CN114041762A - 一种水下人体体征监测可穿戴装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下人体体征监测可穿戴装置，包括穿戴组件、增益单元、水下吸收计算模块、增益计算单元、增益调整单元、体征参数计算单元、三个不同波长的光源和用于一一对应地吸收前述光源发出光束的三个光敏传感器；增益单元用于调整三个不同波长的光源的光束强度；水下吸收计算模块与三个传感器连接，根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态。本发明根据三条光谱的吸收比例，计算出水膜的厚度，同时计算出各自波长的增益系数，提高监测数值的稳定性，尤其适合水中人体体征监测。

Description

一种水下人体体征监测可穿戴装置和监测方法

技术领域

本发明涉及人体体征监测技术领域，具体而言涉及一种水下人体体征监测可穿戴装置和监测方法。

背景技术

目前基于光电传感器用于可穿戴设备数据采集已经有了相关专利和产品，例如专利号为CN110393514B的发明中提出了一种可穿戴设备及光电式脉搏传感组件，公开了心率及血氧饱和度等参数的检测精度，专利号为CN 105943005 B的发明中公开了一种基于光电绿光脉搏与心电图混合的无创血压检测装置，提出了基于光电容积脉搏波PPG的计算血压的技术。相关的技术和产品应用于正常环境中，已经能达到应用水平，例如心率准确率达到1～5Bpm，血氧准确率达到1％～5％，血压准确率达到8mmHg，已经大量应用于消费产品和部分医用产品中。

然后目前的技术对静止状态，和轻微的运动状态精度较高，在强烈运动和水中运动会有较大的误差。例如，在对游泳运动员的状态监测时，一方面由于处于运动状态，传感器和皮肤的距离和位置随着运动会有较大的波动，另外由于游泳运动的特殊性，手环类穿戴设备会有时在水中，有时在空气中。在水中时一方面皮肤遇水后，透过率和反射率会有影响，另一方面空气中传感器和皮肤间有一层空气间隙，但在水中时空气间隙会填充水，由于光在水中的随着波长的吸收率会有较大的差异。传统的可穿戴设备直接用于该场景将会带来较大误差。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种水下人体体征监测可穿戴装置和监测方法，根据三条光谱的吸收比例，计算出水膜的厚度，同时计算出各自波长的增益系数，提高监测数值的稳定性，尤其适合水中人体体征监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提及一种水下人体体征监测可穿戴装置，所述可穿戴装置包括穿戴组件，以及安装在穿戴组件上的增益单元、水下吸收计算模块、增益计算单元、增益调整单元、体征参数计算单元、三个不同波长的光源和用于一一对应地吸收前述光源发出光束的三个光敏传感器；

所述三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收；所述增益单元用于调整三个不同波长的光源的光束强度；

所述水下吸收计算模块与三个传感器连接，根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；所述增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态；

所述体征参数计算单元用于根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

进一步地，所述三个光源分别为绿光光源、红光光源和红外光光源。

进一步地，所述三个光源的波长分别为525nm、660nm和940nm。

进一步地，所述体征参数包括心率和血氧。

进一步地，所述三个光源安装在穿戴组件临近皮肤组织的侧面的中心位置处，三个光源之间的连线构成等边三角形。

进一步地，所述水下吸收计算模块计算光源与皮肤之间的水膜厚度的过程包括以下步骤：

获取第t时刻三个光源的发射光束强度a_t、b_t和c_t，以及相应的三个光敏传感器的吸收光束强度A_t、B_t和C_t；

分别计算有水膜和无水膜设定下的光源与皮肤之间的空隙厚度预估值：

式中，

和

分别是三种不同波长的光源的空气吸收系数，

和

分别是三种不同波长的光源的水吸收系数；l_1，t，a、l_1，t，b和l_1，t，c分别是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；l_2，t，a、l_2，t，b和l_2，t，c分别是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；ε_a，t、ε_b，t和ε_c，t分别是第t时刻三个光源的增益系数；

分别计算l_1，t，a、l_1，t，b、l_1，t，c的第一方差σ_1t和l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c的第二方差σ_2t：

式中，

是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

当

小于

时，判断光源和皮肤之间存在水膜，将

作为水膜厚度。

进一步地，所述增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数是指：

结合l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c与其平均值之间的差值，在各自增益系数允许范围内调整三个光源的增益系数，使第二方差的取值最小。

进一步地，所述穿戴组件包括手表外壳、表盘、显示屏和腕带；表盘安装在手表外壳正上方，腕带连接在手表外壳两侧；显示屏安装在表盘的中心区域，用于显示体征参数计算单元计算得到的体征参数。

第二方面，本实施例还提及一种基于前述水下人体体征监测可穿戴装置的监测方法，所述监测方法包括以下步骤：

采用增益单元调整三个不同波长的光源的光束强度；

驱使三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收；

根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；

根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态；

根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

本发明的有益效果是：

本发明能够根据三条光谱的吸收比例，计算出水膜的厚度，同时计算出各自波长的增益系数，调整光源的发光增益，或提升传感器的增益，提高监测数值的稳定性，尤其适合水中人体体征监测。

附图说明

图1是本发明实施例的水下人体体征监测可穿戴装置的原理示意图。

图2是本发明实施例的不同厚度水膜的光谱透过率。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

图1是本发明实施例的水下人体体征监测可穿戴装置的原理示意图。该可穿戴装置包括穿戴组件，以及安装在穿戴组件上的增益单元、水下吸收计算模块、增益计算单元、增益调整单元、体征参数计算单元、三个不同波长的光源和用于一一对应地吸收前述光源发出光束的三个光敏传感器。

三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收；所述增益单元用于调整三个不同波长的光源的光束强度。

水下吸收计算模块与三个传感器连接，根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；所述增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态。

体征参数计算单元用于根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

本实施例并不限制可穿戴装置的种类，为了便于说明，仅以常见的腕表为例对技术方案进行详细描述。具体的，穿戴组件包括手表外壳、表盘、显示屏和腕带；表盘安装在手表外壳正上方，腕带连接在手表外壳两侧；显示屏安装在表盘的中心区域，用于显示体征参数计算单元计算得到的体征参数。

体征参数包括心率和血氧，三个光源可以相应的选择绿光光源、红光光源和红外光光源。例如将三个光源的波长分别设定为525nm、660nm和940nm。在本实施例中，利用绿光光源测量心率，以及利用红光光源和红外光光源测量血氧可以采用现有技术中的测量方法，此部分测量方法不是本申请的保护重点，在此不再赘述。

为了使三个光源与皮肤之间的空隙厚度尽可能一致，可以将三个光源安装在穿戴组件临近皮肤组织的侧面的中心位置处，三个光源之间的连线构成等边三角形。

以游泳为例，当用户在游泳时，在设备和皮肤间有一层水膜，采用525nm绿光测量PPG时，同时采用660nm红光和940nm红外光测血氧，如图2所示，不同厚度的水膜对不同波长吸收率会不一样。理论上，可以通过计算吸收率对测量参数进行修正。然而，在一次测量过程中需要考虑三个光路，从光源到皮肤的发射路径、皮肤组织内部的反射路径和皮肤到传感器的接收路径，再根据不同路径的光吸收度去修正测量参数，很明显，无论是路径长度还是修正过程，运算量大且相当复杂，因此，前述技术方案的实时性和实用性均较低。

针对前述问题，本实施例提出了新的构想，由于本实施例的最终目的其实并不是计算空隙的精确厚度，而是如何解决不同水膜导致的测量值不精确的问题，本实施例提出，可以借由判断是否存在水膜，以及根据水膜的估算厚度来调整不同光源的增益系数，继而确保测量结果的稳定性。

具体的，前述水下吸收计算模块计算光源与皮肤之间的水膜厚度的过程包括以下步骤：

步骤1，获取第t时刻三个光源的发射光束强度a_t、b_t和c_t，以及相应的三个光敏传感器的吸收光束强度A_t、B_t和C_t。

步骤2，分别计算有水膜和无水膜设定下的光源与皮肤之间的空隙厚度预估值：

式中，

和

分别是三种不同波长的光源的空气吸收系数，

和

分别是三种不同波长的光源的水吸收系数；l_1，t，a、l_1，t，b和l_1，t，c分别是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；l_2，t，a、l_2，t，b和l_2，t，c分别是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；ε_a，t、ε_b，t和ε_c，t分别是第t时刻三个光源的增益系数。

步骤3，分别计算l_1，t，a、l_1，t，b、l_1，t，c的第一方差σ_1t和l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c的第二方差σ_2t：

式中，

是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

步骤4，兰

小于

时，判断光源和皮肤之间存在水膜，将

作为水膜厚度。反之，判断光源和皮肤之间只有空气，无需调整光源的增益系数。

进一步地，增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数是指：结合l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c与其平均值之间的差值，在各自增益系数允许范围内调整三个光源的增益系数，使第二方差的取值最小，确保因水膜导致的测量误差值最小。

实施例二

在前述水下人体体征监测可穿戴装置的基础上，本实施例提出一种水下人体体征监测方法，该监测方法包括以下步骤：

S1，采用增益单元调整三个不同波长的光源的光束强度。

S2，驱使三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收。

S3，根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度。

S4，根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态。

S5，根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

本实施例根据三种波长传感器检测是否在水中，是否传感器与皮肤间存在水膜；当检测到有水膜时，三种传感器根据水的吸收比例进行增益调整，或对应比例的增加发射功率，提升有水情况下的检测精度。本实施例适合在水中的空气中使用，根据三条光谱的吸收比例，计算出水膜的厚度，同时计算出各自波长的增益系数，保证数值的稳定。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述可穿戴装置包括穿戴组件，以及安装在穿戴组件上的增益单元、水下吸收计算模块、增益计算单元、增益调整单元、体征参数计算单元、三个不同波长的光源和用于一一对应地吸收前述光源发出光束的三个光敏传感器；

所述三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收；所述增益单元用于调整三个不同波长的光源的光束强度；

所述水下吸收计算模块与三个传感器连接，根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；所述增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态；

所述体征参数计算单元用于根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

2.根据权利要求1所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述三个光源分别为绿光光源、红光光源和红外光光源。

3.根据权利要求2所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述三个光源的波长分别为525nm、660nm和940nm。

4.根据权利要求1所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述体征参数包括心率和血氧。

5.根据权利要求1所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述三个光源安装在穿戴组件临近皮肤组织的侧面的中心位置处，三个光源之间的连线构成等边三角形。

6.根据权利要求1所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述水下吸收计算模块计算光源与皮肤之间的水膜厚度的过程包括以下步骤：

获取第t时刻三个光源的发射光束强度a_t、b_t和c_t，以及相应的三个光敏传感器的吸收光束强度A_t、B_t和C_t；

分别计算有水膜和无水膜设定下的光源与皮肤之间的空隙厚度预估值：

式中，

和

分别是三种不同波长的光源的空气吸收系数，

和

分别是三种不同波长的光源的水吸收系数；l_1，t，a、l_1，t，b和l_1，t，c分别是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；l_2，t，a、l_2，t，b和l_2，t，c分别是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度；ε_a，t、ε_b，t和ε_c，t分别是第t时刻三个光源的增益系数；

分别计算l_1，t，a、l_1，t，b、l_1，t，c的第一方差σ_1t和l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c的第二方差σ_2t：

式中，

是无水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

是有水膜设定下三个光源与皮肤之间的空隙厚度的平均值，

当

小于

时，判断光源和皮肤之间存在水膜，将

作为水膜厚度。

7.根据权利要求6所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述增益调整单元根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数是指：

结合l_2，t，a、l_2，t，b、l_2，t，c与其平均值之间的差值，在各自增益系数允许范围内调整三个光源的增益系数，使第二方差的取值最小。

8.根据权利要求1所述的水下人体体征监测可穿戴装置，其特征在于，所述穿戴组件包括手表外壳、表盘、显示屏和腕带；表盘安装在手表外壳正上方，腕带连接在手表外壳两侧；显示屏安装在表盘的中心区域，用于显示体征参数计算单元计算得到的体征参数。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的水下人体体征监测可穿戴装置的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

采用增益单元调整三个不同波长的光源的光束强度；

驱使三个不同波长的光源同时发出一束光束至皮肤组织，透过皮肤组织反射回的光被相应的光敏传感器接收；

根据三个传感器反馈的吸收数据，计算光源与皮肤之间的水膜厚度；

根据计算得到的水膜厚度实时更新三个光源的增益系数，使增益调整单元根据计算得到的增益系数调整增益单元的工作状态；

根据三个光敏传感器接收到的光束强度对体征参数进行实时计算。

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