CN108897441A - 具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统 - Google Patents

具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统，包括上位机、鼠标本体、主控芯片、报警模块、用于检测用户食指指端与中指指端之间电阻抗值的电阻抗测量模块、用于检测用于心率值及血氧饱和度值的心率血氧传感器，其中，电阻抗测量模块的两个电阻抗测量电极分别位于鼠标本体的左按键及右按键上，心率血氧传感器位于鼠标本体的侧面上，用户在使用鼠标时，用户的大拇指按压于心率血氧传感器上，主控芯片与报警模块的控制端、电阻抗测量模块的输出端、心率血氧传感器的输出端及上位机相连接，该鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统能够当用户处于疲劳状态时提醒用户休息。

Description

具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法 和监控及预警系统
技术领域
本发明涉及一种智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统，具体涉及一种具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统。
背景技术
随着科技的发展，不管是工作还是生活，电脑已成为不可或缺的一部分。长时间使用电脑带来的“电脑病”正在危及每个人的身体。首先，长期使用电脑，易得“腕管综合征”，俗称“鼠标手”。此外，长期使用电脑处于工作状态，精神一直高度集中，会引起生理和心理的双重疲劳，进而可引发心血管疾病，严重者甚至会引发心源性猝死。
针对这种现状，在电脑使用过程中进行疲劳状态的实时监测与预警十分必要。虽然目前市场上有一些用于健康监测的智能穿戴设备，但它们功能单一，大多只能单纯显示血氧心率值，既不能较全面地测量使用者的生理参数从而准确辨识电脑操作者的疲劳状态，从而无法在用户处于疲劳状态时及时预警，提醒休息，或采取强制性措施强迫用户离开电脑。又不能适应远程集中管理需求，即无法进行远程存储、分析检测结果并进行预警提示。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统，该鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统能够当用户处于疲劳状态时提醒用户休息。
为达到上述目的，本发明所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统包括上位机、鼠标本体、主控芯片、报警模块、用于检测用户食指指端与中指指端之间电阻抗特性的电阻抗测量模块、用于检测用于心率值及血氧饱和度值的心率血氧传感器，其中，电阻抗测量模块的两个测量电极分别位于鼠标本体的左按键及右按键上，心率血氧传感器位于鼠标本体的侧面上，使用时，用户的大拇指按压于心率血氧传感器上，主控芯片与报警模块的控制端、电阻抗测量模块的输出端、心率血氧传感器的输出端及上位机相连接。
所述报警模块包括蜂鸣器以及设置于鼠标本体滚轮上的指示灯。
主控芯片与上位机之间通过蓝牙或USB通信模块相连接。
上位机连接有存储空间。
本发明所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统的工作方法包括以下步骤：
用户在使用鼠标时，大拇指按压于心率血氧传感器上，食指及中指分别按压于电阻抗测量模块的两个测量电极上，上位机控制主控芯片工作，主控芯片通过电阻抗测量模块检测用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息，同时通过心率血氧传感器检测用户心率信息及血氧饱和度信息，然后将测得的电阻抗信息、心率信息及血氧饱和度信息发送至上位机中；
上位机实时接收并显示用户当前的心率值及血氧饱和度值，同时绘制用户心率值随时间的变化曲线；另外，上位机根据用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息提取特征性信息并绘制电阻抗频谱图；
当用户当前心率值、血氧饱和度值或者电阻抗特征值不在设定的正常范围内时，上位机发出报警信号，并将所述报警信号发送至主控芯片中；主控芯片通过报警模块进行预警，以提醒用户休息。
上位机将用户当前的心率值、血氧饱和度值及用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息存储在与该用户相对应的存储空间中，当需要查看用户历史数据时，上位机从存储空间内调取该用户心率值、血氧饱和度值及食指指端与中指指端之间电阻抗信息的历史数据。
主控芯片通过电阻抗测量模块采集多个频点下用户食指指端与中指指端之间电阻抗的实部R及虚部I，再根据实部R及虚部I计算电阻抗的幅度A及相位P。
主控芯片交替采集660nm红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据并进行滤波处理，再从滤波后的660nm红光的脉搏波数据与 940nm红外光的脉搏波数据中分别提取波峰及波谷值，再分别计算得到交直流分量及直流分量，最后通过最小二乘法对所述交直流分量进行拟合，得到用户的血氧饱和度。
本发明所述的监控及预警系统包括中央处理器以及若干具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，各具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统中上位机的输出端与中央处理器相连接，通过中央处理器告知管理人员具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统监测到的信息。
上位机通过网络系统与中央处理器相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统、其工作方法和监控及预警系统，通过电阻抗测量模块及心率血氧传感器检测用户的指端电阻抗、心率信息及血氧饱和度信息，当指端电阻抗、心率信息及血氧饱和度中任意一项不在预设的正常范围内时，则通过报警器报警，以提醒用户休息，从而能够当用户处于疲劳状态时提醒用户休息，同时，可通过上报中央处理器，使得管理者能实时掌握用户身体状态，并采取必要措施，保障安全，该系统操作方便、简单，实现对电脑用户健康状态进行较为全面的监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理与结构示意图；
图3为利用鼠标测得的脉搏波波形图；
图4为本发明的流程图。
其中，1为指示灯、2为心率血氧传感器、3为蓝牙串口、4为上位机、5为电阻抗测量模块、6为蜂鸣器、7为主控芯片、8为鼠标本体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一、基本原理
本发明以指端电阻抗、心率及血氧饱和度作为判断机体疲劳状态的依据，其生理基础如下：1)指端拥有丰富的末梢循环，持续使用电脑时往往手指最先表现出疲劳，导致肌肉劳损、血管收缩、乳酸堆积等一系列变化，因而测量指端电阻抗的变化，可以及时反映身体的疲劳程度；2) 脉搏波及心率反映整个心血管系统的变化，脉搏波的形状及频谱特征可以反映心搏节律是否正常，而且在一定程度上反映自主神经调节的功能状态；过度疲劳导致静息心率加快，危害健康，缩短寿命，增加心血管疾病的发病率，严重者还会造成心率失常；3)长期使用电脑的人群，由于经常久坐，血液循环不好，一旦出现身体问题，则会便随着缺氧，血氧饱和度明显下降。
二、结构组成与工作原理
如参考图1及图2所示，本发明所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标包括上位机4、鼠标本体8、主控芯片7、报警模块、用于检测用户食指指端与中指指端之间电阻抗值的电阻抗测量模块5、用于检测用于心率值及血氧饱和度值的心率血氧传感器2，其中，电阻抗测量模块5的两个电阻抗测量电极分别位于鼠标本体8的左按键及右按键上，心率血氧传感器2位于鼠标本体8的侧面上，用户在使用鼠标时，用户的大拇指按压于心率血氧传感器2上，主控芯片7与报警模块的控制端、电阻抗测量模块5的输出端、心率血氧传感器2的输出端及上位机4相连接，其中，图2中的AB分别为电阻抗测量模块5的两个电阻抗测量电极。
所述报警模块包括蜂鸣器6以及设置于鼠标本体8滚轮上的指示灯 1；主控芯片7与上位机4之间通过蓝牙串口3相连接；上位机4连接有存储器。
本发明所述具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标的工作方法包括以下步骤：
上位机4控制各模块进行初始化，用户在使用鼠标时，大拇指按压于心率血氧传感器2上，食指及中指分别按压于电阻抗测量模块5的两个电阻抗测量电极上，上位机4控制主控芯片7工作，主控芯片7通过电阻抗测量模块5检测用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息，并将测得的电阻抗信息发送至上位机4中，同时主控芯片7通过心率血氧传感器2检测用户心率信息及血氧饱和度信息，然后将测得的电阻抗信息、心率信息及血氧饱和度信息发送至上位机4中；
上位机4实时显示用户当前的心率值及血氧饱和度值，同时绘制用户心率值随时间的变化曲线，并与储存的历史信息进行对比；另外，上位机4根据用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息提取特征参数并绘制能够反应特征量的指端电阻抗频谱图；
当用户当前心率值、血氧饱和度值或者当当前用户食指指端与中指指端之间电阻抗特征值不在设定的正常范围内时，上位机4产生报警信号，并将所述报警信号发送至主控芯片7中，主控芯片7通过报警模块进行预警，以提醒用户休息。
另外，上位机4将用户当前的心率值、血氧饱和度值及用户食指指端与中指指端之间的电阻抗特征值存储于存储空间中，以供用户查询或疲劳状态分析时调用。
具体的，主控芯片7通过电阻抗测量模块5采集多个频点下用户食指指端与中指指端之间电阻抗的实部R及虚部I，再根据R及I计算相应的幅度及相位，并传递给上位机4中。
同时，主控芯片7通过I2C接口交替采集660nm红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据，然后对采集到的660nm红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据进行滤波，再根据滤波后的660nm 红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据分别计算660nm红光的波峰及波谷值和940nm红外光的波峰值及波谷值，然后根据660nm 红光的波峰及波谷值和940nm红外光的波峰值及波谷值计算得交直流分量，最后通过最小二乘法对所述交直流分量进行拟合，得用户的血氧饱和度。
本发明所述的监控及预警系统包括中央处理器9以及若干具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，各具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统中上位机4的输出端与中央处理器9相连接，通过中央处理器9告知管理人员具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统监测到的信息，其中，上位机4通过网络系统与中央处理器9相连接。
三、实现方法
1.心率、血氧信息采集方法：
为消除外界电磁场及电源引起的干扰，削弱由于血管振动及身体运动引起的伪差干扰，本发明在上位机4中对心率血氧传感器2检测的信号进行低通滤波，得到光滑的脉搏波。所用的低通滤波器采用零-极点抵消理论设计而成，其中，传递函数为：
HLP(z)＝[(1-z-6)/(1-z-1)]2
该低通滤波器的截止频率为10Hz，且在50Hz处幅度衰减大于50dB，因此对工频干扰具有较好的抑制作用，同时对其他高频幅度衰减也基本大于30dB，另外，该低通滤波器具有良好的线性相位特性。
设置两组数据a和b，分别用于存储连续滤波后的红光电容积脉搏波值及红外光电容积脉搏波值。再以100Hz的采样率、500组数据为一个周期进行计算，然后通过六点法提取红光电容积脉搏波的峰值及谷值、红外光电容积脉搏波的峰值及谷值。以红光为例，当满足a[0]<a[1]<… <a[n]>…>a[2n]>a[2n+1]时，a[n]即为峰值，将此时刻a[n]的值存入 red_max_count[]数组中；当满足a[0]>a[1]>…>a[m]<…<a[2m]<a[2m+1] 时，a[m]即为谷值，将此时刻a[m]的值存入red_min_count[]数组中, 同理，可以得到存储红外光电容积脉搏波峰值和谷值的两个数组： ired_max_count[]及ired_bottom_count[]，则波峰波谷的平均值为：
得心率值HR为
再分别利用红光与红外光的波峰值及波谷值得直流与交流分量：
然后根据最小二乘法对数据进行拟合，得
SpO2＝R*R*(-0.0413)+(R*0.1191+0.9263)×100
2.电阻抗信息采集方法
主控芯片7通过I2C接口向电阻抗测量模块5依次按预存信息设置测量频率，并控制测量模块进行相应频率(fi)下的电阻抗的实部Refi及虚部值Imfi的采集，并计算对应的幅度Amfi及相位φfi值，其中，
φfi＝Tan-1(I/R)
主控芯片7依据预先存储的增益校正系数kfi及相位校正系数Phfi依据如下公式对阻抗测量数据进行校正，得到校正后电阻抗测量结果：
ZAfi＝kfi*Amfi
Zφfi＝φfi-Phfi
ZRefi＝ZAfi*cos Zφfi
ZImfi＝ZAfi*sin Zφfi
通过以上计算，获得各目标频率下用户的食指指端与中指指端电阻抗实测参数，然后依据生物组织电阻抗特征参数模型：其中，R0为直流电阻，R∞为高频电阻，α为散射系数， fc为特征频率。
特征参数估算方法为：
将各频率下测得的用户的食指指端与中指指端电阻抗的实部(ZRefi) 和虚部(ZImfi)分别记作(x1，y1)，(x2，y2)，…(xn，yn)，并记为：
则各电阻抗特征参数分别为：
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换或是单纯的对判定阈值的设定与调整，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，其特征在于，包括上位机(4)、鼠标本体(8)、主控芯片(7)、报警模块、用于检测用户食指指端与中指指端之间电阻抗特性的电阻抗测量模块(5)、用于检测用于心率值及血氧饱和度值的心率血氧传感器(2)，其中，电阻抗测量模块(5)的两个测量电极分别位于鼠标本体(8)的左按键及右按键上，心率血氧传感器(2)位于鼠标本体(8)的侧面上，使用时，用户的大拇指按压于心率血氧传感器(2)上，主控芯片(7)与报警模块的控制端、电阻抗测量模块(5)的输出端、心率血氧传感器(2)的输出端及上位机(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，其特征在于，所述报警模块包括蜂鸣器(6)以及设置于鼠标本体(8)滚轮上的指示灯(1)。
3.根据权利要求1所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，其特征在于，主控芯片(7)与上位机(4)之间通过蓝牙或USB通信模块(3)相连接。
4.根据权利要求1所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，其特征在于，上位机(4)连接有存储空间。
5.一种权利要求1所述具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
用户在使用鼠标时，大拇指按压于心率血氧传感器(2)上，食指及中指分别按压于电阻抗测量模块(5)的两个测量电极上，上位机(4)控制主控芯片(7)工作，主控芯片(7)通过电阻抗测量模块(5)检测用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息，同时通过心率血氧传感器(2)检测用户心率信息及血氧饱和度信息，然后将测得的电阻抗信息、心率信息及血氧饱和度信息发送至上位机(4)中；
上位机(4)实时接收并显示用户当前的心率值及血氧饱和度值，同时绘制用户心率值随时间的变化曲线；另外，上位机(4)根据用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息提取特征性信息并绘制电阻抗频谱图；
当用户当前心率值、血氧饱和度值或者电阻抗特征值不在设定的正常范围内时，上位机(4)发出报警信号，并将所述报警信号发送至主控芯片(7)中；主控芯片(7)通过报警模块进行预警，以提醒用户休息。
6.根据权利要求5所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统的工作方法，其特征在于，还包括：上位机(4)将用户当前的心率值、血氧饱和度值及用户食指指端与中指指端之间的电阻抗信息存储在与该用户相对应的存储空间中，当需要查看用户历史数据时，上位机(4)从存储空间内调取该用户心率值、血氧饱和度值及食指指端与中指指端之间电阻抗信息的历史数据。
7.根据权利要求5所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统的工作方法，其特征在于，主控芯片(7)通过电阻抗测量模块(5)采集多个频点下用户食指指端与中指指端之间电阻抗的实部R及虚部I，再根据实部R及虚部I计算电阻抗的幅度A及相位P。
8.根据权利要求5所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标的工作方法，其特征在于，主控芯片(7)交替采集660nm红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据并进行滤波处理，再从滤波后的660nm红光的脉搏波数据与940nm红外光的脉搏波数据中分别提取波峰及波谷值，再分别计算得到交直流分量及直流分量，最后通过最小二乘法对所述交直流分量进行拟合，得到用户的血氧饱和度。
9.一种监控及预警系统，其特征在于，包括中央处理器(9)以及若干权利要求1所述的具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统，各具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统中上位机(4)的输出端与中央处理器(9)相连接，通过中央处理器(9)告知管理人员具有生理参数监测和预警功能的智能鼠标系统监测到的信息。
10.根据权利要求9所述的监控及预警系统，其特征在于，上位机(4)通过网络系统与中央处理器(9)相连接。
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