CN105030217A - 一种便携式运动监测检测设备及运动监测检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于人体运动传感监测领域，尤其涉及一种便携式运动监测设备及运动监测检测方法。选择两个不同波长的红光或红外光作为入射光垂直入射手指，其中一入射光的波长为805nm的红外光，采用反射式方式测量脉搏波和血氧浓度，分别通过测量两个不同波长红光或红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，与透射式测量方法相比，降低了光的散色干扰和运动干扰导致的基线漂移，较之传统透射式脉搏测量在精度和实用性方面有了很大提升。

Description

一种便携式运动监测检测设备及运动监测检测方法

技术领域

本发明属于人体运动传感监测领域，尤其涉及一种便携式运动监测检测设备及运动监测检测方法。

背景技术

在人体正常生命活动中，脉搏波、血氧浓度、三轴加速度等生理参数是反映健康状况的重要指标，对心血管疾病及肥胖症等慢性疾病的日常护理与监测具有十分重要的意义。

现今医学监测仪器多功能化、智能化和微型化发展速度越来越快，关于便携式运动监测系统的研究近年来也逐步增加，

传统透射式脉搏测量依据红光、红外光透射原理，通常通过采集指端或者耳端红光、红外光透射光电容积脉搏波信号实现脉搏波测量和血氧浓度测量；人体在运动中，指端和耳端测量位置会出现较大的运动干扰，出现大幅度的基线漂移，导致光电容积脉搏波信号出现大幅度失真，无法测量脉搏波和血氧饱和度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种便携式运动监测检测设备及运动监测检测方法，采用反射式脉搏及血氧测量，降低了光的散色干扰和运动干扰导致的基线漂移，较之传统透射式脉搏测量在精度和实用性方面有了很大提升。

本发明是这样实现的，一种运动监测检测方法，选择两个不同波长的红光、红外光作为入射光垂直入射手指，其中一入射光的波长为805nm的红外光，采用反射式方式测量脉搏波和血氧浓度，分别通过测量两个不同波长红光、红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，其中，SpO₂为动脉血氧饱和度，与分别为a波长红光入射光的反射光光强交流分量和直流分量，与分别为805nm波长红外入射光的反射光光强交流分量和直流分量，参数A与参数B为定标参数，通过实验获得。

进一步地，另一入射光为波长为660nm红光。

进一步地，采用中值滤波算法去除脉搏波的基线干扰；在N长度脉搏波数字序列中，选择长度为n的序列Xⁿ为一维模板窗口W(Nⁿ)，模板窗口数据由大到小排序M，取序列中值作为一点x数值；顺次滑动模板窗口W(Nⁿ)，重复排序取中值，最终实现滤除扰动造成的噪声，算法如下：

$X_i^n=x_i,x_{i+1},x_{i+2}...x_{i+n-1}$ i＝0,1,2…N-n；

$W\left(N_K^n\right)=W\left(X_i^n\right)$

K＝0,1,2,…N-1，i＝0,1,2,…N-n；

${\stackrel{\‾}{M}}_j=\mathrm{Med}\left(\mathrm{sort}\left(W\left(N_K^n\right)\right)\right)$ j＝0,1,2,…N-1；

$x_i=\stackrel{\‾}{M_j}$ i,j＝0,1,2,…N-1。

本发明提供了实现上述方法的一种便携式运动监测检测设备，包括一反射式光电脉搏血氧传感器，所述反射式光电脉搏血氧传感器包括光电信号发射器，用于发射两路红光、红外光作为入射光垂直入射手指；光电信号接收器，接收红光、红外光照射手指后的反射光；

该设备还包括光电转换单元，将光电信号接收器接收的反射光信号进行光电转化；

信号处理单元，实现光电转换后信号的放大、整形、滤波、电压抬升等。

A/D转换单元，将处理后的信号进行A/D转换；

微处理器，对反射式光电脉搏血氧传感器中红光和红外光发射管的驱动、A/D转换模式控制、串口通信的操作，微处理器将转换后的信号通过蓝牙通信传输至手机或电脑进行数据分析，数据的分析包括提取通过测量两个不同波长红光、红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，其中，SpO₂为动脉血氧饱和度，与分别为a波长红光入射光的反射光光强交流分量和直流分量，与分别为805nm波长红外入射光的反射光光强交流分量和直流分量，参数A与参数B为定标参数，通过实验获得；

光源驱动单元，通过接受微处理器的指令并驱动光电信号发射器进行红光、红外光的发射。

所述光电信号发射器以及光电信号接收器的触点安装在一指环上，微处理器以及附属元件安装在一手环上，指环与手环之间通过导线连接。

微处理器还连接有三轴加速度传感器以及温度传感器。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)本发明采用反射式脉搏及血氧测量，与透射式测量方法相比，降低了光的散色干扰和运动干扰导致的基线漂移，较之传统透射式脉搏测量在精度和实用性方面有了很大提升。

(2)本设备采用手环、指环结合的设计，在产品美观及舒适程度不受影响的前提下较全面地进行运动过程各人体指标参数测量。

(3)系统以便携穿戴设备的形式，可同时对运动过程中的速度、加速度、里程、卡路里、脉率、血氧参数进行综合测量。

附图说明

图1为本发明设备的外部结构示意图；

图2为本发明设备的电路结构框图；

图3为本发明设备的反射式血氧测量部分结构框图；

图4为本发明方法滤波前的660nm、805nm光电容积脉搏波图；

图5为本发明方法滤波后的660nm、805nm光电容积脉搏波图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明包括手环2和指环1两部分，二者通过导线连接，手环2部分采用橡胶环扣式可调结构，尺寸为220.5*19.0*14.7mm，固定于用户手臂或腕部。指环端尺寸为44.5*11.0*7mm，其上附着有光电信号发射器及光电信号接收器两个触点，同时触点通过两根导线同手环端微控制器单元相连接。此外，该设备配备有运动状态显示盘及两枚信号提示led灯，运动状态显示盘可直接显示人体运动时间、三轴加速度和速度等信息，健康指示灯可根据人体血氧含量高低而呈绿红变化，实现健康预警功能。手环工作指示灯用以提示设备是否通过蓝牙同Android客户端进行连接以及设备是否处于正常工作状态。

本发明采用msp430单片机作为控制核心微处理器，内嵌三轴加速度传感器、温度传感器、光电脉搏血氧传感器、蓝牙通信模块，系统模块框图如附图2所示。

如附图2所示，系统通过三轴加速度传感器MPU6050检测出身体三轴加速度运动信号，通过温度传感器DS18B20检测出外界环境温度，通过光电脉搏血氧传感器LST1308对人体运动过程的血氧浓度进行检测，这些信号被送入微处理器MSP430，通过微处理器MSP430的A/D模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，还包括液晶显示屏T12864进行数据的显示。进一步处理后，系统将这些信号送入MicroSD卡保存。通过主从一体蓝牙串口模块HC05，将数据送入手机和PC机进行数据处理和算法分析，从而计算出人体实时运动参数，并且系统还可对脉率、血氧浓度值进行分析，当脉率、血氧浓度值低于正常水平时系统将自动发出警报，提醒佩戴者。为了实现便携式操作，系统采用纽扣电池供电。

其中三轴加速度传感器能够实现对人体运动过程三轴加速度和角速度的测量，温度传感器可实时监测用户运动过程体温以及环境温度变化情况，光电脉搏血氧传感器可监测人体运动过程中血氧含量和脉搏波变化情况，各传感单元所测得数据均可通过蓝牙通信模块传输至Android设备客户端。在设备软件客户端，基于手机Android平台实现速度、加速度、里程、运动环境温度和卡路里等运动参数的计算和显示，人体运动轨迹的跟踪、定位，还可对三轴加速度和脉率、血氧浓度进行数据分析。

如图3所示，反射式光电脉搏血氧传感器，反射式光电脉搏血氧传感器包括光电信号发射器，用于发射两路红光、红外光作为入射光垂直入射手指；光电信号接收器，接收红光、红外光照射手指后的反射光；

该设备还包括光电转换单元，将光电信号接收器接收的反射光信号进行光电转化；

信号处理单元，实现光电转换后信号的放大、整形、滤波、电压抬升等。

A/D转换单元，将处理后的信号进行A/D转换；

微处理器，对反射式光电脉搏血氧传感器中红光和红外光发射管的驱动、A/D转换模式控制、串口通信的操作，微处理器将转换后的信号通过蓝牙通信传输至手机或电脑进行数据分析，数据的分析包括提取通过测量两个不同波长红光、红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，其中，SpO₂为动脉血氧饱和度，与分别为a波长红光入射光的反射光光强交流分量和直流分量，与分别为805nm波长红外入射光的反射光光强交流分量和直流分量，参数A与参数B为定标参数，通过实验获得；

光源驱动单元，通过接受微处理器的指令并驱动光电信号发射器进行红光、红外光的发射。

由朗伯-比尔定律可知，当红光、红外光垂直入射手指指端或耳垂时,其吸光度A与吸光物质的浓度C及吸收层厚度L成正比。

A＝lg(I₀/I)＝ECL(1)

E为吸光系数，C为溶液的浓度，L为光路厚度，I₀为入射光光强，I为透射光光强。

由光谱特性吸收曲线可知，选择660nm红光和805nm红外光两路光作为入射光信号，采用反射式方式测量脉搏波和血氧浓度；测量位置选为手指根部，该部位表皮、真皮、脂肪以及骨骼较厚，其透射光较小，取其反射光强作为测量目标实现脉搏波和血氧浓度测量；公式(1)中，I₀为反射光光强，氧合血红蛋白O₂Hb和还原血红蛋白RHb的吸收特性为：

$1g(I_0/I)=(E_{O_2\mathrm{Hb}}{C}_{O_2\mathrm{Hb}}+E_{\mathrm{RHb}}{C}_{\mathrm{RHb}})L$

氧合血红蛋白吸光系数，氧合血红蛋白浓度，E_RHb还原血红蛋白吸光系数，C_RHb还原血红蛋白浓度。

第一路光入射，由于心脏泵血导致，手指脉动，入射光路发生变化，有

$\mathrm{\ΔW}=W_{L+\mathrm{\ΔL}}-W_L=1g((I-\mathrm{\ΔI})/I)=-(E_{O_2\mathrm{Hb}}{C}_{O_2\mathrm{Hb}}+E_{\mathrm{RHb}}{C}_{\mathrm{RHb}})\mathrm{\ΔL}$

ΔI为光路改变导致的光强损耗

第二路光入射，同理有

$\mathrm{\Δ}{W}^{\′}=-({E^{\′}}_{O_2\mathrm{Hb}}{C}_{O_2\mathrm{Hb}}+{E^{\′}}_{\mathrm{RHb}}{C}_{\mathrm{RHb}})\mathrm{\ΔL}$

将以上两式带入动脉血氧饱和度公式

${\mathrm{SpO}}_2=\frac{C_{O_2\mathrm{Hb}}}{C_{O_2\mathrm{Hb}}+C_{\mathrm{RHb}}}$

得

${\mathrm{SpO}}_2=\frac{E_{\mathrm{RHb}}\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}-{E^{\′}}_{\mathrm{RHb}}}{(E_{\mathrm{RHb}}-E_{O_2\mathrm{Hb}})\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}-({E^{\′}}_{\mathrm{RHb}}-{E^{\′}}_{O_2\mathrm{Hb}})}$

即

${\mathrm{SpO}}_2=\frac{E_{\mathrm{RHb}}^{805}\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}-E_{\mathrm{RHb}}^{660}}{(E_{\mathrm{RHb}}^{805}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{805})\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}-(E_{\mathrm{RHb}}^{660}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{660})}$

由于在805nm处，还原血红蛋白和氧合血红蛋白吸光系数相等，

$E_{\mathrm{RHb}}^{805}=E_{O_2\mathrm{Hb}}^{805}$ 则有

${\mathrm{SpO}}_2=\frac{-E_{\mathrm{RHb}}^{805}}{E_{\mathrm{RHb}}^{660}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{660}}\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}+\frac{E_{\mathrm{RHb}}^{660}}{E_{\mathrm{RHb}}^{660}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{660}}$

设 $A=\frac{-E_{\mathrm{RHb}}^{805}}{E_{\mathrm{RHb}}^{660}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{660}},B=\frac{E_{\mathrm{RHb}}^{660}}{E_{\mathrm{RHb}}^{660}-E_{O_2\mathrm{Hb}}^{660}}$ 则有

因为透射光中交流信号成分远远小于直流信号成分，所以上式变为

$\frac{\mathrm{\Δ}{W}^{\′}}{\mathrm{\ΔW}}=\frac{1g(I_{\mathrm{DC}}^{660}-I_{\mathrm{AC}}^{660})}{1g(I_{\mathrm{DC}}^{805}-I_{\mathrm{AC}}^{805})}=\frac{I_{\mathrm{AC}}^{660}/I_{\mathrm{DC}}^{660}}{I_{\mathrm{AC}}^{805}/I_{\mathrm{DC}}^{805}}$

${\mathrm{SpO}}_2=A\frac{I_{\mathrm{AC}}^{660}/I_{\mathrm{DC}}^{660}}{I_{\mathrm{AC}}^{805}/I_{\mathrm{DC}}^{805}}+B---\left(2\right)$

实际测量中，通过测量660nm和805nm反射光信号的交直流分量，即可获得动脉血氧浓度，其中参数A、B为定标参数，通过实验获得。

由光电指环采集的反射式光电容积脉搏波信号，含有大量的干扰和噪声，其中基线漂移干扰对测量结果影响最大。系统采用中值滤波算法去除基线干扰；在N长度光电容积脉搏波数字序列中，选择长度为n的序列Xⁿ为一维模板窗口W(Nⁿ)，模板窗口数据由大到小排序M，取序列中值作为一点x数值；顺次滑动模板窗口W(Nⁿ)，重复排序取中值，最终实现滤除扰动造成的噪声，算法如下：

$X_i^n=x_i,x_{i+1},x_{i+2}...x_{i+n-1}$ i＝0,1,2…N-n

$W\left(N_K^n\right)=W\left(X_i^n\right)$

K＝0,1,2,…N-1，i＝0,1,2,…N-n

${\stackrel{\‾}{M}}_j=\mathrm{Med}\left(\mathrm{sort}\left(W\left(N_K^n\right)\right)\right)$ j＝0,1,2,…N-1

$x_i=\stackrel{\‾}{M_j}$ i,j＝0,1,2,…N-1

含有基线漂移的660nm、805nm光电容积脉搏波如图4所示，去除基线漂移的660nm、805nm光电容积脉搏波如图5所示。

监测系统通过判断人体运动状态及运动过程脉率、血氧变化情况，评估人体运动健康。当脉率、血氧浓度低于设定标准时手机平台会自动发出健康预警。

本发明手机Android客户端可对硬件设备所传输的数据进行分析计算，实现对速度、加速度、里程、运动环境温度和卡路里等运动参数的监测与显示，还能够对人体运动轨迹进行实时跟踪、定位，同时客户端可对人体运动过程三轴加速度和脉率、血氧浓度进行数据分析，以判断人体运动状态及运动过程脉率、血氧变化情况。当脉率、血氧浓度低于设定标准时系统会自动发出健康预警。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种运动监测检测方法，其特征在于，选择两个不同波长的红光或红外光作为入射光垂直入射手指，其中一入射光的波长为805nm的红外光，采用反射式方式测量脉搏波和血氧浓度，分别通过测量两个不同波长红光或红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，其中，SpO₂为动脉血氧饱和度，与分别为a波长红光入射光的反射光光强交流分量和直流分量，与分别为805nm波长红外入射光的反射光光强交流分量和直流分量，参数A与参数B为定标参数，通过实验获得。

2.按照权利要求1所述的运动监测检测方法，其特征在于，所述a为660nm红光。

3.按照权利要求1所述的运动监测检测方法，其特征在于，采用中值滤波算法去除脉搏波的基线干扰；在N长度脉搏波数字序列中，选择长度为n的序列Xⁿ为一维模板窗口W(Nⁿ)，模板窗口数据由大到小排序M，取序列中值作为一点x数值；顺次滑动模板窗口W(Nⁿ)，重复排序取中值，最终实现滤除扰动造成的噪声，算法如下：

$X_i^n=x_i,x_{i+1},x_{i+2}...x_{i+n-1}$ i＝0,1,2…N-n；

$W\left(N_K^n\right)=W\left(X_i^n\right)$

K＝0,1,2,…N-1，i＝0,1,2,…N-n；

${\stackrel{\‾}{M}}_j=\mathrm{Med}\left(\mathrm{sort}\left(W\left(N_K^n\right)\right)\right)$ j＝0,1,2,…N-1；

$x_i=\stackrel{\‾}{M_j}$ i,j＝0,1,2,…N-1。

4.一种便携式运动监测检测设备，其特征在于，包括一反射式光电脉搏血氧传感器，所述反射式光电脉搏血氧传感器包括光电信号发射器，用于发射两路红光、红外光作为入射光垂直入射手指；光电信号接收器，接受红光、红外光照射手指后的反射光；

该设备还包括光电转换单元，接受光电信号接收器的反射光信号进行光电转化；

信号处理单元，实现光电转换信号的放大、整形、滤波、电压抬升；

A/D转换单元，将处理后的信号进行A/D转换；

微处理器对反射式光电脉搏血氧传感器中红光和红外光管的驱动，将转换后的信号传输至手机或电脑进行数据的分析，数据的分析包括提取通过测量两个不同波长红光、红外光的反射光信号的交流分量I_AC与直流分量I_DC，通过公式：计算得到动脉血氧饱和度，其中，SpO₂为动脉血氧饱和度，与分别为a波长红光入射光的反射光光强交流分量和直流分量，与分别为805nm波长红外入射光的反射光光强交流分量和直流分量，参数A与参数B为定标参数，通过实验获得；

光源驱动单元，通过接受微处理器的指令并驱动光电信号发射器进行红光、红外光的发射。

5.按照权利要求4所述的便携式运动监测检测设备，其特征在于，所述光电信号发射器以及光电信号接收器的触点安装在一指环上，微处理器以及附属元件安装在一手环上，指环与手环之间通过导线连接。

6.按照权利要求4所述的便携式运动监测检测设备，其特征在于，微处理器还连接有三轴加速度传感器以及温度传感器。