CN113729669A - 一种ppg脉搏波模拟仪 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PPG脉搏波模拟仪，包括主机、仿真手腕和智能终端，所述仿真手腕包括仿真主体和光线入射窗口，在光线入射窗口内沿光线入射路径依次设置遮光环、减光片、分光片、液晶光阀和反射片，光路周边设置黑色吸光层，所述智能终端通过USB或BT与主机通讯连接，所述仿真手腕与主机可拆卸式连接，在主机上设有用于插入仿真手腕的凹槽，在凹槽和仿真手腕连接位置分别设有对应连接的金属触点、以及对应连接的磁吸件，所述仿真主体内设有连接液晶光阀的控制电路，表面设有触点连接指示灯。本申请可用于对各类型可穿戴健康设备的PPG指标进行检测，通过对光路的反射、透射控制，较为真实地模拟出手腕的光学特性，检测结果贴近实际情况。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴设备检测技术领域，具体地，涉及一种PPG脉搏波模拟仪。
背景技术
光体积变化描记图法(Photoplethysmography，PPG)是一种可以无创检测人体脉搏、血氧饱和度等生理参数的技术，被广泛应用于医疗器械、智能手表等健康产品中。它的工作原理是向人体发射特定光线，经过人体组织对该光线的吸收、反射和透射后，光传感器获取由人体返回的光信号并转换为电信号，通过算法对电信号进行分析处理并提取对应的生理参数。
正常情况下，光线作用于肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织时，它们对光的吸收是基本不变，而对于照射到动脉血管的光线，由于血管内的血液是动态的，且会随心搏发生周期性变化，会导致光线被调制，光传感器输出的信号是上述两种不同性质光线叠加后的结果，前者决定了输出信号中的DC分量，后者决定了输出信号中的AC分量。
随着可穿戴健康产品的技术及市场规模飞速发展，越来越多的可穿戴产品中应用了PPG技术，为了评价相关产品的质量，必然需要其进行PPG指标检测。目前的PPG指标检测采用的是PPG血氧模拟仪，其原理为：PPG血氧模拟仪接收待检测产品发出的光信息并转化为相应的电信号，然后根据需要模拟的人体脉搏情况调制该信号，最后将调制过的电信号再转化成光信号，返回待检测产品，通过对产品计算出的生理参数和PPG血氧模拟仪中设置的模拟参数进行比较，判断待检测产品使用时的检测精度。但该方法存在以下缺陷：
1、可穿戴健康产品在使用过程中所接收到的光信号是其本身发出光线经过人体组织加工处理后的结果，属于相同光源，而通过PPG血氧模拟仪检测时，接收到的光信号是PPG血氧模拟仪自身调制后发出的，属于不同光源，因此不能真实模拟出产品的实际应用场景，产品质量检测结果不精准。
2、PPG血氧模拟仪的光源为红光和红外光，而大多数可穿戴健康产品(如智能手表等)最常采用的光源为绿光，所以PPG血氧模拟仪无法实现对大部分依赖绿光进行脉搏检测的智能手表的PPG指标检测，该方法的实际应用范围较小。
3、PPG血氧模拟仪是针对血氧饱和度的场景模拟而设计的，因此不能设置受干扰、基线漂移、运动伪差等情况下的脉搏波仿真，同时，设计理念不同也导致成本和售价较高，不利于广泛使用。
综上所述，行业内需要一种应用范围广、场景模拟真实度高的对可穿戴健康产品进行PPG指标检测的新技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种PPG脉搏波模拟仪，通过较为真实地模拟人体生理结构的光学特性提高PPG指标检测的精准度。本申请的技术方案如下：
一种PPG脉搏波模拟仪，包括主机和人体仿真结构，所述人体仿真结构包括仿真主体和光线入射窗口，在所述光线入射窗口内沿光线入射路径依次设置减光片、分光片、液晶光阀和反射片，所述主机与人体仿真结构电连接，在所述仿真主体内设有连接液晶光阀的控制电路。
对于本申请技术来说，可同时实现对血管脉动的光学性质模拟以及对不同肤色的光学性质模拟。具体地，1、由于反射片的反射量固定，可通过控制液晶光阀的透光量控制反射光的反射量，并由主机内部的精准时钟实现对液晶光阀透光量及透光变化频率的精准控制，模拟血管脉动的光学性质；2、减光片与分光片可分别对波长400～1100nm的光起到一定透射比的减光与分光作用，因此，通过不同透射比的组合形式，可模拟出不同肤色和不同组织、骨骼的光学性质。
在一些具体的实施例中，在所述光线入射窗口的入口处还设有遮光罩。
在一些具体的实施例中，所述光线入射窗口的内壁上设置黑色吸光层。
在一些具体的实施例中，还包括智能终端，所述智能终端上设有人机交互界面，所述智能终端通过USB或BT与主机通讯连接。
在一些具体的实施例中，所述人体仿真结构为仿真手腕。
在一些具体的实施例中，所述光线入射窗口与仿真主体可拆卸式连接；或者所述减光片、分光片均与光线入射窗口可拆卸式连接。
在一些具体的实施例中，所述人体仿真结构与主机可拆卸式连接。
在一些具体的实施例中，所述主机上设有用于插入固定人体仿真结构的凹槽，在所述凹槽内及人体仿真结构的插入端分别设有对应连接的金属触点。
在一些具体的实施例中，在所述凹槽内以及人体仿真结构的插入端的对应位置分别设有磁吸件或卡扣组件。
在一些具体的实施例中，在所述主机上还设有用于显示金属触点是否正常接触的指示灯。
本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、本申请用于对智能手表、手环等通过PPG技术进行脉搏测量的设备进行PPG指标检测，通过对光路的反射控制模拟出较为真实的检测环境，且同时引入了DC分量和AC分量，更贴近人体结构对光线的加工处理过程，提高了检测结果的精度。
2、本申请提供的PPG脉搏波模拟仪利用了待检测产品本身的光源，因此针对市场上现有的产品，无论其用于PPG测量的是绿光、红光、红外光还是其他波长，均可适用，实用性强。
3、本申请将主机与仿真手腕设计成磁吸式分离结构并采用金属触点连接方式，便于更换仿真手腕，以模拟不同情况下的产品应用场景，拆卸时便捷、安装时稳固。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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为本申请实施例所提供的PPG脉搏波模拟仪的连接示意图；
图2为图1中主机和仿真手腕的结构示意图；
图3为图2中光线入射窗口的结构示意图；
图4为图3中液晶光阀和反射片的结构示意图；
图中：01智能手表，1、主机，11、凹槽；2、仿真手腕，21、仿真主体，22、光线入射窗口，23、遮光罩，24、减光片，25、分光片，26、液晶光阀，27、反射片，28、黑色吸光层；3、智能终端，4、金属触点，5、磁吸件。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，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它实施例，均属于本申请保护的范围。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。
实施例
参见图1，一种PPG脉搏波模拟仪，包括主机1、人体仿真结构和智能终端3，所述智能终端3通过USB或BT与主机1通讯连接，所述主机1与人体仿真结构电连接。所述人体仿真结构基于待检测产品的实际佩戴位置进行设计，由于本实施例中的待检测产品为智能手表01，因此所述人体仿真结构具体为仿真手腕2。所述智能终端3可以是PC、笔记本、平板或手机，在智能终端3上运行控制程序，它通过有线或无线的方式连接主机1，对主机1发出命令，控制测试环境和参数，主机1的作用是驱动仿真手腕，它按命令控制仿真手腕2内部的光路反射条件，实现人体仿真。被测的智能手表01戴在仿真手腕2上，通过观察智能终端3上设定的测试参数以及智能手表01的显示输出，实现对智能手表01的PPG检验。
参见图2～图4，所述仿真手腕2包括仿真主体21以及设置在仿真主体21上的光线入射窗口22，在所述光线入射窗口22内设置由减光片24、分光片25、液晶光阀26和反射片27沿光线入射路径依次排布形成的光学结构，在所述仿真主体21内设有连接液晶光阀26的控制电路。
所述智能手表01设置在光线入射窗口22处，通过控制该光学结构的反射程度模拟人体在不同状态下的光学特性。其中，液晶光阀26和反射片27模拟血管脉动的光学性质，即AC分量，减光片24和分光片25模拟不同肤色及肌肉骨骼等的光学性质，即DC分量。
假定入射光强度为I0，液晶光阀26透射度为B，由于选择的反射片27的反射率接近100％，可视为基本无能量损失，故光线两次通过液晶光阀26后，理论上接收到的反射光强度I为：
I＝I0×B2 (1)
当然，若选择的反射片在反射过程中存在不可忽视的能量损失，反射片的反射率为A，则反射光强度I为：
I＝I0×B2×A
从公式(1)中可以看出，仅由反射片27和液晶光阀26配合形成的光学结构得到的反射光中仅有AC分量而没有DC分量，其结果就是不能仿真人体手腕，因此本申请在光路中增加了分光片25。
假定分光片25的分光比为M/N(M+N＝100)，即M％的光线穿过分光片，N％的光被分光片反射回来，此时公式(1)可表达为(因强度迅速衰减，忽略多次反射的效果)：
I＝I0×N％+I0×M％2×B2 (2)
通过合理选择分光比例，可控制DC与AC的比例，达到接近人体手腕光学特性的目的。
不同肤色的皮肤，对入射光的吸收不同，其吸收的性质表现为对光线的衰减，因此，为了模拟不同肤色的皮肤，在光路上还必须用减光片24来衰减入射光，假定减光片24的透光比例为K％，此时公式(3)可表达为：
I＝I0×N％×K％+I0×M％2×B2×K％ (3)
不同肤色对光的衰减率差别很大，为了较为精密地模拟人体手腕，必须针对不同的肤色使用不同型号的减光片。
由于模拟过程中必须避免环境光的干扰，必须针对光路做好遮光处理，因此，在光线入射窗口22的入口处增加环形的遮光罩23；且在光路上为了消除光的干涉，还在光学结构的四周(即光线入射窗口22的内壁上)设置黑色吸光层28。
在本实施例中，所述遮光罩23采用高密度黑色海绵材料，且部分嵌入式安装在光线入射窗口的进光端的环形槽内。所述减光片24的衰减比例为10～90％，覆盖波长范围为400～1100nm。所述分光片25的分光比例为20/80(透射量/反射量)到80/20之间，覆盖波长范围为400～1100nm。所述反射片27采用固定反射率的材料，覆盖波长范围为400～1100nm波长，反射率视为100％。
由于需要模拟不同肤色及肌肉骨骼的光学性质，需要对减光片24和分光片25进行更换。在另一些实施例中，可采用光线入射窗口22与仿真主体21可拆卸式连接的方式，或者采用减光片24、分光片25均与光线入射窗口22可拆卸式连接的方式，但考虑到光学镜片本身较为脆弱，更换操作不便，因此，在本实施例中，我们采用仿真手腕2与主机1可拆卸式连接的方式。
具体地，在主机1中心位置设有一个用于插入固定人体仿真结构的圆形凹槽11，所述凹槽11的直径比仿真手腕2插入端的直径大1～5mm，以便于更换仿真手腕2。在所述凹槽11和仿真手腕2的连接位置处设有若干对应连接的金属触点4，其中，位于凹槽11底面的金属触点为四个凸起且具有弹性的金属探针，而位于仿真手腕2底面的金属触点为四个对应金属探针设计的金属片结构，金属探针与金结构因凹凸式结构设计可实现紧密接触。
在本实施例中，为了在便于对主机1与仿真手腕2进行拆装的同时确保二者在连接时稳固，将仿真手腕2与主机1的连接方式设计为磁吸式分离结构，即在凹槽11底面和仿真手腕2底面分别设置磁极相反的永磁体作为磁吸件5，根据磁极异级相吸原理，当仿真手腕2与凹槽11处于一定范围内时，仿真手腕2会自动吸附在凹槽11内且紧密接触。在另一些实施例中，也可用卡扣组件代替磁吸件。
在本实施例中，在所述主机1上还设有用于显示金属触点是否正常接触的指示灯。当金属触点4正常接触时，主机的绿灯亮起，反之则主机的红灯亮起，起到指示报警的作用，操作便捷，具有防呆功能，可实现对电路的保护。
本实施例中的PPG脉搏波模拟仪的工作过程如下：
步骤1)启动主机1，确保主机1与智能终端3通信正常，主机1与仿真手腕2连接正常；
步骤2)通过智能终端3向主机1发送命令，主机1收到相关命令后控制液晶光阀27的透射度及变化频率，进行脉动仿真；
步骤3)将智能手表正确放置在仿真手腕2上，使其发射光对准光线入射窗口22，智能手表开始工作并以一定的标准测量脉率值；
步骤4)将主机模拟的脉率值与智能手表最终测量的脉率值进行对比，如果两者间差值符合检测标准，则智能手表的PPG指标检测合格；
步骤5)可根据需要更换不同的仿真手腕，或在数据中叠加光干扰、运动伪差、基线漂移等仿真数据，以模拟真实情况。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，包括主机(1)和人体仿真结构，所述人体仿真结构包括仿真主体(21)和光线入射窗口(22)，在所述光线入射窗口(22)内沿光线入射路径依次设置减光片(24)、分光片(25)、液晶光阀(26)和反射片(27)，所述主机(1)与人体仿真结构电连接，在所述仿真主体(21)内设有连接液晶光阀(26)的控制电路。
2.根据权利要求1所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，在所述光线入射窗口(22)的入口处还设有遮光罩(23)。
3.根据权利要求2所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，所述光线入射窗口(22)的内壁上设置黑色吸光层(28)。
4.根据权利要求3所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，还包括智能终端(3)，所述智能终端(3)上设有人机交互界面，所述智能终端(3)通过USB或BT与主机(1)通讯连接。
5.根据权利要求4所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，所述人体仿真结构为仿真手腕(2)。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，所述光线入射窗口(22)与仿真主体(21)可拆卸式连接；或者所述减光片(24)、分光片(25)均与光线入射窗口(22)可拆卸式连接。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，所述人体仿真结构与主机(1)可拆卸式连接。
8.根据权利要求7所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，所述主机(1)上设有用于插入固定人体仿真结构的凹槽(11)，在所述凹槽(11)内以及人体仿真结构的插入端分别设有对应连接的金属触点(4)。
9.根据权利要求8所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，在所述凹槽(11)内以及人体仿真结构的插入端的对应位置分别设有磁吸件(5)或卡扣组件。
10.根据权利要求9所述的PPG脉搏波模拟仪，其特征在于，在所述主机(1)上还设有用于显示金属触点是否正常接触的指示灯。
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