CN109620204A - 一种智能人体健康参数测量装置和人体健康参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种随时可实现准确和方便测量的智能人体健康参数测量装置和人体健康参数测量方法。该装置和方法可灵活地应用在各类人体经常性接触的日常场所，如马桶、方向盘和沙发等，方便人们随时随地获取健康参数。包括处理模块、电极模块、模拟开关、心电信号检测模块和人体成分检测模块；所述的处理模块和模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与电极模块电连接；所述的电极模块包括至少4个电极。

Description

一种智能人体健康参数测量装置和人体健康参数测量方法

技术领域

本发明属于生物医学测量领域，尤其涉及一种智能人体健康参数测量装置和人体健康参数测量方法。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，对个人的健康状况越来越重视，健康人每年去医院进行例行的体检已经成为常态。其中体脂和心电这两个参数及其衍生的各项指标尤其能反映个人当前的健康状态，因此也尤为受到重视。

为了获得这些参数和指标，若通过体检的方式，则测量结果缺乏实时性。而且一般体检用的医疗设备体积庞大，不利于随时随地进行测量。

公开号为206174072U一种带有检测模块的智能坐便器，包括坐便器本体，坐便器本体上安装有下列两种或两种以上的模块及其对应的模块感应部分：模块温度测量模块、指纹识别模块、血压测试模块、心率测试模块，模块感应部为温度测量模块感应部、指纹识别模块感应部、血压测试模块感应部、心率测试模块感应部，坐便器本体侧壁或者后部设有供手持握的操作部，模块感应部分布在操作部上，各感应部位于操作部的人体手持握区域内。通过上述方案，在人如厕时握住坐便器本体侧壁的人体手持区域，即可检测人体参数。

从其说明书中可知，上述方案测试过程中必须用手握住测试区域，用户如厕体验差，且该专利只能应用于厕所环境，无法满足人们随时随地测量健康参数的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服上述问题，提供一种随时可实现准确和方便测量的智能人体健康参数测量装置和人体健康参数测量方法。该装置和方法可灵活地应用在各类人体经常性接触的日常场所，如马桶、方向盘和沙发等，方便人们随时随地获取健康参数。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

一种智能人体健康参数测量装置，包括处理模块、电极模块、模拟开关、心电信号检测模块和人体成分检测模块；所述的处理模块和模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与电极模块电连接；所述的电极模块包括至少4个电极。

作为优选，所述的心电信号检测模块包括：一级放大电路、带通滤波电路、工频陷波电路、二级放大电路、参考电极驱动电路和导线屏蔽驱动电路和电压调整电路；待测的心电信号通过电极模块后进入一级放大电路并进行初级放大，然后再经过带通滤波电路和工频陷波电路，最后通过二级放大电路和电压调整电路将波形幅度限制在A/D测量范围之内后发送给处理模块。

作为优选，所述的心电信号检测模块还包括：导联脱落检测模块；所述的导联脱落检测模块和一级放大电路电连接，还和处理模块电连接。

作为优选，所述的人体成分检测模块包括：电流激励模块和AD检测模块；所述的电流激励模块和电极模块电连接；所述的AD检测模块和电极模块电连接，还和处理模块电连接。

作为优选，所述的一种智能人体健康参数测量装置还包括显示模块和智能终端；所述的显示模块和智能终端分别与处理模块电连接。

一种人体健康参数测量方法，用到一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，包含以下步骤：

S001、整个装置开始工作时，处理模块通过模拟开关的切换，选择人体成分检测模块进行工作；

S002、选取电极模块中的两个电极组成一对激励电极E00，选取电极模块中的另两个电极组成一对检测电极E11，所述的激励电极E00发出电流激励信号经过人体后回到激励电极E00，在人体的等效阻容网络上形成一个电压降，所述的检测电极E11检测此电压降并通过人体成分检测模块发送给处理模块；

S003、收到电压降后，处理模块通过模拟开关的切换，选择心电信号检测模块进行工作；

S004、选取电极模块中的三个电极组成导联电极，心电信号通过导联电极、心电信号检测模块发送到处理模块，测量结束。

作为优选，在S001开始前，处理模块通过导联脱落检测模块检测电极与待测人体的接触情况，装置其余部分待机；当检测到至少有4个电极与人体接触时，才开始S001；当检测到有1至3个电极与人体接触时，处理模块通过显示模块提示待测人调整接触。

作为优选，所述的S002中，处理模块通过获得的电压降信号得到阻抗值，并结合人体模型得到包括：体脂率、人体水分比例、基础代谢、内脏脂肪等级等数据。

作为优选，所述的S004中，处理模块通过心电信号得到包括：心率、呼吸率、心率变异性、焦虑指数等数据。

作为优选，测量结束后，处理模块将测得的数据发送给显示模块实时显示；同时将测得的数据发送给智能终端显示和保存。

心电信号检测模块工作原理：心电信号通过由电极模块形成的导联引入跟随器后进入一级放大电路提取差模信号并进行初级放大，经0.05Hz~100Hz带通滤波电路和工频陷波电路，再通过二级放大电路和电压调整电路将波形幅度限制在A/D测量范围之内，A/D转换后的信号送给处理模块进行处理。其中一级放大电路与二级放大电路主要实现对心电信号进行1000倍的放大。带通滤波电路与工频陷波电路主要滤除心电信号各种干扰。参考电极驱动电路与导线屏蔽驱动电路主要作用是提高系统的工模抑制比，从而提高系统采集信号的质量。导联脱落检测电路主要是对由电极模块和待测人体构成的导联是否接入系统进行实时监控。

心电信号较微弱，所以本发明的一级放大电路具备抗电流干扰、电压干扰能力强，输入阻抗高、输入偏置电流、失调电压小、共模抑制比高的特性。

导线屏蔽驱动电路：电极采集到的信号主要通过导线与系统相连。导线一般由导电性能较好的中芯线与包裹在中芯线外的屏蔽层两部分组成，二者之间存在着一定的分布电容，这种电容的存在一定程度上降低了系统的输入阻抗，造成采集的信号夹杂大量的干扰。

导联脱落检测模块用于检测人体与电极模块是否接触良好，当检测到至少4个电极与待测人体接触良好时就进行相应的检测，同时点亮指示灯，否则给出导联脱落提示，指示灯熄灭，提醒待测者及时调整。

工频是心电信号的主要干扰，本发明采用工频滤波芯片实现工频陷波电路。同时在在输出与输入之间设计了一个积分电路，组成了一个负反馈高通滤波器，用于滤除电路中的直流成分和抑制信号的基线漂移，截至频率为0.2Hz。

心电信号主要集中在0.05-100Hz的范围内，为了减少100Hz以上的信号对心电信号的影响，本发明设置了一个100Hz的二阶低通滤波器。此滤波器与截至频率为0.2Hz的负反馈高通滤波器一起构成了一个带通滤波电路。

因为心电信号的幅值较小一般在0.5mV-4mV的范围，典型值如1mV。为了便于信号的分析与观察，一般需对信号放大1000倍左右。本发明于一级放大电路已经对心电信号放大5倍，第二级放大电路的放大倍数一般可设置为200倍。

本发明采用的心率变异性检测算法：心率变异性（HRV）的时域指标SDNN，是逐次心跳之间的微小差异，能够反映出人体心脏部分对外部事件处理的能力，及环境适应能力，反应的是心跳间隔的离散度。SDNN的计算方法是通过统计出一段时间内每相邻两次心跳之间的时间值，再将相邻的时间值做差值处理，得到离散的心率时间差，再求得离散心率时间差的标准差，即是心率变异性SDNN。

本发明采用的心率检测算法：心电信号经过滤波放大预处理后信号分两路，一路使用阈值判断检测峰值，一路经过微分运算，再进行平方运算，对微分后的信号进行非线性放大，突出高频部分，再进行移动窗积分，再对积分后的信号进行阈值检测，最后对两路阈值检测的结果进行综合，这样两套阈值检测方法，有效提高了检测的可靠性。

本发明采用的焦虑指数算法：采用一定的采样频率，对心电信号进行采样，采一定数量的数据，对这些采样数据进行频谱分析，将0.25HZ到0.5HZ频段的频谱值进行累加得到A1，0.5HZ到2HZ频段的频谱值进行累加得到A2，A1除以A2 乘以100得到焦虑指数。

本发明采用的呼吸率算法：呼吸时由于迷走神经的作用，心率会产生微弱的变化；吸气时，迷走神经被抑制，心率升高，呼气时，迷走神经抑制取消，心率降低，通过峰值之间的间隔变化可以计算呼吸率。对峰值间隔采用三次样条函数对其进行插值，在保证原始波形趋势不变的前提下增加采样点数，为保证一致性，将插值后信号的采样频率定为与原始ECG信号一样的频率，通过对插值后的信号进行频谱分析即可获得呼吸率。

人体成分检测模块工作原理：电极模块、电流激励模块、AD检测模块。电极模块的电极呈左右对称的方式设置在应用场景中，并与人体接触。左右方的电极各选一个组成一对激励电极E00，一个电极负责发射正弦电流激励信号，一个负责接收电流激励信号，另外两个电极组成一对检测电极E11。发射的电流激励信号是经过人体后回到接收电流激励信号的电极，在人体的等效阻容网络上形成一个电压降，检测电极就是测量此压降，该电压信号经过放大、整流、A/D转换后送给处理模块计算分析得到人体阻抗，再结合人体模型计算出人体成分特征参数。

人体成分分析依据人体不同组织成分的电特性来获得与人体生理病理状态有关丰富的功能信息。人体可以分为非脂肪组织(FFM)和脂肪组织(FM)，FFM中含有许多电解质和水分，电阻抗低，FM为无水物质，电阻抗高。

综上所述，本发明将心电检测和体脂检测功能集合到一个电路系统中，并且共用测量电极和处理模块，通过模拟开关达到分时复用，大大简化了整体结构。在不同的应用场景下，如方向盘、马桶或电子秤等，可灵活根据实际场景及人体接触方式调整电极的数量和分布，以获得准确的测量结果。而且在简化整体结构的基础上，本发明的整体可以很好地融入应用场景内部，不用占用额外的空间，也不需要使用者额外进行操作，方便随时随地进行测量。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明心电信号检测模块的一种结构示意图。

图3是本发明人体成分检测模块的一种结构示意图。

图4是本发明一级放大电路的一种电路图。

图5是本发明导线屏蔽驱动电路的一种电路图。

图6是本发明工频陷波电路的一种电路图。

图7是本发明带通滤波电路中的低通滤波器的一种电路图。

图8是本发明的二级放大电路的一种电路图。

图9是本发明人体成分检测模块的一种电路图。

图10是本发明应用在马桶上的一种结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：本发明在马桶上的应用如图10所示。

一种智能人体健康参数测量装置，安装在马桶上。马桶包括：马桶本体1、马桶座圈3和马桶后盖4。处理模块、模拟开关、心电信号检测模块和人体成分检测模块设置在马桶后盖4内。显示模块（5）设置在马桶本体1上。电极模块包括4个电极2，4个电极2对称设置在马桶座圈3上。处理模块包括通讯模块，通过通讯模块与智能终端通讯连接。本发明检测并处理得到使用者的心电信号和人体成分等数据后，显示在显示模块（5）上，并通过无线网络把数据送到智能终端供使用者存储查看。数据还可以通过无线网络传送到云端服务器进行存储分析，使用者通过智能终端，登录云端服务平台查看数据。

在本实施例中，人体成分检测模块包括电流激励模块和AD检测模块。左右方的电极分别接触使用者的左右大腿，左右方的电极各选一个组成一对激励电极E00，一个电极负责发射正弦电流激励信号，一个负责接收电流激励信号，另外两个电极组成一对检测电极E11。发射的电流激励信号是经过人体后回到接收电流激励信号的电极，在人体的等效阻容网络上形成一个电压降阻抗测量模块通过给电极模块施加安全电流作用在人体上，并通过电极检测人体相应部位的电压，电压信号经过AD检测模块后送给处理模块计算分析得到人体阻抗，再结合人体模型计算出人体成分特征参数，如：体脂率、人体水分比例、基础代谢、内脏脂肪等级等，送显示模块显示及通讯接口输出到云端服务器和智能终端。

在本实施例中，人体成分检测完成后，处理模块通过模拟开关切换到心电信号检测模块并进行工作。此时使用者无需进行额外动作，只需持续保持与电极接触。心电信号检测模块包括一级放大电路、带通滤波电路、工频陷波电路、二级放大电路、参考电极驱动电路和导线屏蔽驱动电路和电压调整电路。安装在座圈上左右方的电极模块分别接触使用者的左右大腿，形成导联，检测人体心电信号。心电信号检测模块将采集的人体电信号送入处理模块，处理模块通过计算分析人体电信号得到心电信号的相关特征参数，如：心率、呼吸率、心率变异性和焦虑指数等，送显示模块显示及通讯接口输出到云端服务器和智能终端。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换、改进等均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，包括处理模块、电极模块、模拟开关、心电信号检测模块和人体成分检测模块；所述的处理模块和模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与模拟开关电连接；所述的心电信号检测模块和人体成分检测模块分别与电极模块电连接；所述的电极模块包括至少4个电极。

2.根据权利要求1所述的一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，所述的心电信号检测模块包括：一级放大电路、带通滤波电路、工频陷波电路、二级放大电路、参考电极驱动电路和导线屏蔽驱动电路和电压调整电路；待测的心电信号通过电极模块后进入一级放大电路并进行初级放大，然后再经过带通滤波电路和工频陷波电路，最后通过二级放大电路和电压调整电路将波形幅度限制在A/D测量范围之内后发送给处理模块。

3.根据权利要求2所述的一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，所述的心电信号检测模块还包括：导联脱落检测模块；所述的导联脱落检测模块和一级放大电路电连接，还和处理模块电连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，所述的人体成分检测模块包括：电流激励模块和AD检测模块；所述的电流激励模块和电极模块电连接；所述的AD检测模块和电极模块电连接，还和处理模块电连接。

5.根据权利要求4所述的一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，还包括显示模块和智能终端；所述的显示模块和智能终端分别与处理模块电连接。

6.一种人体健康参数测量方法，用到一种智能人体健康参数测量装置，其特征在于，包含以下步骤：

S001、整个装置开始工作时，处理模块通过模拟开关的切换，选择人体成分检测模块进行工作；

S002、选取电极模块中的两个电极组成一对激励电极E00，选取电极模块中的另两个电极组成一对检测电极E11，所述的激励电极E00发出电流激励信号经过人体后回到激励电极E00，在人体的等效阻容网络上形成一个电压降，所述的检测电极E22检测此电压降并通过人体成分检测模块发送给处理模块；

S003、收到电压降后，处理模块通过模拟开关的切换，选择心电信号检测模块进行工作；

S004、选取电极模块中的三个电极组成导联电极，心电信号通过导联电极、心电信号检测模块发送到处理模块，测量结束。

7.根据权利要求6所述的一种人体健康参数测量方法，其特征在于，在S001开始前，处理模块通过导联脱落检测模块检测电极与待测人体的接触情况，装置其余部分待机；当检测到至少有4个电极与人体接触时，才开始S001；当检测到有1至3个电极与人体接触时，处理模块通过显示模块提示待测人调整接触。

8.根据权利要求7所述的一种人体健康参数测量方法，其特征在于，所述的S002中，处理模块通过获得的电压降信号得到阻抗值，并结合人体模型得到包括：体脂率、人体水分比例、基础代谢、内脏脂肪等级等数据。

9.根据权利要求7或8所述的一种人体健康参数测量方法，其特征在于，所述的S004中，处理模块通过心电信号得到包括：心率、呼吸率、心率变异性、焦虑指数等数据。

10.根据权利要求9所述的一种人体健康参数测量方法，其特征在于，测量结束后，处理模块将测得的数据发送给显示模块实时显示；同时将测得的数据发送给智能终端显示和保存。