社交近两年悄然兴起，被认为可能成为下一个热潮。本发明应用于社交平台，在社交软件中选择亲密好友分享通过智能头带实时监测的情绪/健康状态，可更进一步丰富社交的内涵，可用于亲友之间随时随地互相了解彼此的状态，特别的，可用于子女远程监控父母每天的状态。
综上所述，本发明了一种基于功能性近红外光谱和运动检测传感器的可穿戴智能头带心理状态监测开放平台，并阐明其监测脑力负荷、脑力疲劳、情绪、困倦度、健康的方法，及其在人-机情感交互、日常健康管理、社交软件情感分享中的应用方法。大脑血氧饱和度变化是反应大脑功能、状态变化的重要指标，而大脑血氧饱和度的变化可以通过功能性近红外光谱实现无创监测。头部运动特征能够反应人的心理、思维状态。本发明结合功能性近红外光谱和运动检测，实现实时脑血氧含量、血流量和头部运动的检测，通过分析血氧、血流量、运动的特征变化，实现脑力负荷、脑力疲劳、情绪、困倦度、健康状况的无创实时监测，并基于此实现人-机情感交互、社交软件中的情绪/情感状态分享、日常心理/生理健康管理。
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本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，包括：计算机端或便携智能终端，其特征在于，所述人体状态监测平台还包括：基于功能性近红外光谱和运动检测的可穿戴智能头带，
所述可穿戴智能头带用于监测佩戴位置的近红外光反射光强信号，还用于监测头部运动和头部姿势信号；
所述近红外光反射光强信号、头部运动和头部姿势信号通过无线传输方式传输到计算机端或便携智能终端；
计算机端或便携智能终端通过数字滤波、特征提取、机器学习，得到用户心理/生理/行为状态并显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，其特征在于，所述可穿戴智能头带包括：CPU、蓝牙、存储器、直流电源和传感器电路，所述传感器电路包括：运动检测传感器和近红外传感器电路，
其中，所述近红外传感器电路分为光源控制电路、探测器控制电路和近红外信号采集电路；
所述光源控制电路包括：多路转换器、模拟开关、恒流源和3个双波长近红外LED作为光源；
所述探测器控制电路包括：模拟多通道转换器和8个近红外光探测器；
所述近红外信号采集电路由放大器、低通滤波器和一个4通道16位A/D转换器组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，其特征在于，
所述光源位于相邻四个近红外光探测器组成的正方形的对角线交点上，所述运动检测传感器位于近红外光探测器的中点；每个光源与邻近的四个近红外光探测器形成四个信号通道。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，其特征在于，所述光源的两种波长分时开启，同时相应的近红外光探测器开启数据采样。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，其特征在于，所述人体状态监测平台还包括：开发者接口，
所述开发者接口，包括原始数据接口和处理后数据接口，为开发者提供读取原始数据和任意阶段处理数据的接口。
6.根据权利要求1所述的一种基于功能性近红外光谱和运动检测的人体状态监测平台，其特征在于，所述人体状态监测平台应用于人-机情感交互、社交软件中的情绪/健康状态分享、日常心理/生理健康管理应用场景中。
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