CN104622439A - 一种非固定的手环式脉搏采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非固定的手环式脉搏采集系统及采集方法，所述的采集系统包括光采样手环和智能终端，光采样手环由被测对象佩戴，且不用与被测对象手腕皮肤紧贴，光采样手环内侧面发出的光经皮肤反射后再被光采样手环内侧面接收并将其转换为手腕皮肤反射光对应的光数据记录下来，手环将手腕皮肤反射光对应的光数据发送给智能终端分析处理，智能终端利用连续一段时间的手腕皮肤反射光对应的光数据得到被测对象的实时脉搏信号。由于手环和智能终端都可以随身携带，同时本系统采用光信号去进行脉搏采样，在被测对象运动过程中仍能获取脉搏信号，所以该系统具有极好的便携性、实时性好；此外，本系统还可以对光数据进行加密，只有指定的智能终端才能获取被测对象的脉搏信号，安全性好。

Description

一种非固定的手环式脉搏采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及移动医疗领域，具体涉及一种非固定的手环式脉搏采集系统及采集方法。

背景技术

随着现代医疗手段的进步以及移动医疗的飞速发展，便携式的生理信号采集设备成为了研究热点，而这其中，生理信息量丰富的脉搏信号无疑成为人们关注的焦点。目前，对脉搏信号的采集设备大多是基于压力和光电容积描记的原理，而这两种方法都要求装置与人体脉搏采集部位紧贴（接触式），且受人体运动的干扰特别大，无法检测被测对象在非静止状态下的脉搏信号；这个局限性大大限制了它在移动医疗方面的应用。

要解决便携以及被测对象任意状态（包括静止或任意运动状态）下的脉搏信号采集问题，脉搏采集系统必须要能克服被测对象的运动干扰，而传统的基于压电和光电容积描记的设备都无法解决问题；同时传统基于压电和光电容积描记的设备都必须与被测对象的检测部位紧贴，即都是固定接触式的检测设备，因此给脉搏的检测带来很大的不便，目前尚未有非接触式、非固定的、便携的、能克服被测对象运动干扰的脉搏信号的采集系统和采集方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非固定的、便携的、能克服被测对象的运动干扰的非接触式脉搏信号的采集系统和采集方法，本发明的脉搏信号采集系统可采集人体在静止或任意运动状态下任意时刻的脉搏信号。

本发明采用的技术方案如下：

一种非固定的手环式脉搏采集系统，包括光采样手环和智能终端，所述的光采样手环用于获取手腕皮肤反射光对应的光数据并通过无线通信方式发送给智能终端；所述的光数据是指由感光阵列对接收到的光信号进行转换得到的数据，所述的数据包含光信号的强度、波长等光属性，如RGB值、灰度值等。

所述的光采样手环具有发光和感光功能，光采样手环内侧面是一个既能发光又能采光的环形面，保证被测对象在静止或运动过程中始终有光采样手环内侧面发出的光照射到手腕上的关注部位处，并且光采样手环内侧面始终能够接收到所述手腕上的关注部位的反射光；所述的手腕上的关注部位是手腕上用来提取脉搏的皮肤部位，如桡动脉部位、尺动脉部位等。

所述的光采样手环形状为封闭式环状，保证手环内侧面是一个完整环面，进而在光采样手环在手腕上发生转动时，仍能保证手腕上的关注部位始终能被光采样手环内侧面发出的光照射到，并且光采样手环的内侧面始终能够接收到手腕上的关注部位的反射光。

所述的光采样手环与手腕为非固定式接触；所述的非固定式接触是指光采样手环可以与手腕发生相对运动，如沿手腕的上下移动，绕手腕的转动等，也即本发明的光采样手环可以不用与被测对象手腕皮肤紧贴。

所述的光采样手环包括光纤和感光阵列；所述的光纤用于将光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光传导至感光阵列；所述的感光阵列用于将光纤传导过来的手腕皮肤的反射光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；所述的感光阵列由多个感光单元组成，所述的感光单元能将光信号转换为电信号；所述的光纤一端与感光阵列相连，另一端与光采样手环内侧面相连；每一根光纤的一个端口与感光阵列中的感光单元相连，另一个端口连接到光采样手环内侧面；所述的感光单元可以是一个能将光信号转换为电信号的传感单元，如光电二极管、光电三极管；也可以是多个能将光信号转换为电信号的元件的组合。

所述的智能终端对光采样手环发送过来的手腕皮肤反射光对应的光数据进行分析处理得到脉搏信号。

所述的光采样手环和智能终端之间采用无线通信方式进行数据交互。

为了保证能够提取出脉搏信号，光采样手环的采样频率要满足奈奎斯特采样定理，即光采样手环记录和发送的皮肤反射的光数据的频率不低于脉搏频率的2倍。

进一步地，所述的光采样手环可以采用物理加密，所述的物理加密是指同一根光纤的两个端口在感光阵列中的相对坐标位置和在光采样手环内侧面的相对坐标位置随机对应（如图6-1所示），使感光阵列记录的光数据的分布是打乱后的光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布，形成自然加密；

所述的光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布是指光采样手环内侧面各进光的光纤端口接收到的手腕皮肤反射光对应的光数据的分布情况；

所述的感光阵列记录的光数据的分布是指感光阵列上各感光单元对光信号转换后得到的光数据的分布情况。

从感光阵列记录的光数据的分布得到光采样手环内侧面实际接收到的手腕皮肤反射光分布的情况，需要利用光数据解密矩阵去对感光阵列记录的光数据的分布进行解密；智能终端利用获取的光数据解密矩阵对感光阵列记录的光数据的分布进行解密，得到光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布，即手腕皮肤在感光阵列上的成像图，具体过程如图7所示。

所述的光数据解密矩阵表示连接感光阵列和光采样手环内侧面的每根光纤的两个端口在感光阵列和光采样手环内侧面位置的对应关系。

进一步地，所述的获取光数据解密矩阵的具体方法如下：

（1） 用一张已知参数的测试图片贴合在光采样手环内侧面，获取此时感光阵列上的记录的光数据分布矩阵A；

（2）利用光数据分布矩阵A和光采样手环内侧面的实际光数据的分布B（即测试图片的光数据参数，这里的参数可以是RGB值、灰度值等），计算出二者之间的转换矩阵T= A^-1*B，即光数据解密矩阵。

智能终端记录下光数据解密矩阵T，利用光数据解密矩阵T对感光阵列记录的手腕皮肤反射光数据的分布进行处理，得到光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布，即手腕皮肤在感光阵列上的成像图。

作为优选，所述的光采样手环包括机械支撑模块、电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块；

所述的机械支撑模块用于给所述的电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块提供搭载和保护平台；

所述的电源模块用于给所述的发光模块、感光模块、信号处理模块以及无线通信模块供电；

所述的发光模块用于发光并将发出的光照射到手腕皮肤上，所述的发光模块包括发光电路和出射光纤，出射光纤一端与发光电路相连，另一端连接到光采样手环内侧面，发光电路发出的光通过出射光纤引导至光采样手环内侧面射出；

所述的感光模块用于记录手腕皮肤反射光对应的光数据，所述的感光模块包括感光阵列和入射光纤，入射光纤一端与感光阵列中的各感光单元相连，另一端连接到光采样手环内侧面，手腕皮肤反射光通过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布绕光采样手环内侧面一周，如图4所示，所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布展开为带状，可布满整个光采样手环内侧面，也可只覆盖光采样手环内侧一部分。入射光纤端口和出射光纤端口的分布使所述的光采样手环内侧面构成一个既能发光又能采光的环形面，光采样手环内侧面的宽度由光纤端的覆盖面积决定，光纤端的覆盖面积要保证被测对象在静止或任意运动状态下，光采样手环内侧面始终能射出光照射到手腕上的关注部位处，同时能接收到手腕上的关注部位的反射光，进而保证被测对象在静止或任意运动状态下脉搏信号的获取；通过入射光纤的引导，手环成为了一个“一元多头”的环形光采样手环，即一个感光阵列感光，多个环形分布的光纤口进光，如图3-2所示； 

所述的信号处理模块用于对感光阵列记录的光数据进行处理；

所述的无线通信模块用于与智能终端进行数据交互。

所述的感光阵列可以是CCD感光元件、CMOS感光元件或其他感光单元组成的阵列；所述的感光单元可以是一个能将光信号转换为电信号的传感单元，如光电二极管、光电三极管；也可以是多个能将光信号转换为电信号的元件的组合。

所述的智能终端是能够捕获外部信息，能进行计算、分析和处理，具有信号发生功能，并能在不同终端之间能够进行信息传输的便携式设备，包括但不限于各种智能手机、智能手表、智能眼镜、PDA、笔记本电脑、上网本、平板电脑(如IPAD等)、掌上电脑、智能掌上游戏机等。

所述的光采样手环与智能终端之间的无线通信方式选自蓝牙、wifi、2G、2.5G、2.75G、3G、4G通信方式和后续代的通信方式（4G以上的版本）中的任意一种或任意二种及以上的组合。

所述的光采样手环的形状可以是如图3-1所示的圆环状，也可以是椭圆环状、矩形环状、其他规则或不规则的封闭式环状。

基于本发明的非固定的手环式脉搏采集系统，本发明还提供相应的脉搏采集方法，包括如下步骤：

（1） 发光：光采样手环内侧面发出光照射到手腕皮肤上；

（2） 采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

（3） 光数据发送：光采样手环将感光阵列记录的光数据发送给智能终端；

（4） 光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，并对其进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

（5） 脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

进一步地，本发明还提供基于物理加密的脉搏采集方法，包括如下步骤：

（1） 发光：光采样手环内侧面发出光照射到手腕皮肤上；

（2） 采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

（3） 光数据发送：光采样手环将感光阵列记录的光数据发送给智能终端；

（4） 光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，利用光数据解密矩阵对所述的光数据进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

（5） 脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

进一步地，针对本发明的由机械支撑模块、电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块组成的光采样手环和智能终端组成的脉搏采集系统，本发明提供一种脉搏采集方法，包括如下步骤：

（1） 发光：发光模块的发光电路发出的光（入射光）通过出射光纤引导至光采样手环内侧面照射到手腕皮肤上，如图5所示；

（2） 采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集（如图5所示，手腕皮肤发射光进入入射光纤），手腕皮肤反射光经过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

（3） 光数据发送：信号处理模块对感光阵列所记录的光数据进行处理，然后通过无线通信模块发送至智能终端；

（4） 光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，利用光数据解密矩阵对手环发送过来的光数据进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

（5） 脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

所述三种脉搏采集方法中，步骤（5）中智能终端获取脉搏信号的流程图如图8所示，包括以下步骤：

a)       获取连续多帧图像：获取连续多个时刻手腕皮肤在感光阵列上的成像图；  

b)      图像规则化：从步骤a)中连续多帧手腕皮肤在感光阵列上的成像图中选择一张作为标准帧，并在各张成像图中选取相同的特征点，然后根据每张成像图中特征点和标准帧中特征点的对应关系，得到每张图像与标准帧之间的转换矩阵，最后根据每张成像图与标准帧之间的转换矩阵将每张图像向标准帧转换，使每张图像的成像参数（成像角度、距离）与标准帧相同，这样得到一组连续的规则成像图；

c)       定位关注部位：在步骤b)中每张成像图中确定手腕上的关注部位在图像中的部位（用来提取脉搏信号的手腕皮肤部分，每个时刻的手腕上的关注部位相同）；

d)      提取脉搏信号：针对步骤b)中得到的连续的规则成像图，对手腕上的关注部位运用基于频率的信号提取方法进行耦合，当选用的频率与手腕上的关注部位的微小振动变化发生共振时，则所选的频率即为脉搏振动频率。

作为优选，步骤d)中基于频率的信号提取方法选自但不限于独立主成分分析（ICA）法、耦合共振、共轭梯度放大、小波变换等中的一种或多种。

      本发明的有益效果是：

（1）光采样手环便于随身携带，可以实时连续地采集人体的脉搏信号； 

（2）光采样手环不用固定在手腕上，佩带舒适性好，符合用户的日常习惯；

（3）可以克服运动干扰，被测对象在静止或任意运动状态下都能使用；

本发明可以对采得的脉搏信号进行物理加密，所述的加密方式简单并且可靠，保证只有指定的智能终端能解读被测对象的脉搏信号。

附图说明

图1是本发明的脉搏采集系统组成示意图（其中智能终端以智能手机为例）；

图2是本发明的脉搏采集系统组成和工作流程示意图；

图3-1是光采样手环的组成结构图；

图3-2是光采样手环“一元多头”示意图；

图4是光采样手环内侧面展开示意图（图中光采样手环内侧面展开图中粗线圆圈表示入射光纤端口，细线圆圈表示出射光纤端口），其中（a）是光纤端口只布满光采样手环内侧面一部分的示意图，（b）是光纤端口布满整个光采样手环内侧面的示意图；

图5是光纤端口光的发射与反射接收示意图；

图6-1是连接感光单元和光采样手环内侧面的光纤两端口随机对应实现物理加密的示意图；

图6-2是不加密的光采样手环的感光阵列与光采样手环内侧面光纤端口分布对应图（光采样手环内侧面光纤端口的相对位置坐标与同一根光纤相连的感光单元在感光阵列中的相对位置坐标相同）；

图7是利用感光阵列的记录的光数据的分布得到光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布的示意图，即智能终端对手环的物理加密进行解密的示意图，图中标号（a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3）相同的感光单元和手环内侧面光纤端口对应于同一根光纤，如光采样手环内侧面标号a2的光纤端口对应的光纤的另一端与感光阵列上标号为a2的感光单元相连；

图8是获取脉搏信号的流程图；

图9是连续若干时刻光采样手环与被测对象手腕位置关系以及对应时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图（即图中手环内侧成像图，图中只画出了手腕上的关注部位和特征点）；

图10是经过规则化后的连续若干帧手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

图11是手腕静脉血管的示意图，圆圈标出的为桡动脉部位（选为手腕上的关注部位），三角形标出部分为静脉血管的分叉点（选为特征点）；

图12是手腕皮肤成像图与实际手腕皮肤的映射（投影）对应图（也是待转换帧向标准帧转换的示意图）。

图中所示：

1：手腕皮肤，2：光采样手环，3：智能手机，4：光采样手环外侧面，5：光采样手环内侧面，6-1：入射光纤，6-2：出射光纤，7：感光阵列，8：信号处理模块，9：无线通信模块，10：发光电路，11：电源模块，12：透明玻璃。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图详细说明本发明的工作原理和所达到的效果。

本发明的非固定的手环式脉搏采集系统，包括光采样手环和智能终端，

所述的光采样手环用于获取手腕皮肤反射光对应的光数据并通过无线通信方式发送给智能终端； 

所述的光采样手环具有发光和感光功能，光采样手环内侧面是一个既能发光又能采光的环形面，保证被测对象在静止或运动过程中始终有光采样手环内侧面发出的光照射到手腕上的关注部位处，并且光采样手环内侧面始终能够接收到所述手腕上的关注部位的反射光；

所述的光采样手环形状为封闭式环状；

所述的光采样手环与手腕为非固定式接触；

所述的光采样手环包括光纤和感光阵列；所述的光纤用于将光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光传导至感光阵列；所述的感光阵列用于将光纤传导过来的手腕皮肤反射光转换成手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；所述的感光阵列由多个感光单元组成，所述的感光单元能将光信号转换为电信号；所述的光纤一端与感光阵列相连，另一端与光采样手环内侧面相连；每一根光纤的一个端口与感光阵列中的感光单元相连，另一个端口连接到光采样手环内侧面；

所述的智能终端对光采样手环发送过来的手腕皮肤反射光对应的光数据进行分析处理得到脉搏信号；

所述的光采样手环和智能终端之间采用无线通信方式进行数据交互。

本发明的脉搏采集系统的示意图如图1所示，其中智能终端为智能手机。

进一步地，如图3-1所示，本发明的脉搏采集系统的光采样手环包括机械支撑模块、电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块；

所述的机械支撑模块用于给所述的电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块提供搭载和保护平台；

所述的电源模块用于给所述的发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块供电；

所述的发光模块用于发光并将发出的光照射到手腕皮肤上，所述的发光模块包括发光电路和出射光纤，出射光纤一端与发光电路相连，另一端连接到光采样手环内侧面，发光电路发出的光通过出射光纤引导至光采样手环内侧面射出；

所述的感光模块用于记录手腕皮肤反射光对应的光数据，所述的感光模块包括感光阵列和入射光纤，入射光纤一端与感光阵列中的各感光单元相连，另一端连接到光采样手环内侧面，手腕皮肤反射光通过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布绕光采样手环内侧面一周，所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布展开为带状； 

所述的信号处理模块用于对感光阵列记录的光数据进行处理；

所述的无线通信模块用于与智能终端进行数据交互。

   所述脉搏采集系统的组成和工作流程示意图如图2所示，其脉搏采集方法包括如下步骤：

（1） 发光：发光模块的发光电路发出的光通过出射光纤引导至光采样手环内侧面照射到手腕皮肤上；

（2） 采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

（3） 光数据发送：信号处理模块对感光阵列所记录的光数据进行处理，然后通过无线通信模块发送至智能终端；

（4） 光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，利用光数据解密矩阵对手环发送过来的光数据进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

（5） 脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

实施例1

光采样手环不加密，即手环内侧面光纤端口的位置分布和感光阵列中感光单元的位置分布完全一致，如图6-2所示；发光电路发出白光，同时还发出一定量的红外光；感光阵列采用CCD感光元件；信号处理模块采用微型DSP模块；无线通信模块选择蓝牙模块；智能终端选择智能手机；光采样手环为封闭圆环状；光采样手环内侧面有一层透明玻璃用来防止光纤端口和皮肤直接接触。 

光采样手环的采样频率设为100Hz，即光采样手环每秒中向智能手机发送100帧感光阵列记录的手腕皮肤反射光对应的光数据分布（也就是手腕皮肤在感光阵列上的成像图）。

本发明的脉搏采集系统工作时，光采样手环上的发光电路发出的光经出射光纤传导至光采样手环内侧面射出照射到被测者的手腕皮肤上，被测者手腕皮肤对照射过来的光进行反射；反射光被手环内侧面接收到，反射光通过入射光纤的引导传至CCD，并使CCD感光；DSP将CCD记录的感光数据通过蓝牙发送到智能手机；智能手机根据接收到的连续一段时间的CCD感光数据提取出被测者的脉搏信号。

智能手机提取脉搏信号的方法具体如下：

图9所示的为连续若干时刻的手腕皮肤成像图（即CCD记录的感光信息），首先，根据手腕皮肤成像图中的红外光的分布情况得到皮肤手腕静脉的分布情况（原理与AccuVein AV300（http://learn.accuvein.com/）类似，装置发出一定强度的红外光射到皮肤上，皮下静脉血管中的血细胞吸收一部分红外光，这样皮肤在反射红外光时，下面分布有静脉血管的皮肤处反射的红外光就明显减少，这样装置根据接收到的皮肤反射光中红外光的分布情况就可以知道皮下静脉血管的分布情况），根据手腕静脉分布情况确定特征点，这里选取三个静脉的分叉点作为特征点；然后，随机选取一张成像图作为标准帧，利用各张图像中的特征点与标准帧中特征点的对应关系，得出各张图像到标准帧的转换矩阵，并将各张图像规则化（即向标准帧转换，变换包括缩放、平移、拉伸、旋转等），得到规则化后的连续时刻的若干张图像（如图10所示）；接着，在规则化后的连续时刻的各张图像中确定手腕上的关注部位（这里选取桡动脉的部位，利用特征点和桡动脉部位之间的位置关系进行确定，如图11所示）；最后，利用欧拉视频放大技术对规则化后的各张图像的手腕上的关注部位进行分析，提取出被测者的脉搏信号。（注：欧拉视频放大技术是美国麻省理工学院的科学家于2012年6月公布的一项视频处理技术，这项最新的视频处理技术可以捕捉视频中人类难以觉察的极其微小的颜色或动作变化，通过对其振动频率进行分析处理，运用不同频率的信号去与这些微小变化进行耦合，当信号的频率与微小变化的频率相同即发生共振时，人们就可以直接观察到这些微变化，并将这些变化进行任意放大处理。）

其中，各张图像规则化的原理如下：

光纤端口垂直于手环内侧面分布，所以光纤接收到的皮肤反射光垂直于手环内侧面，于是手腕皮肤成像图与实际手腕皮肤的映射（投影）对应关系如图12所示，

图中平面                                                为成像图平面，平面为实际手腕皮肤平面，

图中，，；

选取手环与手腕处于图9中第一个时刻的成像图为标准帧，由于此时手环与手腕处于近似同心圆位置，即手环内侧面正对手腕皮肤，则标准帧上所成的皮肤的图像就是未发生形变的图像，那么将其他时刻的成像图（即待转换帧）向标准帧转换时，就是将待转换帧恢复到实际的皮肤图像，待转换帧规则化的原理图就可以采用图12所示的示意图。

记标准帧中三个特征点分别为、、，待转换帧中特征点对应为、、，则标准帧上的像素点都在平面上，待转换帧中的像素点都在平面上；

       对于待转换帧上任意一点，记它转换后在标准帧上对应的点为，现在由、、和求点在转换后的标准帧中的具体位置，由于、、在转换后的标准帧中的具体位置已知，即、、位置是已知，所以只需求出点到、、点的距离、、即可定位点在标准帧中的位置。具体求解过程如下：

       过点作平面交与，交于，过点作交平面与，交平面于，连接、，连接；

       显然有，，为平面与平面的夹角；

       由空间几何知识可得， （而、、，、、位置均已知，所以和易求）；

       又由于，所以有

同理可求得和，于是点到、、点的距离就都得到了，那么点的位置就确定了。

       对每一帧待转换帧中的各点依据上述原理进行转换，就得到规则化的各张图像。

      注：如果选取其他时刻的成像图作为标准帧，待转换帧向标准帧的转换原理类似，只是最终规则化后的效果是从另一个视角得到的各张图像。如果建立直角坐标系，将各点位置用坐标表示出来，那么根据上面的推导方法，点的坐标就可以用已知点、、、、、、点的坐标表示出来，最终整个变换过程就可以写成矩阵形式，即可得到各张图像到标准帧的转换矩阵。

 

实施例2

光采样手环采用物理加密，即同一根光纤的两个端口在感光阵列中的相对坐标位置和在光采样手环内侧面的相对坐标位置随机对应（如图6-1所示）；发光电路发出白光，同时还发出一定量的红外光；感光阵列采用CCD感光元件；信号处理模块采用微型DSP模块；无线通信模块选择蓝牙模块；智能终端选择智能手机；光采样手环为封闭圆环状；光采样手环内侧面有一层透明玻璃用来防止光纤端口和皮肤直接接触。

光采样手环的采样频率设为100Hz，即光采样手环每秒中向智能手机发送100帧感光阵列记录的手腕皮肤反射光数据分布（也就是手腕皮肤在感光阵列上的成像图）。

首先利用智能手机获取光数据揭秘矩阵，先用一张已知参数的测试图片去测试手环，将图片贴合到光采样手环内侧面，根据感光阵列上所记录的光数据得到的灰度矩阵A和测试图像对应的实际灰度矩阵B，得到光数据解密矩阵T（T=A^-1*B）。

系统工作时，手环上的发光电路发出的光经出射光纤传导至手环内侧面射出照射到被测者的手腕皮肤上，被测者手腕皮肤对照射过来的光进行反射；反射光被手环内侧面接收到，反射光通过入射光纤的引导传至CCD，并是CCD感光；DSP将CCD记录的感光信息通过蓝牙发送到智能手机；智能手机根据接收到的连续一段时间的CCD感光信息提取出被测者的脉搏信号。

智能手机提取脉搏信号的方法具体如下：

智能手机先对光采样手环发送过来的光数据分布进行解密得到手腕皮肤的实际成像图，即利用之前得到的光数据解密矩阵去对光采样手环发送过来的CCD记录的感光信息进行处理，得到手环内侧面实际接收到的手腕皮肤反射光数据的分布；图9所示的为连续若干时刻的手腕皮肤成像图（即CCD记录的感光信息），首先，根据手腕皮肤成像图中的红外光的分布情况得到皮肤手腕静脉的分布情况（原理与AccuVein AV300（http://learn.accuvein.com/）类似，装置发出一定强度的红外光射到皮肤上，皮下静脉血管中的血细胞吸收一部分红外光，这样皮肤在反射红外光时，下面分布有静脉血管的皮肤处反射的红外光就明显减少，这样装置根据接收到的皮肤反射光中红外光的分布情况就可以知道皮下静脉血管的分布情况），根据静脉分布情况确定特征点，这里选取三个静脉的分叉点作为特征点；然后，选取某一张成像图作为标准帧，利用各张图像中的特征点与标准帧中特征点的对应关系，得出各张图像到标准帧的转换矩阵，并将各张图像规则化（即向标准帧转换，变换包括缩放、平移、拉伸、旋转等，各张图像规则化的原理参见实施例1），得到规则化后的连续时刻的若干张图像（如图10所示）；接着，在规则化后的连续时刻的各张图像中确定手腕上的关注部位（这里选取桡动脉的部位，利用特征点和桡动脉部位之间的位置关系进行确定，如图11所示）；最后，利用欧拉视频放大技术对规则化后的各张图像的手腕上的关注部位进行分析，提取出被测者的脉搏信号。

上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种非固定的手环式脉搏采集系统，包括光采样手环和智能终端，其特征在于：

所述的光采样手环用于获取手腕皮肤反射光对应的光数据并通过无线通信方式发送给智能终端； 

所述的光采样手环具有发光和感光功能，光采样手环内侧面是一个既能发光又能采光的环形面，保证被测对象在静止或运动过程中始终有光采样手环内侧面发出的光照射到手腕上的关注部位处，并且光采样手环内侧面始终能够接收到所述手腕上的关注部位的反射光；

所述的光采样手环形状为封闭式环状；

所述的光采样手环与手腕为非固定式接触；

所述的光采样手环包括光纤和感光阵列；所述的光纤用于将光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光传导至感光阵列；所述的感光阵列用于将光纤传导过来的手腕皮肤反射光转换成手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；所述的感光阵列由多个感光单元组成，所述的感光单元能将光信号转换为电信号；所述的光纤一端与感光阵列相连，另一端与光采样手环内侧面相连；每一根光纤的一个端口与感光阵列中的感光单元相连，另一个端口连接到光采样手环内侧面；

所述的智能终端对光采样手环发送过来的手腕皮肤反射光对应的光数据进行分析处理得到脉搏信号；

所述的光采样手环和智能终端之间采用无线通信方式进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的脉搏采集系统，其特征在于：

所述的光采样手环采用物理加密，所述的物理加密是指同一根光纤的两个端口在感光阵列中的相对坐标位置和在光采样手环内侧面的相对坐标位置随机对应，使感光阵列记录的光数据的分布是打乱后的光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布，形成自然加密；智能终端利用获取的光数据解密矩阵对感光阵列记录的光数据的分布进行解密，得到光采样手环内侧面接收到的手腕皮肤反射光实际对应的光数据的分布，即手腕皮肤在感光阵列上的成像图。

3.根据权利要求2所述的脉搏采集系统，其特征在于：

所述的获取光数据解密矩阵的具体方法如下：

（1）用一张已知参数的测试图片贴合在光采样手环内侧面，获取此时感光阵列上的记录的光数据分布矩阵A；

（2）利用光数据分布矩阵A和光采样手环内侧面的实际光数据分布矩阵B，计算出二者之间的转换矩阵T，即为光数据解密矩阵。

4.根据权利要求1-3任一项所述的脉搏采集系统，其特征在于：

所述的光采样手环包括机械支撑模块、电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块；

所述的机械支撑模块用于给所述的电源模块、发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块提供搭载和保护平台；

所述的电源模块用于给所述的发光模块、感光模块，信号处理模块以及无线通信模块供电；

所述的发光模块用于发光并将发出的光照射到手腕皮肤上，所述的发光模块包括发光电路和出射光纤，出射光纤一端与发光电路相连，另一端连接到光采样手环内侧面，发光电路发出的光通过出射光纤引导至光采样手环内侧面射出；

所述的感光模块用于记录手腕皮肤反射光对应的光数据，所述的感光模块包括感光阵列和入射光纤，入射光纤一端与感光阵列中的各感光单元相连，另一端连接到光采样手环内侧面，手腕皮肤反射光通过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布绕光采样手环内侧面一周，所述的入射光纤端口和出射光纤端口的分布展开为带状； 

所述的信号处理模块用于对感光阵列记录的光数据进行处理；

所述的无线通信模块用于与智能终端进行数据交互。

5.根据权利要求1-3任一项所述的光采样手环，其特征在于：

    所述的感光阵列是CCD感光元件、CMOS感光元件或其他感光单元组成的阵列。

6.根据权利要求1-3任一项所述的非固定的手环式脉搏采集系统，其特征在于：

所述的光采样手环的形状为圆环状、椭圆环状、矩形环状、其他规则或不规则的封闭式环状。

7.根据权利要求1所述的非固定的手环式脉搏采集系统的脉搏采集方法，其特征在于包括如下步骤：

发光：光采样手环内侧面发出光照射到手腕皮肤上；

采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

光数据发送：光采样手环将所述的光数据发送给智能终端；

光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，并对其进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

8.根据权利要求2所述的非固定的手环式脉搏采集系统的脉搏采集方法，其特征在于包括如下步骤：

发光：光采样手环内侧面发出光照射到手腕皮肤上；

采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

光数据发送：光采样手环将感光阵列记录的光数据发送给智能终端；

光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，利用光数据解密矩阵对所述的光数据进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

9.根据权利要求4所述的非固定的手环式脉搏采集系统的脉搏采集方法，其特征在于所述的脉搏采集方法包括如下步骤：

发光：发光模块的发光电路发出的光通过出射光纤引导至光采样手环内侧面照射到手腕皮肤上；

采光：手腕皮肤反射光被光采样手环内侧面采集，手腕皮肤反射光经过入射光纤传导至感光阵列，感光阵列将光纤传导过来的光转换为手腕皮肤反射光对应的光数据并记录下来；

光数据发送：信号处理模块对感光阵列所记录的光数据进行处理，然后通过无线通信模块发送至智能终端；

光数据接收：智能终端接收到光采样手环发送过来的光数据，利用光数据解密矩阵对手环发送过来的光数据进行处理得到手腕皮肤在感光阵列上的成像图；

脉搏信号提取：智能终端利用连续时刻的手腕皮肤在感光阵列上的成像图，提取出脉搏信号。

10.根据权利要求7-9任一项所述的脉搏采集方法，其特征在于所述的步骤（5）包括如下步骤：

获取连续多帧图像：获取连续多个时刻手腕皮肤在感光阵列上的成像图；  

图像规则化：从步骤a)中连续多帧手腕皮肤在感光阵列上的成像图中选择一张作为标准帧，并在各张成像图中选取相同的特征点，然后根据每张成像图中特征点和标准帧中特征点的对应关系，得到每张图像与标准帧之间的转换矩阵，最后根据每张成像图与标准帧之间的转换矩阵将每张图像向标准帧转换，使每张图像的成像参数与标准帧相同，这样得到一组连续的规则成像图；

定位关注部位：在步骤b)中每张成像图中确定手腕上的关注部位在图像中的部位；

提取脉搏信号：针对步骤b)中得到的连续的规则成像图，对手腕上的关注部位运用基于频率的信号提取方法进行耦合，当选用的频率与手腕上的关注部位的微小振动变化发生共振时，则所选的频率即为脉搏振动频率。