CN107153470A - 一种多通道健康鼠标系统及健康状况监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道健康鼠标系统，包括：一鼠标本体；设置于所述鼠标本体内部的一数据采集组件，用以采集一人体体征数据并将所述人体体征数据传输至所述数据处理分析模块；所述数据处理分析模块用以接收并分析所述人体体征数据，并根据分析结果对用户的健康状况进行评估。同时提供基于上述多通道健康鼠标系统的健康状况监测方法。能够通过采集人为日常操控鼠标的动作，对用户健康状况进行检测。

Description

一种多通道健康鼠标系统及健康状况监测方法

技术领域

本发明涉及人机交互和健康监护领域，具体涉及到一种利用多种生理和运动传感器对健康状况进行监测和预警的多通道健康鼠标系统，及基于该鼠标系统的健康状况监测方法。

背景技术

中国现已进入老龄化社会，截至2014年，中国60岁及以上老年人口达到2.12亿，占总人口的15.5％，老年人口数量巨大。因此，老年人群的健康问题值得也理应受到更多的关注。人在进入老年期后，脑等器官功能逐步出现机能衰退和障碍，并伴随着疾病发生，如阿尔兹海默症、帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍等。这些疾病由于影响到肢体行动从而会对人正常生活造成极大的不便，而如果能够对此类疾病早期发现、早期治疗，能够有效的缓解或控制疾病的发展；此外，对于老年患者来说，日常监测健康状态，及时的了解病情程度也是十分必要的。现有的很多家庭用便携式健康诊断设备已经得到广泛的使用，如心率计、血氧仪等，但需要定期使用各种不同的设备对身体指标进行监测，使用较为麻烦。如果能将不同的身体指标检查装置集成起来，并嵌入到日常频繁使用的设备中，不需要特意的准备即可实时的监测，无疑将带来较大的方便。

如今是信息时代，计算机使用已十分普及，而鼠标作为与计算机进行交互的最基本最常用的输入设备，是嵌入自然交互方式较为理想的载体设备。在不改变鼠标本身的主要外观结构和使用方式的前提下，对鼠标的功能进行扩展，，并能在用户的日常工作、学习或生活中隐式地采集身体数据指标，有效的节省了时间成本和医疗成本。

有相关研究表明，对于鼠标的操作能够在一定程度上监测健康。随着年龄的增长，人的认知水平和心理运动控制能力随之减弱。如Michael W.Smith等人通过对不同年龄段的人对鼠标控制任务的表现进行测试，发现老年被试者对鼠标的操控比年轻被试者更为困难。类似的实验都能够表明，利用鼠标操作来评估用户健康指标是可行的。但是上述实验等对于数据的采集是比较初步的，并没有在原有鼠标的基础上增加其他元件来增加监测指标数量，因而其没有充分发挥出鼠标监测健康状态的能力。

(参考文献：Smith,Michael W.,Joseph Sharit,and Sara J.Czaja."Aging,motor control,andthe performance of computer mouse tasks."Human Factors:The Journal of the Human Factors andErgonomics Society 41.3(1999):389-396.)

目前，手机监测是作为监测健康状态的广泛应用的方式。如Predrag Klasnja等所言，手机所携带的各类传感器如加速计、陀螺仪、相机等，及所具备的计算、通信等功能，能为健康监测提供不同的应用类型。然而，手机作为以通信功能为主体的工具，其传感器部件不能达到足够精准，且某些检测方法需要人为的进行显式操作，不如鼠标的隐式监测方式自然。

(参考文献：Klasnja,Predrag,and Wanda Pratt."Healthcare in the pocket:mapping the spaceof mobile-phone health interventions."Journal of biomedical informatics 45.1(2012):184-198.)

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多通道健康鼠标及健康状况监测方法。能够通过采集人为日常操控鼠标的动作，对用户健康状况进行检测。

为达上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种多通道健康鼠标系统，包括：

一鼠标本体；

设置于所述鼠标本体内部的一数据采集组件，用以采集一人体体征数据并将所述人体体征数据传输至一数据处理分析模块；

所述数据处理分析模块用以接收并分析所述人体体征数据，并根据分析结果对用户的健康状况进行评估。

进一步地，所述数据采集组件包括：一传感单元组件，用以采集人体体征数据；与所述传感单元组件数据连接的一存储单元，用以临时存储前述人体体征数据；与所述存储单元数据连接的一传输单元，用以将前述人体体征数据发送至一分析处理单元；

所述数据处理分析模块包括：前述分析处理单元，用以接收通信模块发送的人体体征数据，并分析所述人体体征数据获得人体体征信息。

进一步地，所述数据处理分析模块还包括；一控制单元，数据连接所述传感单元组件、分析处理单元、存储单元及传输单元。

进一步地，所述数据处理分析模块安装于与所述鼠标本体连接的一计算机系统。

进一步地，所述计算机系统通过无线或有线方式与所述鼠标本体连接。

进一步地，所述传感单元组件包括：安装于所述鼠标本体的左侧和/或右侧的一红外传感器；安装于所述鼠标本体的左右按键下的一对压力传感器；安装于所述鼠标本体的内部的一惯性传感器。

进一步地，所述传感单元组件还包括：设置与鼠标本体外表面与手部接触区域的一肌电传感器。

进一步地，所述红外传感器为反射式红外传感器。

进一步地，所述惯性传感器包括一加速度计、和/或陀螺仪和/或磁力计。

一种基于前述鼠标系统的健康状况监测方法，包括以下步骤：

通过信息采集组件采集人体体征数据并将所述人体体征数据传输至数据处理分析模块；

数据处理分析模块接收并分析所述人体体征数据，并根据分析结果对用户的健康状况进行评估。

通过采取上述技术方案，本发明的优点如下：

1.提供了一种自然方便的健康监测方式。鼠标是控制计算机最基本的输入方式，本发明在该基础上增加了多种传感器，对鼠标的功能进行了丰富，能在日常工作和生活中方便而又自然的实现健康状况监测。

2.相比较于血氧仪等设备，使用鼠标监测身体指标不需要额外的主动操作即可进行，在只需要正常使用鼠标的时候就能够隐式的监测身体状态，并能够及时的进行监控，省掉了不必要的麻烦。

3.缓解了医疗资源紧张的状况，能实现日常生活中的自我监护。就医难的问题一直以来困扰政府，因为医疗资源的短缺导致了患者需要等待很长的时间才能得到诊断和医治。而很多日常的体检和监护行为如果能够在家中进行，那么将很大程度上减轻医院的压力。同时，日常监护的方式也能够及时的发现问题，使得疾病能够得到早期预防和控制。

4.为临床研究提供数据支持。患者用户的日常行为数据能够为临床研究提供极大的价值，研究者通过这些数据能够广泛的了解病患在日常行为表现中的特征，从而根据这些特征为其他患者的疾病预防监控提供帮助。

附图说明

图1为本发明一实施例中鼠标本体的侧面示意图，其中，部分做剖面显示。

图2为本发明一实施例中鼠标本体的底面示意图，其中，部分做剖面显示。

图3为本发明一实施例中鼠标本体的顶面示意图，其中，部分做剖面显示。

图4为本发明的多通道健康鼠标系统的硬件结构模块组成示意图。

图5为本发明的多通道健康鼠标系统的数据处理流程示意图。

具体实施方式

首先介绍本发明的基本工作原理和核心技术构思，

如图4所示，多通道健康鼠标系统硬件结构主要包括：

MCU：即微控制单元，具有体积小、功耗低、成本低、性能高的优点，执行效率较高，可以满足鼠标空间的要求，而且能够满足控制传感器采集数据及存储的要求。

传感器单元：包括红外光发射器、接收器、压力传感器、惯性传感器，可以同时对多种生理数据进行采集。同时，以后也方便扩展其他的传感部件以增加健康鼠标的功能。

数据传输模块：有线连接方式可直接利用鼠标USB接线直连，在计算机端使用驱动程序接收数据；无线连接方式可使用蓝牙模块进行数据传输。

如图5所示，健康鼠标数据处理主要包括：

1)数据收集

由红外接收器、压力传感器、惯性传感器采集到的原始数据，通过传输模块传输到计算机端，统一到方便于数据处理的格式。

2)数据预处理

原始数据需要经过预处理的操作转化为能被数据分析所用的形式才能进行后续的操作。如从红外接收器收集的光信号需要经过放大、对齐、去噪、滤波等处理。同样，压力传感器和惯性传感器采集到的数据也是时间序列的数据，需要进行类似的处理以尽量消除噪声等的影响。

3)特征提取

经过数据预处理后，得到了有效数据，然后据此提取数据特征。如对于惯性传感器的数据，需要根据加速度等反算出运动轨迹和运动速度，以便对运动状态进行分析，如运动过程中的抖动或运动速度等特征。利用这些特征，为后续建立模型判断用户健康状况提供支持。

具体特征提取方式如下：

A.鼠标点击：

对于患有运动障碍等疾病的用户，会有运动迟缓现象，那么在进行鼠标点击动作时，鼠标按键被按下后会比正常人的停滞时间长，即按键到抬起之间的时间间隔可以作为区分健康用户和患病用户的特征。

B.鼠标移动：

患有特发性震颤、帕金森症等疾病的患者，在运动过程中会有震颤、抖动、偏移等现象。在用户移动鼠标时，患病用户的运动轨迹和运动状态会与正常用户表现出差异，如鼠标移动偏离正常轨迹、移动过程中表现出抖动等。可以将患病用户与正常用户的运动轨迹进行比较，以患病用户运动轨迹的偏移程度作为衡量用户疾病严重程度的参考指标。对于检测运动抖动情况，以鼠标运动起点至原点连线为基准，运动轨迹垂直于连线方向的左右变化频率作为运动抖动程度的参考指标。

C.鼠标拖拽：

运动障碍会造成运动状态的不连续或停滞，如进行鼠标拖拽动作时，会发生中途停滞进行再次拖拽动作，以断续的动作特征作为评判运动过程不连续情况的参考指标。

建立模型

对于特征提取得到的心率和血氧等信息，可以使用阈值法推测用户的心率及血氧等是否正常；对于通过压力传感器和惯性传感器得到的压力和运动状态的特征，可以将健康用户和非健康用户的部分数据用作训练集，使用不同的分类方法进行训练，并用剩余的用户数据进行评估，从而得出效果最为理想的分类器。

根据鼠标的运动状态，可以提取出以下但不局限于鼠标按键持续时间、点击压力、移动路径偏移度、路径抖动频率、鼠标拖拽的暂停等特征。由于不同的特征的参数变量是低维参数，使用多项式基函数就能达到较好的分类效果。最终，可以通过各部分特征单独分析及加权综合平均分析来综合考察用户的健康状况。

结果评估

经过上述模型的训练分析，可以将处理得到的生理数据可视化显示出来，并根据分析的结果进行评估，得到用户健康状况的报告。在用户日常使用鼠标过程中，可以利用模型得到的评估结果进行健康状况的监控，若发现问题则及时通知用户，起到预警的作用。评估得到的数据同时可用来帮助医生进行疾病的诊断。

具体的结构通过附图结合实施例进行描述如下：

在一实施例中，提供一种多通道健康鼠标系统，包括：

鼠标本体；

设置于所述鼠标本体内部的数据采集组件，用以采集人体体征数据并将所述人体体征数据传输至所述数据处理分析模块；

所述数据处理分析模块用以接收并分析所述人体体征数据，并根据分析结果对用户的健康状况进行评估。

如图1至图3所示，该实施例中，传感单元组件包括：安装于所述鼠标本体1的左侧和/或右侧的一红外传感器2；安装于所述鼠标本体1的左右按键下的一对压力传感器3；安装于所述鼠标本体1的内部的一惯性传感器(图未示意)。

总体来说，前述的系统包括两个部分：一个是硬件系统，除了鼠标本体以外，还包括置入鼠标本体中的传感单元组件、通信单元等；另一个是软件系统，加载于在计算机系统中，用于处理和分析传感器收集的不同数据，监测用户健康状况。其中，硬件系统包括数据采集组件，用于采集人体的各项体征数据；控制单元，用于负责监控各数据的采集、存储和传输；存储单元，用于作为采集获得的不同人体体征数据的临时存放区；传输单元，用于将存储单元中的数据传输到计算机系统的所述数据处理分析模块中，通过软件系统进行分析处理。

具体而言，硬件系统包括安装于鼠标本体左侧和/或右侧的用于测量血氧及心率的反射式红外传感器，以适应不同使用习惯的用户；安装于鼠标本体左右按键下的压力传感器，用于测量用户握持鼠标以及按键时手指压力变化；安装于鼠标本体内部的惯性传感器用于测量鼠标滑动时的偏移或抖动情况；安装于鼠标本体内部的控制器、存储器及数据通信器件用于将不同传感器收集的数据传输至计算机系统。

软件系统包括数据接收和数据处理两个部分。数据接收部分，对于USB连接(包括有线和无线)方式具备USB驱动程序接收数据发送请求，对于蓝牙方式连接具备蓝牙驱动程序接收数据，并为鼠标操作提供接口。数据处理部分，包括数据预处理、去噪、特征提取、分类、结果分析等，最终将对用户的健康状况进行评估。

红外传感器位于鼠标左侧和/或右侧拇指放置处，放置在此位置可以保证在用户握持鼠标时，拇指能够完全贴合在鼠标表面上，传感器是嵌入到鼠标本体内的，传感器的表面外露，传感器所在的位置开设一开口，去除该部分鼠标外壳，这样拇指就能够贴合到红外传感器上，在保证数据采集的同时，不影响鼠标的正常使用。

血氧饱和度(SpO₂)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO₂)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb，hemoglobin)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。SpO₂作为一种无创的、反应快速的、安全的、可靠的连续监测指标，已经得到公认。临床上曾对数例病人的SpO₂数值，与动脉血氧饱和度数值进行对照，认为SpO₂读数可反映病人的呼吸功能，并在一定程度上反映动脉血氧的变化。氧合血红蛋白和血红蛋白在红光区(500-600nm)吸收系数差异较大，而在红外光区(800-1000nm)差异较小，利用这一特性，当血氧饱和度发生变化时，也就是HbO₂相对Hb的浓度发生变化时，血氧饱和度应该和660nm和940nm两个波长的相对光强有较好的线性关系。根据上述原理，利用发射器发出的红光和红外光，接收器收集出射光，就能够通过分析得到血氧饱和度。同样，由于心脏跳动将血液压入毛细血管，因而接收光也会呈现周期性的变化，根据该变化就可以测得心率。

压力传感器位于鼠标左右按键压片的下面，当用户使用鼠标时，手指会放置于鼠标按键上。由于病人运动神经功能出现障碍，手指在静止状态时会出现震颤或抖动的现象，在运动状态时会出现运动迟缓或抖动现象。因此，在鼠标按键下方放置压力传感器能够很方便而准确的采集压力数据，并能根据数据对用户的手部运动功能进行分析评估，以便于进行疾病预防和病情监控。

惯性传感器包括但不限于加速度计、陀螺仪和磁力计，在实现上，可根据需要采用单轴、双轴和三轴的方案。它们具有成本低、尺寸小、质量轻等特点，能够很方便的集成到鼠标内部。如前所述，监测用户的运动姿态用于用户的疾病防控。惯性传感器能够收集运动加速度、角度等信息，然后计算出鼠标的运动轨迹、速度和使用过程中的抖动情况等，从而监测发现运动过程中出现的抖动或迟缓等现象。需说明的是，对于惯性传感器的安装位置没有要求。因为鼠标本身是刚体，而且使用时只有平面二维方向上的运动。

此外，鼠标内部及外部表面还留有空间方便进行其他传感器件的扩展，以测量更丰富的生理信息，如肌电信号，采集肌电信号一般采用肌电传感器，如贴片型的肌电传感器，可置于鼠标与手部接触的表面。

虽然本发明以前述的实施例描述如上，但其并不能用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做些许的改动与修饰，都在本发明的保护范围内。因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种多通道健康鼠标系统，其特征在于，包括：

一鼠标本体；

设置于所述鼠标本体内部的一数据采集组件，用以采集一人体体征数据并将所述人体体征数据传输至一数据处理分析模块；

所述数据处理分析模块用以接收并分析所述人体体征数据，并根据分析结果对用户的健康状况进行评估。

2.如权利要求1所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述数据采集组件包括：一传感单元组件，用以采集人体体征数据；与所述传感单元组件数据连接的一存储单元，用以临时存储前述人体体征数据；与所述存储单元数据连接的一传输单元，用以将前述人体体征数据发送至一分析处理单元；

所述数据处理分析模块包括：前述分析处理单元，用以接收通信模块发送的人体体征数据，并分析所述人体体征数据获得人体体征信息。

3.如权利要求2所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述数据处理分析模块还包括；一控制单元，数据连接所述传感单元组件、分析处理单元、存储单元及传输单元。

4.如权利要求1所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述数据处理分析模块安装于与所述鼠标本体连接的一计算机系统。

5.如权利要求4所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述计算机系统通过无线或有线方式与所述鼠标本体连接。

6.如权利要求1所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述传感单元组件包括：安装于所述鼠标本体的左侧和/或右侧的一红外传感器；安装于所述鼠标本体的左右按键下的一对压力传感器；安装于所述鼠标本体的内部的一惯性传感器。

7.如权利要求6所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述传感单元组件还包括：设置与鼠标本体外表面与手部接触区域的一肌电传感器。

8.如权利要求6所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述红外传感器为反射式红外传感器。

9.如权利要求6所述的多通道健康鼠标系统，其特征在于，所述惯性传感器包括一加速度计和/或陀螺仪和/或磁力计。

10.基于权利要求1至9任一项所述的鼠标系统的健康状况监测方法，包括以下步骤：

通过信息采集组件采集人体体征数据并将所述人体体征数据传输至数据处理分析模块；

数据处理分析模块接收并分析所述人体体征数据，获得人体体征信息，并根据人体体征信息对用户的健康状况进行评估。