CN110074768A - 一种人体体征检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体体征检测系统，该系统包括电源模块、存储模块、压力开关模块、压力抖动转换模块、重力加速度检测模块、光纤感应垫、光收发模块、光电转换器、电光转换器、滤波器、信号放大器以及中央控制器；通过中央控制器控制并分析处理光纤感应垫采集压力数据、以及控制压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据，从而获得表征人体体征的包括心跳频率数据和呼吸频率数据。本发明系统使得在压力信号较弱的情况下仍然能计算得出准确的获得人体体征参数，让整个监测系统有更广的人群适应性、更宽的体重量程、更好的姿势适应性等优势。

Description

一种人体体征检测系统

技术领域

本发明涉及数据监测技术领域，具体地，涉及一种人体体征检测系统。

背景技术

随着互联网设备和数字医疗产业的到来，健康和健康监测已成为一个日益关注的领域。监控人体生命体征诸如心率、心冲击信号以及呼吸率，在医疗保健机构内外都是需要的。在医疗机构内，生命体征跟踪可能是必不可少的，对于医疗服务提供者不在床边时确保患者安全、诊断疾病、检测病人的进展、规划病人的护理。在医疗机构外，跟踪生命体征使个人能将他们的健康状况量化和概念化，因此，帮助个人保持关注他们的健康和健康需要、明确进度、保持实现健康和健身目标所需的动力。

目前市面上也出现了通过光纤压力传感器实现检测人体体征的产品，但是该产品光纤压力传感器只能监测到垂直方向的压力产生的信号，而无法检测到横向的信号波动，当压力较轻的时候单纯的光纤压力传感器检测到的信号会比较弱，比如人体体重较轻、或者躺下的部位刚好处于生理弓起的部位、或者在可摇护理床摇起到一定角度导致压力较弱的时候。这种压力较弱的情况下无法准确的计算测量，以致难以准确检测人体体征信息，同时也让整个人体体征检测系统的人群适用性较差。另外，光纤压力传感器在制造成本和工艺上比较难做到大尺寸，特别是在床的宽度超过90cm后，原有光纤压力传感器要做到90cm以上宽度仍然能很好的得到监测结果需要花费非常高昂的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种人体体征检测系统，该系统通过采用压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据，同时采用光纤感应垫检测的压力数据，并将二者进行综合处理而分析得到人体体征信息，使得在压力较弱的情况下仍然能计算得出准确的测量值，让整个监测系统有更广的人群适应性、更宽的体重量程、更好的姿势适应性等优势。另外，通过在不同人体部位用增加的震动传感器来采集横向的震动信号以弥补光纤压力传感器在大尺寸床体上采集的纵向压力信号较弱的问题，从而以更低的成本和便利性适应了更大范围的床体环境。

为了达到上述目的，本发明提供一种人体体征检测系统，所述系统包括电源模块、存储模块、压力开关模块、压力抖动转换模块、重力加速度检测模块、光纤感应垫、光收发模块、光电转换器、电光转换器、滤波器、信号放大器以及中央控制器；所述存储器、电源模块和压力开关模块分别与所述中央控制器相互连接，所述压力抖动转换模块的输出端与所述中央控制器相连接，所述电光转换器的输入端接入所述中央控制器、输出端接入所述光收发模块，所述光纤感应垫与所述光收发模块相互通讯连接，所述光收发模块的输出端接入所述光电转换器，所述光电转换器的输出端接入所述滤波器，所述重力加速度检测模块的输出端与所述滤波器相连接，所述滤波器的输出端与所述信号放大器相连接后接入所述中央控制器；

当人体压在所述光纤感应垫的时候，所述压力开关检测的压力作用力大于预先设定的压力值时，所述中央控制器控制所述光纤感应垫采集压力数据、以及控制所述压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据，将采集的所述压力数据和震动数据经过信号放大滤波后传输至所述中央控制器进行数据处理和分析得到一个或者多个具有规律性频率的数据，从而获得表征人体体征的包括心跳频率数据和呼吸频率数据。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括用于收发信号的无线通讯模块和有线通讯模块，所述无线通讯模块和有线通讯模块分别与所述中央控制器相互连接。

根据本发明的一个实施例，所述无线通讯模块包括蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、4G/5G网络通讯模块。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括用于接收由所述中央控制器分析的人体体征数据以及用于向所述中央控制器发送控制指令的用户终端设备，所述用户终端设备通过有线通讯模块或者无线通讯模块与所述中央控制器相互通讯连接。

根据本发明的一个实施例，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到当压力数据偏弱但是有正常震动数据时，通过采集震动数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

根据本发明的一个实施例，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到当震动数据偏弱但是有正常的压力数据时，通过采集压力数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

根据本发明的一个实施例，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到震动数据和压力数据均偏弱时，所述中央控制器将所述震动数据和所述压力数据综合叠加进行补充处理分析，然后分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

根据本发明的一个实施例，所述中央控制器将震动数据和压力数据综合叠加是指在同一个数据采集时间内，以线性或者倍数的方式将震动数据和压力数据进行叠加，得到振幅加强后的数据，然后分离出具有规律性的频率数据以获得更加准确的表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

根据本发明的一个实施例，当需要分析获得某一频率或者某一频率范围的数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在该频率或者该频率范围以外的频率数据。

根据本发明的一个实施例，当需要分析获得人体心跳频率数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在40-160次/分钟以外的频率数据；当需要分析获得人体呼吸频率数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在4-30次/分钟以外的频率数据。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括语音提示模块，所述语音提示模块与所述中央控制器相连接；当所述中央控制器分析获得的人体体征数据出现异常时，由所述中央控制器控制所述语音提示模块发出警示信号。

根据本发明的一个实施例，所述电源模块包括电池、以及与所述电池相互连接电源稳压模块和充电模块。

根据本发明的一个实施例，所述光纤感应垫包括柔性底板、固定设置在所述柔性底板上的光纤以及用于密封保护所述光纤的柔性密封盖板，所述光纤与所述光收发模块相连接。

根据本发明的一个实施例，所述光纤通过盘绕成包括螺旋形或者珊栏形并固定粘胶在所述柔性底板上。

根据本发明的一个实施例，所述光纤感应垫还包括覆盖在所述光纤上且能使得光纤产生细微弯折的网状结构。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明人体体征检测系统通过增加重力加速度检测模块和压力抖动转换模块采集横向的震动信号，同时也采用光纤感应垫采集垂直方向的压力信号，并将震动信号和压力信号通过信号叠加综合处理和分析后，使得在压力信号较弱的情况下仍然能准确的测量出人体体征参数，让整个监测系统有更广的人群适应性、更宽的体重量程、更好的姿势适应性等优势；

2、本发明人体体征检测系统通过加入了低成本的重力加速度检测模块后，可以通过在不同部位用增加该种重力加速度检测模块来采集震动信号以弥补光纤压力传感器在大尺寸床体上采集的压力信号较弱的问题，从而以更低的成本和便利性适应了更大范围的床体环境；

3、本发明人体体征检测系统通过采用压力开关模块检测系统是否有足够的压力作用，当超过设定的压力作用后即开始进行压力和振动数据采集，当压力作用力低于设定值时则停止采集，可以起到节省功耗的作用，在使用电池供电的场景有重要意义，并且在需要快速反应是否有人体或物体存在时可以非常快速的完成检测。

附图说明

图1是本发明检测人体体征系统的结构示意图；

图2是本发明实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示为本发明一种人体体征检测系统的结构示意图，该系统包括电源模块、存储模块、压力开关模块、压力抖动转换模块、重力加速度检测模块、光纤感应垫、光收发模块、光电转换器、电光转换器、滤波器、信号放大器以及中央控制器；其中，存储器、电源模块和压力开关模块分别与中央控制器相互连接，压力抖动转换模块的输出端与中央控制器相连接，电光转换器的输入端接入中央控制器、输出端接入光收发模块，光纤感应垫与光收发模块相互通讯连接，光收发模块的输出端接入光电转换器，光电转换器的输出端接入滤波器，重力加速度检测模块的输出端与滤波器相连接，滤波器的输出端与信号放大器相连接后接入中央控制器；

当人体压在光纤感应垫的时候，压力开关检测的压力作用力大于预先设定的压力值时，中央控制器控制光纤感应垫采集压力数据、以及控制压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据，将采集的压力数据和震动数据经过信号放大滤波后传输至中央控制器进行数据处理和分析得到一个或者多个具有规律性频率的数据，从而获得表征人体体征的包括心跳频率数据和呼吸频率数据，本发明实施例中，当然也可以通过得到的规律性频率的数据，获得表征人体体征的其他参数，比如心冲击信号等等。

本发明实施例中，当人体压在光纤感应垫的时候，光纤感应垫内的光纤会产生形变，使得通过光纤的光强度产生一定的衰减，从而采集到具有一定规律光强度衰减变化以获得光纤感应垫上的呈一定规律变化的压力数据；并将获得的压力数据与压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据叠加且通过傅里叶变换原理处理分析，分离出不同频率的频率数据。本发明实施例中，所采用的重力加速度检测模块为集成化的MEMS运动传感器，可根据具体的使用场景采用三轴数字输出陀螺仪，也可使用三轴加速度传感器，利用传感器中8Bit至24Bit精度的采集单元得到使用环境的动作加速度、人体抖动曲线，进而利用算法分析出特定频率的抖动、特定姿势的特征，例如正常人体的心跳频率、呼吸频率等频率，以及坐姿动作、离开传感器等行为动作。该传感器所具备的加速度检测至少满足正负2g至正负16g的加速度检测，亦具备一定的信号滤波功能，同时具备正负2高斯至正负12高斯的信号放大，可满足对细微震动和动作的精密检测，同时配合光纤采集到的振动信号，通过数据分析后可剥离出高准确度的心跳呼吸等频率。另外采用集成芯片的压力抖动转换模块仅需根据实际使用场景的摆放角度进行位置和角度设计，就可简便采集到需要的震动信号。无论是重力加速度检测模块采用的运动传感器还是压力抖动转换模块采用的传感器都具备100Khz至400K Hz的传输时钟速率，通过中央控制器处理与光纤感应垫的采样频率相匹配同步后，可以在时域上将两者信号相互结合分析，以达到更准确的频率数据。

本发明实施例中，本发明检测人体体征参数的系统还包括用于收发信号的无线通讯模块和有线通讯模块，无线通讯模块和有线通讯模块分别与中央控制器相互连接。其中，该无线通讯模块包括但不限于蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、4G/5G网络通讯模块等等，而有线通讯模块包含但不限于串口、IIC接口。

本发明实施例中，人体体征检测系统还包括用于接收由中央控制器分析的人体体征数据以及用于向中央控制器发送控制指令的用户终端设备，用户终端设备通过有线通讯模块或者无线通讯模块与所述中央控制器相互通讯连接。其中，用户终端设备可以是智能手机，PC机，智能手环或者其他智能设备，用户终端设备向中央控制器发送的控制指令包括有改变采样频率、是否进行信号叠加、输出的数据格式、以及其他的一些控制和操作命令等。

本发明实施例中，中央控制器接收来自光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到当压力数据偏弱但是有正常震动数据时，通过采集震动数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据；或者分析得到当震动数据偏弱但是有正常的压力数据时，通过采集压力数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。或者分析得到震动数据和压力数据均偏弱时，所述中央控制器将所述震动数据和所述压力数据综合叠加进行补充处理分析，然后分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

本发明实施例中，中央控制器将震动数据和压力数据综合叠加是指在同一个数据采集时间内，以线性或者倍数的方式将震动数据和压力数据进行叠加，得到振幅加强后的数据，然后分离出具有规律性的频率数据以获得更加准确的表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。当需要分析获得某一频率或者某一频率范围的数据时，利用滤波器和信号放大器过滤掉频率在该频率或者该频率范围以外的频率数据。例如，当需要分析获得人体心跳频率数据时，利用滤波器和信号放大器过滤掉频率在40-160次/分钟以外的频率数据；当需要分析获得人体呼吸频率数据时，利用滤波器和信号放大器过滤掉频率在4-30次/分钟以外的频率数据。

如图2所示，本发明系统还包括语音提示模块，语音提示模块与中央控制器相连接；该语音提示模块为由IO或PWM控制的提示模块，包括但不限于马达、蜂鸣器等，当中央控制器分析获得的人体体征数据出现异常时，由中央控制器控制语音提示模块发出警示信号。

本发明实施例中，电源模块包括灵活外接的电池、以及与电池相互连接电源稳压模块和充电模块，使得系统具有充电功能，另外，电池可以是锂离子电池、聚合物电池、干电池。

本发明实施例中，光纤感应垫包括柔性底板、固定设置在柔性底板上的光纤以及用于密封保护光纤的柔性密封盖板，光纤与光收发模块相连接。其中，柔性底板和柔性密封盖板均采用硅胶以及其它柔性树脂材料制作而成，硬度从5度-90度均可，且二者结合后的厚度从0.01mm-5cm。本发明实施例中，光纤通过盘绕成包括螺旋形或者珊栏形并固定粘胶在柔性底板上，光纤感应垫的盘绕采用模具成型的具有细微凹凸状的硅胶作为基础，经过盘绕特定形状后将光纤固定，再用可密闭结合的硅胶作为封盖进行保护，在确保光纤不易折断的情况下可以利用自动化设备进行盘绕，大大减少了光纤盘绕的加工成本以及确保了非常良好的一致性，该设计明显优于其它光纤盘绕的方式以及所用材料，既保证了良好的一致性、可批量性，也大大的缩减了物料和加工成本，更加适合批量生产。

本发明实施例中，光纤感应垫还包括覆盖在光纤上且能使得光纤产生细微弯折的网状结构。

综上所述，本发明人体体征检测系统通过增加重力加速度检测模块和压力抖动转换模块采集横向的震动信号，同时也采用光纤感应垫采集垂直方向的压力信号，并将震动信号和压力信号通过信号叠加综合处理和分析后，使得在压力信号较弱的情况下仍然能准确的测量出人体体征参数，让整个监测系统有更广的人群适应性、更宽的体重量程、更好的姿势适应性等优势；同时，弥补了光纤压力传感器在大尺寸床体上采集的压力信号较弱的问题，从而以更低的成本和便利性适应了更大范围的床体环境。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种人体体征检测系统，其特征在于，所述系统包括电源模块、存储模块、压力开关模块、压力抖动转换模块、重力加速度检测模块、光纤感应垫、光收发模块、光电转换器、电光转换器、滤波器、信号放大器以及中央控制器；所述存储器、电源模块和压力开关模块分别与所述中央控制器相互连接，所述压力抖动转换模块的输出端与所述中央控制器相连接，所述电光转换器的输入端接入所述中央控制器、输出端接入所述光收发模块，所述光纤感应垫与所述光收发模块相互通讯连接，所述光收发模块的输出端接入所述光电转换器，所述光电转换器的输出端接入所述滤波器，所述重力加速度检测模块的输出端与所述滤波器相连接，所述滤波器的输出端与所述信号放大器相连接后接入所述中央控制器；

当人体压在所述光纤感应垫的时候，所述压力开关检测的压力作用力大于预先设定的压力值时，所述中央控制器控制所述光纤感应垫采集压力数据、以及控制所述压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集震动数据，将采集的所述压力数据和震动数据经过信号放大滤波后传输至所述中央控制器进行数据处理和分析得到一个或者多个具有规律性频率的数据，从而获得表征人体体征的包括心跳频率数据和呼吸频率数据。

2.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述系统还包括用于收发信号的无线通讯模块和有线通讯模块，所述无线通讯模块和有线通讯模块分别与所述中央控制器相互连接。

3.根据权利要求2所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述无线通讯模块包括蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、4G/5G网络通讯模块。

4.根据权利要求2所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述系统还包括用于接收由所述中央控制器分析的人体体征数据以及用于向所述中央控制器发送控制指令的用户终端设备，所述用户终端设备通过有线通讯模块或者无线通讯模块与所述中央控制器相互通讯连接。

5.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到当压力数据偏弱但是有正常震动数据时，通过采集震动数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

6.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到当震动数据偏弱但是有正常的压力数据时，通过采集压力数据分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

7.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述中央控制器接收来自所述光纤感应垫采集的压力数据以及接收来自压力抖动转换模块和重力加速度检测模块采集的震动数据后，分析得到震动数据和压力数据均偏弱时，所述中央控制器将所述震动数据和所述压力数据综合叠加进行补充处理分析，然后分离出具有规律性的频率数据以获得表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

8.根据权利要求7所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述中央控制器将震动数据和压力数据综合叠加是指在同一个数据采集时间内，以线性或者倍数的方式将震动数据和压力数据进行叠加，得到振幅加强后的数据，然后分离出具有规律性的频率数据以获得更加准确的表征人体体征的心跳频率数据和呼吸频率数据。

9.根据权利要求5～8任意一项所述的人体体征检测系统，其特征在于，当需要分析获得某一频率或者某一频率范围的数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在该频率或者该频率范围以外的频率数据。

10.根据权利要求9所述的人体体征检测系统，其特征在于，当需要分析获得人体心跳频率数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在40-160次/分钟以外的频率数据；当需要分析获得人体呼吸频率数据时，利用所述滤波器和信号放大器过滤掉频率在4-30次/分钟以外的频率数据。

11.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述系统还包括语音提示模块，所述语音提示模块与所述中央控制器相连接；当所述中央控制器分析获得的人体体征数据出现异常时，由所述中央控制器控制所述语音提示模块发出警示信号。

12.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述电源模块包括电池、以及与所述电池相互连接电源稳压模块和充电模块。

13.根据权利要求1所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述光纤感应垫包括柔性底板、固定设置在所述柔性底板上的光纤以及用于密封保护所述光纤的柔性密封盖板，所述光纤与所述光收发模块相连接。

14.根据权利要求13所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述光纤通过盘绕成包括螺旋形或者珊栏形并固定粘胶在所述柔性底板上。

15.根据权利要求13所述的人体体征检测系统，其特征在于，所述光纤感应垫还包括覆盖在所述光纤上且能使得光纤产生细微弯折的网状结构。