CN114287891A - 智能指夹式监护仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能指夹式监护仪，所述监护仪包括多个感知单元，被配置为感知指尖部位并产生多种类型的人体生理信号；前端采集模块，被配置为采集多种类型的人体生理信号数据；计算模块，被配置为对所述多种类型的人体生理信号数据进行分析和处理。通过多波段的光谱分析、基于干式电极的单导联ECG测量、高精度的接触式\非接触式温度测量、局部湿度测量、皮肤阻抗分布测量等测量手段，形成新一代的具备多模式、多参数采集能力、智能化和集成化的智能指夹式监护仪方案。

Description

智能指夹式监护仪

技术领域

本申请涉及健康监护技术领域，尤其涉及一种智能指夹式监护仪。

背景技术

现有的指夹式监护设备主要分为以下两类：

第一类，家用的小型化一体式设备，集成了传感、显示及计算能力，其主要功能局限于测量心率和血氧浓度。此类设备一般配备单一物理按键和一块小型双色OLED显示屏，启动后自动对用户的指尖部位进行脉搏波光电测量，在5s左右的测量时间内显示测量结果，其血氧测量范围一般是70%-99%，精度能够达到±2%-3%。

第二类，医用监护仪设备，其指夹部分仅包含传感器，显示、计算、存储等功能集成于相对较大的台式设备上。

上述两类形态的设备中的指夹部分的信息采集能力都相对单一，并且不具备智能化、物联网化的功能。而且由于其测量数据的单一性，无法支撑更先进的智能健康监测算法的不断升级演进。

其实，在指尖部位能够获取的有价值的数据不仅仅是脉搏波，通过多波段的光谱分析、基于干式电极的单导联ECG测量、呼吸率测量、高精度的接触式\非接触式温度测量、局部湿度测量、皮肤阻抗分布测量等诸多测量手段，均可获得对于高阶算法来说有重要意义的数据。尤其是随着机器学习技术的快速发展，多模式的数据配合算法模型的强大拟合能力，才能形成新一代的智能化、集成化、综合化的监护功能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种智能指夹式监护仪，采用了如下技术方案：

本申请的提供了一种智能指夹式监护仪，所述监护仪包括：

多个感知单元，被配置为感知指尖部位并产生多种类型的人体生理信号；

前端采集模块，被配置为采集多种类型的人体生理信号数据；

计算模块，被配置为对所述多种类型的人体生理信号数据进行分析和处理。

优选地，所述多个感知单元包括反射式光电测量传感器、心电电极、接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极、血糖试纸测试电极或湿度感知元件。

优选地，所述前端采集模块包括多模式前端采集模块，被配置为与反射式光电测量传感器和心电电极电连接，采集光电容积脉搏波描记和心电图。

优选地，所述前端采集模块包括阻抗及电化学测量前端采集模块，被配置为与皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极和血糖试纸测试电极电连接，采集皮肤电反应、电阻抗成像和血糖数据。

优选地，所述前端采集模块包括数字温湿度前端采集模块，被配置为与接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆和湿度感知元件电连接，采集人体指尖部位的温度和湿度数据。

优选地，所述监护仪还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括屏幕和按键。

优选地，所述监护仪还包括电源管理模块，所述电源管理模块可以通过USB接口或电池向监护仪供电。

优选地，所述监护仪还包括接口模块，所述接口模块可以包括标准SPI、Dual SPI或Quad SPI。

优选地，所述监护仪还包括通信模块，所述通信模块可以包括射频通信基带，以实现蓝牙通信功能。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

基于以上技术方案可知，本申请提供的一种智能指夹式监护仪，通过多波段的光谱分析、基于干式电极的单导联ECG测量、高精度的接触式\非接触式温度测量、局部湿度测量、皮肤阻抗分布测量等诸多测量手段，形成新一代的具备多模式、多参数采集能力、智能化和集成化的智能指夹式监护仪方案。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请实施例提供的智能指夹式监护仪模块示意图。

图2是本申请实施例提供的另一种智能指夹式监护仪模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是本申请实施例提供的智能指夹式监护仪模块示意图。

本申请实施例提供的智能指夹式监护仪包括感知单元、前端采集模块、计算模块、通信模块、电源管理模块、接口模块和人机交互模块。

感知单元用于从人体指尖部位感知多种类型的人体生理信号，感知单元可以是光电二极管、生物电电极、电阻、电容以及温湿度感知单元，这些信号可是光电信号、生物电信号、阻抗信号、电流信号等，以满足PPG、ECG、GSR及体温采集等应用场景的需求。

前端采集模块包括灵活多变的信号调理电路及驱动电路，用于搭配多种不同外部电路实现光电采集、生物电采集、阻抗采集、电流检测等多种应用，对来自多种感知单元的不同信号进行数据采集。前端采集模块能够作为一个集成式的感知单元汇集端，同步采集光电二极管、生物电电极、电阻、电容以及温湿度感知单元产生的各类输入信号。这一特点使其能够集成化的满足PPG、ECG、GSR及体温采集等应用场景的需求。

计算模块用于对所述多种类型的人体生理信号数据进行分析和处理。计算模块主要组成CPU、RAM和Flash。在一些实施例中，使用ARM Cortex-M4F作为其计算核心，内部集成了高速时钟和RTC振荡器。同时，芯片内部也集成了多组DC/DC、LDO电源组合，支持一定范围内的宽电压输入范围，例如，可以为1.7V-5.5V，能够用锂电池直接供电。上述特点极大的简化了该计算模块的外部电路需求。

计算模块中集成了若干的浮点计算单元，可为本设计中来自多种感知单元的信号数字处理需求提供支持。计算模块内部提供了适当容量Flash及RAM，并提供了高速接口Quad SPI用于挂载外部Flash芯片，以满足本方案的程序设计需求，应当理解，接口也可以为其他类型，例如，可以为标准SPI或Dual SPI。

通信模块内部可以包括集成2.4GHz射频及通信基带，配合多种通信协议栈，能够在高度集成化的系统设计条件下使用蓝牙5、蓝牙Mesh、ANT+以及NFC等多种通信能力，其通信能力可支持蓝牙Long Range标准，同时速率最大可支持2Mbps，使得本申请实施例提供的智能指夹式监护仪成为有蓝牙通信需求的可穿戴设备或小型IoT设备，可以满足将测量数据传输至外部终端或云平台。

电源管理模块用于为整个系统提供供电，可以由电池供电或者USB供电，同时USB可以提供充电功能。

人机交互模块可以包括屏幕或按键。

优选地，屏幕可以为墨水屏，黑白双色点阵屏幕，内部集成了门缓冲、源缓冲、接口时序控制逻辑、晶振、SRAM、DC-DC等驱动屏幕所需的外围电路。屏幕仅在刷新时消耗电能，待机时可实现零功耗，进一步保障了该指夹方案的长时间监测能力。屏幕还可支持局部刷新。

优选地，按键可以包含单一物理按键和4个触摸式导航按键供用户进行人机交互操作。

图2是本申请实施例提供的另一种智能指夹式监护仪模块示意图。

根据感知单元获取生理数据信号的类型分类，感知单元可以包括反射式光电测量传感器、心电电极、接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极、血糖试纸测试电极和湿度感知元件。

相应地，根据感知单元的获取生理数据信号的类型不同，前端采集模块可以包括多模式前端采集模块、阻抗及电化学测量前端采集模块和数字温湿度前端采集模块。

其中，反射式光电测量传感器和心电电极分别与多模式前端采集模块电连接；皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极和血糖试纸测试电极分别与阻抗及电化学测量前端采集模块电连接；接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆和湿度感知元件与数字温湿度前端采集模块器电连接。

反射式光电测量传感器用于采集多波段的光谱分析用信号，其位置位于指夹内侧下表面，用户使用时，传感器表面轻贴指尖。反射式光电测量传感器的典型配置为2路绿光波段（510nm-560nm）用于脉搏相关测量，1路红光波段（610nm-700nm）和1路红外波段（大于800nm）用于血氧测量。可支持4路LED驱动，并可同时开启2路驱动。考虑到可穿戴这类低功耗需求，应尽可能在同等的驱动电流下获取更大的光电流效率，所以要尽力避免光路上带来的损耗，同时也要在结构上避免多LED及PD之间形成的串扰，LED优选辐射角度在60°左右的器件。针对不同应用类别，可选单波段的独立LED器件或者集成多个波段的LED模组。

心电电极实现干性电极条件下单导联（I导联）心电测量，LA电极和RA电极分别位于指夹外侧上表面及内侧上下表面。内侧电极使用柔性导电布材料，测量时环绕紧贴用户手指，外侧上表面电极则需用户用另一侧手指接触。

干性电极带来的主要挑战在于较高的接触阻抗以及较高的过电压。高接触阻抗可通过提高放大器的输入阻抗解决，而过电压问题一般通过引入驱动电极为被测人体提供偏置电压来进行抵消。

另外，还可以采用与测量前端断开的RC电路对被测电势进行跟随，然后对极短时间内的电容放电的电荷转移进行测量。

采样电容的选择取决于需要达到的信噪比，以及为了在采样间隔期间形成充分充电所需的时间常数τ=2RC。为保证在采样时能够在电容两端获得与ECG差分电压成比例的电荷量，需使采样间隔大于3τ。经过足够的电荷积累，在采样时刻短时（例如，2us）接通电容与后续测量通路，实现电荷向积分器的转移，进而使用ADC进行采样。此工作模式下，在断路电容采样过程中，后续放大电路及ADC均处于断电状态，既有效的减小了整体测量的功耗，同时也减小了噪声的引入。

本方案集成了两者的优势，使用一定输入阻抗的运算放大器作为输入缓冲，同时采样使用上述方式二的电容悬浮采样原理，以达到干电极ECG采集的最优信噪比，并且能够做到及低功耗。

心电电极对还可以复用被作为呼吸率电极对，使产品的结构形态能够最小化。由于心电电极对所接采集电路有极高的输入阻抗，对于呼吸率测量使用的激励电流产生的分流作用极小，对测量结果的精度影响可忽略不计。

皮电反应测量电极对用于使用柔性导电布电极通过伏安法测量，导电布位于指夹内侧上下表面，环绕紧贴手指皮肤，在指尖和指根对应位置各设置一圈。激励端通过波形生成、DAC和放大电路形成交流激励，频率可以设置在200Hz以内。高频激励会对组织形成更深的穿透，所测并非皮肤表面的阻抗。同时避免使用直流激励，以避免使电极发生极化对人体组织带来潜在伤害风险。两端电极均串联限流电阻及隔直电容。

电阻抗成像测量电极用于实现电阻抗成像得到阻抗特性，通过外部电极施加一定的电激励（例如，低频电流），由表面不同位置的电极测得的电参量（例如，电位分布）信息，用一定的计算方法来重构目标内部的阻抗或其变化的分布图像。电阻抗成像技术作用于人体时，主要根据人体不同组织所具有的不同阻抗特征，来实现病理现象或生理活动的监测。其使用的各个电极以弹簧触点的方式安装在指夹的外侧下表面。谐和度测量使用直流激励进行。直流信号源发生的激励信号，通过人体电阻产生电流，多个（例如，16个）激励点阵电极与1个公共电极形成测量通路，构建多个点的电阻分布图。每个激励点工作下，接收侧的等效电流通过对地采样电阻产生电压，对个点电压进行采样和处理，获取到人体内电磁场耗散结构上的整体信息，然后通过算法得到人体谐和度指标。通过配置不同的对地采样电阻，以及不同的激励电压，可用来适应不同的被测量人员皮肤接触阻抗的区别。

血糖试纸测试电极用于进行微创血糖测量，用来配合多电极电化学法，实现微创与无创结合测量，全面提升血糖检测的精度和便利性。

接触式体温测量热导棒用于使用附着NTC热敏电阻的热导棒进行指尖温度测量。热导棒安装于弹性装置上，在用户插入手指后导热棒一段能够紧贴手指皮肤。NTC电阻针对体温测量适用的温度范围（例如，35℃-42℃），响应曲线具有适中的斜率，可实现高精度测量。

非接触式体温测量热电堆用于使用红外热电堆进行非接触式体温测量，热电堆的位置位于指夹内侧下表面，采用悬空方式焊接于PCB上，保证与其他元件有较佳的热隔离关系。其工作方式是将热辐射转化为电压输出。物体表面产生的辐射能随物体表面温度的增加而增长。热电堆根据这一关系实现非接触的精确温度测量。其在物理上基于塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体材质在不同温度下形成电压差的物理效应。

热电堆的输出电压取决于多个不同因素，其中包括：被测物体温度

,被测物体的辐射系数

，环境温度

，仪器因数

以及透光率矫正参数

。

由于真实值是热电堆测量值与器件本体温度的差值，因此可以采用其他测温方法例如NTC热敏电阻测量热电堆的本体温度。

湿度感知元件用于测量人体指尖部位的湿度信息，以满足无创血糖算法的需求。其位置位于指夹内侧上表面。测量值单位为%RH，变化范围在0%RH到100%RH之间，代表了感知元件周围环境中的湿空气中，水蒸气质量与相同温度及气压下的饱和湿空气中所含水蒸气质量之比。

反射式光电测量传感器和心电电极分别与多模式前端采集模块电连接。

多模式前端采集模块具有对口多种类型信号的调理电路及驱动电路，能够搭配不同外部电路实现光电采集、心电采集、温度采集等多种应用。支持为多路（例如，8路）LED提供电流激励，并提供多路（例如，8路）测量通道。内部的时序管理电路可自动形成多个（例如，12个）独立的时隙，分别对不同的信号进行数据采集。其数字接口可以采用SPI形式。

多模式前端采集模块可以采用小型晶圆级封装，以搭配低功耗计算模块构成可穿戴的小型化、集成化的生理指标监测方案。

多模式前端采集模块中模拟采集设计可以为同步调制式，能够有效的屏蔽非同步干扰引入的信号偏置及失真，在光电采集场景中即能够有效地起到环境光抑制作用，减少光学滤波或外部的直流信号消除电路等设计负担。

多模式前端采集模块作为一个集成式的感知单元汇集端，同步采集光电二极管、心电电极产生的各类输入信号。这一特点使其能够集成化的满足PPG、ECG、GSR及体温采集等应用场景的需求。

皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极和血糖试纸测试电极分别各自与阻抗及电化学测量前端采集模块电连接。

阻抗及电化学测量前端采集模块适用于移动小型化设备的高精度、低功耗对精度有较高要求的电化学测量及阻抗分析场景。阻抗及电化学测量前端采集模块具有2套高精度的检测激励环路和一个共用的测量通道。其中一个环路由极低功耗的双输出DAC、低功耗低噪声的等电势器以及低功耗跨阻放大器（TIA）构成。DAC一路输出控制等电势的正相输入端，另一路控制TIA的正相输入端。该环路能够提供低频激励。另一个环路由高速DAC、激励放大器和高速TIA构成，该回路能够提供高频激励。

在一些实施例中，阻抗及电化学测量前端采集模块的测量通道为一个16-bit800kSPS的SAR ADC。其前端包含了输入缓冲器、抗混叠滤波以及可编程增益放大器（PGA）。输入多路复用器可将多路信号送入ADC进行信号采集，输入通路包括了外部电压输入、外部电流输入、内部供电电压、片上温度以及参考电压。模块内提供了高精度基准源，能够保证内部的ADC和DAC工作在极低温漂的高精度环境中。该模块数字接口采用SPI，内部集成FIFO，可用于采集结果的缓存以及采集指令的存储。通过一系列的采集指令，该芯片能够在脱离MCU控制的情况下自行完成复杂的序列化采集工作，可减轻计算模块的I/O负担。

接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆和湿度感知元件与数字温湿度前端采集模块电连接。

数字温湿度前端采集模块内部集成了ADC采集单元、校准信息存储、信号调理单元及数字接口。能够将温湿度测量数据通过适当接口（例如，I2C接口）提供给计算模块。其可在较大范围（例如，-40℃-125℃）内提供高精度（例如，±0.1℃）温度测量，并且在0%RH-100%RH的范围内提供高精度湿度测量（例如，±1.5%RH）。在1Hz的测量频率下平均工作电流可低至1.7uA，以满足本申请测量系统低功耗、小型化的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种智能指夹式监护仪，其特征在于，所述监护仪包括：

多个感知单元，被配置为感知指尖部位并产生多种类型的人体生理信号；

前端采集模块，被配置为采集多种类型的人体生理信号数据；

计算模块，被配置为对所述多种类型的人体生理信号数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述多个感知单元包括反射式光电测量传感器、心电电极、接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极、血糖试纸测试电极或湿度感知元件。

3.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述前端采集模块包括：

多模式前端采集模块，被配置为与反射式光电测量传感器和心电电极电连接，采集光电容积脉搏波描记和心电图。

4.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述前端采集模块包括：

阻抗及电化学测量前端采集模块，被配置为与皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极和血糖试纸测试电极电连接，采集皮肤电反应、电阻抗成像和血糖数据。

5.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述前端采集模块包括：

数字温湿度前端采集模块，被配置为与接触式体温测量热导棒、非接触式体温测量热电堆和湿度感知元件电连接，采集人体指尖部位的温度和湿度数据。

6.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述监护仪还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括屏幕和按键。

7.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述监护仪还包括电源管理模块，所述电源管理模块可以通过USB接口或电池向监护仪供电。

8.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述监护仪还包括接口模块，所述接口模块可以包括标准SPI、Dual SPI或Quad SPI。

9.根据权利要求1所述的监护仪，其特征在于，所述监护仪还包括通信模块，所述通信模块可以包括射频通信基带，以实现蓝牙通信功能。

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