CN107874765B - 具有自补偿功能的医疗手环及自补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗电子技术领域，尤其涉及一种能够抵销佩戴时由于运动造成的血氧测量干扰的具有自补偿功能的医疗手环，采用重力加速度实现运动补偿，以滤除手环在日常使用过程中产生的各种干扰因素，尤其是使血氧饱和度测量更加准确可靠，表体底部贴肤凸台的设计能使温度传感器、光敏传感器和光源投射窗与腕部皮肤贴合的更好、更紧密，能保证在运动过程中手环不跑位，尤其是阻止温度传感器和光敏传感器与腕部皮肤之间发生相对位移，减少或消除了运动过程中的测量误差。

Description

具有自补偿功能的医疗手环及自补偿方法

技术领域

本发明涉及医疗电子技术领域，尤其涉及一种能够抵销佩戴时由于运动造成血氧测量干扰的能采体人体多参数健康指标的自补偿型手环。

背景技术

随着科学技术的进步和人类生活水平的提高，人们对健康的重视程度已越来越高，常规体检和治未病已得到了人们的广泛认可，但由于现代社会人们的工作和生活节奏加快，人们忙于工作和其它事务，加之现今医院中的医疗资源较为紧缺，人们便难以经常去医院进行常态化的健康检测，况且医院的医疗检测设备通常体积大、价格贵、操作流程繁琐且难以携带，并不适合家庭和个人购置，在缺乏常态化、快捷化健康检测手段的环境中，人们不便于及时发现身体健康指标的早期变化，不利于及早实施纠正和预防方案，为日后酿成大病埋下了隐患。如何方便快捷的常态化检测个人的生理健康指标，已成为当今人们的迫切需要，为此可穿戴式多参数健康指标采集医疗器械便应运而生，如中国专利文献CN202600374U公开了一种测脉搏型的健康手表，但是其功能单一，仅能测量人体的脉搏；中国专利文献CN102866619A公开了一种多功能手表，可实时检测佩带者的血压和心脏状况，当佩戴者血压升高或心动过速，蜂鸣器就响起不同的音乐，提醒佩带者不要情绪激动、注意身体健康，但其缺乏对血氧、体温等重要健康指标的检测。中国专利文献CN201519143U公开了一种便携式一体化多参数生理检测仪方法及结构，其中的多个检测部件均设置在检测盒中，其与不同人体之间的接触性和匹配性不好。中国专利文献CN103720461A公开了一种可穿戴式多参数生理指标采集器，将所有的测量元器件都设置在了外壳内，可采集人体脉搏、血氧饱和度、体温和心电图，其采用的技术和结构只适合在手背侧的手腕上面的外关穴附近进行测量，而手腕上面的血管并不丰富，脉搏也十分微弱，导致其测得的数据误差较大，很不准确，不能满足人们对健康指标采集和显示准确度的要求。

更重要的是，上述几个专利文献中均采用静态测量的方法对一种或者多种健康指标进行测量，作为可穿戴式检测设备，尤其是佩戴在手腕上的具有检测功能的手环，运动过程的各种干扰会对测量数据造成极大干扰，采用静态测量方法所得测量数据明显缺乏真实性和准确性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有自补偿功能的医疗手环，包括有表体和表带，表体内部设置有电源、时钟部件和主控系统，表体的顶部嵌入式安装有显示屏，主控系统包括印制板和设置在印制板上的运算处理器、存储器、模拟信号处理芯片和用户交互模块，主控系统还设有光源、光敏传感器、温度传感器和重力加速度传感器，所述重力加速度传感器安装在表体内部并与运算处理器连接，所述光敏传感器和温度传感器设置在表体底部向外凸出并且与运算处理器连接，所述表体的底部设置有光源投射窗，光源焊接在主印制板上并正对光源投射窗，所述光源为红/红外双光源发光二极管，用户交互模块设置有蓝牙传输装置。本发明在腕部实现人体血氧饱和度、心率的准确检测，通过蓝牙传输装置与手机APP或平板电脑等外部设备通讯连接，上传和下载多种健康管理数据，实现人体健康管理及多种疾病的检测与预防，采用反射式血氧采集技术，即通过红光及红外两种光源向皮肤发射可见和不可见双色光，经腕部皮肤吸收和反射一部分光，反射回来的光被光敏传感器所接收并发送至运算处理器，运算处理器根据光敏传感器接收到的反射光进行综合运算，换算成人体的血氧饱和度值。本发明创新性的采用了重力加速度传感器对运动参数的提取实现运动补偿，以滤除手环在日常使用过程中产生的各种干扰因素，使血氧饱和度的测量更加准确可靠。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种具有自补偿功能的医疗手环，包括表体和表带，表体内部设置有电源、时钟部件和主控系统，表体的顶部嵌入式安装有显示屏，主控系统包括印制板和设置在印制板上的运算处理器、存储器、模拟信号处理芯片和用户交互模块，主控系统还设有光源、光敏传感器、温度传感器、重力加速度传感器和自适应滤波器，所述重力加速度传感器安装在表体内部并与运算处理器连接，所述自适应滤波器与运算处理器连接，所述光敏传感器和温度传感器设置在表体底部向外凸出并且与运算处理器连接，所述表体的底部设置有光源投射窗，光源焊接在印制板上并正对光源投射窗，所述光源为红/红外双光源发光二极管，用户交互模块设置有蓝牙传输装置。

进一步的，所述表体的底部设置有凸出于表体底面的贴肤凸台，所述光源投射窗设置在该贴肤凸台的中央位置，光敏传感器和温度传感器嵌入式安装在贴肤凸台上位于光源投射窗的周边。

进一步的，所述表体设置有可拆卸的底板，底板通过螺丝与表体固定连接，所述贴肤凸台一体成型于该底板的外侧。

更进一步的，所述贴肤凸台和底板均采用柔性橡胶材料制成。在本发明中优选为柔性硅胶或软质橡胶材料，同时贴肤凸台采用的是不透光的柔性橡胶材料制成的，采用柔性橡胶材料，在贴肤凸台紧贴于腕部皮肤后能够有效的防止环境光线对红/红外光源以及光敏传感器的影响，能够进一步提高血氧测量的准确性。

进一步的，表体内置的电源为一次性使用的纽扣电池。

优选的，所述表体内置的电源可充电电池，在贴肤凸台处设置有与该可充电电池连接的充电接口。

更进一步的，所述充电接口为磁吸式充电接口。

进一步的，在所述表体的侧部设置有按键。

更进一步的，本发明自补偿多参数健康指标手环的自补偿方法，包括以下步骤：

S001、重力加速度传感器采集运动数据，其所采集的运动数据包括X/Y/Z三个方向的三轴数据，并将采集到的运动数据传输给运算处理器；

S002、运算处理器找出X/Y/Z三个方向的主运动方向；

S003、确定运动对红/红外光源的主干扰方向；

S004、运算处理器判断主运动方向在主干扰方向上的投影是否大于门限值；若是则执行步骤S005，若否则执行步骤S006；

S005、自适应滤波器利用三轴数据对血氧信号进行拟合优化；

S006、运算处理器对拟合优化后的血氧信号进行常规血氧计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种具有自补偿功能的医疗手环，包括有表体和表带，表体内部设置有电源、时钟部件和主控系统，表体的顶部嵌入式安装有显示屏，主控系统包括印制板和设置在印制板上的运算处理器、存储器、模拟信号处理芯片和用户交互模块，主控系统还设有光源、光敏传感器、温度传感器和重力加速度传感器，所述重力加速度传感器安装在表体内部并与运算处理器连接，所述光敏传感器和温度传感器设置在表体底部向外凸出并且与运算处理器连接，所述表体的底部设置有光源投射窗，光源焊接在主印制板上并正对光源投射窗，所述光源为红/红外双光源发光二极管，用户交互模块设置有蓝牙传输装置。本发明采用了两种补偿方式，即通过重力加速度传感器实现运动补偿和通过温度传感器实现温度补偿，以滤除手环在日常使用过程中产生的各种干扰因素，尤其是使血氧饱和度测量更加准确可靠，表体底部贴肤凸台的设计能使温度传感器、光敏传感器和光源投射窗与腕部皮肤贴合的更好、更紧密，能保证在运动过程中手环不跑位，尤其是温度传感器和光敏传感器与腕部皮肤之间不发生相对位移，减少或消除了运动中的测量误差。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图一；

图2为本发明的立体结构示意图二；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的剖视结构示意图；

图5a为无运动干扰时的血氧光学信号输入波形图；

图5b为有运动干扰时的血氧光学信号输入波形图；

图6a为未采用三轴数据作为参考输入自适应滤波器输出的血氧信号波形图；

图6b为采用三轴数据作为参考输入自适应滤波器输出的血氧信号波形图；

图7为本发明运动补偿步骤流程图；

附图标记说明：1-表体、2-表带、3-电池、4-显示屏、5-主控系统、6-光源、7-光敏传感器、8-温度传感器、9-光源投射窗、10-底板、11-充电接口、12-按键、13-贴肤凸台。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1至图4所示，本发明提出的一种具有自补偿功能的医疗手环，包括有表体1和表带2，表体1内部设置有电源、时钟部件和主控系统5，表体1的顶部嵌入式安装有显示屏4，主控系统5包括印制板和设置在印制板上的运算处理器、存储器、模拟信号处理芯片和用户交互模块，主控系统5还设有光源6、光敏传感器7、温度传感器8、重力加速度传感器和自适应滤波器，所述重力加速度传感器安装在表体1内部并与运算处理器连接，所述光敏传感器7和温度传感器8设置在表体1底部向外凸出并且与运算处理器连接，所述自适应滤波器与运算处理器连接，所述表体1的底部设置有光源投射窗9，光源6焊接在主印制板上并正对光源投射窗9，所述光源6为红/红外双光源发光二极管，用户交互模块设置有蓝牙传输装置。

本发明在腕部实现人体血氧饱和度、心率的准确检测，通过蓝牙传输装置与手机APP或平板电脑等外部设备通讯连接，上传和下载多种健康管理数据，实现人体健康管理及多种疾病的检测与预防(如慢性阻塞性肺炎、打鼾、睡眠呼吸障碍等等与人体血氧相关的疾病)，采用反射式血氧采集技术，即通过红光及红外两种光源6向皮肤发射可见和不可见双色光，经腕部皮肤吸收和反射一部分光，反射回来的光被光敏传感器7所接收并发送至运算处理器，运算处理器根据光敏传感器7接收到的反射光进行综合运算，换算成人体的血氧饱和度值。

通过安装在表体1底部的温度传感器8，测量腕部皮肤的温度值进行实时人体体温检测，通过内置的时钟部件实现普通腕表或者智能手环的时钟功能。

由于本发明的手环的重要功能之一是实现24小时不间断人体血氧饱和度参数的测量，人体在运动过程中(如走路、跑步、上下楼梯过程中)的运动干扰和杂波，温度传感器8的检测也会受到上述干扰，因此本发明的难点在于如何滤除相关干扰，使各项测量参数更加准确可靠。

干扰滤除方法：

运动补偿滤除:

本发明在表体1内安装有重力加速度传感器(即三轴传感器)，但设置该重力加速度传感器不是用于手环的运动计步(本手环不涉及计步功能)，而是为了抵销运动过程中的血氧测量干扰，将该重力加速度传感器连接于运算处理电路中，用于血氧饱和度在运算处理过程的去扰。

(1)采用三轴传感器的意义：

1.三轴传感器的数据通过SPI总线(或I2C总线)传送到运算处理器：包括X/Y/Z轴数据。

2.三轴数据对血氧的关系如下：

a.运动会同时干扰红光/红外光的信号(参见图5a、图5b)；图5a为无运动时红光/红外光检测到的光学血氧信号波形图；图5b为由于运动的存在导致探头与皮肤的相对位移，红光/红外光的光传播路径被改变，产生干扰情况下检测到的光学血氧信号波形图；

b.干扰信号对红/红外信号具有基本相同的干扰强度，即干扰存在相关性；传统方法采用自适应滤波器对运动干扰产生的运动噪声进行滤除，自适应滤波器对于随机非平稳的噪声干扰有较好的滤除作用；

c.三轴数据可以拟合血氧采样数据中由于运动产生的噪声(参见图6a、图6b)；图6a为未采用三轴数据拟合血氧数据采集中由于运动产生的噪声时，自适应滤波器对运动噪声滤出后的血氧信号波形图；图6b为采用三轴数据拟合血氧数据采集中由于运动产生的噪声后，再经自适应滤波器对三轴数据进行融合，滤出其中干扰后得到的血氧信号波形图；

参见图7，运动补偿的具体方法步骤如下：

S001、重力加速度传感器采集运动数据(包括X/Y/Z三个方向的三轴数据)，并将采集到的运动数据传输给运算处理器；

S002、运算处理器找出X/Y/Z三个方向的主运动方向；

S003、确定运动对红/红外光源的主干扰方向；

S004、运算处理器判断主运动方向在主干扰方向上的投影是否大于门限值；若是则执行步骤S005，若否则执行步骤S006；

S005、自适应滤波器利用三轴数据对血氧信号进行拟合优化；

S006、运算处理器对拟合优化后的血氧信号进行常规血氧计算。

虽然本发明采用了上述运动补偿方式以提高测量准确性，但是在手环的结构设计上还是应该尽可能的避免手环佩戴过程中因为手环松动造成表体1底部与腕部皮肤之间的相对运动，即表体1底部与腕部皮肤之间的贴合的紧密性是保证各参数测量准确的前提。

参照图1至图4所示，在表体1的底部设置有凸出于表体1底面的贴肤凸台13，所述光源投射窗9设置在该贴肤凸台13的中央位置，光敏传感器7和温度传感器8嵌入式安装在贴肤凸台13上位于光源投射窗9的周边。由于贴肤凸台13凸出于表体1底面，在手环佩戴情况下该贴肤凸台13会压紧腕部皮肤，以使温度传感器8、光敏传感器7和光源投射窗9与腕部皮肤贴合的更好、更紧密，能保证在运动过程中手环不跑位，尤其是温度传感器8和光敏传感器7与腕部皮肤之间不发生相对位移，减少或消除了运动中的测量误差。

为了方便表体1的内部部件的安装，本发明中表体1设置有可拆卸的底板10，底板10通过螺丝与表体1固定连接，所述贴肤凸台13一体成型于该底板10的外侧。

另外，为了进一步提高手环与腕部皮肤的贴合度和手环佩戴时的舒适度，所述贴肤凸台13和底板10均采用柔性橡胶材料制成，在本实施例中，所述柔性橡胶材料可以是柔性硅胶，也可以是软质的橡胶，并且贴肤凸台13是由不透光的材料制成的。采用不透光的橡胶材料或硅胶材料，能够在贴肤凸台13紧贴在腕部皮肤时，防止环境光线对红/红外光源发出的光线以及光敏传感器7接收到的光线的影响，避免造成数据不真实的情况发生。

作为本发明的一种实施例，表体1内置的电源为一次性使用的纽扣电池3，由于表体1的底板10采用可拆卸设计，当纽扣电池3能源耗尽时很容易更换。

作为本发明的另外一种实施例，表体1内置的电源为可充电电池3，在贴肤凸台处设置有与该充电电池3连接的充电接口11。

优选地，所述充电接口11为磁吸式充电接口11，磁吸式充电接口11配合专门的充电插头，连接方便，一吸即可实现有效接触连接。

为了方便操作和设置，在表体1的侧部设置有按键12，通过按键12可以实现功能切换和功能唤醒动作，比如唤醒蓝牙模式用于与外部设备进行通讯连接，也可以通过按键12进行时钟校对。

Claims (8)

1.一种具有自补偿功能的医疗手环，包括表体（1）和表带（2），表体（1）内部设置有电源、时钟部件和主控系统（5），表体（1）的顶部嵌入式安装有显示屏（4），主控系统（5）包括印制板和设置在印制板上的运算处理器、存储器、模拟信号处理芯片和用户交互模块，其特征在于：主控系统（5）还设有光源（6）、光敏传感器（7）、温度传感器（8）、重力加速度传感器和自适应滤波器，所述重力加速度传感器安装在表体（1）内部并与运算处理器连接，所述自适应滤波器与运算处理器连接，所述光敏传感器（7）和温度传感器（8）设置在表体（1）底部向外凸出并且与运算处理器连接，所述表体（1）的底部设置有光源投射窗（9），光源（6）焊接在印制板上并正对光源投射窗（9），所述光源（6）为红/红外双光源发光二极管，用户交互模块设置有蓝牙传输装置；其中，

所述的具有自补偿功能的医疗手环进行自补偿的方法，包括：

S001：重力加速度传感器采集X/Y/Z三个方向的运动数据，并将采集到的运动数据传输给运算处理器；

S002：运算处理器找出X/Y/Z三个方向的主运动方向；

S003：确定运动对红/红外光源的主干扰方向,相对于皮肤的水平移动/垂直移动；

S004：运算处理器判断主运动方向在主干扰方向上的投影是否大于门限值；若是则执行步骤S005，若否则执行步骤S006；

S005：自适应滤波器利用三轴数据对血氧信号进行拟合优化；

S006：运算处理器对拟合优化后的血氧信号进行常规血氧计算。

2.如权利要求1所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于，所述表体（1）的底部设置有凸出于表体（1）底面的贴肤凸台（13），所述光源投射窗（9）设置在该贴肤凸台（13）的中央位置，光敏传感器（7）和温度传感器（8）嵌入式安装在贴肤凸台（13）上位于光源投射窗（9）的周边。

3.如权利要求2所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于，所述表体（1）设置有可拆卸的底板（10），底板（10）通过螺丝与表体（1）固定连接，所述贴肤凸台（13）一体成型于该底板（10）的外侧。

4.如权利要求3所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于，所述贴肤凸台（13）和底板（10）均采用柔性橡胶材料制成，贴肤凸台13是由不透光的材料制成的。

5.如权利要求1所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于：所述表体（1）内置的电源为一次性使用的纽扣电池（3）。

6.如权利要求2所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于：所述表体（1）内置的电源可充电电池（3），在贴肤凸台（13）处设置有与该可充电电池（3）连接的充电接口（11）。

7.如权利要求6所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于：所述充电接口（11）为磁吸式充电接口（11）。

8.如权利要求1所述的具有自补偿功能的医疗手环，其特征在于：在所述表体（1）的侧部设置有按键（12）。

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