CN112790740A - 可拓展的穿戴式中医脉诊手环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，包含手环结构、拓展功能模块和远程终端，手环结构、拓展功能模块分别从用户手腕上采集健康数据，拓展功能模块采集的健康数据输入手环结构后和手环结构采集的健康数据一起发送给远程终端；远程终端对收到的健康数据进行分析，得出用户健康状态。本发明在穿戴式手环的基础上，拓展功能模块可以使手环具有中医脉诊的功能，由于手环并不需要时刻具有脉诊功能，且用户单日脉诊频率不高，本发明以拓展功能模块的形式，可以增加用户的体验性；未搭载脉诊模块时，用户可以将其作为普通手环使用，搭配脉诊模块即可进行中医脉诊，从而实现更多健康信息的采集和分析，促进了智慧医疗的发展。
Description
技术领域
本发明属于中医诊疗技术，具体涉及一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环。
背景技术
中医，是中国传统文化的重要组成部分，脉诊是中国古代医学的核心。
在中医诊断学中，脉诊被归类为一种特殊的诊断方法，其主要是借助手指的感觉对脉搏的特征进行相应的分析，从而对人体的脏腑是否存在异常进行相应的判断，该诊断是一种不对人体造成创伤的诊断，对于诊断、治疗疾病具有很高的价值。
随着现代科学技术的发展，使得越来越多的新技术引入了医疗领域，中医脉象仪的产生解决了中医脉诊的客观化和科学化的问题，但目前已有的脉象仪多数停留在实验阶段，部分临床使用的脉象仪因为体积、功耗以及功能单一等原因，不便于携带和使用，难以得到全面的推广。
为了解决上述问题，结合当前主流的穿戴式技术，设计一款功能拓展性中医脉诊手环，该设计将手环和脉诊作为两部分进行设计，在功能上，手环可以作为常规的穿戴式手环一样使用，而在需要时，加装脉诊模块，从而实现脉诊功能，同时，数据通过手环发送给手机，通过本地或者远程分析，达到心血管疾病的预测作用。进而实现更多复杂的功能，从而为更多健康信息的采集奠定基础。
发明内容
为解决现有的脉诊手环功能单一、体积较大等问题，本发明目的在于提供一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，降低手环功耗，实现更多的拓展功能，促进智慧医疗的发展。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，包含手环结构5、拓展功能模块2和远程终端，手环结构5、拓展功能模块2分别从用户手腕上采集健康数据，拓展功能模块2采集的健康数据输入手环结构5后和手环结构5采集的健康数据一起发送给远程终端；远程终端对收到的用户健康数据进行分析，得出用户健康状态。
优选地，手环结构5与拓展功能模块2之间有配对的UART接口8，通过该UART接口8手环结构5与拓展功能模块2之间进行数据通信。
优选地，拓展功能模块2包括脉搏传感器、调理电路、AD转换电路、主控制板、电机驱动器和电机；
脉搏传感器安装在电机的螺旋杆的端部，用于采集脉搏数据；
调理电路被配置为对从脉搏传感器输入的脉搏数据进行信号放大滤波、模数转换后传输给主控制板；
主控制板将数字化的脉搏数据发送到手环结构5上；主控制板控制电机驱动器的电压输出，再由电机驱动器直接控制电机正反转，电机旋转带动螺旋杆移动，从而实现脉搏传感器的前进后退，对用户的手腕部分进行加减压。
优选地，手环结构5包含主体，以及主体二侧的腕带6，腕带6与拓展功能模块2之间采用卡扣式连接结构进行连接。
优选地，手环结构5的一侧腕带6上设置拓展底座7，拓展底座7与腕带6通过拓展底座中的缝隙连接，根据不同的手腕尺寸调整另一侧腕带6在拓展底座7上的相对位置，提供合适的预紧压力。
优选地，手环结构5的内部容纳有主板4，主板4上包括重力传感器、心率传感器、MCU和通信模块；
重力传感器被配置为测量用户加速力，并将加速力转化为电信号传输给MCU；
心率传感器被配置测量用户心率，并将心率转化为电信号并传输给MCU；
MCU用于对加速力进行计算分析，得到用户的行走步数；MCU内部还设有中断处理，使得扩展功能模块的健康数据与MCU得到的行走步数和心率相继通过通信模块传输给远程终端。
优选地，主板4上还包含LED灯控制模块，LED灯控制模块包含LED灯和LED驱动芯片；MCU根据是否有拓展功能模块2接入手环结构5控制LED驱动芯片输出不同电压，从而使LED灯显示不同颜色，表明手环连接状态。
优选地，手环结构5内部的主板4上还包含电量检测模块，电量检测模块根据电池的电量调整输出的电压，MCU根据电量检测模块输出的电压控制LED驱动芯片输出电压变化，从而使LED灯显示不同颜色，表明剩余电量。
优选地，主板4上还包含马达控制模块，马达控制模块包含线性马达和MOS管，线性马达放置在面向手腕一面；MCU控制MOS管的通断，继而控制马达振动，实现事务提醒。
优选地，通信模块采用BLE与远程终端通信。
本发明的有益效果在于：
本发明结合中医脉诊与当下流行的穿戴式设备，设计一款功能可拓展的中医脉诊手环。可以作为常规手环使用，如监测运动，睡眠情况，事务提醒等，并且有专门的远程终端与用户进行交互。在需要的时候，通过在手环上装配拓展功能模块2，拓展功能模块2将采集的健康数据等通过手环发给远程终端，从而实现了更加复杂的功能。对比现有的脉象仪，整个装置是一体设计，某些功能并不是频繁使用，这使得整个装置便携性很差，且使用传统蓝牙进行通信，导致真个装置在待机功耗等方面相当差。每一个脉象仪都是一个单一的功能，每个脉象仪间，很多硬件资源和软件资源都是重复使用的，故现有的脉象仪也造成了软硬件资源的冗余，并且增加了开发门槛。基于脉象仪缺点，本发明提供了功能可拓展的中医脉诊手环，其中，手环作为拓展功能模块2的载体，脉诊功能作为拓展功能模块2的代表，为拓展功能模块2开发其它功能提供参考。
本发明采用分离式结构，手环和扩展功能模块通过滑槽等进行配合。手环和脉诊模块可以分开使用，这样就增加了整个装置的便携性。在常规使用时，可以只使用手环部分，作为普通的手环进行使用。在需要时，装配拓展功能模块2，从而与手环成为一个整体，实现更加复杂的功能。避免了现有脉象仪一体式结构，导致便携性较差。
本发明引入穿戴式设备前沿的通信技术，低功耗蓝牙。使用BLE与上位机通信，相比于传统蓝牙进行通信，BLE通信的待机功耗从mA级降低到uA级，待机时间大大增加，这也符合穿戴式设备在待机方面的要求。同时，手环和模块在硬件设计上都自成一套系统，可以独立运行，这也增加了整个装置功能的灵活性
本发明的扩展功能模块仅需要实现自己需要的功能，将数据通过UART发送给手环即可。这也降低了现有脉象仪间的冗余度。模块和手环之间通过自定义的协议进行通信，这样在后续的拓展模块开发过程中，只要遵循自定义协议，开发人员就可以只注重开发需要的功能即可，不需要再考虑传输问题。同时，脉诊模块使用带MCU的开发板进行开发，该平台彻底将传统的寄存器配置全部掩盖掉，开发人员不需要再关注繁琐的寄存器配置，可直接开始设计业务逻辑，降低模块设计的门槛。
本发明将手环结构5、拓展功能模块2和远程终端的程序分开设计，用户可以根据需要安装对应的软件。手环软件实现了基础的手环功能，拓展功能软件则主要实现专一的功能，加压、采集和分析数据。远程软件则用算法库进行脉波分析，这在技术上也为后续引入更多的算法奠定基础。
附图说明
图1是实施例所示可拓展的穿戴式中医脉诊手环的结构示意图。
图2是实施例所示可拓展的穿戴式中医脉诊手环的电路结构示意图。。
图3是实施例所示的手环结构上主板的电路结构示意图。
图4是实施例所示的拓展功能模块的电路结构示意图。
标号说明：1——电机；2——拓展功能模块；3——固定卡槽；4——主板；5——手环结构；6——腕带；7——拓展底座；8——UART接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例所示的一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，包括：手环结构5、拓展功能模块2和远程终端。
远程终端可以是手机、电脑等具有计算功能的设备。远程终端与手环结构5进行通信。
拓展功能模块2提供的功能可以包含脉诊、心电监测、电子钥匙、智能语音等，可以根据需要选择其中一个功能或多个功能放入拓展功能模块2。手环结构5与拓展功能模块2之间有配对的UART接口8，通过该UART接口8手环结构5与拓展功能模块2之间进行数据通信。拓展功能模块2将采集到的健康数据通过手环结构5的内部主板4发送给远程软件进行分析和显示，远程软件可以运行在电脑、手机等设备上。
本实施例以脉搏数据作为健康数据对拓展功能模块2进行举例说明，其它健康数据的采集可以参考脉博数据进行设计。参见图4所示，在本实施例中拓展功能模块2包括脉搏传感器、调理电路、AD转换电路、主控制板、电机驱动器和电机1。
脉搏传感器安装在电机的螺旋杆的端部，用于采集用户的脉搏数据，将用户的脉搏波信号转变为正比于输入压力的毫伏级电压输出给调理电路。
调理电路被配置为对从脉搏传感器输入的脉搏数据进行信号放大滤波，采用多级放大，抑制零点漂移，提高共模抑制比，降低元器件的功耗，采用带通滤波对信号进行滤波去噪后传输给AD转换电路进行模数转换后再传输给主控制板。
主控制板，使用Arduino开发板，脱离了寄存器的配置，几乎所有功能都由上层库调用，可以降低功能开发的难度，主控制板将数字化的健康数据通过UART接口8发送到手环结构5上。
作为脉诊功能的需要，主控制板控制电机驱动器的电压输出，再由电机驱动器直接控制电机1正反转。在本实施例中电机1使用两相四线推杆步进电机，可以提供足够的输出扭矩，通过螺旋传动，电机旋转带动螺杆移动，从而实现脉搏传感器的前进后退，实现对用户手腕部分的加减压。
手环结构5包含主体，以及主体二侧的腕带6。腕带6与拓展功能模块2之间采用卡扣式连接结构3进行连接，以便手环结构5与拓展功能模块进行拆卸和装配。由于脉诊过程需要提供取脉压力，在手环结构5的一侧腕带6上设置拓展底座7，拓展底座7与腕带6通过拓展底座中的缝隙连接，可以根据不同的手腕尺寸调整另一侧腕带6在拓展底座7上的相对位置，为脉诊提供合适的预紧压力。优选地，手环结构5的外壳选择韧性材料。
参见图3所示，手环结构5的内部容纳有一套电路板，包括系统电源和主板4等。主板4上包括重力传感器、心率传感器、MCU和通信模块等。
重力传感器被配置为测量用户加速力，并将加速力转化为电信号并传输给MCU。
心率传感器被配置测量用户心率，并将心率转化为电信号并传输给MCU。；
MCU用于对加速力进行计算分析，得到用户的行走步数，可以满足用户日常穿戴手环计步使用。MCU内部还设有中断处理，使得扩展功能模块的健康数据与MCU得到的行走步数和心率相继通过通信模块传输给远程软件。
通信模块通过IO配置实现数据通信。本实施例作为举例说明，通信模块采用BLE4.0进行无线通信，将拓展功能模块2的健康数据和MCU上的数据传输至远程终端，降低手环功耗。
手环结构5内部的主板4上还包含LED灯控制模块，LED灯控制模块包含LED灯和LED驱动芯片。MCU根据UART接口8上是否有拓展功能模块2接入控制LED驱动芯片输出不同电压，从而使LED灯显示不同颜色，表明手环连接状态。
手环结构5内部的主板4上还包含电量检测模块，电量检测模块主要为四分之一的分压电路，根据电池的电量调整输出的电压。当电池的电量变小时，电量检测模块输出的电压也变小。MCU根据电量检测模块输出电压控制LED驱动芯片输出电压变化，从而使LED灯显示不同颜色，表明剩余电量。
手环结构5内部的主板4上还包含马达控制模块，马达控制模块包含线性马达和MOS管，线性马达放置在面向手腕一面。线性马达导通电流较高，使用MOS管作为功率放大电路，串联电阻以调节马达震动强度，MOS管输入端的下拉电阻保证在重启手环瞬间马达保持静止，MCU上电后引脚为高电平，MOS处于导通状态，从而使马达存在短暂的震动。MCU根据用户在远程软件中设定的规则，控制MOS管的通断，继而控制马达振动，实现事务提醒和闹钟等功能。
手环结构5内部的主板4上还包含充电电路，充电电路由充电芯片和相应的电子元气件组成，充电电路能够向MCU提供否正在充电(CHG_STATE)和是否插入充电器(PG_STATE)的信息，充电电流可控，预充电与快速电流比例可控，且即使电源反接，也不会损坏系统。
系统电源，考虑到拓展功能模块2的使用频率与手环的不同，拓展功能模块2和手环结构5分别使用独立电源，未搭载拓展功能模块2的手环结构5可以正常使用，拓展功能模块2也可以与其他用户的手环结构5进行连接。
可拓展的穿戴式中医脉诊手环的软件分为手环软件、拓展功能软件和远程软件，分别运行在手环结构5上的MCU、拓展功能模块2上的主控制板以及远程终端上，三者各自独立工作。
手环软件实现手环的正常通常通信、心率检测、前进步伐计算等功能，通过通信模块，手环软件可以与远程软件进行信息交换，从而完成相应的功能。手环软件包括：
硬件初始化，对手环结构5中需要用到的所有硬件资源进行初始化。部分硬件配置参数可以由远程软件通过通信模块传递给手环软件，如初始化LED灯和输出化UART外设等；
协议栈初始化，对蓝牙协议栈进行初始化，实现BLE连接；
连接初始化，初始化连接相关参数，如初始化GAP参数、设备名、外围设备连接首选参数；
服务初始化，初始化手环用到的相关服务，保证BLE通信和数据处理；
广播初始化，设置广播类型、需要广播的UUID、标志、扫描响应数据；
数据流分析，完成初始化，当接收到设备的连接请求，远程终端连接到手环结构5并等待“事件”的发生；
OTA升级，通过OTA升级，可以对手环内部的单片机程序进行升级。
拓展功能软件对获取的健康数据进行解析处理，并通过手环结构5发送到远程终端上进行分析。以脉诊功能为例，可以对电机驱动进行中断控制，在电机中断时执行采集任务，由于脉诊分析需要的计算量较大，因此将脉诊分析放到远程软件上进行，从而得到准确的用户健康状态和病理特征。拓展功能软件包含：
外设初始化，将拓展功能模块2的硬件资源进行初始化，并设置中断周期；
采集脉搏数据，硬件资源初始化以后，中断周期被触发时采集脉搏信号；
驱动电机指令，驱动电机运行，并在中断周期被触发时，微处理器输出控制信号到电机驱动器，驱动电机运动，从而脉搏传感器贴近用户的脉搏，实现精确的加压采集脉搏波；
通信协议，定义了扩展功能模块与手环的基本通信协议。
远程软件用于结合手环结构5和拓展功能模块2采集到数据进行分析，从而获得用户的健康信息。例如将拓展功能模块2采集到的脉搏数据和手环结构5采集到心率数据进行分析，可以得到基于脉搏特征的用户健康状态。
综上，本发明的可拓展的穿戴式中医脉诊手环，结合当下穿戴式设备的快速发展，降低手环功耗，提高中医脉诊的客观化，解决现有的脉诊设备功能单一的问题，同时，脉诊手环有利于用户的日常心血管健康监测，大大降低了居民日常医疗保健消费成本，使用功能拓展模块可以使用户根据自己的需求调整手环的功能。总的来说，本发明的中医脉诊手环工作可靠、功能可拓展，既满足了用户对于穿戴式设备、心血管监测设备的需要，又极大地促进了智慧医疗的发展。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优势。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，包含手环结构(5)、拓展功能模块(2)和远程终端，其特征在于：
手环结构(5)、拓展功能模块(2)分别从用户手腕上采集健康数据，拓展功能模块(2)采集的健康数据输入手环结构(5)后和手环结构(5)采集的健康数据一起发送给远程终端；
远程终端对收到的健康数据进行分析，得出用户健康状态。
2.根据权利要求1所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：手环结构(5)与拓展功能模块(2)之间有配对的UART接口(8)，通过该UART接口(8)手环结构(5)与拓展功能模块(2)之间进行数据通信。
3.根据权利要求1所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：拓展功能模块(2)包括脉搏传感器、调理电路、AD转换电路、主控制板、电机驱动器和电机；
脉搏传感器安装在电机的螺旋杆的端部，用于采集脉搏数据；
调理电路被配置为对从脉搏传感器输入的脉搏数据进行信号放大滤波、模数转换后传输给主控制板；
主控制板将数字化的脉搏数据发送到手环结构(5)上；主控制板控制电机驱动器的电压输出，再由电机驱动器直接控制电机正反转，电机旋转带动螺杆移动，从而实现脉搏传感器的前进后退，对用户的手腕部分进行加减压。
4.根据权利要求1所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：手环结构(5)包含主体，以及主体二侧的腕带(6)，腕带(6)与拓展功能模块(2)之间采用卡扣式连接结构进行连接。
5.根据权利要求4所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：在手环结构(5)的一侧腕带(6)上设置拓展底座(7)，拓展底座(7)与腕带(6)通过拓展底座中的缝隙连接，根据不同的手腕尺寸调整另一侧腕带(6)在拓展底座(7)上的相对位置，提供合适的预紧压力。
6.根据权利要求1所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：手环结构(5)的内部容纳有主板(4)，主板(4)上包括重力传感器、心率传感器、MCU和通信模块；
重力传感器被配置为测量用户加速力，并将加速力转化为电信号传输给MCU；
心率传感器被配置测量用户心率，并将心率转化为电信号并传输给MCU；
MCU用于对加速力进行计算分析，得到用户的前进步伐；MCU内部还设有中断处理，使得扩展功能模块的健康数据与MCU得到的前进步伐和心率相继通过通信模块传输给远程终端。
7.根据权利要求6所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：主板(4)上还包含LED灯控制模块，LED灯控制模块包含LED灯和LED驱动芯片；MCU根据是否有拓展功能模块(2)接入手环结构(5)控制LED驱动芯片输出不同电压，从而使LED灯显示不同颜色，表明手环连接状态。
8.根据权利要求7所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：手环结构(5)内部的主板(4)上还包含电量检测模块，电量检测模块根据电池的电量调整输出的电压，MCU根据电量检测模块输出的电压控制LED驱动芯片输出电压变化，从而使LED灯显示不同颜色，表明剩余电量。
9.根据权利要求6所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：主板(4)上还包含马达控制模块，马达控制模块包含线性马达和MOS管，线性马达放置在面向手腕一面；MCU控制MOS管的通断，继而控制马达振动，实现事务提醒。
10.根据权利要求6所述一种可拓展的穿戴式中医脉诊手环，其特征在于：通信模块采用BLE与远程终端通信。
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