CN106108864A - 一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置及方法，用分别处于一个任意三角形顶点的三个测量点A、B、C检测脉搏波信号，将这三路信号进行光电转换和隔直放大后，通过ADC采集数据并存储。当采集到一定的数据量后，对采集到的数据串进行零相移数字滤波。在零相移数字滤波处理后找出三路主波峰峰值对应的时刻，同时求出两个波峰时间差。再结合几何校正误差法计算出脉搏波。本发明能够在人体体表小面积范围内进行脉搏波速的测量，避免了压力传感器给被测者带来的不适。采用数字滤波方法克服了模拟滤波器会对脉搏波带来相移误差的缺点。本发明具有高精度、实时性、操作简单的优点，便于设备的便携式、穿戴式设计。

Description

一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种脉搏波速测量装置及方法，尤其涉及一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置及方法。

背景技术

人口老龄化已经成为了共同关心的问题，而高血压以及心血管疾病已经成为了一个很具有挑战性的健康问题，因此需要更好的医疗解决方案。近年来智能穿戴产品风起云涌，但是很少有能够测量血压的穿戴式产品。基于心血管健康和人体血压与脉搏波速关系密切，测量脉搏波速有很大的意义。上个世纪就已经有这方面的相关研究，但是应用于实际的产品极少，而穿戴式产品更是屈指可数。

2013年杨刚等人研发出基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法，但其外部电路图很复杂，采用的是模拟滤波器进行滤波，模拟滤波器滤波会产生相移，所以测量得到的时间延迟会有较大且不可预测的误差。此外，两路距离(小拇指、无名指之间的距离)需要人工测量，会带来测量误差。

日本科林公司的VP-1000测量仪和韩国的PP-1000，它们都采用压力传感器测脉搏波速。都存在操作者不同测量产生误差也不一样的 问题。

徐燕等研发人员研制了同时采用袖带压力传感器和光电容积传感器的脉搏波速度生理参数测量系统，实现了在一只手臂上测量脉搏波速，但是由于反射波可以使脉搏波主峰产生移动，所以稳定性是一个有待解决的问题。

英国ScanMed Medical Instruments公司的SphgmoCor系统和法国ArtechMedical的Complior系统应用比较普遍。但是，成本较高，推广困难。

Yung-Kang Chen所在的研究小组研究的基于双通道的脉搏波信号测量系统，由于需要测量手指和脚趾的距离。操作麻烦，并且每个人的身体状况不同，对于脉搏波峰的估算存在很大的随机性，仅限于研究阶段。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，具有高精度、实时性、操作简单的优点，便携式、穿戴式设计的一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置，包括依次连接的三路LED照射模块、三路光接收模块、信号处理模块、ADC采集模块、数据存储模块、零相移数字滤波器模块、三角形校正误差模块和信息显示模块；

所述三路LED照射模块用于照射人体血管，包括至少3个光波长为500～700nm的LED，其中3个LED照射点分别为A点、B点、C点，A点位于血流上游，B点、C点位于血流下游，三点构成一个三角形；

所述三路光接收模块接收三路LED随脉搏搏动而反射强度周期性变化的反射光，并对反射光进行光电转换，将光信号转换为电压信号；

所述信号处理模块包括三个隔直电路模块和三个与隔直电路模块输出端一一对应连接的放大电路模块；三个隔直电路模块的输入端分别与三路光接收模块的三个输出端连接，滤除电压信号中的直流信号后经放大电路模块进行信号放大，三个放大电路模块的输出端连接ADC采集模块的输入端；

所述ADC采集模块获取三路放大电路模块输出的信号模数转换；

所述数据存储模块存储ADC采集模块输出的信号，且存储量达到预设数据量时，发送数据给零相移数字滤波器模块；

所述零相移数字滤波器模块采用零相移数字滤波的方法对三路数据进行滤波，并输出三路数据串至三角形校正误差模块；

所述三角形校正误差模块根据三路数据串寻找A、B、C三点检测到的脉搏波信号的主波峰最大值时刻t_A、t_B、t_C，求A和B、A和C的时间差t_BA和t_CA，并根据下式计算出脉搏波速

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}},$

其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB；

所述信息显示模块用于显示脉搏波速。

作为优选：所述ADC采集模块为一个多路ADC或三个单路ADC，若为多路ADC时，其三个输入端分别连接三个放大电路模块的输出端，若为三个单路ADC，则单路ADC与放大电路模块一一对应连接。

一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的方法，包括以下步骤：

(1)选择人体需要测量脉搏的血管，设置三路LED照射模块，选择A、B、C三个照射点，其中A点位于血流上游，B点、C点位于血流下游；

(2)用三路光接收模块接收三路LED随脉搏搏动而反射强度周期性变化的反射光，并对反射光进行光电转换，将光信号转换为电压信号；

(3)将转换后的三路电压信号分别进行隔直处理并放大；

(4)采用ADC采集模块对步骤(3)中的三路数据进行采集、存储，当采集到的数据个数达到预设数据量时停止采集，发送数据给零相移数字滤波器模块；

(5)通过零相移数字滤波器模块对三路数据滤波，输出三路数据串至三角形校正误差模块；

(6)三角形校正误差模块根据三路数据串寻找A、B、C三点检测到的脉搏波信号的主波峰最大值时刻t_A、t_B、t_C，求A和B、A和C的时间差t_BA和t_CA，并根据下式计算出脉搏波速

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}},$

其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB。

该式具体的推导结合附图3所示其公式推导过程为：图中A为血流上游采集点，B、C为血流下游采集点，血流先流到A处，再经过A流向B、C。AC和AB边以及角θ为自己设定的已知量。x轴的正向为血流方向，C和B在x轴上的投影线段AE和AF分别为A到C、A到B真实的血流距离。AC和AB与x轴的夹角分别为θ₁和θ₂。因为测量范围较小，所以可以认为该过程中血流是匀速的，假设其速度为v。则有以下假设：

K_C＝cosθ，K_S＝sinθ；①

根据勾股定理有：

AE＝AC·cosθ₁ ⑤

AF＝AB·cosθ₂ ⑥

v·t_CA＝AE

v·t_BA＝AF

⑤/⑥，将K带入得:

$K=\frac{{\mathrm{cos\θ}}_1}{{\mathrm{cos\θ}}_2};$

θ＝θ₁+θ₂；(θ为常量)；

得到：

K cos(θ-θ₁)＝cosθ₁；

K(cosθ·cosθ₁+sinθ·sinθ₁)＝cosθ₁；

将①、②带入方程

K·K_S·sinθ₁＝(1-K·K_C)cosθ₁；

由(sinθ₁)²+(cosθ₁)²＝1；

(K·K_S)²[1-(cosθ₁)²]＝(1-K·K_C)²(cosθ₁)²；

${\mathrm{cos\θ}}_1=\frac{K\·K_S}{\sqrt{1+K^2-2K\·K_C}};$

v·t_CA＝AE＝AC·cosθ₁；

$v=\frac{AC\·{\mathrm{cos\θ}}_1}{t_{CA}};$

$v=\frac{AC}{t_{CA}}\·\frac{K\·K_S}{\sqrt{1+K^2-2K\·K_C}};$

将K还原带入上述公式化解得到:

$v=\frac{AC\·AB\·\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-2(1+cos)\·AC\·AB\·t_{CA}\·t_{BA}}};$

令：

a＝AC·AB·sinθ；

b＝2(1+cosθ)·AC·AB；(θ，AB，AC是已知量)

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}};$

从上述的公式推导过程以及推导结果来看，测量的结果与θ₁和θ₂无关，只与已知量AB、AC、θ以及测量得到的t_BA和t_CA有关。所以可以得到的结论是在进行测量操作时θ₁和θ₂可以在很大的范围内变 化，但是不会有测量距离的误差。

作为优选：步骤(5)具体操作为：

(51)求取数字滤波器初始值；

(52)为了消除边缘效应，在其数据串两边插入消抖的数据点；

(53)对滤波器进行向前和向后滤波，其滤波过后相位移动是零。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明可以在很小的体表面积范围内测量脉搏波速，避免了压力传感器给被测者带来的不适，且本发明装置一个装置实现了以往多个装置的工作，电路简单，数字处理的方法可靠性较强，也便于功能扩展。

2.由于测量面积小，自身结构简单、功能集中、电路简单，开发的技术要求不高，很容易集成在智能手环或是智能手机中，相比于现在市场上的相关产品，其成本低；基于该平台，可以在多方面进行算法的开发，应用范围广泛，例如用于血压、心率、情绪、血氧等的测量。

3.采用三路信号采集、处理的方式，其中，采用零相移数字滤波的方法对三路数据进行滤波，既可以解决杂波对主要波峰的相位影响，又不会因为滤波而产生相移；用三角形校正误差法计算波速，测量时摆放点可以在很大的偏移范围内摆动而不影响测量结果，适用于穿戴式产品，测量操作方便，便于推广。

另外，由于三路LED照射模块包括至少3个LED，当LED为三个时，三角形只有一个，只要确定ABC三点，即可通过上述结构和 方法完成测量。但当LED为四个、五个或N个时，照射点也为四个、五个或N个，此时，可以将多边形分割为多个三角形，但只要保证三角形中，其中一个照射点位于血管上游、另外两个位于血管下游即可，通过切割成多个三角形后，可以选择其中一个三角形照射点来测量，也可以测量多个三角形的照射点，得到的参考结果越多，测量的数据就越精确。当然，三角形误差校正法是几何误差校正法中的一种，即除了三角形误差校正法以外，还可以是其他N边形(N>3)，可以确定N边形的各边的长度和角度实现几何误差校正。

本发明中，微处理器可以是单片机、FPGA、DSP、CPLD、PLC等可编程逻辑器件。ADC采集模块可以是一个或多个ADC在进行采集，可以是微处理器内部集成的，也可以是外部单独搭建的ADC。数据存储模块可以是微处理器内部集成的，也可以是外扩的存储单元，存储空间大小要结合自己具体的设计参数要求。放大电路是具有三路放大作用的放大电路。显示模块包括数码管、LCD、OLED等可用于显示的模块。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明一路信号处理示意图；

图3为三角形校正距离误差示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，预设三路LED照射模块包括3个LED，照射点分别为A、B、C点，建立本发明的一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置。

其测量方法为：

(1)选择人体需要测量脉搏的血管，设置三路LED照射模块，其中A点位于血流上游，B点、C点位于血流下游，本实施例测量手腕动脉血管，三路LED照射模块顺着手腕桡动脉血流方向放置；

(2)用三路光接收模块接收三路LED随脉搏搏动而反射强度周期性变化的反射光，并对反射光进行光电转换，将光信号转换为电压信号；三路光接收模块的接收头与三路LED一一对应设置，用以接收光信号；

(3)将转换后的三路电压信号隔直处理去除直流信号，隔直后的信号极小，所以要对信号进行放大，放大倍数根据自己需求选择，本发明中是放大501倍。由于系统是单电源供电且隔直后的信号基准点可能有一部分是负极性的，所以要对放大信号进行电平抬高的处理，直接对隔直后的信号放大会在放大后出现信号失真，这是在实际应用不允许的；

(4)采用ADC采集模块对步骤(3)中的三路数据进行采集、存储，当采集到的数据个数达到预设数据量时停止采集，发送数据给零相移数字滤波器模块；采集的数据量，与ADC采集速率有关。即采集的所有数据所用的时间可以小于心跳一个完整周期的时间，但要在保证一定能够采集到主波峰最大值，根据不同的设计参数可自行调整采样次数；

(5)通过零相移数字滤波器模块对三路数据滤波，输出三路数据串至三角形校正误差模块；当使用模拟滤波器进行系统滤波时，波形会产生相移误差，经过实际的实验证明，相位移动与脉搏波幅度有关，因此模拟滤波器因为脉搏波幅值不断变化误差随机性大，不可控。本发明为了弥补模拟滤波器的会产生相位移动这一缺陷，采用了零相移数字滤波器，对采集到的数据进行滤波。这样既可以解决杂波对主要波峰的相位影响，又不会因为滤波而产生相移。ADC采集的数据量越大，测量得到的主波峰最大值时刻的时间间隔越准确，测量的脉搏波速越准确，当然这会加大计算量，实际中是可以根据需求自行选择的；

该步骤中所述滤波为零相移低通滤波器算法，具体操作为：

(51)求取数字滤波器初始值

(52)为了消除边缘效应，在其数据串两边插入消抖的数据点。

(53)对滤波器进行向前和向后滤波，其滤波过后相位移动是零。

(6)滤波后的数据，三角形校正误差模块根据三路数据串寻找A、B、C三点检测到的脉搏波信号的主波峰最大值时刻t_A、t_B、t_C，求A和B、A和C的时间差t_BA和t_CA，并根据下式计算出脉搏波速

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}},$

其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB。

上述实施的结果如下表所示：

表1：静止测量数据

次数	第1次	第2次	第3次	第4次	第5次
						波速m/s	8.2	8.0	8.4	8.4	8.1

表2：运动后测量数据

次数	第1次	第2次	第3次	第4次	第5次
						波速m/s	11.1	11.5	11.0	11.4	11.2

表1和表2分别是测量静止和运动后的脉搏波速，各测量了5组数据，从数据来看有一定的跳动，但是总体还是比较平稳，误差在可控的范围内，可以对数字滤波做更多的优化提高系统的稳定度。

实施例2：预设三路LED照射模块包括4个LED，照射点分别为A、B、C、D点，建立本发明的一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置，其中A位于上游，其余位于下游，本发明可分割为以A为起点的2个三角形，ABC和ACD，此时通过上述方法可得到2个波速数据。

Claims (4)

1.一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置，其特征在于：

包括依次连接的三路LED照射模块、三路光接收模块、信号处理模块、ADC采集模块、数据存储模块、零相移数字滤波器模块、三角形校正误差模块和信息显示模块；

所述三路LED照射模块用于照射人体血管，包括至少3个光波长为500～700nm的LED，其中3个LED照射点分别为A点、B点、C点，A点位于血流上游，B点、C点位于血流下游，三点构成一个三角形；

所述三路光接收模块接收三路LED随脉搏搏动而反射强度周期性变化的反射光，并对反射光进行光电转换，将光信号转换为电压信号；

所述信号处理模块包括三个隔直电路模块和三个与隔直电路模块输出端一一对应连接的放大电路模块；三个隔直电路模块的输入端分别与三路光接收模块的三个输出端连接，滤除电压信号中的直流信号后经放大电路模块进行信号放大，三个放大电路模块的输出端连接ADC采集模块的输入端；

所述ADC采集模块获取三路放大电路模块输出的信号模数转换；

所述数据存储模块存储ADC采集模块输出的信号，且存储量达到预设数据量时，发送数据给零相移数字滤波器模块；

所述零相移数字滤波器模块采用零相移数字滤波的方法对三路数据进行滤波，并输出三路数据串至三角形校正误差模块；

所述三角形校正误差模块根据三路数据串寻找A、B、C三点检测到的脉搏波信号的主波峰最大值时刻t_A、t_B、t_C，求A和B、A和C的时间差t_BA和t_CA，并根据下式计算出脉搏波速

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}},$

其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB；

所述信息显示模块用于显示脉搏波速。

2.根据权利要求1所述的一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的装置，其特征在于：所述ADC采集模块为一个多路ADC或三个单路ADC，若为多路ADC时，其三个输入端分别连接三个放大电路模块的输出端，若为三个单路ADC，则单路ADC与放大电路模块一一对应连接。

3.一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)选择人体需要测量脉搏的血管，设置三路LED照射模块，选择A、B、C三个照射点，其中A点位于血流上游，B点、C点位于血流下游；

(2)用三路光接收模块接收三路LED随脉搏搏动而反射强度周期性变化的反射光，并对反射光进行光电转换，将光信号转换为电压信号；

(3)将转换后的三路电压信号分别进行隔直处理并放大；

(4)采用ADC采集模块对步骤(3)中的三路数据进行采集、存储，当采集到的数据个数达到预设数据量时停止采集，发送数据给零相移数字滤波器模块；

(5)通过零相移数字滤波器模块对三路数据滤波，输出三路数据串至三角形校正误差模块；

(6)三角形校正误差模块根据三路数据串寻找A、B、C三点检测到的脉搏波信号的主波峰最大值时刻t_A、t_B、t_C，求A和B、A和C的时间差t_BA和t_CA，并根据下式计算出脉搏波速

$v=\frac{a}{\sqrt{{(AB\·t_{CA}+AC\·t_{BA})}^2-b\·t_{CA}\·t_{BA}}},$

其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB。

4.根据权利要求3所述的一种基于光反射法在小范围内测量脉搏波速的方法，其特征在于：步骤(5)具体操作为：

(51)求取数字滤波器初始值；

(52)为了消除边缘效应，在其数据串两边插入消抖的数据点；

(53)对滤波器进行向前和向后滤波，其滤波过后相位移动是零。