CN104622445B - 一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备。本发明通过将心电采集设备、反射式光电传感器、温度传感器和惯性传感器安装于腕表上，以显示心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数。并通过无线模块将获得的参数发送至智能设备中进行存储。其中，本发明所测的血压参数是利用了血压和脉搏波传输时间存在线性关系的原理，而非采用传统袖带式测量血压的方法。

Description

一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备

技术领域

本发明涉及健康监护领域，具体涉及一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备。

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，方便易用的健康监护设备成为社会的迫切需求。

随着传感器技术、半导体制造技术、低功耗集成电路设计技术、计算机技术以及无线通信技术的发展，使得设计出多功能、低功耗、小体积的无线健康监护节点成为可能。腕表作为一种典型的可穿戴式装备，由于其适合在自然状态下对人体的生理参数信息进行监测，得到学术界和产业界的认同。在学术界，其典型的代表是AMON，AMON集成了多种微型传感器，可测量血压，皮肤温度，血氧饱和度，心电图和当前运动状态。旨在用于医院或家里的高危心脏病的病人或高危呼吸困难的病人。但由于目前测量血压的方法是以腕表为泵源，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。并且，测量后的数据仅能在腕表上显示，无法存储到智能设备上，导致设备存在所测量数据的可靠性问题。然而在产业界，腕表功能单一，而且大多侧重于对人体运动功能的监测、能量消耗的分析，只有部分如MIO系列的腕表可以测量人体脉率，但这并不能满足人民对于健康设备的监护需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备，能够通过腕表上装备的传感器对心率、脉率、血氧、血压、体温和运动速度进行检测并存储于智能设备中，并且提高了对血压测量的效率。

一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备，包括：心电采集单元、血氧采集单元、温度采集单元、运动状态监测单元、血压采集预处理模块和信号分析处理及显示单元；

心电采集单元，用于采集并获得人体的心电图信号；

血氧采集单元，用于采集并获得人体的光电容积脉搏波描记信号；

温度采集单元，用于采集并获得人体表皮的温度信号；

运动状态检测单元，用于采集并获得运动速度信号；

血压采集预处理模块，用于将获取的心电图信号和光电容积脉搏波描记信号相参后获得脉搏波传输时间；即：从心电采集单元获得的心电图信号ECG中获取R点对应时刻T_R和从血氧采集单元获得的光电容积脉搏波描记信号PPG中获取特征值点P点对应时刻T_P，利用Δ_t＝T_R-T_P获得脉搏波传输时间Δ_t；

信号分析处理及显示单元，用于对心电图信号、光电容积脉搏波描记信号、温度信号、运动速度信号和脉搏波传输时间进行处理，获得心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数，并将获得的参数通过无线模块发送至智能设备。

特别地，所述心电采集单元采用干电极LA、干电极RA和驱动电极RLD对心电图信号进行采集；其中，干电极RA和驱动电极RLD为长方形状，安装在腕表外表面的液晶显示屏的两侧；干电极LA为环形状，安装在腕表的皮肤接触面上，并形成环形凸起；用于测量光电容积脉搏波描记信号的反射式光电传感器安装在腕表皮肤接触面上的环形电极LA的内侧，并形成凸起；用于测量温度信号的温度传感器安装在腕表皮肤接触面上的环形电极LA的内侧，并形成方形凸起；用于测量运动速度信号的惯性传感器安装于腕表内部电路板上。

特别地，所述血氧采集单元包括反射式光电传感器和反射式血氧检测模块；

反射式传感器，用于将人体的血流信息转换为可用于采集的光电容积脉搏波描记信号；由红光发光管、近红外发光管和光电接收管组成；

反射式血氧检测模块，用于采集由光电传感器转换到的光电容积脉搏波描记信号。

优选地，所述反射式传感器的排布方式有三种：

方式一、一个红光发射管和一个近红外发射管以列排布于两个对称排布的光电接收管之间；

方式二、一个光电接收管两侧中的一侧排布一个红光发射管，另一侧排布一个近红外发射管；

方式三、采用一个光电接收管，并在任意一侧列排布一个红光发射管和一个近红外发射管。

特别地，所述信号分析处理及显示单元包括生理参数处理和解析模块、控制模块、无线模块和显示模块；

生理参数处理和解析模块，用于将心电检测模块采集到的心电信号、反射式血氧检测模块采集到的光电容积脉搏波描记信号、温度检测模块采集到的温度信号、惯性传感器检测模块采集到的运动速度信号和血压采集预处理模块获得的脉搏波传输时间进行处理，并分别心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数；

控制模块，用于将生理参数处理和解析模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送给显示模块或/和无线模块；

无线模块，用于将控制模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送到智能设备上，将智能设备发来的控制信号发送给控制模块。

特别地，所述信号分析处理及显示单元进一步包括报警单元；

所述控制信号是当智能设备检测到异常的生理参数时发出的；接收到控制信号后的控制模块控制报警单元进行报警。

有益效果：

1、本发明通过将心电采集设备、反射式光电传感器、温度传感器和惯性传感器安装于腕表上，以显示心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数。并通过无线模块将获得的参数发送至智能设备中进行存储。此外，在测量血压方面，本发明并未使用传统袖带式测量血压的方法，而是利用了血压和脉搏波传输时间存在线性关系的原理，通过由心电采集单元获得的心电图信号ECG的R点和由血氧采集单元获得的光电容积脉搏波描记信号的特征值点P点的时间T_R和T_P获得脉搏波传输时间，进而获得血压参数，提高了便利性，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。

3、由于腕表在佩戴时会因外界因素导致腕表不能够时刻贴合在腕部，进而导致传感器所测数据不准确，甚至有时无法测得数据，为了避免该种情况的发生，本发明将心电采集设备中的干电极LA、反射式光电传感器和温度传感器均安装在腕表的皮肤接触面，进而形成凸起状，使检测设备能够更好的与皮肤接触，进而达到检测的目的。

4、本发明利用I导联方式测量心电图，在设计干电极LA时，本发明为采用传统的长方形设计原则，而是考虑到在测量时，右手两手指按在表盘两侧的干电极RA和驱动电极RLD的力度不一致而导致腕表倾斜，最终无法测量。故将干电极LA设计成环形，使得无论腕表如何倾斜，都能够使得干电极LA与皮肤接触，以防止上述情况发生。而且，将反射式光电传感器和温度传感器均安装在了干电极LA的内侧，使得腕表的结构更加紧凑，减小了腕表的体积。

附图说明

图1为腕式多生理参数健康监护设备系统图。

图2为腕式多生理参数健康监护设备皮肤接触面结构图。

图3为腕式多生理参数健康监护设备外表面结构图。

图4(a)为反射式传感器的对称式排布图。

图4(b)为反射式传感器的排布方式图。

图4(c)为反射式传感器的排布方式图。

图5为腕式无袖带式连续血压测量原理图。

其中，1-心电采集单元，2-血氧采集单元，3-温度采集单元，4-运动状态监测单元，5-血压采集预处理模块，6-信号分析处理及显示单元，7-干电极RA，8-干电极LA，9-驱动电极RLD，10-红光发射管，11-近红外发射管，12-光电接收管，13-温度传感器。

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。

本发明提供了一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备，如图1所示，包括心电采集单元、血氧采集单元、温度采集单元、运动状态监测单元、血压采集预处理模块和信号分析处理及显示单元；初始状态下，腕表在液晶显示界面显示当前血氧饱和度值、体温、脉率和运动速度。

心电采集单元，用于采集并获得人体的心电图信号；包括心电采集设备和心电检测模块。

其中，心电采集设备，用于将人体的心电信息转换为可用于采集的心电图信号，并安装于腕表表面形成凸起；如图2所示，包括均镀有AgCl薄膜的不锈钢干电极LA、不锈钢干电极RA和不锈钢驱动电极RLD。其中，不锈钢干电极RA和不锈钢驱动电极RLD为长方形，且位于腕表外表面的液晶显示屏两侧。如图3所示，不锈钢干电极LA为环形，且位于表盘的皮肤接触面。本实施例采用的是I导联方式测量心电图，即：假设腕表戴于左手，当需要进行心电信号采集时，则右手的两个手指分别按在干电极RA和驱动电极RLD上，以反映出两个肢体之间的电位差，进而获得心电信号，形成心电图。

将心电采集设备安装于腕表表面，进而形成凸起状的好处在于：便于腕部皮肤与干电极LA紧密接触，以防止由于腕表在佩戴过程中的移动而导致接触不实的情况。此外，将干电极LA设计为环形的好处在于：当右手两个手指按在干电极RA和驱动电极RLD上时，很容易因受力不均导致腕表的倾斜，若采用传统的长方形测量方式，则当腕表倾斜时，很容易造成无法测量的后果。所以，将干电极LA设计为环形结构，无论腕表如何倾斜，都可以与皮肤相接触，避免因受力不均而导致无法测量的结果。此外，信号处理及显示单元通过检测干电极RA和干电极LA之间的电阻值，来判断是否启动心电采集及处理单元，起到与初始状态切换的功能。

心电监测模块，用于采集由心电采集设备转换到的心电图信号。

血氧采集单元，用于采集并获得人体的光电容积脉搏波描记信号；包括反射式光电传感器和反射式血氧检测模块。

其中，反射式光电传感器包括红光发射管、近红外发射管和两个光电接收管。红光发射管和近红外发射管依次发射光信号，并将皮肤反馈的光信号发射至光电接收管。为了尽可能的减小腕表的体积，如图2和3所示，将反射式光电传感器安装在腕表皮肤接触面上，且置于环形干电极LA内侧，形成凸起状。其中，反射式光电传感器具体的排布为以下三种方式：

方式一、如图4(a)所示，一个红光发射管和一个近红外发射管以列排布于两个对称排布的光电接收管之间。

方式二、如图4(b)所示，一个光电接收管两侧中的一侧排布一个红光发射管，另一侧排布一个近红外发射管。

方式三、如图4(c)所示，采用一个光电接收管，并在任意一侧列排布一个红光发射管和一个近红外发射管。

反射式血氧检测模块，用于采集由光电传感器转换到的光电容积脉搏波描记信号。

血压采集预处理模块，用于将获取的心电图信号和光电容积脉搏波描记信号相参后获得脉搏波传输时间Δ_t。

如图5所示，从心电采集单元获得的心电图信号ECG中获取R点对应时刻T_R和从血氧采集单元获得的光电容积脉搏波描记信号PPG中获取特征值点P点对应时刻T_P，利用公式(1)：

Δ_t＝T_R-T_P (1)

以获得脉搏波传输时间Δ_t。

其中，光电容积脉搏波描记信号的特征值点P的选取方法为以下六种方法中的一种：采用光电容积脉搏波主峰斜率上升的最大值点、光电容积脉搏波最小值点、幅度百分比和脉搏波二阶差分最大值、光电容积脉搏波最大值点、脉搏波二阶差分最大值或幅度百分比点。

温度采集单元，用于采集并获得人体表皮的温度信号；包括温度传感器和温度检测模块。

温度传感器，用于将人体的表皮温度信息转换为可用于采集的温度信号；安装在腕表皮肤接触面上，且置于环形干电极LA内侧，形成方形凸起状。为尽可能的减小腕表的体积，如图2所示，将温度传感器置于腕表皮肤接触面的环形干电极LA内侧。温度传感器将采集到的当前表皮温度信号发送至温度检测模块。

温度检测模块，用于采集由温度传感器转换得的温度信号。

运动监测及处理单元用于对运动功能的监测；包括惯性传感器和惯性传感器检测模块。

惯性传感器，用于将运动信息转换为可用于采集的运行速度信号；布放在腕表内部的电路板上。

惯性传感器检测模块，用于采集由惯性传感器测得的运动速度信号

信号分析处理及显示单元，用于对心电图信号、光电容积脉搏波描记信号、温度信号、运动速度信号和脉搏波传输时间进行处理，获得心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数，并将获得的参数通过无线模块发送至智能设备；包括生理参数处理和解析模块、控制模块、无线模块、报警单元和显示模块；

其中，生理参数处理和解析模块，用于将心电检测模块采集到的心电信号、反射式血氧检测模块采集到的光电容积脉搏波描记信号、温度检测模块采集到的温度信号、惯性传感器检测模块采集到的运动速度信号和血压采集预处理模块获得的脉搏波传输时间进行处理，并分别获得心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数；

生理参数处理和解析模块根据不同的参数类型，选取不同的解析算法，具体为：

生理参数处理和解析模块对心电检测模块采集到的心电信号进行滤波后根据心电图在一分钟之内的峰值个数，得到心率参数。

生理参数处理和解析模块对反射式血氧检测模块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，根据脉搏波一分钟之内的特征值个数，得到脉率参数。

生理参数处理和解析模块对温度检测模块采集到的温度信号进行数模转换得到表皮温度。

生理参数处理和解析模块对惯性传感器检测模块采集到的运动信号进行数模转换得到运动速度。

生理参数处理和解析模块对血压采集预处理模块获得的脉搏波传输时间Δ_t，利用公式(2)，获得血压参数BP。

BP＝a+b×Δ_t (2)

其中，a、b为血压测量系数，根据6种不同的光电容积脉搏波特征值点获得不同的脉搏波传输时间Δ_t，并依据实际的血压参数计算得到6组血压测量系数a和b，并记载至生理参数处理和解析模块。在实际测量时，根据不同的特征值选取方法，采用相应的血压测量系数a和b，以得到当前时刻的血压参数。

控制模块，用于将生理参数处理和解析模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送给显示模块或/和无线模块；

无线模块，用于将控制模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送到智能设备上，这样一来，能够将人体的生理参数实时发送并显示到智能设备上，如医用电脑。

智能设备检测到异常的生理参数时发出控制信号，该控制信号通过无线模块进入本设备后发送给控制模块。控制模块接收到控制信号后控制报警单元进行报警。报警单元可以包括声报警模块和/或光报警模块，从而提示佩戴人员注意当前生理指标异常，相应采取措施。

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 (5)

1.一种无线智能的多生理参数健康监护腕式设备，其特征在于，包括：心电采集单元(1)、血氧采集单元(2)、温度采集单元(3)、运动状态监测单元(4)、血压采集预处理模块(5)和信号分析处理及显示单元(6)；

心电采集单元(1)，用于采集并获得人体的心电图信号；

血氧采集单元(2)，用于采集并获得人体的光电容积脉搏波描记信号；

温度采集单元(3)，用于采集并获得人体表皮的温度信号；

运动状态检测单元(4)，用于采集并获得运动速度信号；

血压采集预处理模块(5)，用于将获取的心电图信号和光电容积脉搏波描记信号相参后获得脉搏波传输时间；即：从心电采集单元获得的心电图信号ECG中获取R点对应时刻T_R和从血氧采集单元获得的光电容积脉搏波描记信号PPG中获取特征值点P点对应时刻T_P，利用Δ_t＝T_R-T_P获得脉搏波传输时间Δ_t；

信号分析处理及显示单元(6)，用于对心电图信号、光电容积脉搏波描记信号、温度信号、运动速度信号和脉搏波传输时间进行处理，获得心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数，并将获得的参数通过无线模块发送至智能设备；

所述心电采集单元(1)采用干电极LA(7)、干电极RA(8)和驱动电极RLD(9)对心电图信号进行采集；其中，干电极RA(8)和驱动电极RLD(9)为长方形状，安装在腕表外表面的液晶显示屏的两侧；干电极LA(7)为环形状，安装在腕表的皮肤接触面上，并形成环形凸起；用于测量光电容积脉搏波描记信号的反射式光电传感器安装在腕表皮肤接触面上的环形电极LA(7)的内侧，并形成凸起；用于测量温度信号的温度传感器(13)安装在腕表皮肤接触面上的环形电极LA(7)的内侧，并形成方形凸起；用于测量运动速度信号的惯性传感器安装于腕表内部电路板上。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述血氧采集单元(2)包括反射式光电传感器和反射式血氧检测模块；

反射式传感器，用于将人体的血流信息转换为可用于采集的光电容积脉搏波描记信号；由红光发光管(10)、近红外发光管(11)和光电接收管(12)组成；

反射式血氧检测模块，用于采集由光电传感器转换到的光电容积脉搏波描记信号。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述反射式传感器的排布方式有三种：

方式一、一个红光发射管和一个近红外发射管以列排布于两个对称排布的光电接收管之间；

方式二、一个光电接收管两侧中的一侧排布一个红光发射管，另一侧排布一个近红外发射管；

方式三、采用一个光电接收管，并在任意一侧列排布一个红光发射管和一个近红外发射管。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信号分析处理及显示单元(6)包括生理参数处理和解析模块、控制模块、无线模块和显示模块；

生理参数处理和解析模块，用于将心电检测模块采集到的心电信号、反射式血氧检测模块采集到的光电容积脉搏波描记信号、温度检测模块采集到的温度信号、惯性传感器检测模块采集到的运动速度信号和血压采集预处理模块获得的脉搏波传输时间进行处理，并分别心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数；

控制模块，用于将生理参数处理和解析模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送给显示模块或/和无线模块；

无线模块，用于将控制模块获得的心率、血氧、脉率、表皮温度、运动速度和血压参数发送到智能设备上，将智能设备发来的控制信号发送给控制模块。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述信号分析处理及显示单元(6)进一步包括报警单元；

所述控制信号是当智能设备检测到异常的生理参数时发出的；接收到控制信号后的控制模块控制报警单元进行报警。