CN104622444A - 一种多光电传感模块腕式监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光电传感模块腕式监测系统。使用本发明利用同一区域内所采集到的光电容积脉搏波描记信号间的相关性高的理论，通过计算在同一区域内的两个光电容积脉搏波描记信号的相关性，判断其采集质量。避免了由于采集质量差而导致测量结果了与实际参数之间带来的偏差，提高了测量质量。

Description

一种多光电传感模块腕式监测系统

技术领域

本发明涉及传感器监测领域，具体涉及一种多光电传感模块腕式监测系统。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人们对健康状况的关注越来越重视；尤其是随着社会老龄化人口的增长，方便易用的腕式健康监护设备成为社会的迫切需求。

目前现有的腕式健康监护设备，集成了血压、脉率和血氧等生理参数的测量。然而，其测量血压的方式是采用外用袖带式测量的方法，以腕表为泵源，采用传统的袖带，通过阻断腕部血流而测量血压，不仅设备使用会存在不便捷性的问题，而且测量一次的时间为3至5分钟，效率低，导致无法连续测量。

此外，在测量脉率方面，其设备大多通过在腕表的皮肤接触面上嵌入反射式光电传感模块，进而得到脉率参数。在实际测量的过程中，光电传感模块必须与皮肤紧密接触。然而，当人体在运动状态下，腕表皮肤接触面上的光电传感模块会随着腕部的摆动与皮肤接触不实，进而使得测量出的光电容积脉搏波描记信号产生波动，导致获得的脉率、血氧参数等生理参数信息具有较大的偏差。

目前，有科研单位为了减小这种偏差，提出了一些可实施性的方案，但这些方案却只能够提高信号采集的精度，而不能对信号的质量做出预判。这样一来，有些时候，即使在提高了信号采集精度的情况下，所采集到的脉率和血氧等参数与实际参数还是有较大的偏差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多光电传感模块腕式监测系统，不仅能够采用无袖带的方式对血压进行测量，而且还能够通过预判光电传感模块所采集到的光电容积脉搏波描记信号的质量，并选择性的测量脉率、血压、血氧和呼吸率，进而减小测量结果了与实际参数之间的偏差。

一种多光电传感模块腕式监测系统，包括：解析与控制单元、信号解析单元和第一采集单元和第二采集单元：

所述第一采集单元和第二采集单元，均用于采集光电容积脉搏波描记信号，并将采集到光电容积脉搏波描记信号发送给信号解析单元；

其中，所述第一采集单元位于腕表的位置a处，且在位置a处采集到的光电容积脉搏波描记信号记为信号A，第二采集单元位于腕表的位置b处，且位置b处采集到的光电容积脉搏波描记信号记为信号B；位置a和位置b位于腕表皮肤接触面；

所述信号解析单元，用于将第一采集单元和第二采集单元采集到的两个光电容积脉搏波描记信号进行相关性解析，获得相关性系数；即：分别在信号A和信号B取同一采样序号i的电压值X_i和Y_i，其中i∈[1,2...N]，N为光电容积脉搏波描记信号的采样个数；根据获得信号A和信号B之间的相关系数R_X,Y；

其中，为信号A的所有电压采样值的平均值；为信号B的所有电压采样值的平均值；

利用获得的相关系数R_X,Y与设定的相关系数门限进行对比，获得当前采集到的光电容积脉搏波描记信号是否可用的判别信息；如果可用，则将采集到的信号A和信号B以及判别信息发送到解析与控制单元；如果不可用，则仅将判别信息发送到解析与控制单元；

解析与控制单元，用于当判别信息显示不可用时，则进行警报；当判别信息显示可用时，则对所接收的光电容积脉搏波描记信号进行处理以获得血压、血氧、脉率和呼吸率，并显示。

优选地，所述光电容积脉搏波描记信号是否可用的判别信息的判别条件为：若相关系数R_X,Y大于或等于0.8，则判为可用光电容积脉搏波描记信号，若相关系数R_X,Y小于0.8，则判为不可用光电容积脉搏波描记信号。

特别地，所述第一采集单元和第二采集单元均包括光电传感模块和检测模块；

其中，两个采集单元所用的两个光电传感模块以垂直于腕表表带的方向排布于腕表皮肤接触面。

优选地，所述光电传感模块由红光发光管、近红外发光管和光电接收管组成，且红光发光管和近红外发光管排布于光电接收管同一侧。

特别地，所述解析与控制单元包括生理参数处理及控制模块、控制模块、报警模块和显示模块；

其中，控制模块，用于在接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为可用，则控制模块将所接收的信号A和信号B发送至生理参数处理及控制模块；若接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为不可用，则控制模块发送控制信号至报警模块；

报警模块，用于在接收到控制模块的发来的控制信号时，进行警报；

生理参数处理及控制模块，用于对接收到的信号A和信号B进行处理，获得血压、血氧、呼吸率和脉率信息，并发给显示模块显示；

显示模块，用于显示所接收生理参数处理及控制模块发来的血压、血氧、呼吸率和脉率信息。

特别地，所述生理参数处理及控制模块对血压信息获取的方式为：在同一周期内，通过提取位置a和位置b的光电容积脉搏波描记信号，获得同一特征值点的达到时刻T_a和T_b，利用Δ_t＝T_a-T_b，获得脉搏波传输时间Δ_t；并将获得的脉搏波传输时间Δ_t代入BP＝a·Δ_t+b，获得血压信息BP；其中，a、b均为预设的血压测量系数。

有益效果：

1、本发明利用光电容积脉搏波描记信号的采集原理，即：同一区域内所采集到的光电容积脉搏波描记信号间的相关性高的理论，通过计算在同一区域内的两个光电容积脉搏波描记信号的相关性，判断其采集质量。避免了由于采集质量差而导致测量结果了与实际参数之间带来的偏差，提高了测量质量。

同时，通过两光电容积脉搏波描记信号的脉搏波传输时间Δ_t，获得血压信息，高了便利性，而且，相对于传统的测量方式来说，采用本发明能够实时的对血压进行连续测量，提高了使用效率。

2、本发明通过采用将第一采集单元所用的第一光电传感模块和第二采集单元所用的第二传感器平行于血流方向排布于腕表皮肤接触面的方式，准确的测量出了血流信息，进而能够获得更加准确的光电容积脉搏波描记信号。

3、本发明引入了报警模块，当检测到测量的光电容积脉搏波描记信号的相关性小于0.8时，则证明测量出的光电容积脉搏波描记信号不可用，通过控制报警单元报警，提醒佩戴者注意调整佩戴方式，增加了准确度。

附图说明

图1为多光电传感模块腕式监测系统图。

图2为腕表排布结构图。

图3为血压信息测量原理图。

其中，1-第一采集单元，2-第二采集单元，3-信号解析单元，4-解析与控制单元5-光电接收管，6-近红外发射管，7-红光发光管。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的基本思想在于：由于光电容积脉搏波描记信号反映的是光电传感模块所处位置对应的腕部微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化，所以在腕部的某一个局部小区域内所获取的微血管脉动性变化基本一致，故在该区域内所采集到的光电容积脉搏波描记信号间的相关性高。但当光电传感模块未能与皮肤贴紧时，则采集的光电容积脉搏波描记信号质量就差，程度严重的话，将会产生类似于噪音的信号，质量不好。

介于此得出以下结论：如果在测量过程中，该区域内的光电传感模块均与腕部皮肤紧密接触，则在该区域内将会采集到两个高相关性的光电容积脉搏波描记信号，即：采集到两个高质量的光电容积脉搏波描记信号；同理，如果在测量过程中，光电传感模块与腕部皮肤在测量过程没有紧密接触或有相对滑动，无论是否有一侧的光电传感模块与皮肤贴紧，也将会导致该区域内所采集到的光电容积脉搏波描记信号不一样，进而导致其相关性变低。

同时，由于血压的测量可以利用脉搏波传输时间Δ_t获得，即：在同一周期内，获取在腕表不同位置测量出的光电容积脉搏波描记信号，并采集同一特征值点的到达时刻，通过解析得到血压信息。避免了采用袖带式测量的不便捷性和不连续性。

依据上述结论，本发明提供了一种多光电传感模块腕式监测系统，如图1所示：包括解析与控制单元、信号解析单元和第一采集单元和第二采集单元。

第一采集单元和第二采集单元，均用于采集光电容积脉搏波描记信号，并将采集到光电容积脉搏波描记信号发送给信号解析单元；两采集单元均包括光电传感模块和检测模块。

其中，光电传感模块，用于将人体的血流信息转换为可用于采集的光电容积描记信号；包括红光发光管、近红外发光管和光电接收管组成，且红光发光管和近红外发光管排布于光电接收管同一侧。

由于本发明兼具测量血压的功能，而光电容积脉搏波描记信号反映的是光电传感模块对应腕部微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化，心脏每搏动一次，光电容积脉搏波描记信号则记为一个周期。因此，为获得该脉搏波传输时间Δ_t，需要将两光电传感模块以垂直于腕表表带的方向排布于腕表皮肤接触面。即：如图2所示，将第一采集单元的光电传感模块位于腕表的位置a处，且在位置a处采集到的光电容积脉搏波描记信号为信号A，第二采集单元的光电传感模块位于腕表的位置b处，且位置b处采集到的光电容积脉搏波描记信号为信号B；位置a和位置b位于腕表皮肤接触面；

检测模块，用于采集由光电传感模块转换到的光电容积脉搏波描记信号。

信号解析单元，用于将第一采集单元和第二采集单元采集到的两个光电容积脉搏波描记信号进行相关性解析，获得相关性系数，以此判断光电容积脉搏波描记信号的质量，进而得到采集到的光电容积脉搏波描记信号的可用性；

其中，信号解析单元根据在某一局部小区域内的不同位置所采集到的光电容积脉搏波描记信号具有高相关性的原理，通过对两个采集单元获得到的光电容积脉搏波描记信号进行相关性分析，即分别在信号A和信号B同一采样序号i的电压值X_i和Y_i，其中i∈[1,2...N]，N为光电容积脉搏波描记信号的采样个数；根据公式(1)，获得信号A和信号B之间的相关系数R_X,Y；

$R_{X,Y}=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(X_i-\stackrel{\‾}{X})(Y_i-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}---\left(1\right)$

其中，其中，为信号A的所有电压采样值的平均值；为信号B的所有电压采样值的平均值.

根据所测得的相关系数R_X,Y，判断信号A和信号B的质量。根据在医学的信号分析领域中常用相关性分析，设当相关系数R_X,Y大于或等于0.8时，则判定两信号为可用，即两信号之间的相关性高，故其质量好。为此，将该判别信息、信号A和信号B一并发送至解析与控制单元中。若相关系数R_X,Y小于0.8时，则判断两信号为不可用，即两信号之间的相关性低。为此，则仅将该判别信息发送至解析与控制单元中。

解析与控制单元，用于当判别信息显示不可用时，则进行警报；当判别信息显示可用时，则对所接收的光电容积脉搏波描记信号进行处理以获得血压、血氧、脉率和呼吸率，并显示。包括生理参数处理及控制模块、控制模块、报警模块和显示模块。

其中，控制模块，根据从信号解析单元中接收到的判别信息，进行判断，以做出后续动作。若接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为可用，则控制模块将信号A和信号B发送至生理参数处理及控制模块，以启动控制生理参数处理及控制模块对生理参数进行解析。；若接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为不可用，则控制模块发送控制信号至报警模块，进行报警；

生理参数处理及控制模块，用于对接收到的信号A和信号B进行处理。生理参数处理及控制模块根据所需测量参数类型的不同，选取不同的解析算法，获得脉率、血氧、呼吸率和血压信息，其具体为：

脉率：生理参数处理及控制模块根据采集到的光电容积脉搏波描记信号进行滤波后根据脉搏波幅值的最大最小值计算血氧参数。

血氧：生理参数处理及控制模块根据采集到的光电容积脉搏波描记信号进行滤波后根据脉搏波一分钟之内的特征值个数，得到脉率参数。

呼吸率：生理参数处理及控制模块根据采集到的光电容积脉搏波描记信号中脉搏波每个周期的极值点的连线，获得呼吸波形，根据呼吸波形每分钟的波形变化周期获得呼吸率。

血压：通过在不同位置对腕部微血管的血液容积进行测量，进而获得光电容积脉搏波描记信号在同一周期内特征值点在不同位置时经过的时间，最终获得脉搏波传输时间Δ_t。如图3所示，即：根据血压信息测量的理论：即在同一周期内，通过提取位置a和位置b的光电容积脉搏波描记信号，获得同一特征值点的达到时刻T_a和T_b，利用公式(2)，

Δ_t＝T_a-T_b   (2)获得脉搏波传输时间Δ_t，进而得到血压信息。

将获得的脉搏波传输时间Δ_t代入公式(3)中，

BP＝a·Δ_t+b   (3)获得血压信息BP。其中，a、b均为预设的血压测量系数，它是实际测量到的光电容积脉搏波特征值点获得的脉搏波传输时间Δ_t，并依据实际的血压信息计算得到的血压测量系数a和b，并记载至生理参数处理及控制模块。

之后，通过生理参数处理及控制模块将获得的脉率、血氧、呼吸率和血压信息发送至显示模块，对脉率、血氧、呼吸率和血压信息进行显示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种多光电传感模块腕式监测系统，其特征在于，包括：解析与控制单元(4)、信号解析单元(3)和第一采集单元(1)和第二采集单元(2)：

所述第一采集单元(1)和第二采集单元(2)，均用于采集光电容积脉搏波描记信号，并将采集到光电容积脉搏波描记信号发送给信号解析单元(3)；

其中，所述第一采集单元(1)位于腕表的位置a处，且在位置a处采集到的光电容积脉搏波描记信号记为信号A，第二采集单元(2)位于腕表的位置b处，且位置b处采集到的光电容积脉搏波描记信号记为信号B；位置a和位置b位于腕表皮肤接触面；

所述信号解析单元(3)，用于将第一采集单元(1)和第二采集单元(2)采集到的两个光电容积脉搏波描记信号进行相关性解析，获得相关性系数；即：分别在信号A和信号B取同一采样序号i的电压值X_i和Y_i，其中i∈[1,2...N]，N为光电容积脉搏波描记信号的采样个数；根据获得信号A和信号B之间的相关系数R_X,Y；

其中，为信号A的所有电压采样值的平均值；为信号B的所有电压采样值的平均值；

利用获得的相关系数R_X,Y与设定的相关系数门限进行对比，获得当前采集到的光电容积脉搏波描记信号是否可用的判别信息；如果可用，则将采集到的信号A和信号B以及判别信息发送到解析与控制单元(4)；如果不可用，则仅将判别信息发送到解析与控制单元(4)；

解析与控制单元(3)，用于当判别信息显示不可用时，则进行警报；当判别信息显示可用时，则对所接收的光电容积脉搏波描记信号进行处理以获得血压、血氧、脉率和呼吸率，并显示。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电容积脉搏波描记信号是否可用的判别信息的判别条件为：若相关系数R_X,Y大于或等于0.8，则判为可用光电容积脉搏波描记信号，若相关系数R_X,Y小于0.8，则判为不可用光电容积脉搏波描记信号。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一采集单元(1)和第二采集单元(2)均包括光电传感模块和检测模块；

其中，两个采集单元所用的两个光电传感模块以垂直于腕表表带的方向排布于腕表皮肤接触面。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光电传感模块由红光发光管(7)、近红外发光管(6)和光电接收管(5)组成，且红光发光管(7)和近红外发光管(6)排布于光电接收管(5)同一侧。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解析与控制单元(4)包括生理参数处理及控制模块、控制模块、报警模块和显示模块；

其中，控制模块，用于在接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为可用，则控制模块将所接收的信号A和信号B发送至生理参数处理及控制模块；若接收到的判别信息显示光电容积脉搏波描记信号为不可用，则控制模块发送控制信号至报警模块；

报警模块，用于在接收到控制模块的发来的控制信号时，进行警报；

生理参数处理及控制模块，用于对接收到的信号A和信号B进行处理，获得血压、血氧、呼吸率和脉率信息，并发给显示模块显示；

显示模块，用于显示所接收生理参数处理及控制模块发来的血压、血氧、呼吸率和脉率信息。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述生理参数处理及控制模块对血压信息获取的方式为：在同一周期内，通过提取位置a和位置b的光电容积脉搏波描记信号，获得同一特征值点的达到时刻T_a和T_b，利用Δ_t＝T_a-T_b，获得脉搏波传输时间Δ_t；并将获得的脉搏波传输时间Δ_t代入BP＝a·Δ_t+b，获得血压信息BP；其中，a、b均为预设的血压测量系数。