CN111568433A - 一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法 - Google Patents

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姜红
王文锦
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Abstract

本发明公开了一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，根据具体监测的需求，在人体皮肤表面安置三轴加速度传感器，获取生理运动或行为运动在监测点三个垂直方向上的信号分量。在通过预设定方向的前提下，预定义运动在三个垂直方向上的关系，然后通过该关系识别身体运动是否是有生理/疾病意义的运动，或是运动干扰。本发明对生理运动和行为运动能够进行准确的3D方向识别，提高了对微弱生理信号监测的敏感性；能捕获运动的三维空间信息，更准确地识别是运动还是干扰；能带来补偿的监测特征，可达到比单点PPG呼吸监测更好的监测效果和补偿效果，可用于专业医疗设备和保健产品，应用广泛。

Description

一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法。
背景技术
目前市面上较为成熟的可穿戴生理监测产品多为两类：(1)ECG，单纯通过ECG监测心率，心率变异性，但无法监测血氧饱和度(原理上不允许)。因此ECG在可监测的生理指标数量上有局限性；(2)PPG，已用于可穿戴的专业医疗设备(如手指血氧仪，运动手环)，通过绿色波段监测心率，红色和红外双波段监测血氧饱和度，但PPG信号容易受运动干扰和环境光干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有生理和行为监测产品监测数量有局限性，易受到干扰的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、基于三轴加速度传感器的三个坐标轴方向，定义人体皮肤表面监测点生理运动或行为运动在三个垂直方向上的运动信号分量之间的关系；
步骤二、通过三轴加速度传感器获取人体生理运动或行为运动在监测点三个垂直方向上的运动信号分量；
步骤三、结合步骤一中三个运动信号分量的关系判断步骤二中监测到的三个运动信号分量属于具有生理意义或疾病意义的运动还是运动干扰；
步骤四、将三个运动信号分量合并成一维信号，并从所述一维信号中提取生理或疾病特征。
优选地，所述步骤二中获取三个运动信号分量时为同步获取。
优选地，所述步骤一中三个运动信号分量之间的关系包括幅度关系、相位关系和频率关系。
优选地，所述步骤一中通过建模或基于AI数据训练的方式定义三个运动信号分量之间的关系。
优选地，所述步骤四中通过通过多通道融合的方式或主成分分析法或独立成分分析法将三个运动信号分量合并成一维信号。
本发明可应用于专业医疗设备，针对某类患者进行长期连续的生理监测和报告，如心血管疾病，心肺功能障碍/康复，睡眠呼吸暂停综合征(阻塞性，中枢神经性，混合性)，重症监护(ICU)，心脏病监护(CCU)，术后监护等。
本发明也可应用于家用保健设备，为某类特殊人群或在特定场景下提供生理监测，如老年人，幼儿，打鼾者，慢病监测，或有相关需求的群体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明对生理运动(呼吸运动、心脏跳动(ballistocardiographic motion)、心音)和行为运动(咳嗽、睡姿等)能够进行准确的3D方向识别，如胸部/腹部的3D呼吸运动，提高了对微弱生理信号监测的敏感性；能捕获运动的三维空间信息，更准确地识别是运动还是干扰；能带来补偿的监测特征，如对BCG信号，心音的监测，对睡眠姿势的识别，可达到比单点PPG呼吸监测更好的监测效果和补偿效果。本发明可应用在可便携式穿戴设备上，也可和PPG，Electrocardiogram(ECG)等设备集成共同监测生理信号。
本发明提出的方法可用于专业医疗设备和保健产品，在不同的应用场景下监测使用者的生理运动信号和与疾病相关的行为运动信号，用于疾病预测(如新冠肺炎)或慢病管理上，应用广泛。同时，加速度传感器的硬件成本很低，体积小，可大规模商用化。
附图说明
图1为本发明通过三轴加速度传感器获取呼吸运动三个运动信号分量的示意图；
图2为应用本发明对胸部呼吸运动监测结果和基于PPG信号监测结果对比示意图；
图3为应用本发明对头部呼吸运动监测结果和基于PPG信号监测结果对比示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法包括以下步骤，步骤一、基于三轴加速度传感器的三个坐标轴方向，定义人体皮肤表面监测点生理运动或行为运动在三个垂直方向上的运动信号分量之间的关系，如三个运动信号分量之间的幅度，相位，频率的关系；
步骤二、通过三轴加速度传感器同步获取人体生理运动或行为运动在监测点三个垂直方向上的运动信号分量；
步骤三、结合步骤一中三个运动信号分量的关系判断步骤二中监测到的三个运动信号分量属于具有生理意义或疾病意义的运动还是运动干扰；
步骤四、将三个运动信号分量合并成一维信号，并从所述一维信号中提取生理或疾病特征。
下面以人体呼吸运动监测为例进行说明：
根据具体监测的需求，在人体皮肤表面安置三轴加速度传感器，可以安置在胸部、腹部或头部的位置，获取呼吸运动在监测点三个垂直方向上的呼吸运动信号分量(X-Y-Z)。如图1所示，在通过预设定方向的前提下，可以预定义呼吸运动在三个方向上的关系，如三个方向上呼吸运动信号分量之间的幅度，相位，频率的关系。定义三个呼吸运动信号分量的关系可以通过建模方式，比如经验模型，或者基于AI的数据训练。例如：
呼吸运动幅值：微弱的呼吸运动幅值在一定区间；
呼吸运动频率：呼吸运动同频率；
呼吸运动相位：如图2和图3所示，X和Y方向的运动信号反相位，表示胸部或头部的扩张运动。
结合预定义的三个呼吸运动信号分量之间的关系(频率，相位，幅度)，判断这三个呼吸运动信号分量是否属于某一具有生理意义或疾病意义的运动(如呼吸，心跳，咳嗽)，或是运动干扰。
将三个呼吸运动信号分量通过多通道融合的方式或主成分分析法或独立成分分析法合并成一维信号，并从一维信号中提取生理或疾病特征(如呼吸率，心率，咳嗽强度)，采用多通道融合的运动信号融合可以去除非呼吸运动的干扰或噪声。

Claims (5)

1.一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、基于三轴加速度传感器的三个坐标轴方向，定义人体皮肤表面监测点生理运动或行为运动在三个垂直方向上的运动信号分量之间的关系；
步骤二、通过三轴加速度传感器获取人体生理运动或行为运动在监测点三个垂直方向上的运动信号分量；
步骤三、结合步骤一中三个运动信号分量的关系判断步骤二中监测到的三个运动信号分量属于具有生理意义或疾病意义的运动还是运动干扰；
步骤四、将三个运动信号分量合并成一维信号，并从所述一维信号中提取生理或疾病特征。
2.如权利要求1所述的一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于：所述步骤二中获取三个运动信号分量时为同步获取。
3.如权利要求1所述的一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于：所述步骤一中三个运动信号分量之间的关系包括幅度关系、相位关系和频率关系。
4.如权利要求1所述的一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于：所述步骤一中通过建模或基于AI数据训练的方式定义三个运动信号分量之间的关系。
5.如权利要求1所述的一种基于三轴加速度传感器的生理和行为监测方法，其特征在于：所述步骤四中通过多通道融合的方式或主成分分析法或独立成分分析法将三个运动信号分量合并成一维信号。
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