CN105796078A - 一种身体生理与运动参数采集与传输系统的方法 - Google Patents
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Abstract
一种身体生理与运动参数采集与传输系统的方法，包括信号采集单元、信号处理单元、控制单元、无线传输单元、智能终端设备和电源，电源通过控制单元为整个系统供电，控制单元经无线传输单元与智能终端设备连接；所述的信号采集单元包含相互独立的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器，所述的信号处理单元包含相互独立且与前述四个信号采集传感器一一对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种体质监测系统，特别是涉及一种身体生理与运动参数采集与传输系统的方法。
背景技术
人体体征信号时刻反映着一个人的身体健康状况，通过监测人体体征信号可以及时了解身体的变化，预防人体疾病的发生。伴随着年龄增加，人体的解剖组织结构和生理代谢发生着一系列变化，机体功能衰退，应变能力减退，骨骼也变得松脆，这些生理变化可以通过人体的心律和身体状态表现出来。当人生病时，特别是心脏病，心律都会发生明显的变化。另外，人体肥胖也是产生多种人体疾病的重要因素。现有的体征监护设备大多只能在医院病房中使用,成本较高且不易于移动。这迫使使用者要为常规的生理体征检测花费大量精力和财力。近年来，我国青少年的体质持续下降，反映心肺功能的肺活量指标继续呈下降趋势,学生的速度、爆发力、力量素质、耐力素质水平不容乐观，中小学生超重比例增加，视力不良检出率仍然居高不下。我国目前未出现对学生体育锻炼的实时监测系统。在评价与反馈我国青少年学生体质变化的方式是，国家每隔5年进行一次全国范围的学生体质测试。北京市教委通过每年9-12月要求学校自行对学生进行国家学生体质健康测试并将数据上传，以及抽查各区的中小学进行学生体质健康测试赛的方式评价学生体育工作开展的情况。
《国家学生体质健康标准》测试内容包括：身高、体重、台阶实验、肺活量、50米跑、25米×2往返跑、400米跑、50米×8往返跑、800米或1000米跑、立定跳远、投沙包、掷实心球、握力、引体向上、坐位体前屈、仰卧起坐、跳绳、踢毽子、篮球运球、足球运球等等。上述测试内容会根据学生年龄的不同进行调整。
发明内容
基于目前没有一套完整的监测系统，本发明设计与研发身体参数采集与传输系统。
本发明的技术方案如下：一种身体生理参数采集与传输系统，包括信号采集单元、信号处理单元、控制单元、GPS模块或北斗模块、无线传输单元、智能终端设备和电源，电源通过控制单元为整个系统供电，控制单元经无线传输单元与智能终端设备连接；所述的信号采集单元包含相互独立的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器，所述的信号处理单元包含相互独立且与前述四个信号采集传感器一一对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器分别连接对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述心率采集智能终端是腕带式的采集器，利用心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器、加速度计、运动方位陀螺仪、温度传感器同时采集运动状态下的心电、肌电、皮肤阻抗、加速度、运动姿态、体表温度，通过多通道和多模式信号相结合的技术，通过微处理器实时计算出心率、总路程、总时间和轨迹，GPS模块或北斗模块在控制单元的控制下记录用户当前的地理位置信息经过无线传输单元发送，无线传输单元包括定位设备和通信设备，信息采集终端采集到的数据经过信号处理单元后通过无线技术进行自动上传至信息处理服务器，服务器对采集到的检测数据进行监测，各级信息处理服务器组成网络管理系统，所述腕带式的采集器通过脉搏波心率运动抵消的方法采集心率，抵消方法包括以下步骤：
1)利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；
2)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，其中X(k)＝FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换,Y(k)＝FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换，随后对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：
Pxk＝Xk2Xk2,k＝0,1…N/2
Pyk＝Yk2Yk2,k＝0,1…N/2
3)对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；
Pyk＝12*mn＝-mn＝m-1Pyk+n,k＝0,1…N/2
4)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1
Pxweight_1(k)＝Pyk*Pxk,k＝0,1…N/2
5)利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线Wk：
Wk＝e-(k-k0)2δ2,k＝0,1…N/2；6
6)最终得到的加权光谱曲线为：
Pxweight_2(k)＝Pxweight_1(k)*Wk,k＝0,1…N/2
7)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值，对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。
本发明的优点：
1)建立各项身体形态、机能、运动能力的评分标准，完成了体质现状的调查与评价；
2)促进学校体育工作发展，提高体育课的重视程度；
3)实现对学生长时间的体育锻炼活动完成的负荷(负荷＝强度*时间)进行准确实时个体化的监控，进而准确掌握每名学生一定周期内、一定群体学生完成的锻炼活动的质量，即个体努力程度。
附图说明
图1为身体参数采集与传输系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种身体生理参数采集与传输系统，包括信号采集单元、信号处理单元、控制单元、GPS模块或北斗模块、无线传输单元、智能终端设备和电源，电源通过控制单元为整个系统供电，控制单元经无线传输单元与智能终端设备连接；所述的信号采集单元包含相互独立的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器，所述的信号处理单元包含相互独立且与前述四个信号采集传感器一一对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器分别连接对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述心率采集智能终端是腕带式的采集器，利用心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器、加速度计、运动方位陀螺仪、温度传感器同时采集运动状态下的心电、肌电、皮肤阻抗、加速度、运动姿态、体表温度，通过多通道和多模式信号相结合的技术，通过微处理器实时计算出心率、总路程、总时间和轨迹，GPS模块或北斗模块在控制单元的控制下记录用户当前的地理位置信息经过无线传输单元发送，无线传输单元包括定位设备和通信设备，信息采集终端采集到的数据经过信号处理单元后通过无线技术进行自动上传至信息处理服务器，服务器对采集到的检测数据进行监测，各级信息处理服务器组成网络管理系统，所述腕带式的采集器通过脉搏波心率运动抵消的方法采集心率，抵消方法包括以下步骤：
1)利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；
2)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，其中X(k)＝FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换,Y(k)＝FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换，随后对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：
Pxk＝Xk2Xk2,k＝0,1…N/2
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3)对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；
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4)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1
Pxweight_1(k)＝Pyk*Pxk,k＝0,1…N/2
5)利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线Wk：
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6)最终得到的加权光谱曲线为：
Pxweight_2(k)＝Pxweight_1(k)*Wk,k＝0,1…N/2
7)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值，对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。
所述通信设备包括但不限于蓝牙、Zigbee和ANT、蓝牙4.0通信设备或GSM通信设备，所述定位设备为GPS定位设备。
所述的心电信号处理单元包含反馈放大电路，心电信号传感器经所述反馈放大电路与控制单元连接。所述的肌电信号传感器采用两对电极片，所述的肌电信号处理单元包含依次连接的低通滤波器、放大器和二阶带通滤波器，所述的低通滤波器连接肌电信号传感器，所述的二阶带通滤波器连接控制单元。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，效果相似，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种身体生理与运动参数采集与传输系统的方法，包括信号采集单元、信号处理单元、控制单元、GPS模块或北斗模块、无线传输单元、智能终端设备和电源，电源通过控制单元为整个系统供电，控制单元经无线传输单元与智能终端设备连接；所述的信号采集单元包含相互独立的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器，所述的信号处理单元包含相互独立且与前述四个信号采集传感器一一对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述的心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器分别连接对应的心搏信号处理单元、心电信号处理单元、肌电信号处理单元和脂肪含量信号处理单元，所述心率采集智能终端是腕带式的采集器，利用心搏信号传感器、心电信号传感器、肌电信号传感器和脂肪含量信号传感器、加速度计、运动方位陀螺仪、温度传感器同时采集运动状态下的心电、肌电、皮肤阻抗、加速度、运动姿态、体表温度，通过多通道和多模式信号相结合的技术，通过微处理器实时计算出心率、总路程、总时间和轨迹，GPS模块或北斗模块在控制单元的控制下记录用户当前的地理位置信息经过无线传输单元发送，无线传输单元包括定位设备和通信设备，信息采集终端采集到的数据经过信号处理单元后通过无线技术进行自动上传至信息处理服务器，服务器对采集到的检测数据进行监测，各级信息处理服务器组成网络管理系统，所述腕带式的采集器通过脉搏波心率运动抵消的方法采集心率，抵消方法包括以下步骤：
1)利用光电容积法测量得脉搏波信号x(n)，利用另外一种波长或者加速度传感器获得运动信号y(n)；
2)截取一定时间长度N的信号，利用快速傅立叶变换分别获得两种信号的傅立叶变换X(k)和Y(k)，其中X(k)＝FFT(X)为脉搏波信号的傅立叶变换,Y(k)＝FFT(Y)为运动信号的傅立叶变换，随后对傅立叶变换进行如下运算，获得两个信号的归一化的傅立叶谱Pxk、Py(k)，所采用的公式如下：
Pxk＝Xk2Xk2,k＝0,1…N/2
Pyk＝Yk2Yk2,k＝0,1…N/2
3)对运动信号的傅立叶谱进行平滑处理，获得对运动干扰傅立叶谱的估计Pyk；
Pyk＝12*mn＝-mn＝m-1Pyk+n,k＝0,1…N/2
4)把脉搏信号的傅立叶谱与归一化后的运动傅立叶谱进行如下所示运算，得到第一次加权后的脉搏信号的傅立叶谱Px_weight_1
Pxweight_1(k)＝Pyk*Pxk,k＝0,1…N/2
5)利用之前心率的值来进行第二次功率谱加权，假设之前心率所对应的频率点值为k0，利用高斯函数构建一个加权曲线Wk：
Wk＝e-(k-k0)2δ2,k＝0,1…N/2；6
6)最终得到的加权光谱曲线为：
Pxweight_2(k)＝Pxweight_1(k)*Wk,k＝0,1…N/2
7)最终通过选择Pxweight_2(k)曲线中的峰值点作为最终的心率值，对每一段数据利用上述方法获得心率值后，可以把心率值的变化画成一条曲线，表明运动过程中的心率变化。
2.根据权利要求1所述的一种身体生理参数采集与传输系统，其特征在于，所述通信设备包括但不限于蓝牙、Zigbee和ANT、蓝牙4.0通信设备或GSM通信设备。
3.根据权利要求1所述的一种身体生理参数采集与传输系统，其特征在于，所述的系统具有计步器的功能。
4.根据权利要求1所述的一种身体生理参数采集与传输系统，其特征在于，所述定位设备为GPS定位设备。
5.根据权利要求1或4所述的身体生理参数采集与传输系统，其特征在于：所述的心电信号处理单元包含反馈放大电路，心电信号传感器经所述反馈放大电路与控制单元连接。
6.根据权利要求1所述的身体生理参数采集与传输系统，其特征在于：所述的肌电信号传感器采用两对电极片。
7.根据权利要求1或2所述的身体生理参数采集与传输系统，其特征在于：所述的肌电信号处理单元包含依次连接的低通滤波器、放大器和二阶带通滤波器，所述的低通滤波器连接肌电信号传感器，所述的二阶带通滤波器连接控制单元。
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