CN110123298B - 一种脉搏波信号获取方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉搏波信号获取方法及其系统，本发明控制模块根据预设模式控制静态压力施加模块向人体手腕处施加静态压力，预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；再利用压力传感器和光学传感器分别获取不同静态压力下的第一脉搏波信号和第二脉搏波信号；再获取第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于第一静态压力时所对应的部分第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于第一静态压力时所对应的部分第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号；结合光学传感器和压力传感器实现宽范围静态压力下，仍可以获得准确的人体脉搏波信号。

Description

一种脉搏波信号获取方法及其系统

技术领域

本发明涉及生物信号测量领域，尤其是一种脉搏波信号获取方法及其系统。

背景技术

光学传感器是目前可穿戴领域用于心率监测应用最为广泛的一类商用传感器，光学传感器提取容积脉搏信号的最佳位置是毛细血管丰富的末梢，如指尖、耳垂等处。而压力传感器是最直观与贴近中医把脉过程的一类传感器，压力传感器提取压力脉搏波的最佳位置则是靠近体表的动脉处，如手腕的桡动脉，脖子处的颈动脉等。在宽范围的静态压力下，基于单一传感器(如光学传感器或压力传感器)提取脉搏波的方法，精度和准确度低下。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种脉搏波信号获取方法及其系统，结合光学传感器和压力传感器获取精准的脉搏波信号。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种脉搏波信号获取系统，包括：

静态压力施加模块，用于向人体手腕处施加静态压力；

压力传感器，用于获取不同静态压力下的第一脉搏波信号；

光学传感器，用于获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

控制模块，用于根据预设模式控制所述静态压力施加模块进行加减压，所述预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；获取所述第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于所述第一静态压力时所对应的部分所述第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于所述第一静态压力时所对应的部分所述第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号。

进一步地，所述预设模式中，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变。

进一步地，所述压力传感器或所述光学传感器用于获取阶梯压力维持不变时的脉搏波信号；

所述控制模块用于按照脉搏周期截断所述脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号，并叠加所述子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号作为所述第一脉搏波信号或所述第二脉搏波信号。

进一步地，所述压力传感器设置在人体手腕桡动脉处。

进一步地，所述光学传感器设置在人体指尖处。

进一步地，所述静态压力施加模块包括加压模块和可充气袖带，所述控制模块的输出端与所述加压模块的输入端连接，所述加压模块的输出端与所述可充气袖带的输入端连接。

进一步地，所述脉搏波信号获取系统还包括静态压力监测模块，用于测量所施加的静态压力的大小，所述静态压力监测模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

第二方面，本发明提供一种脉搏波信号获取方法，应用于所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，包括：

控制模块根据预设模式控制静态压力施加模块向人体手腕处施加静态压力，所述预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；

利用压力传感器获取不同静态压力下的第一脉搏波信号；

利用光学传感器获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

所述控制模块获取所述第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于所述第一静态压力时所对应的部分所述第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于所述第一静态压力时所对应的部分所述第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号。

进一步地，所述预设模式中，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变。

进一步地，所述压力传感器或所述光学传感器获取阶梯压力维持不变时的脉搏波信号；

所述控制模块按照脉搏周期截断所述脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号，并叠加所述子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号作为所述第一脉搏波信号或所述第二脉搏波信号。

本发明的有益效果是：

本发明控制模块根据预设模式控制静态压力施加模块向人体手腕处施加静态压力，预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；再利用压力传感器和光学传感器分别获取不同静态压力下的第一脉搏波信号和第二脉搏波信号；再获取第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于第一静态压力时所对应的部分第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于第一静态压力时所对应的部分第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号；结合光学传感器和压力传感器实现宽范围静态压力下，仍可以获得准确的人体脉搏波信号，克服了现有技术中存在宽范围静态压力下，脉搏波信号精度和准确度低下的技术问题。

另外，本发明还通过按照脉搏周期截断所获得的脉搏波信号，并叠加计算平均信号作为第一脉搏波信号或第二脉搏波信号，以进一步提高脉搏波信号的准确度。

附图说明

图1是本发明中一种脉搏波信号获取系统的一具体实施例结构框图；

图2是本发明中一种脉搏波信号获取系统的静态压力施加模块、静态压力监测模块、压力传感器和光学传感器的一具体实施例位置示意图；

图3是本发明中一种脉搏波信号获取系统的一具体实施例工作流程图；

图4是本发明中一种脉搏波信号获取系统的可充气袖带的一具体实施例压力变化示意图；

图5是本发明中一种脉搏波信号获取系统中压力传感器采集的脉搏波信号的一具体实施例示意图；

图6是本发明中一种脉搏波信号获取系统的光学传感器采集的脉搏波信号的一具体实施例示意图；

图7a、图7b是本发明中一种脉搏波信号获取系统的子脉搏波信号和平均信号的一具体实施例示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

参考图1，图1是本发明中一种脉搏波信号获取系统的一具体实施例结构框图；脉搏波信号获取系统包括：

静态压力施加模块，用于向人体手腕处施加静态压力；本实施例中，参考图1和图2，图2是本发明中一种脉搏波信号获取系统的静态压力施加模块、静态压力监测模块、压力传感器和光学传感器的一具体实施例位置示意图；静态压力施加模块包括加压模块和可充气袖带，加压模块的输出端与可充气袖带的输入端连接，控制模块的输出端与加压模块的输入端连接以控制加压模块的工作；

压力传感器，用于获取不同静态压力下的第一脉搏波信号，本实施例中，压力传感器为动态压力传感器；

光学传感器，用于获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

控制模块，用于根据预设模式控制静态压力施加模块进行加减压，预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零，另外，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变；获取第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于第一静态压力时所对应的部分第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于第一静态压力时所对应的部分第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号；

静态压力监测模块，用于测量加压模块对可充气袖带也即手腕处所施加的静态压力的大小，静态压力监测模块的输出端与控制模块的输入端连接。

光学传感器在低静态压力下测量稳定性好，在高静态压力下，血液灌注量小，利用光学传感器无法提取到高信噪比的脉搏波信号，而具有高灵敏度的动态压力传感器可以在高静态压力下稳定地提取到脉搏波信号。本发明利用多传感器数据融合技术，对光学传感器与压力传感器采集得到的脉搏信号加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余，加以互补，降低其不确实性，实现从非接触、接触到低静态压力、高静态压力下大范围的脉搏波精确提取，克服了现有技术中存在宽范围静态压力下，脉搏波信号精度和准确度低下的技术问题。

具体地，参考图1、图2和图3，图3是本发明中一种脉搏波信号获取系统的一具体实施例工作流程图；下面对脉搏波信号的获取过程做具体说明：

首先，将压力传感器与光学传感器分别置于受试者的手腕桡动脉和指尖处，并在手腕处佩戴可充气袖带。在控制模块设置脉搏监测的预设最大静态压力的数值Pmax，控制模块控制加压模块充气以使袖带在初始时刻的压力为预设最大压力值Pmax。随后，在控制模块的控制下控制可充气袖带持续性阶梯式减压缓慢放气直至完全放气，整个过程中，静态压力监测模块用于获取施加在手腕处的静态压力值，并反馈给控制模块，参考图4，图4是本发明中一种脉搏波信号获取系统的可充气袖带的一具体实施例压力变化示意图；利用静态压力监测模块可以获得可充气袖带的压力变化情况示意图，即手腕处的静态压力施加情况，其中，每两个阶梯压力之间的差值可自由调整。而压力传感器和光学传感器同步实时采集脉搏波信号，利用压力传感器或光学传感器获取每一个阶梯压力维持不变时的脉搏波信号，如图5和图6所示，图5是本发明中一种脉搏波信号获取系统中压力传感器采集的脉搏波信号的一具体实施例示意图；图6是本发明中一种脉搏波信号获取系统的光学传感器采集的脉搏波信号的一具体实施例示意图，其中，随着静态压力的减小，压力传感器采集到的波形幅度先随之增大后逐渐减小。为了进一步提高脉搏波信号的准确度，对压力传感器和光学传感器的脉搏波信号进行分析，获取压力传感器和光学传感器在对应不同静态压力下各自信号的平均信号，具体地，控制模块依据静态压力监测模块的输出，将压力传感器与光学传感器对应同一静态压力的输出信号在时域上按照脉搏周期划分为若干段子脉搏波信号，并叠加子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号，将所获得对应不同静态压力的多个平均信号作为第一脉搏波信号或第二脉搏波信号。如图4、图5和图6所示，控制模块按照脉搏周期截断压力传感器与光学传感器在不同静态压力下采集到的波形，得到如图7a和图7b所示的示意图，图7a、图7b是本发明中一种脉搏波信号获取系统的子脉搏波信号和平均信号的一具体实施例示意图，其中，左边一列为压力传感器的波形，右边一列为光学传感器的波形，对应的静态压力分别为30、40、60、80、100和120mmHg。在每幅波形图中，细线为按周期截断的单个周期的原始时域信号，加粗的线为根据多个细线得到的平均信号波形。参考图5和图6，再获取压力传感器采集的脉搏波信号具有最大幅值处对应的静态压力记为第一静态压力P1。当静态压力低于P1时，将光学传感器的输出作为脉搏波信号。当静态压力高于P1时，光学传感器的输出信噪比低、无法精确提取脉搏波信号，而压力传感器在此情况下仍能准确稳定地采集脉搏波波形，因此采用压力传感器的输出作为脉搏波信号。至此，融合压力传感器和光学传感器可以在宽范围的静态压力下，获取到精准的脉搏波信号。

实施例2

一种脉搏波信号获取方法，应用于实施例1所述的脉搏波信号获取系统，包括：

控制模块根据预设模式控制静态压力施加模块向人体手腕处施加静态压力，预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；预设模式中，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变；

利用压力传感器获取不同静态压力下的第一脉搏波信号；

利用光学传感器获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

控制模块获取第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于第一静态压力时所对应的部分第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于第一静态压力时所对应的部分第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号。

具体地，压力传感器或光学传感器获取阶梯压力维持不变时的脉搏波信号；控制模块按照脉搏周期截断脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号，并叠加子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号作为第一脉搏波信号或第二脉搏波信号。

关于脉搏波信号获取方法的具体描述，请参照实施例1中关于脉搏波信号获取系统的描述，不再赘述。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种脉搏波信号获取系统，其特征在于，包括：

静态压力施加模块，用于向人体手腕处施加静态压力；

压力传感器，用于获取不同静态压力下的第一脉搏波信号；

光学传感器，用于获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

控制模块，用于根据预设模式控制所述静态压力施加模块进行加减压，所述预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；获取所述第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于所述第一静态压力时所对应的部分所述第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于所述第一静态压力时所对应的部分所述第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号；

其中，所述第一脉搏波信号的波形幅度先增大后减小。

2.根据权利要求1所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，所述预设模式中，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变。

3.根据权利要求2所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，

所述压力传感器或所述光学传感器用于获取阶梯压力维持不变时的脉搏波信号；

所述控制模块用于按照脉搏周期截断所述脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号，并叠加所述子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号作为所述第一脉搏波信号或所述第二脉搏波信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，所述压力传感器设置在人体手腕桡动脉处。

5.根据权利要求1至3任一项所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，所述光学传感器设置在人体指尖处。

6.根据权利要求1至3任一项所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，所述静态压力施加模块包括加压模块和可充气袖带，所述控制模块的输出端与所述加压模块的输入端连接，所述加压模块的输出端与所述可充气袖带的输入端连接。

7.根据权利要求1至3任一项所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，所述脉搏波信号获取系统还包括静态压力监测模块，用于测量所施加的静态压力的大小，所述静态压力监测模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

8.一种脉搏波信号获取方法，应用于权利要求1至7任一项所述的脉搏波信号获取系统，其特征在于，包括：

控制模块根据预设模式控制静态压力施加模块向人体手腕处施加静态压力，所述预设模式为从预设最大静态压力阶梯式减压至压力为零；

利用压力传感器获取不同静态压力下的第一脉搏波信号；

利用光学传感器获取不同静态压力下的第二脉搏波信号；

所述控制模块获取所述第一脉搏波信号在最大幅值处所对应的静态压力作为第一静态压力，并将静态压力小于所述第一静态压力时所对应的部分所述第二脉搏波信号作为人体的脉搏波信号，将静态压力等于或大于所述第一静态压力时所对应的部分所述第一脉搏波信号作为人体的脉搏波信号。

9.根据权利要求8所述的脉搏波信号获取方法，其特征在于，所述预设模式中，阶梯式减压时，每一个阶梯压力在预设时间内维持不变。

10.根据权利要求9所述的脉搏波信号获取方法，其特征在于，

所述压力传感器或所述光学传感器获取阶梯压力维持不变时的脉搏波信号；

所述控制模块按照脉搏周期截断所述脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号，并叠加所述子脉搏波信号以获取多个子脉搏波信号的平均信号作为所述第一脉搏波信号或所述第二脉搏波信号。

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