CN109009050A - 一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，涉及检测仪器领域。本发明的脉率信号检测装置，通过布设两个LED发光管，与窄带全反膜的反射特性配合后，能够在光电接收管中获得两个信号，其中一个信号是从LED发光管发射后，经过空气层后直接被窄带全反膜完全反射的光信号，为纯噪音干扰；另一个信号是LED发光管发射后经过空气层后，经过空气层、窄带全反膜、柔性基底后，再从皮肤进入人体组织内部，最后反射回光电接收管，该信号中包含带噪音干扰的脉搏信息。这两个信号获得后，即可用于后续的数据处理，计算出待测者的脉搏信息。本发明装置基于光电容积脉搏波监测的方法而设计，具有非侵入式的特点，能快速、准确获得脉搏信息。

Description

一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置
技术领域
本发明属于检测仪器领域，具体涉及一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置。
背景技术
脉率检测装置是用来测量一个人脉搏心率跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此在现代医学上具有重要的作用，很大程度上能反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理在医疗诊断、运动训练、养老保健等领域有重要作用。目前市面上检测脉率的仪器种类繁多，但是能实现精确测量的脉搏测量装置不多，且人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，脉搏波信号与噪声信号的频带混杂难以分辨，普通的检测装置无法将运动噪声抵消。脉搏波信号检测过程中，运动干扰的一个最为重要的来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰。
保证脉率信号检测装置准确性的关键在于提供一个用于去除噪声的基准噪声信号，从而通过滤波等手段对信号进行去噪。但当前的脉率检测装置无法单独提取噪声信号，从而导致无法从脉搏波与噪声的混合信号中提取出有效的脉搏波信号。现有技术中的部分装置试图仅仅通过自适应滤波方法抵消噪声，却因无法获得较好的噪声参考信号而无法获得期望的效果。
因此为了解决上述问题，设计一种能够单独提取运动噪声的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置还是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的信号检测装置无法单独提取运动噪声的技术问题，并提供一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，使其能够单独提取运动噪声信号，从而具有较强的抗运动干扰能力。
本发明所采用的具体技术方案如下：
基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其包括反射式脉率检测模组以及紧贴布置于反射式脉率检测模组下方的运动干扰检测模组；所述的运动干扰检测模组包括窄带全反膜和柔性基底，所述的窄带全反膜无间隙贴合于柔性基底上；所述的反射式脉率检测模组中包括第一LED发光管、第二LED发光管和光电接收管，所述的第一LED发光管和第二LED发光管对称分布于光电接收管两侧，用于分别向下方的运动干扰检测模组发射光束，光束的反射光进入光电接收管中；所述的第一LED发光管采用发射波长在所述窄带全反膜的全反射波长范围内的LED发光管，所述的第二LED发光管采用发射波长在所述窄带全反膜的零反射波长范围内的LED发光管。
本发明中，窄带全反膜是指在某一波段内能够将该波段的光进行全反射的薄膜，即高反膜。本发明中的窄带全反膜应当具有全反射波长范围和零反射波长范围。全反射波长范围就是指这类膜能够实现100％完全反射的波段；而零反射波长范围是指这类膜不能反射的波段，这些波段的光能够完全透射穿过膜层。当然，事实上受到工艺限制，全反膜一般无法达到100％的完全反射和完全透射的理想状态，但此处应当理解为尽量接近该理想状态。
脉搏波信号检测过程中，运动干扰的一个最为重要的来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰，而用于检测的光在经过与皮肤之间存在的空隙时，会引入噪音干扰。本发明中，虽然在装置中应当保持运动干扰检测模组紧贴布置于反射式脉率检测模组下方，但是实际的使用过程中，依然会不可避免地由于装置的挤压变形使检测光路中出现上述空气干扰。因此，本发明的脉率信号检测装置，通过布设两个不同波长的LED发光管，与窄带全反膜的反射特性配合后，能够在光电接收管中获得两个信号，其中一个信号是从LED发光管发射后，经过空气层后直接被窄带全反膜完全反射的光信号，为纯噪音干扰；另一个信号是LED发光管发射后经过空气层后，经过空气层、窄带全反膜、柔性基底后，再从皮肤进入人体组织内部，最后反射回光电接收管，该信号中包含了空气层带来的噪音干扰，也包含了脉搏信息。这两个信号获得后，即可用于后续的数据处理，计算出待测者的脉搏信息。
作为优选，所述的窄带全反膜采用红光全反射膜，即能够完全反射红光波段的全反射膜，该膜对于绿光波段无法反射。进一步的，所述的第一LED发光管为红光LED。进一步的，第二LED发光管为绿光LED。
红绿光是一种较为优选的光学检测波段组合，当然，实际也可以根据需要，对第一LED发光管和第二LED发光管以及窄带全反膜的组合方式进行调整。
作为优选，所述的柔性基底采用柔性亲肤材料制成。进一步的，柔性亲肤材料优选为聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane)。
所述的反射式脉率检测模组应包含能够支持发光管、接收管实现光电检测功能的必要组件。作为优选，所述的反射式脉率检测模组采用TI-AFE44xx集成模拟前端，即德州仪器(TI)的AFE44xx系列全面集成型模拟前端。第一LED发光管、第二LED发光管和光电接收管可搭载与该模拟前端上，实现光电信号的发射、接收和检测。
作为优选，所述的第一LED发光管、第二LED发光管均采用聚光型LED，以减少光散失。
作为优选，所述的窄带全反膜镀制于柔性基底上，以可靠地实现两者的无缝贴合。
本发明的另一目的在于提供一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，该装置中集成有上述任一方案所述的信号检测装置，以及处理器模块；所述的信号检测装置与处理器模块相连，进行数据传输；所述处理器模块中内置有滤波器；第一LED发光管发射的光束被所述窄带全反膜全反射后被光电接收管接收，获得纯噪声信号；第二LED发光管发射的光束完全透射穿过所述窄带全反膜和柔性基底后，进入待测对象的组织内部，再经过反射后被光电接收管接收，获得混有噪声的脉搏波混合信号；将两种信号输入滤波器，利用纯噪声信号对混有噪声的脉搏波混合信号进行去噪处理，获得真实的脉搏波信号。滤波器可采用现有技术中的任意方案，只要能够实现噪声滤波功能即可。
作为优选，所述的处理器模块连接有显示模块，用于实时显示检测信息。
作为优选，所述的处理器模块连接有无线收发模块，无线收发模块与远程终端通信连接。由此，可以将检测信息通过无线进行远程发送。
作为优选，所述检测装置佩戴于手指或者手腕上，且检测装置佩戴好后，所述的柔性基底保持与人体皮肤紧密接触，以避免引入新的噪声。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明设计了反射式脉率检测模组与柔性运动干扰检测模组的分离式结构，使用光学方法单独提取运动噪声，不同于其他装置只能提取噪声与脉搏波的混杂信号，为噪声滤波提供了较好的参考信号，从而增强了该装置的抗运动干扰能力。
(2)本发明装置基于光电容积脉搏波监测的方法而设计，具有非侵入式的特点。基于该信号检测装置的脉搏检测装置佩戴舒适无负担，应用前景广阔。
附图说明
图1为基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置的结构示意图；
图2为自适应滤波器示意图；
图3为真实脉搏波信号波形示意图；
图4为噪声信号(noise)和混合信号(mixed)的波形示意图；
图5为基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置的结构示意图。
图中附图标记：反射式脉率检测模组1、运动干扰检测模组2、处理器模块3、显示模块4、无线收发模块5、远程终端6；第一LED发光管1.1、第二LED发光管1.2、光电接收管1.3、窄带全反膜2.1、柔性基底2.2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为一实施例中的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置结构示意图，该装置用于获取检测叠加有运动噪声的脉率信号，以及纯的运动噪声信号。该装置包括反射式脉率检测模组1以及运动干扰检测模组2两大部分，其中运动干扰检测模组2紧贴布置于反射式脉率检测模组1下方。原则上两者之间应当紧密衔接，但事实上在使用过程中因移动和形变，会在两者之间引入空气层，而空气层会对光噪声散射，从而产生运动噪声。
该运动干扰检测模组2由窄带全反膜2.1和柔性基底2.2组成，窄带全反膜2.1直接镀于柔性基底2.2上，两者之间不存在间隙。在装置的使用过程中，柔性基底2.2应当紧紧贴附于人体表皮7，以免两者之间留有空隙，引入新的噪音。被测部位可以是指端、耳垂、鼻端等皮肤较薄的位置。因此，柔性基底2.2应当尽量采用柔性亲肤材料制成，在本实施例中其采用PDMS材料。窄带全反膜2.1可以使某种特定波长的光(记为波长一，一般为一个较窄的波段)完全反射，无法穿透膜层进入人体组织内部，用于提取受测部位与传感器端相对位移而产生的运动噪声，但其他波长的光(记为波长二，一般也为一个较窄的波段)完全透过，可以检测到血液搏动产生的脉搏波信息。而在反射式脉率检测模组1中包括第一LED发光管1.1、第二LED发光管1.2和光电接收管1.3。当然，反射式脉率检测模组1中还应当包含一些必要的组件，以实现光电检测功能。本实施例中，反射式脉率检测模组1采用TI-AFE44xx集成模拟前端，第一LED发光管1.1、第二LED发光管1.2和光电接收管1.3集成于该前端上。第一LED发光管1.1和第二LED发光管1.2对称分布于光电接收管1.3两侧，两者与光电接收管1.3的间距为0.2～0.4cm。第一LED发光管1.1和第二LED发光管1.2均采用聚光型LED，可分别向下方的运动干扰检测模组2发射光束，两者发射的光束的反射光均进入光电接收管1.3中，但两者的光路路径有所不同。第一LED发光管1.1采用发射波长在窄带全反膜2.1的全反射波长范围内的LED发光管，即第一LED发光管1.1的发光波长与波长一相同，其发射的光在穿过空气层后直接被窄带全反膜2.1完全反射进入光电接收管1.3。第二LED发光管1.2采用发射波长在窄带全反膜2.1的零反射波长范围内的LED发光管，即第二LED发光管1.2的发光波长在波长二的范围内，其发射的光在穿过空气层后，可以被完全透射穿过窄带全反膜2.1和柔性基底2.2，进而从人体表皮7进入组织内部，当这部分光被反射重新进入光电接收管1.3时，其不仅携带了空气层引入的噪声信号，也具有血液搏动产生的脉搏波信号。
在一实施例中，窄带全反膜2.1采用650nm红光全反射膜，即波长一为650nm红光，能够对650nm的波长光进行完全反射；而波长二为540nm绿光，该波长的光无法反射。此时，第一LED发光管1.1采用红光LED，能够发射650nm红光，该光信号可用于检测运动干扰信号；第二LED发光管1.2采用绿光LED，能够发射540nm绿光，该光信号可用于检测脉搏波与噪声的混合信号。
上述光电容积脉搏波检测的原理是朗伯比尔定律，通过实时描记被测部位的光吸量来获取外周微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化。光吸收量可以通过式(1)表示
Q1＝A1
Q2＝B2+A2 (1)
其中Q1表示第一LED发光管发射的光的总吸收量，即光电接收管检测到的波长一的光信号；Q2表示第二LED发光管发射的光的总吸收量，即光电接收管检测到的波长二的光信号。B2表示血液脉动成分的吸收量，即真实的脉搏波波形信号；A1表示空气对波长一的光的吸收量，A2表示空气对波长二的光的吸收量。运动干扰的一个重要来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰，因此A1可以作为噪声参考信号；该位移对于波长一和波长二相同，A1与A2也就具有较强的相关性。如图2所示，可以通过设置一个滤波器y(n)，将Q1(A1)作为滤波器的参考输入u(n)，将Q2作为滤波器的基本输入d(n)，采用递归最小二乘算法、最小均方误差算法和归一化均方误差算法等自适应滤波算法进行去噪处理，最终获得e(n)，即脉搏波真实信号。模拟实验表明，该装置测得的信号经过滤波能够较好地反映出真实的脉搏波信号。
下面通过仿真的方式验证该装置中检测的可行性和效果。为了对光在人体组织内部的传输进行仿真，使用蒙特卡罗方法对人体皮肤组织进行仿真建模，随着人体血液的脉动，人体动脉血成分对光的吸收系数和散射系数也随之变化，接收管接收到的光子数目也随之变化，在输入标准压力脉搏波的情况下，可以得到标准的光电容积脉搏波波形(波形频率为1Hz，采样周期为100Hz)，参照图3。为了模拟受测部位与发光管的位置相对变化，在上述的模型中加入一层厚度随时间变化的空气介质(厚度变化规律为频率为3Hz的半正弦波)，并加入一层薄膜模拟波长一的全反射膜，波长一在该薄膜表面全反射，波长二正常通过该薄膜，将接收管接在波长一和波长二处的接收结果通过该模型的结果分别作为噪声信号u(n)和混合信号d(n)，参照图4。将u(n)和d(n)输入自适应滤波器，输出波形e(n)接近图3所示波形，从而验证了该发明的装置可以实现准确的脉搏波信号测量。
上述脉率信号检测装置可以作为一个单独的设备，用于采集两种信号，然后再将两种信号进行后续的离线数据处理，实现对检测对象的脉搏波检测。
但在另一较佳实施例中，如图5所示，可进一步将该信号检测装置集成至整体的检测装置中。图1所示的信号检测装置与处理器模块3相连，进行数据传输，而处理器模块3中内置有滤波器。本实施例中，处理器模块3采用TI-CC26xx超低功耗无线MCU。
第一LED发光管1.1发射的光束被所述窄带全反膜2.1全反射后被光电接收管1.3接收，获得纯噪声信号；第二LED发光管1.2发射的光束完全透射穿过所述窄带全反膜2.1和柔性基底2.2后，进入待测对象的组织内部，再经过组织反射，重新经过柔性基底2.2、窄带全反膜2.1后，被光电接收管1.3接收，获得混有噪声的脉搏波混合信号；将两种信号输入滤波器，处理器模块3能够实现以下功能：从反射式脉率检测模组1中获取两路PPG信号，然后将其中一路信号作为噪声参考信号，利用纯噪声信号对混有噪声的脉搏波混合信号进行去噪处理，即自适应滤波法抵消运动干扰，获得真实的脉搏波信号。
另外，处理器模块3连接有显示模块4和无线收发模块5，显示模块4用于实时显示检测信息，无线收发模块5与远程终端6通信连接。远程终端6可具体采用如手机等终端实现，可以远程查看相关数据并保存记录。
另外，该检测装置可以做成一个集成为能够直接佩带在手指或者手腕上的小型化装置，且检测装置的结构应该进行优化设计，使得装置佩戴好后，柔性基底2.2保持与人体皮肤紧密接触。当然必要时，该装置也可以佩戴在其他的可检测部位，例如鼻尖、耳垂等位置。
本实施例能够用于方便人体脉率的长时间动态实时采集，具有功耗低、抗运动干扰能力强的特点，结构简单，设计合理，具有很高的医学价值和广阔的市场应用前景。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，包括反射式脉率检测模组(1)以及紧贴布置于反射式脉率检测模组(1)下方的运动干扰检测模组(2)；所述的运动干扰检测模组(2)包括窄带全反膜(2.1)和柔性基底(2.2)，所述的窄带全反膜(2.1)无间隙贴合于柔性基底(2.2)上；所述的反射式脉率检测模组(1)中包括第一LED发光管(1.1)、第二LED发光管(1.2)和光电接收管(1.3)，所述的第一LED发光管(1.1)和第二LED发光管(1.2)对称分布于光电接收管(1.3)两侧，用于分别向下方的运动干扰检测模组(2)发射光束，光束的反射光进入光电接收管(1.3)中；所述的第一LED发光管(1.1)采用发射波长在所述窄带全反膜(2.1)的全反射波长范围内的LED发光管，所述的第二LED发光管(1.2)采用发射波长在所述窄带全反膜(2.1)的零反射波长范围内的LED发光管。
2.如权利要求1所述的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，所述的窄带全反膜(2.1)采用红光全反射膜，所述的第一LED发光管(1.1)为红光LED，第二LED发光管(1.2)为绿光LED。
3.如权利要求1所述的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，所述的柔性基底(2.2)采用柔性亲肤材料制成，优选为聚二甲基硅氧烷。
4.如权利要求1所述的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，所述的反射式脉率检测模组(1)采用TI-AFE44xx集成模拟前端。
5.如权利要求1所述的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，所述的第一LED发光管(1.1)、第二LED发光管(1.2)均采用聚光型LED。
6.如权利要求1所述的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其特征在于，所述的窄带全反膜(2.1)镀制于柔性基底(2.2)上。
7.一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，其特征在于，集成有如权利要求1～9任一所述的信号检测装置，以及处理器模块(3)；所述的信号检测装置与处理器模块(3)相连，进行数据传输；所述处理器模块(3)中内置有滤波器；第一LED发光管(1.1)发射的光束被所述窄带全反膜(2.1)全反射后被光电接收管(1.3)接收，获得纯噪声信号；第二LED发光管(1.2)发射的光束完全透射穿过所述窄带全反膜(2.1)和柔性基底(2.2)后，进入待测对象的组织内部，再经过反射后被光电接收管(1.3)接收，获得混有噪声的脉搏波混合信号；将两种信号输入滤波器，利用纯噪声信号对混有噪声的脉搏波混合信号进行去噪处理，获得真实的脉搏波信号。
8.如权利要求7所述基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，其特征在于，所述的处理器模块(3)连接有显示模块(4)，用于实时显示检测信息。
9.如权利要求7所述基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，其特征在于，所述的处理器模块(3)连接有无线收发模块(5)，无线收发模块(5)与远程终端(6)通信连接。
10.如权利要求7所述基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，其特征在于，所述检测装置佩戴于手指或者手腕上，且检测装置佩戴好后，所述的柔性基底(2.2)保持与人体皮肤紧密接触。
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