CN109222946A - 基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法，所述检测系统包括：光纤垫，解析设备，通信模块，移动客户端以及数据分析模块。其中，光纤垫感受人体振动信号的微小压力；压力作用于光纤，使得光传输发生变化；解析设备将人体压力作用于光纤后得到的光信号转化为电压信号；解析设备处理电压信号得到的波形参数和生理参数通过通信模块传到移动客户端，测量数据存储并显示出来；数据分析模块，分析测量数据，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。本发明的生理参数检测系统及方法为无感式测量，在信号处理方法上实现呼吸和心率的稳定测量，在健康监护和慢病管理领域具有很好的应用前景。

Description

基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于生理参数检测技术领域，具体涉及一种基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法。

背景技术

目前的生理参数检测方法一般是采用心电ECG、血氧脉搏波PPG，现有的这种检测方法的传感单元采集生理信号需要电极粘贴皮肤或者探头夹在手指上检测，带来的问题是电极或者探头长时间的接触皮肤会出现不适症状。

近年来无接触的检测方法颇受关注。而基于光纤传感检测方法具有的优势是：抗电磁干扰，在医院的MRI环境甚至更复杂的环境中仍然可以正常使用，其次是不易损坏、价格低廉，特别适合大规模的在广大家庭或者医院中推广使用。

目前光纤检测生理参数的方法从结构上采用单变形结构在用户保持静息的状态下起到很好的效果，但是在睡眠中用户常会伴随浅呼吸，各种频率的体动，甚至是打鼾症状，获得的BCG波形(如图4所示左边为原始信号，右边为BCG波形)不是总出现HIJK如此明显的峰值，甚至是在BCG波形中最突出的J峰也会受到干扰，在IEEE期刊的文章《基于模型的非线性分离机制》的180页中提到的BCG信号波形同样有上述的问题。

基于以上现有技术存在的问题，亟待研发一种新型的生理参数检测系统与方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法，以便解决上述问题的至少之一。

本发明是通过如下技术方案实现的：

作为本发明的一个方面，提供一种基于光纤垫的生理参数检测系统，包括：光纤垫，感受人体作用于光纤的压力；解析设备，其光纤连接至所述光纤垫，包括：连接端子，包括：发射装置，其连接所述光纤垫，发出某波长的光信号；接收装置，其连接所述光纤垫，将经过所述光纤垫传输后的光信号转化为电流信号；以及数据解析模块，包括依次电连接的：信号放大模块，将所述接收装置输出的电流信号转换为电压信号；高精度采样模块，采集所述信号放大模块输出的电压信号并放大；微处理器，其连接所述发射装置的驱动模块和所述高精度采样模块，控制所述发射装置发出稳定波长的光信号，同时处理所述高精度采样模块接收的电压信号；以及外设指示控制，指示所述解析设备与其他部分的连接状态；通信模块，传输所述微处理器发出的信号；移动客户端，蓝牙连接至所述通信模块，显示和存储数据；以及数据分析模块，网络连接至所述移动客户端，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

优选地，所述连接端子为卡扣结构；所述的连接端子外部覆盖金属屏蔽罩和屏蔽环。

优选地，所述信号放大模块为微弱信号放大装置，用于提高信噪比。

优选地，所述的外设指示控制指示所述解析设备的连接状态：当解析设备和移动客户端处于连接状态时，连接指示灯提示；当解析设备和光纤垫不稳定连接或掉线时，通过声音或者指示灯提示。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用前述的基于光纤垫的生理参数检测系统的检测方法，包括以下步骤：(1)光纤垫感受人体振动信号的微小压力；(2)压力作用于光纤后，使得光传输发生变化，基于此变化的光信号通过光纤传输到解析设备；(3)解析设备内部的光纤接收器、信号放大模块和高精度采样模块将人体压力作用于光纤后得到的光信号转化为电压信号，并进行信号处理；(4)解析设备输出的解析信号通过通信模块传到移动客户端，移动客户端测量、存储并显示数据；(5)数据分析模块，分析得到的测量数据，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

优选地，步骤(3)中，所述数据解析设备的信号处理的方法包括信号分离方法、呼吸检测方法以及心率检测方法；所述信号分离方法为使用滤波器将信号分离出呼吸成分和心率成分；所述呼吸检测方法为采用滤波器对信号预处理，求出信号频谱；所述心率检测方法包括对心率信号求频谱，依据频谱寻找基频和谐波关系。

优选地，所述心率检测方法包括以下步骤：(1)统计分类满足3倍频关系的频率点；(2)依据心率所处的频率范围划分出基频和两个谐波所处的频率空间，再对此频率空间寻找满足3倍频的K组频率点，此K组频率点包含一组对应心率的频率点；(3)结合统计分类值筛选出一组频率点并得出估计心率。

优选地，步骤(3)中，所述数据解析设备中的高精度采样模块，信号放大模块以及发射装置的驱动模块为反馈调节机制；所述反馈调节机制为所述微处理器根据所述高精度采集模块采集到的数据，判断幅度电压的差异，控制所述发射器装置驱动电压和所述信号放大模块的放大倍数，直至输出信号稳定在检测范围之内。

优选地，步骤(4)中，所述移动客户端同步显示心率、呼吸信号；还显示体动、连接状态、在床情况及光纤垫压力大小。

优选地，步骤(5)中，所述数据分析模块对采集的用户生理参数信号进行疾病诊断、睡眠分析，并以显示报告的形式反馈。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于光纤垫的生理参数检测系统具有以下有益效果：

(1)利用嵌入光纤的的生理参数测量系统，无感式测量；

(2)通过个体差异反馈调节方法使得本系统适合不同人群的测量；

(3)在信号处理方法上实现呼吸和心率的稳定测量；

(4)本系统通过手机客户端显示存储，方便用户实时查看；

(5)客户端作为中转设备实现可靠的传输数据；

(6)结合后端的大数据平台对数据的长期跟踪反馈在健康监护和慢病管理领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中基于光纤垫的生理参数检测系统；

图2为本发明实施例中反馈控制流程图；

图3为本发明实施例中原始数据波形图例；

图4为本发明实施例中呼吸检测方法的流程图；

图5为本发明实施例中心率检测方法的流程图；

图6为本发明实施例中BCG变换频谱图例；

图7为本发明实施例中移动客户端实时显示界面图例；

【附图标记】

100-光纤垫；

110-解析设备；

111-光纤发射装置； 112-光纤接收装置；

113-发射器驱动； 114-信号放大模块；

115-高精度采样模块； 116-微处理器；

117-通信模块；

120-移动客户端；

130-数据分析模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法，所述检测系统包括：光纤垫，解析设备，通信模块，移动客户端以及数据分析模块。其中，光纤垫感受人体振动信号的微小压力；压力作用于光纤，使得光传输发生变化；解析设备将人体压力作用于光纤后得到的光信号转化为电压信号；解析设备输出的电压信号通过通信模块传到移动客户端，测量数据存储并显示出来；数据分析模块，分析测量数据，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。本发明的基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法利用嵌入光纤的的生理参数测量系统，为无感式测量，在信号处理方法上实现呼吸和心率的稳定测量，在健康监护和慢病管理领域具有很好的应用前景。

具体地，作为本发明的一个方面，提供一种基于光纤垫的生理参数检测系统，包括：光纤垫，感受人体作用于光纤的压力；解析设备，其光纤连接至所述光纤垫，包括：连接端子，包括：发射装置，其连接所述光纤垫，发出某波长的光信号；接收装置，其连接所述光纤垫，将经过所述光纤垫传输后的光信号转化为电流信号；以及数据解析模块，包括依次电连接的：信号放大模块，将所述接收装置输出的电流信号转换为电压信号；高精度采样模块，采集所述信号放大模块输出的电压信号并放大；微处理器，其连接所述发射装置的驱动模块和所述高精度采样模块，控制所述发射装置发出稳定波长的光信号，同时处理所述高精度采样模块接收的电压信号；以及外设指示控制，指示所述解析设备与其他部分的连接状态；通信模块，传输所述微处理器发出的信号；移动客户端，蓝牙连接至所述通信模块，显示和存储数据；以及数据分析模块，网络连接至所述移动客户端，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

所述连接端子为卡扣结构；所述的连接端子外部覆盖金属屏蔽罩和屏蔽环。

所述信号放大模块为微弱信号放大装置，用于提高信噪比。

所述的外设指示控制指示所述解析设备的连接状态：当解析设备和移动客户端处于连接状态时，连接指示灯提示；当解析设备和光纤垫不稳定连接或掉线时，通过声音或者指示灯提示。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用前述的基于光纤垫的生理参数检测系统的检测方法，包括以下步骤：(1)光纤垫感受人体振动信号的微小压力；(2)压力作用于光纤后，使得光传输发生变化，基于此变化的光信号通过光纤传输到解析设备；(3)解析设备内部的光纤接收器、信号放大模块和高精度采样模块将人体压力作用于光纤后得到的光信号转化为电压信号，并进行信号处理；(4)解析设备输出的解析信号通过通信模块传到移动客户端，移动客户端测量、存储并显示数据；(5)数据分析模块，分析得到的测量数据，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

步骤(3)中，所述数据解析设备的信号处理的方法包括信号分离方法、呼吸检测方法以及心率检测方法；所述信号分离方法为使用滤波器将信号分离出呼吸成分和心率成分；所述呼吸检测方法为采用滤波器对信号预处理，求出信号频谱；所述心率检测方法包括对心率信号求频谱，依据频谱寻找基频和谐波关系。

所述心率检测方法包括以下步骤：(1)统计分类满足3倍频关系的频率点；(2)依据心率所处的频率范围划分出基频和两个谐波所处的频率空间，再对此频率空间寻找满足3倍频的K组频率点，此K组频率点包含一组对应心率的频率点；(3)结合统计分类值筛选出一组频率点并得出估计心率。

步骤(3)中，所述数据解析设备中的高精度采样模块，信号放大模块以及发射装置的驱动模块为反馈调节机制；所述反馈调节机制为所述微处理器根据所述高精度采集模块采集到的数据，判断幅度电压的差异，控制所述发射器装置驱动电压和所述信号放大模块的放大倍数，直至输出信号稳定在检测范围之内。

步骤(4)中，所述移动客户端同步显示心率、呼吸信号；还显示体动、连接状态、在床情况及光纤垫压力大小。

步骤(5)中，所述数据分析模块对采集的用户生理参数信号进行疾病诊断、睡眠分析，并以显示报告的形式反馈。

以下结合具体实施例和附图，对本发明的基于光纤垫的生理参数检测系统作进一步的详细说明。图1为本发明实施例中基于光纤垫的生理参数检测系统。如图1所示，光纤检测系统包括：光纤垫100，解析设备110，移动客户端120，数据分析模块130。其中光纤垫100内置蛇形走向的光纤以及保护层且用于感受微小作用力的变化，同时微小的变化反映出人体的振动信息；光纤解析设备110包括光纤发射装置111，光纤接收装置112，发射器驱动113，信号放大模块114，高精度采样模块115，微处理器116，通信模块117；其中的光纤发射装置111为发出某一波长的光源，具体可为LED、LD；光纤接收装置112为光电探测器，它将光纤传输衰减后的光信号转化为电信号；发射器驱动模块113用于驱动激光发射器；信号放大模块114用于把微弱电流转换成电压；高精度采样模块115用于采集114放大后的电压信号并进行三级放大；微处理器116具体可为STM32、FPGA类型的单片机系统，负责输出电平控制发射驱动模块113使得光纤发射器111发出稳定波长的光信号，同时算法处理高精度采样模块115接收的电压信号；通信模块117具体可为蓝牙或WIFI，负责数据的传输；移动客户端120为采用安卓或IOS开发的程序界面，负责数据的显示存储，同时它作为数据的中转设备端负责将生理参数信息进一步发送至数据分析模块130；数据分析模块130对用户的生理参数信息进行跟踪，结合其它的生理参数采集设备对比分析，进一步判断出用户的生理状况，提供合适的健康指导建议。

在一些实施例中，信号放大模块114和高精度采样模块115构成采集放大系统，有效的解决低噪声微弱信号放大问题，其中信号放大模块114包括由OPA656组成的两级放大电路，高精度采样模块115使用ADC芯片ADS1115。

在一些实施例中，在光纤发射器111和光纤接收装置112的外部覆盖金属屏蔽罩，同时对涉及的电路部分采用屏蔽环做隔离，屏蔽了外界对光纤采集信号的干扰。

图2为本发明实施例中反馈控制流程图。如图2所示，图示的模块200由高精度采样电路采集。不同的人群接触光纤垫所产生的信号幅度大小不一，为了实现不同人群的测量，本实施例通过模块201，记录时间长度为T1的数据片段，具体为循环采集原始信号，且本实施例使用的采样率为250Hz，故T1时间段的原始信号保存在预定的存储空间；求出此时间段的最大最小值如模块202所示，最大最小值反映了原始信号所处的范围；进一步通过模块203判断原始信号幅值是否在合适的电压范围内，若不在此电压范围内，模块204实现反馈调节电阻；具体包括发射器驱动113、信号放大模块114、高精度采样模块115组成的采集控制反馈环，具体是微处理器116接收高精度采样模块115采集的交流信号，并依据此交流信号的直流分量大小，再控制发射器驱动113的电压和信号放大模块114的放大倍数，直至输出稳定在模块203的合适检测范围，且如模块205所示输出最佳的检测信号。

图3为本发明实施例中原始数据波形图例。如图3所示，信号波形包含了呼吸、心率和体动信号。对于这样复杂的信号特征，为了得到呼吸率值。

图4为本发明实施例中呼吸检测方法的流程图。如图4所示，模块300为个体差异性调节后的原始信号，也即是针对不同人群调节发射驱动模块113和信号放大模块114后得到的最佳检测信号205。基于呼吸和心率的频率特征，即是在静止时呼吸频率范围为0.1～0.5Hz，心率频率范围为0.6-3Hz；模块301使用滤波器分离出含有呼吸频率的信号分量；为保证测量的准确性，本实施例要求的频率分辨率大于2Hz。

最小频率间隔f0＝fs/N＝1/NTs＝1/T＝1Hz，其中N为采样点数，fs为采样频率，Ts为采样间隔，本实施例的采样频率为250Hz，因此满足呼吸率的判断。

模块302，梳妆滤波器去除信号的基线漂移，再对信号进行频谱变换，所述的频谱变换为256点的FFT；模块303，频率所对应的最大幅值点即是呼吸导致的最大幅度值；模块304，寻找最大幅值对应下的频率计算呼吸率值，Rr＝fmax*60其中Rr为呼吸率，fmax为最大幅值对应的频率。

图5为本发明实施例中心率检测方法的流程图。如图5所示，模块400为个体差异性调节后的原始信号，也即是针对不同人群调节发射驱动模块113和信号放大模块114后得到的最佳检测信号205；模块401使用滤波器分离出0.6～10Hz的频率分量，该频率分量包含心率成分；为保证准确测量心率，本实施例要求的频率分辨率要达到0.33Hz，但是本实施例中的采样频率为250Hz，也即是频率分辨率为1Hz，为提高频率的分辨率，模块402，采用8倍降采样操作，fz＝fs/(Nd*Nfft)＝0.122Hz其中fz为频率分辨率，fs为采样频率，Nd为降采样点数，Nfft为使用的FFT变换点数；模块403，使用256点FFT变换，得到频谱信息；模块404，频谱的基频表示在低频处具有最大幅值的频率点，其次谐波为基频的整数倍，三倍频关系6fl＝3f2＝2f3，其中f1为基频，f2为二次谐波，f3为三次谐波，图6为本发明实施例中CG变换频谱图例。如图6所示，其中a-b为信噪比较好情况，c-d为信噪比差情况，x1，x2，x3分别表示基频、二次谐波、三次谐波；模块405，依据模块404找到的峰值点的幅值高度可以判断信号的信噪比，若是出现的幅值高于设定的阈值Th1，则信噪比较好执行模块406，反之较差执行模块408；模块406，满足3倍频关系的频率点被找到，因此结合公式计算心率HR₁＝fr1*60其中fr1为满足3倍频关系的基频；模块407，选定一段时间窗口T2，本发明实施例设定20s，并对每次计算的HR1统计分类，得到在某个区间内分布最集中，选择此区间的最大值作为HR2，即是统计心率，同时在此时间窗口内实时的刷新每次计算的HR₁值从而实现统计分类值的动态刷新；若信噪比差时，信号频谱的幅值被干扰，从而导致无法基于最大幅值点找到满足3倍频关系的频率点，也即是不能依据此最大幅值点找到心率，为此有如下的步骤：模块408，心率的频谱成分划分为三个区间分别对应基频，二次谐波、三次谐波，具体为：M1(0.666-3Hz)，M2(1.332-6Hz)，M3(1.998-9Hz)；模块409，依据三倍频的关系从M1M2M3的对应区间内分别找出K组符合三倍频的频率点；模块410，相邻心跳的间隔之差小于100ms，也即是相邻心跳值差最大为CH bpm，则CH可通过如下公式计算：

其中，HR_i为当前心率值，HR_i-1为上一次的心率值(单位为bpm)，JJ_i为当前的心跳间期，JJ_i-1为上一次的心跳间期(单位为ms)。

依据美国胸科协会指出人体静息状态下的正常心率为100bpm，本实施例设定最大心率值为120bpm，则对应的最小心跳间期500ms，依据上述公式可得CH为20bpm；模块411，通过如下公式计算出估计的心率值，HR₃＝fr₃*60，其中fr3表示为模块409中最合适的一个估计值，在满足如下条件时：|HR₃-HR₂|＜CH被选择。

图7为本发明实施例中移动客户端实时显示界面图例。如图7所示，经过解析设备110计算出的结果由通信模块传输数据到客户端开发的界面上显示，系统开机，移动客户端模块120自动连接到解析设备110，其中模块500表示蓝牙连接状态，模块504表示系统连接正确，即是光纤垫100和解析设备110的连接状态正常；模块505，用户接触光纤垫进行个体差异性调节完成则数据进入跟踪状态；模块506，若用户不为体动状态则进入测量状态，显示为睡眠；同时模块501，显示实时的心率；模块502，显示实时的呼吸率，模块503，不同人群接触光纤垫，使得作用力大小不同，实时的进度条方式显示压力情况。

本发明的优选实施例，数据平台接收用户一段时间的呼吸、心率和体动情况，依据此判断用户的深睡眠、浅睡眠状态，并结合医院的数据库给出用户的睡眠质量报告；依据跟踪用户的呼吸率判断呼吸暂停情况；以及心率的长期监测有助于诊断心血管疾病，起到健康监护的目的。

综上所述，本发明的基于光纤垫的生理参数检测系统及检测方法为无感式测量，通过个体差异反馈调节方法使得本系统适合不同人群的测量；在信号处理方法上实现呼吸和心率的稳定测量；且本系统通过手机客户端显示存储，方便用户实时查看；以及客户端作为中转设备实现可靠的传输数据；结合后端的大数据平台对数据的长期跟踪反馈在健康监护和慢病管理领域具有很好的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤垫的生理参数检测系统，其特征在于，包括：

光纤垫，感受人体作用于光纤的压力；

解析设备，其光纤连接至所述光纤垫，包括：

连接端子，包括：

发射装置，其连接所述光纤垫，发出某波长的光信号；

接收装置，其连接所述光纤垫，将经过所述光纤垫传输后的光信号转化为电流信号；以及

数据解析模块，包括依次电连接的：

信号放大模块，将所述接收装置输出的电流信号转换为电压信号；

高精度采样模块，采集所述信号放大模块输出的电压信号并放大；

微处理器，其连接所述发射装置的驱动模块和所述高精度采样模块，控制所述发射装置发出稳定波长的光信号，同时处理所述高精度采样模块接收的电压信号；以及

外设指示控制，指示所述解析设备与其他部分的连接状态；

通信模块，传输所述微处理器发出的信号；

移动客户端，蓝牙连接至所述通信模块，显示和存储数据；以及

数据分析模块，网络连接至所述移动客户端，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

2.根据权利要求1所述的基于光纤垫的生理参数检测系统，其特征在于：

所述连接端子为卡扣结构；

所述的连接端子外部覆盖金属屏蔽罩和屏蔽环。

3.根据权利要求1所述的基于光纤垫的生理参数检测系统，其特征在于：

所述信号放大模块为微弱信号放大装置，用于提高信噪比。

4.根据权利要求1所述的基于光纤垫的生理参数检测系统，其特征在于：

所述的外设指示控制指示所述解析设备的连接状态：

当解析设备和移动客户端处于连接状态时，连接指示灯提示；

当解析设备和光纤垫不稳定连接或掉线时，通过声音或者指示灯提示。

5.一种应用权利要求1～4中任一项所述的基于光纤垫的生理参数检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)光纤垫感受人体振动信号的微小压力；

(2)压力作用于光纤后，使得光传输发生变化，基于此变化的光信号通过光纤传输到解析设备；

(3)解析设备内部的光纤接收器、信号放大模块和高精度采样模块将人体压力作用于光纤后得到的光信号转化为电压信号，并进行信号处理；

(4)解析设备输出的解析信号通过通信模块传到移动客户端，移动客户端测量、存储并显示数据；

(5)数据分析模块，分析得到的测量数据，跟踪用户的生理参数信息，判断用户的生理状况并提供指导建议。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：

步骤(3)中，所述数据解析设备的信号处理的方法包括信号分离方法、呼吸检测方法以及心率检测方法；

所述信号分离方法为使用滤波器将信号分离出呼吸成分和心率成分；

所述呼吸检测方法为采用滤波器对信号预处理，求出信号频谱；

所述心率检测方法包括对心率信号求频谱，依据频谱寻找基频和谐波关系。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：

所述心率检测方法包括以下步骤：

(1)统计分类满足3倍频关系的频率点；

(2)依据心率所处的频率范围划分出基频和两个谐波所处的频率空间，再对此频率空间寻找满足3倍频的K组频率点，此K组频率点包含一组对应心率的频率点；

(3)结合统计分类值筛选出一组频率点并得出估计心率。

8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：

步骤(3)中，所述数据解析设备中的高精度采样模块，信号放大模块以及发射装置的驱动模块为反馈调节机制；

所述反馈调节机制为所述微处理器根据所述高精度采集模块采集到的数据，判断幅度电压的差异，控制所述发射装置驱动电压和所述信号放大模块的放大倍数，直至输出信号稳定在检测范围之内。

9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：

步骤(4)中，所述移动客户端同步显示心率、呼吸信号；

还显示体动、连接状态、在床情况及光纤垫压力大小。

10.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：

步骤(5)中，所述数据分析模块对采集的用户生理参数信号进行疾病诊断、睡眠分析，并以显示报告的形式反馈。