CN106955091A - 一种可测量脉搏波的智能穿戴装置 - Google Patents

一种可测量脉搏波的智能穿戴装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，包括核心单元，核心单元与电源及充电管理单元、信号调理单元、充气压力控制单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元连接，按键单元连接电源及充电管理单元，充气腕带单元连接聚偏氟乙烯PVDF传感器单元和充气压力控制单元，蓝牙传输单元与用户蓝牙设备连接。本发明根据测量脉搏波信号的强度，通过对腕带气囊充气压力的自动调节，控制内置于腕带内的PVDF压力传感器和皮肤有效接触，实现对桡动脉血管脉搏波生理参数连续获取。压力传感器以精准的定位、适当的压力固定在动脉正上方，可实现脉搏波信号准确、可再现的测量。

Description

一种可测量脉搏波的智能穿戴装置
技术领域
本发明涉及一种智能穿戴装置，尤其涉及一种可测量脉搏波的智能穿戴装置。
背景技术
当心脏有规律的收缩和舒张时，血液从心室射入主动脉中，脉搏波就是心脏的搏动沿动脉血管和血流向外传播而形成的，其传播特性取决于传播介质的物理和几何性质，包括动脉血管阻力、管腔的大小、血液的密度和粘性等，特别是与动脉管壁的弹性、管内径和厚度密切相关。脉搏波所表现出的形态(波的形状)、强度(波的幅值)、速度与周期等综合信息在相当程度上反映了人体心血管系统生理和病理特征。在临床医学中，分析获取的脉搏波数据可作为临床诊断和治疗的依据，尤其是评估心血管机能状况。
目前，脉搏波测量方法主要有压电式传感器直接测量法和红外传感器容积测量法。由于压电式测量法是压力传感器测量血管上的压力信号，和中医脉诊手指上所感觉到的波形更加一致。现有的一些脉搏波测量装置是通过表带、腕带或其他机械结构将压力传感器固定在动脉正上方而测量脉搏波的，存在着将压力传感器定位于动脉正上方非常困难、需要高精准度的问题；而且，因定位再现性较差，所以也存在着测量的再现性也比较差的问题；且上述装置大多无压力自动调节装置，无法实现自动调整测量脉搏波信号的强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何使压力传感器以精准的定位、适当的压力固定在动脉正上方，以实现脉搏波信号准确、可再现的测量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：包括核心单元，核心单元与电源及充电管理单元、信号调理单元、充气压力控制单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元连接，按键单元连接电源及充电管理单元，充气腕带单元连接聚偏氟乙烯PVDF传感器单元和充气压力控制单元，蓝牙传输单元与用户蓝牙设备连接。
优选地，所述核心单元包括CPU内核、蓝牙模块、信号采样模块，信号采样模块连接所述信号调理单元以及电源及充电管理单元，蓝牙模块连接蓝牙传输单元，CPU内核连接所述充气压力控制单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元及蓝牙模块、信号采样模块。
更优选地，所述信号采样模块采集电池电压信号，CPU内核首先对采样的电池电压信号进行判断，如果电压正常，则进行脉搏波采集的后续工作；如果电压偏低，则发出“低电压”告警，通知用户进行充电；采样脉搏波信号时，首先判断充气腕带单元的压力是否合适，若不合适，自动调整压力，直到采样到有效的脉搏波信号。
优选地，所述按键单元为使装置在休眠状态与待机状态、或工作状态与休眠状态之间进行转换的操作接口。
优选地，所述充气腕带单元包括腕带，腕带最前端设有尼龙锁扣，腕带尾部设有软体，腕带内设有气囊，气囊外侧设有硬体一和硬体二，气囊内侧设有所述PVDF传感器单元；硬体一和硬体二一起作为气囊支撑，二者形成一个便于和手腕桡骨位置相对固定的夹角；腕带上方设有壳体，壳体内设有线路板、充气泵、排气阀、电池；气囊与充气泵、排气阀连接，气囊上设有气囊压力传感器，线路板与气囊压力传感器、充气泵、排气阀和电池连接；电池连接所述电源及充电管理单元。
更优选地，所述PVDF传感器单元设于硬体二下方相对桡动脉上方位置。
更优选地，所述腕带固定在桡动脉部位后，按下按键单元，启动电源或者通过USB接口单元接入计算机，此时装置由休眠状态转为待机状态；核心单元接收到用户测量指令后转为工作状态，核心单元控制各功能单元进行工作；电源及充电管理单元确保电电源的电压及电量正常；PVDF传感器单元采集脉搏波数据并经信号调理单元处理后发送给核心单元，核心单元在分析脉搏波信号强度的基础上，通过充气压力控制单元调节所述气囊内的空气压力，使所述气囊压迫所述PVDF传感器单元与皮肤形成有效的面接触，实现对桡动脉血管脉搏波生理参数连续获取，存储在数据存储单元内，并将脉搏波数据以蓝牙传输方式自动上传，同时对脉搏波数据进行处理，将结果显示在用户的蓝牙设备上；测量结束后，按下按键单元，装置自动进入休眠状态。
进一步地，所述气囊内的空气压力偏小时，控制充气泵给所述气囊充气；所述气囊内的空气压力偏大时，控制所述排气阀给所述气囊排气。
进一步地，所述核心单元通过充气压力控制单元调节所述气囊内的空气压力的具体方法如下：
CPU内核测量气囊压力：
1)当气囊压力小于40mmHg时，CPU内核控制充气泵给气囊充气，气囊压力到达40mmHg时，转2)；
2)当气囊压力在40mmHg～60mmHg(大于等于40mmHg且小于等于60mmHg)之间时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以5mmHg/s的速度继续充气；当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达60mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则转3)；
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达60mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则转3)；
3)、当气囊压力在60mmHg～100mmHg(大于60mmHg且小于100mmHg)范围内时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以2mmHg/s的速度继续充气，当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达100mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则停止充气，重新测量；
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达100mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则停止充气，重新测量。
更进一步地，在充气时，如果波形的最大值逐渐变小，说明腕带缠绕过紧，血流不能通过血管产生正常的脉搏波，此时排气，直到信号强度达到额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若排气至气囊压力小于40mmHg时，信号强度还没有满足额定值的50％～80％，则停止放气，重新测量；通过不断地比较波形的最大值，从而实现脉搏波信号强度的自动调整。
本发明提供的智能穿戴装置使用了PVDF聚偏氟乙烯压力传感器，根据测量脉搏波信号的强度，通过对腕带气囊充气压力的自动调节，控制内置于腕带内的PVDF压力传感器和皮肤有效接触，实现对桡动脉血管脉搏波生理参数连续获取，将脉搏波测量数据以蓝牙传输方式自动上传，同时对脉搏波数据进行处理，将结果显示在用户的蓝牙设备上。此外，PVDF压力传感器和桡动脉上方皮肤的接触是面接触，因此不需要高精度定位传感器，解决了传统装置定位再现性和测量再现性较差的问题。
附图说明
图1为本实施例提供的可测量脉搏波的智能穿戴装置结构框图；
图2为充气腕带单元结构示意图；
图3为充气压力控制过程示意图；
图4为脉搏波波形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的可测量脉搏波的智能穿戴装置结构框图，所述的可测量脉搏波的智能穿戴装置由核心单元、电源及充电管理单元、PVDF(聚偏氟乙烯)传感器单元、信号调理单元、充气压力控制单元、充气腕带单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元等组成。
核心单元与电源及充电管理单元、信号调理单元、充气压力控制单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元连接，按键单元连接电源及充电管理单元，充气腕带单元连接PVDF传感器单元和充气压力控制单元，蓝牙传输单元与用户蓝牙设备连接。
当用户将充气腕带固定在桡动脉部位后，按下按键单元，启动装置电源或者通过USB接口接入计算机，此时装置由休眠状态转为待机状态，如果没有连接到计算机，首先判断电池电压是否能满足工作要求。用户可通过具有蓝牙功能的数据接收端或在电脑上操作软件下发指令，当装置收到测量指令后转为工作状态，核心单元控制各功能单元进行工作，同时分析处理采集的脉搏波数据，测量结束后，装置自动进入休眠状态。
核心单元：包括CPU内核、蓝牙模块、信号采样模块，CPU内核主要用于数据采集、数据处理、控制逻辑实现、远程通讯(有线/无线)管理等主要功能。信号采样模块主要采集PVDF传感器信号以及电池电压信号，CPU内核首先对采样的电池电压信号进行判断，如果电压正常，装置进行脉搏波采集的后续工作，如果电压较低，则发出“低电压”告警，通知用户进行充电。采样脉搏波信号时，首先判断充气腕带压力是否合适，否则自动调整压力，直到采样到有效的脉搏波信号。
人的心率大约为每分钟40～200次，为了保证采样后的数据不失真，根据奈奎斯特采样原理，设定CPU的采样速率为200，即采样间隔为5ms。
电源及充电管理单元：整个装置由可充电锂电池供电，CPU检测电池电压，当电池电压较低不能满足装置工作要求时，CPU发出“低电压”告警，通知用户通过USB接口对电池进行充电，充电管理单元电路监测充电过程，电池电量充满以后，通过LED显示充电完成。
PVDF传感器单元：压电传感器为一个直径20mm的薄膜结构，采用PVDF材质，能够灵敏地把动脉血管的压力以及气囊压力转换为电信号，整个单元内置于充气腕带表面对应于桡动脉位置，测量时直接和动脉上方的皮肤接触，因此无需进行精确的点定位操作。接触压力的大小由核心单元、充气压力控制单元等进行调节。
信号调理单元：PVDF传感器单元获取的脉搏波信号是腕带静压和血管上压力的混合信号，幅值较小，还需要调理后才能更好的被核心单元采样，另外在测量时还会存在一些干扰信号也需要进行滤波处理，根据脉搏波的频率特性，信号调理电路单元包括前置放大电路、基线校正电路、50Hz陷波器电路、带通滤波器电路、二级放大电路等。
蓝牙传输单元：选用NORDIC公司的NRF51822芯片，是测量装置和用户蓝牙设备的无线通信通道，包括指令交互、数据交互等。用户可以通过网络、智能设备等查看测量数据。
按键单元：使用者对装置进行操作的接口，当装置处于休眠状态时，按下按键则装置进入待机状态。当装置处于待机或工作状态时，按下按键则装置停止工作进入休眠状态。
USB接口单元：装置的充电接口，同时也是和计算机进行本地通信的接口，当装置和计算机连接时，通过USB接口进行指令和数据交互。
充气腕带单元：如图2所示，腕带最前端设有尼龙锁扣A，腕带尾部设有软体F，尼龙锁扣A和软体F一起用来调节腕带缠绕松紧程度。腕带内设有气囊F，气囊F外侧设有硬体一C和硬体二D，气囊F内侧设有PVDF传感器单元E，PVDF传感器单元E在硬体二D下方相对桡动脉上方位置；硬体一C和硬体二D一起作为气囊F支撑，同时形成一个夹角，使用时和手腕桡骨位置相对固定，由于PVDF传感器是薄膜结构，在正确穿戴情况下可以让PVDF传感器单元处于桡动脉寸、关、尺部位上方，通过气囊内的空气压迫PVDF传感器单元与皮肤有效接触，因此在使用时不再需要精确定位。腕带上方设有壳体B，里面放置线路板、充气泵、排气阀、电池等物料；气囊F与充气泵、排气阀连接，气囊F上装有气囊压力传感器，线路板与气囊压力传感器、充气泵、排气阀和电池连接。
核心单元、电源及充电管理单元、信号调理单元、充气压力控制单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元均集成在线路板上，电源及充电管理单元连接电池，信号调理单元连接气囊压力传感器和PVDF传感器单元。
充气压力控制单元：从PVDF传感器获取的电信号实际上是脉搏波信号(信号交流分量)和气囊压力(信号直流分量)所组成的混合信号，脉搏波信号强度与施加的气囊压力有直接关系。初始的气囊压力与用户缠绕腕带的松紧程度有关，如果气囊压力过小表明缠绕过松，导致PVDF传感器不能和皮肤有效接触，PVDF传感器无法测量到脉搏波信号；如果气囊压力过大表明缠绕过紧，可能导致血管夹断，血流不能通过血管产生脉搏波。因此，需要将气囊压力控制在适当的范围。
如图3所示，测量开始时，CPU内核测量气囊压力，具体控制过程如下：
1)当气囊压力小于40mmHg时，CPU内核控制充气泵给气囊充气，气囊压力到达40mmHg时，转2)；
2)当气囊压力在40mmHg～60mmHg(大于等于40mmHg且小于等于60mmHg)之间时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以5mmHg/s的速度继续充气；当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足计算要求(额定值的50％～80％)，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达60mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则转3)；
额定值是指：CPU在采样波形时，有一个能显示的最大数值，或者表述为量程，这个最大数值是由CPU的硬件所决定的，和图4的纵坐标对应，但没有实际的单位。
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达60mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则转3)；
3)、当气囊压力在60mmHg～100mmHg(大于60mmHg且小于100mmHg)范围内时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以2mmHg/s的速度继续充气，当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足计算要求(额定值的50％～80％)，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达100mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则停止充气，重新测量；
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达100mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则停止充气，重新测量。
上述气囊压力控制过程中，若当气囊压力到达100mmHg仍然没有测量到相似的周期波形时，表明PVDF传感器偏离桡动脉上方距离较大，装置自动放弃测量并提醒用户重新缠绕腕带。
在充气时，如果波形的最大值逐渐变小，说明腕带缠绕过紧，导致血管夹断，血流不能通过血管产生正常的脉搏波，此时缓慢排气，直到信号强度达到额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若排气至气囊压力小于40mmHg时，信号强度还没有满足额定值的50％～80％，则停止放气，重新测量；通过不断地比较波形的最大值，从而实现脉搏波信号强度的自动调整。
测量结束后，得到的有效脉搏波数据以波形方式显示在计算机或用户蓝牙设备上，如图4所示，可以用来评估心血管机能状况以及诊断其他生理病理现象。
图4中，横坐标为时间坐标，每个刻度对应时间为5ms，纵坐标表示压力大小，由于在测试过程受气囊压力控制，实际数值为相对幅值。图4中各点说明：A-主波，B-潮波，C-降中波，D-重搏波。
分析图4可以得到以下信息：
A.根据脉搏波周期计算心率为70次/分钟。
B.由于主波上升速度较快，显得高而窄，主波后潮波不明显，重搏波较明显，表明血管阻力小，动脉弹性好。

Claims (10)

1.一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：包括核心单元，核心单元与电源及充电管理单元、信号调理单元、充气压力控制单元、蓝牙传输单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元连接，按键单元连接电源及充电管理单元，充气腕带单元连接聚偏氟乙烯PVDF传感器单元和充气压力控制单元，蓝牙传输单元与用户蓝牙设备连接。
2.如权利要求1所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述核心单元包括CPU内核、蓝牙模块、信号采样模块，信号采样模块连接所述信号调理单元以及电源及充电管理单元，蓝牙模块连接蓝牙传输单元，CPU内核连接所述充气压力控制单元、按键单元、USB接口单元、数据存储单元及蓝牙模块、信号采样模块。
3.如权利要求2所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述信号采样模块采集电池电压信号，CPU内核首先对采样的电池电压信号进行判断，如果电压正常，则进行脉搏波采集的后续工作；如果电压偏低，则发出“低电压”告警，通知用户进行充电；采样脉搏波信号时，首先判断充气腕带单元的压力是否合适，若不合适，自动调整压力，直到采样到有效的脉搏波信号。
4.如权利要求1所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述按键单元为使装置在休眠状态与待机状态、或工作状态与休眠状态之间进行转换的操作接口。
5.如权利要求1所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述充气腕带单元包括腕带，腕带最前端设有尼龙锁扣(A)，腕带尾部设有软体(F)，腕带内设有气囊(F)，气囊(F)外侧设有硬体一(C)和硬体二(D)，气囊(F)内侧设有所述PVDF传感器单元；硬体一(C)和硬体二(D)一起作为气囊(F)支撑，二者形成一个便于和手腕桡骨位置相对固定的夹角；腕带上方设有壳体(B)，壳体(B)内设有线路板、充气泵、排气阀、电池；气囊(F)与充气泵、排气阀连接，气囊(F)上设有气囊压力传感器，线路板与气囊压力传感器、充气泵、排气阀和电池连接。
6.如权利要求5所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述PVDF传感器单元设于硬体二(D)下方相对桡动脉上方位置。
7.如权利要求5所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述腕带固定在桡动脉部位后，按下按键单元，启动电源或者通过USB接口单元接入计算机，此时装置由休眠状态转为待机状态；核心单元接收到用户测量指令后转为工作状态，核心单元控制各功能单元进行工作；电源及充电管理单元确保电电源的电压及电量正常；PVDF传感器单元采集脉搏波数据并经信号调理单元处理后发送给核心单元，核心单元在分析脉搏波信号强度的基础上，通过充气压力控制单元调节所述气囊(F)内的空气压力，使所述气囊(F)压迫所述PVDF传感器单元与皮肤形成有效的面接触，实现对桡动脉血管脉搏波生理参数连续获取，存储在数据存储单元内，并将脉搏波数据以蓝牙传输方式自动上传，同时对脉搏波数据进行处理，将结果显示在用户的蓝牙设备上；测量结束后，按下按键单元，装置自动进入休眠状态。
8.如权利要求7所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述气囊(F)内的空气压力偏小时，控制充气泵给所述气囊(F)充气；所述气囊(F)内的空气压力偏大时，控制所述排气阀给所述气囊(F)排气。
9.如权利要求7所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：所述核心单元通过充气压力控制单元调节所述气囊(F)内的空气压力的具体方法如下：
CPU内核测量气囊压力：
1)当气囊压力小于40mmHg时，CPU内核控制充气泵给气囊充气，气囊压力到达40mmHg时，转2)；
2)当气囊压力在40mmHg～60mmHg(大于等于40mmHg且小于等于60mmHg)之间时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以5mmHg/s的速度继续充气；当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达60mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则转3)；
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达60mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则转3)；
3)、当气囊压力在60mmHg～100mmHg(大于60mmHg且小于100mmHg)范围内时，对测量信号进行分析：
若没有连续测量到相似的周期波形，则控制充气泵给气囊以2mmHg/s的速度继续充气，当连续测量到相似的周期波形时，查看所测波形：
若波形的最大值小于额定值的30％，说明脉搏波的信号强度较弱，需要对幅值进行调整，即继续充气，同时比较最大值的变化趋势，如果最大值逐渐变大，则继续充气直到信号强度满足额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若气囊压力到达100mmHg时，信号强度还没有满足计算要求，则停止充气，重新测量；
若波形的最大值为额定值的70％～100％，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；
若气囊压力到达100mmHg时，还没有连续测量到相似的周期波形，则停止充气，重新测量。
10.如权利要求9所述的一种可测量脉搏波的智能穿戴装置，其特征在于：在充气时，如果波形的最大值逐渐变小，说明腕带缠绕过紧，血流不能通过血管产生正常的脉搏波，此时排气，直到信号强度达到额定值的50％～80％，停止充气，CPU内核读取此时的脉搏波数据作为参考数据，测量结束后排气；若排气至气囊压力小于40mmHg时，信号强度还没有满足额定值的50％～80％，则停止放气，重新测量；通过不断地比较波形的最大值，从而实现脉搏波信号强度的自动调整。
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