CN112545470A - 一种载人离心机人体参数采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种载人离心机人体生理参数采集装置，包括：人体生理参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC‑DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，通过该装置实现载人离心机高载荷加速度条件下和复杂电磁环境干扰下，对人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号多个生理参数稳定、连续采集，从而提高了载人离心机人体参数采集装置的可靠性和抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及航空医学及医学采集技术领域，具体涉及一种载人离心机人体参数采集装置。
背景技术
载人离心机能够在地面上逼真模拟各种机动飞行动作，能监测飞行对人体生理、心理影响的大型航空医学装备，是检查评估飞行人员身体抗载荷能力要求最直接、最可靠和最科学的装备。在高载荷条件下利用载人离心机研究、检查、评估人体生理参数的变化趋势、耐受极限、危险报警等，需要有专用的人体多生理参数采集装置对飞行人员的生理参数信号进行连续不间断的采集、传输、监测，研究在不同运行模式、载荷曲线条件下人体的生理参数变化，从而有针对性的训练提高飞行人员抗载荷能力，在飞行人员载人离心机选拨、训练中监测、识别高载荷或极限载荷下人体生理参数发生危险的阈值，辅助医学训练指挥人员终止离心机运行，以免对飞行员身体造成的伤害。
目前的载人离心机生理参数采集装置，以心电和耳脉搏为主监测参数多为模拟信号，采用以往载人离心机生理参数采集装置在高载荷加速度条件下受复杂电磁环境干扰的影响，存在采集到的信号精确性、稳定性差的问题。
发明内容
因此，本发明提供的一种载人离心机人体参数采集装置，克服了现有技术中因电磁干扰导致采集到的信号精确性、稳定性差的缺陷。
本发明提供一种载人离心机人体参数采集装置，包括：人体参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC-DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，其中，
人体参数采集单元，用于采集人体生理参数信号，包括：心电信号、血压信号、体表温度信号、血氧信号及耳脉搏波信号；
所述第一微控制单元，用于接收血压信号、体表温度信号及经第一模数转换器转换后的数字心电信号；
第一微控制单元分别经DC-DC压降变换器和光电耦合器，与第二微控制单元连接；所述DC-DC压降变换器和光电耦合器，用于隔离人体生理参数采集前端与第二微控制单元后端；
所述第二微控制单元，用于处理血氧信号；将第一微控制器与第三微控制单元进行数据通讯；
所述第三微控制单元，用于将接收经第二模数转换器转换后的数字耳脉搏波信号、第二微控制单元的数据，同步后发送给监控终端设备。在一实施例中，还包括：壳体，所述壳体采用合金材质外壳，壳体的盖板设计台阶，盖板缝隙和装置内功能单元接插件的安装面缝隙通过导电衬垫填充。
在一实施例中，人体参数采集单元包括：心电传感器、温度传感器、血氧传感器及耳脉搏传感器，其中：
心电传感器采集标准3/5心电信号，其内部自带增益调整放大器，低通滤波器；同时复用心电传感器的电极通过胸阻抗法采集血压信号；
温度传感器采集人体的温度信号；
血氧传感器采用红光及红外光交替光源，通过血氧饱和度百分比采集血氧信号；
耳脉搏传感器采用红光及红外光交替光源，通过脑部血液流量，采集全光谱耳脉搏波。
在一实施例中，心电传感器的电极连接线缆、血压传感器连接线缆、温度传感器连接线缆、血氧传感器的连接线缆及设备供电线缆均采用电磁屏蔽线连接。
在一实施例中，还包括：模拟电源，模拟电源通过π型低通滤波连接，经过滤波后为第一、第二、第三微控制单元供电。
在一实施例中，还包括：模拟地、数字地、电源地，三者分开走线，并单点连接。
在一实施例中，在20G加速度的条件下采集人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号。
在一实施例中，装置内的数据接口采用航空插头形式。
本发明提供的一种载人离心机人体参数采集装置，人体生理参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC-DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，通过该装置实现载人离心机高载荷加速度条件下和复杂电磁环境干扰下，对人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号多个生理参数稳定、连续采集，从而提高了载人离心机人体参数采集装置的可靠性和抗干扰性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中载人离心机人体参数采集装置的一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
本发明实施例提供一种载人离心机人体参数采集装置，如图1所示，包括：人体参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC-DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，其中，人体参数采集单元，用于采集人体生理参数信号，包括：心电信号、血压信号、体表温度信号、血氧信号及耳脉搏波信号；第一微控制单元，用于接收血压信号、体表温度信号及经第一模数转换器转换后的数字心电信号。第一微控制单元分别经DC-DC压降变换器和光电耦合器，与第二微控制单元连接；所述DC-DC压降变换器和光电耦合器，用于隔离人体生理参数采集前端与第二微控制单元后端由于外部电源异常导致高电压、电流对人体损伤。第二微控制单元，用于接收处理血氧信号并与第一微控制器和第三微控制单元进行数据通讯。第三微控制单元，用于接收经第二模数转换器转换后的数字耳脉搏波信号、第二微控制单元的数据，同步后发送给监控终端设备。
在本实施例中，还包括：壳体，壳体采用合金材质外壳，壳体的盖板设计台阶，盖板缝隙和装置内功能单元接插件的安装面缝隙通过导电衬垫填充，防止外部电磁干扰和设备内部电磁对外部的干扰，用于提高该装置的屏蔽性能。
在本实施例中，人体参数采集单元包括：心电传感器、温度传感器、血氧传感器及耳脉搏传感器，通过各个传感器采集人体的心电信号、血压信号、体表温度信号、血氧信号及耳脉搏波信号。
在本实施例中，该装置通过心电传感器采集标准3/5心电信号，支持标准3/5导模式切换，采用24bit高精度专用生理信号传感器设计，其内部自带增益调整放大器，低通滤波器，确保装置有效获取心电信号。同时复用心电传感器的电极通过胸阻抗法采集血压信号，例如，采用胸阻抗法测量呼吸率包括：在高频电流作用下，胸阻抗基本上就是电阻，假设阻抗变化值ΔV＝I×ΔZ，I为采集电流，因此可以通过检测胸腹的电压变化ΔV来反映阻抗变化ΔZ，间接反映呼吸的动态变化，用于检测此阻抗变化的电路可通过高频差分电流、阻抗变化产生相应的电压变化，可在一对电极上测量此电压变化，电路的测量部分由高通滤波、放大、抗混叠、模数转换和数字域中的同步解调组成。通过电压变化的波形图，可获得一定时间段内呼吸变化的次数，即通过可得出呼吸率f＝N/t，N代表呼吸变化的次数，t代表一定时间段，此方式可复用心电电极，不需额外增加传感器，由于呼吸率频带远低于心电频率，不会影响心电采集。
在本实施例中，该装置通过温度传感器采集人体的温度信号。
在本实施例中，该装置的血氧传感器采用红光及红外光交替光源，通过血氧饱和度百分比采集血氧信号；例如：由于625nm～760nm的红光和760nm～400um的红外光具备较强的透射性，将红光、红外光双通道二极管产生的射线照射到人体的血管位置，通过对血管的透射或反射，血液的流动信号返回到接收管，可有效地采集血液变化情况，根据实际需求选择相应的红光及红外光的长度，其中，电路增益约80dB，人体脉搏范围为30次/分至200次/分之间，即0.5Hz至3.33Hz之间，为有效去除噪声保留有效频带，带通滤波频率范围0.05Hz至15Hz之间，即通过血氧饱和度百分比采集血氧信号。
在本实施例中，该装置通过耳脉搏传感器采用红光及红外光交替光源，通过脑部血液流量，采集全光谱耳脉搏波。耳脉搏传感器及血氧传感器具有两路PPG信号，其中PPG1为全光谱耳脉搏波，仅反应脑部血液流量情况，PPG2为标准投射式PPG传感器，由红光及红外光交替作为光源，获得脉搏波信号及血氧信号；例如：采用全光谱耳脉搏波人体血液对波长530nm～590nm左右的光存在较强的吸收，即敏感性较强，故采用该范围的光作为PPG光源。选用微型白炽灯珠(全光谱)作为传感器光源，工作在3V/110mA，灯珠工作在3V/50mA，电路设计中增加防短路保护电路，防止灯泡损坏导致内部电路损坏。光电接受管选用BPW34，接收范围波长350nm～1100nm，可有效的采集血液变化情况，电路增益约80dB。人体脉搏范围为30次/分至200次/分之间，即0.5Hz至3.33Hz之间，为有效去除噪声保留有效频带，带通滤波频率范围0.05Hz至15Hz之间。
在本实施例中，心电传感器的电极连接线缆、血压传感器连接线缆、温度传感器连接线缆、血氧传感器的连接线缆及设备供电线缆均采用电磁屏蔽线连接。通过采用屏蔽线连接减小传感器信号电缆的共模电流。
在本实施例中，该装置还包括：模拟电源，使用模拟电源作为电源供给，模拟电源通过π型低通滤波连接，经过滤波后为第一、第二、第三微控制单元供电，在抑制输入噪声的同时，减小设备高频信号经电源线的耦合、传导向外的辐射。
在本实施例中，该装置还包括：模拟地、数字地、电源地，三者分开走线，并单点连接，增加去耦合网络。同时加宽地线宽度，尽量缩短长度，对于大面积敷铜的区域，多加过穿孔；在设计时，减小时钟线的环路面积，所有时钟线靠近接地平面并控制线长，为限制时钟线与线路板IO口引出线耦合，时钟电路布置时远离输入输出线。
在本实施例中，该装置的PCB板均选用多层沉金工艺，采用信号流向方式布局，减小信号回流路径。对关键模拟信号(耳脉搏波、心电、体温)进行地线隔离保护，放大器、滤波器等模拟电路使用模拟电源供电，控制器、存储器等数字器件使用数字电源供电，模拟地与数字地隔离，在供电处使用π滤波网络共地。
在本实施例中，在20G加速度的条件下采集人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号。例如：在20G加速度的使用条件下，该装置在结构上采用拉紧式的模块化设计，既方便安装拆卸又满足力学特性的要求；对结构材料选型和结构构型设计，避免了应力集中，提高了结构刚度，加强整套设备的抗力学性能；在通孔和螺钉孔处寻求合理的排列形式，减少峰值应力；在结构件受拉表面不设计缺口；合理布局印制板上的元器件，对外形尺寸较大的元器件和明线采用点胶、绑扎等加固措施；对安装在结构体上的元器件采取压条、灌胶等加固措施，以增大结构阻尼，提高抗力学性能。
在本实施例中，装置内的数据接口采用航空插头形式，放弃使用标准的医学接口形式，以满足该装置在高载荷加速度、冲击和振动力学环境下的数据采集，防止接口脱落噪声信号采集中断，同时，在设计时，不同生理信号及电源采用不同插口形式防止接口差错，仅以此举例，不以此为限，在实际应用中根据实际需求选择相应的接口。
本发明提供的一种载人离心机人体参数采集装置，人体生理参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC-DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，通过该装置实现载人离心机高载荷加速度条件下和复杂电磁环境干扰下，对人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号多个生理参数稳定、连续采集，从而提高了载人离心机人体参数采集装置的可靠性和抗干扰性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，包括：人体参数采集单元、第一模数转换器、第一微控制单元、光电耦合器、DC-DC压降变换器、第二微控制单元、第二模数转换器、第三微控制单元，其中，
人体参数采集单元，用于采集人体生理参数信号，包括：心电信号、血压信号、体表温度信号、血氧信号及耳脉搏波信号；
所述第一微控制单元，用于接收血压信号、体表温度信号及经第一模数转换器转换后的数字心电信号；
第一微控制单元分别经DC-DC压降变换器和光电耦合器，与第二微控制单元连接；所述DC-DC压降变换器和光电耦合器，用于隔离人体生理参数采集前端与第二微控制单元后端；
所述第二微控制单元，用于处理血氧信号；将第一微控制器与第三微控制单元进行数据通讯；
所述第三微控制单元，用于将接收经第二模数转换器转换后的数字耳脉搏波信号、第二微控制单元的数据，同步后发送给监控终端设备。
2.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，还包括：壳体，所述壳体采用合金材质外壳，壳体的盖板设计台阶，盖板缝隙和装置内功能单元接插件的安装面缝隙通过导电衬垫填充。
3.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，人体参数采集单元包括：心电传感器、温度传感器、血氧传感器及耳脉搏传感器，其中：
心电传感器采集标准3/5心电信号，其内部自带增益调整放大器，低通滤波器；同时复用心电传感器的电极通过胸阻抗法采集血压信号；
温度传感器采集人体的温度信号；
血氧传感器采用红光及红外光交替光源，通过血氧饱和度百分比采集血氧信号；
耳脉搏传感器采用红光及红外光交替光源，通过脑部血液流量，采集全光谱耳脉搏波。
4.根据权利要求3所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，心电传感器的电极连接线缆、血压传感器连接线缆、温度传感器连接线缆、血氧传感器的连接线缆及设备供电线缆均采用电磁屏蔽线连接。
5.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，还包括：模拟电源，模拟电源通过π型低通滤波连接，经过滤波后为第一、第二、第三微控制单元供电。
6.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，还包括：模拟地、数字地、电源地，三者分开走线，并单点连接。
7.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，在20G加速度的条件下采集人体心电、血压、体表温度、血氧及耳脉搏波信号。
8.根据权利要求1所述的载人离心机人体参数采集装置，其特征在于，装置内的数据接口采用航空插头形式。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023087257A1 (zh) * | 2021-11-19 | 2023-05-25 | 徐園植 | 物理扩张血管装置 |
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2020
- 2020-12-08 CN CN202011444613.6A patent/CN112545470A/zh active Pending
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| WO2023087257A1 (zh) * | 2021-11-19 | 2023-05-25 | 徐園植 | 物理扩张血管装置 |
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