CN116350197A - 一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，包括手表、红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块，本发明中，通过采用红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器组合进行心率采集，当光电信号产生的干扰较少时，直接使用光电信号进行心率计算，若光电信号产生的干扰较多时，则判断压电信号的干扰情况，若压电信号的干扰较小则直接丢弃光电信号，使用压电信号进行心率计算，当某个时间段都出现干扰信号的时候，利用出现干扰不同瞬间的特点将光电信号与压电信号进行合成得到一个新的信号进行心率计算，从而大大降低干扰信号对心率监测造成的影响。
Description
技术领域
本发明涉及心率监测技术领域，具体是一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法。
背景技术
心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，一般为60～100次/分，可因年龄、性别或其他生理因素产生个体差异。一般来说，年龄越小，心率越快，老年人心跳比年轻人慢，女性的心率比同龄男性快。心率变化与心脏疾病密切相关，如果心率出现过快或过慢，应及早进行详细检查，心率是最为重要的人体体征信息。
心率的监测主要有两种方法，一种是心电信号法，这种方法类似于心电图，是通过传感器测量心肌收缩的电信号，这种方法准确率很高，另外一种是光电测量法，简单来说就是手表会对我们的手腕部皮肤发射一道光，通过测量反射光的量来判定人的心跳，人的血管充满血液，这些血液可以吸收特定波长的光，手表发射光时，会被这些血液吸收，再通过一定的心率算法结合反射光的量，来展现心跳的状况。
但是上述现有技术中的两种方法都有各自的弊端，光电传感器在强烈的环境光噪声干扰时准确性会变得很差，而压力传感器则在剧烈运动时也会产生较大干扰性，由于信号干扰导致最终监测的心率准确度不高，基于此，我们提出一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法对现有技术进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，包括手表、红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块，其方法步骤如下：
S1：将脉搏波传感器安装于手表上；
S2：收集人体脉搏的光电信号和压电信号；
S3：通过信号采集模块对光电信号和压电分别进行处理；
S4：通过选择光电信号或压电信号来计算心率；
S5：将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，合成新的信号，并利用新的阈值计算出心率；
S6：通过数据存储显示模块显示心率数据，用于人员查看。
作为本发明进一步的方案：所述S1中，首先将红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器安装于手表与人体手腕皮肤接触的面上，使红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器均与人体皮肤接触，从而通过红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器对人体进行监测。
作为本发明再进一步的方案：所述S2中，通过安装好的红外光电容积脉搏波传感器收集人体脉搏的光电信号，通过压力脉搏波传感器收集人体的脉搏波的压电信号。
作为本发明再进一步的方案：所述S3中，通过信号采集模块对光电信号和压电信号分别进行过滤和放大，进而得到相应的光电信号和压电信号。
作为本发明再进一步的方案：所述S4中，根据连续时间段，若光电信号干扰较小选择光电信号计算心率，若光电信号干扰较大则选择压电信号计算心率，计算心率过程如下：①采样数据1取绝对值x1(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率、采样数据2取绝对值x2(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率；②绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于阈值thres1的点p1，则在区间[p1，p2]上搜索幅值大于thres1的点的数量cnt1，其中p2、p1为点的索引值，且p2与p1的时长间距为0.1秒，如果cnt1/(p2–p1)大于阈值thres2，thres2＝0.5，则将[p1,p2]区间上幅值最大点定义为一个峰值点，然后，从p2+1点继续采用上述方法向前搜索，如此循环直到差分绝对值信号abs_d_x1结束位置时停止搜索；此过程将获得若干个峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点；③在心电信号x1(n)上以集合A中各峰值点为中心的领域，即区间[ai–d，ai+d]上搜索最大幅值点，这些点即为R波顶点，其中ai表示集合A＝{a1,a2,…}中任意一峰值点的相应索引值，d为正整数；④计算相邻两R波顶点的时间间隔T，由T可以换算得到一个瞬时心率，对所有瞬时心率求平均，即可得到该时长L秒内的平均心率，其中T的单位为秒。
作为本发明再进一步的方案：所述S5中，当某个时间段两个信号都有较强干扰信号(即瞬时心率数据不平稳)时，将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，信号合成后得到一个新的信号(峰值振幅为之前采集数据的两倍)，进而利用新的阈值计算出心率，其实现方式为：通过将采样数据x1(n)与x2(n)的绝对值进行相加运算得到x3(n),新的绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于2*thres1的点p1，得到新的峰值点集合峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点，进而计算心率。
作为本发明再进一步的方案：所述S5中，通过计算得到的人体心率数据，并通过数据存储显示模块对数据进行存储，且通过数据存储显示模块将心率数据在手表上进行显示，从而使人员在手表上可以查看监测的心率数据。
作为本发明再进一步的方案：所述手表可以佩戴在人员的手腕上，所述红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块均设置于手表上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过采用红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器组合进行心率采集，当光电信号产生的干扰较少时，直接使用光电信号进行心率计算，若光电信号产生的干扰较多时，则判断压电信号的干扰情况，若压电信号的干扰较小则直接丢弃光电信号，使用压电信号进行心率计算，当某个时间段都出现干扰信号的时候，利用出现干扰不同瞬间的特点将光电信号与压电信号进行合成得到一个新的信号进行心率计算，从而大大降低干扰信号对心率监测造成的影响，进而大大保证了心率监测的准确度。
附图说明
图1为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法的方法流程图。
图2为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法中的信号采集示意图。
图3为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法的S3中进行信号处理计算心率的示意图。
图4为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法中某段时间正常情况下心率信号的示意图。
图5为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法中某段时间异常心率数据信号的示意图。
图6为提升心率监测准确度的智能手表的实现方法中两组心率信号进行相加操作的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1～6，本发明实施例中，一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，包括手表、红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块，其方法步骤如下：
S1：将脉搏波传感器安装于手表上；
S2：收集人体脉搏的光电信号和压电信号；
S3：通过信号采集模块对光电信号和压电分别进行处理；
S4：通过选择光电信号或压电信号来计算心率；
S5：将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，合成新的信号，并利用新的阈值计算出心率；
S6：通过数据存储显示模块显示心率数据，用于人员查看。
S1中，首先将红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器安装于手表与人体手腕皮肤接触的面上，使红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器均与人体皮肤接触，从而通过红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器对人体进行监测。
S2中，通过安装好的红外光电容积脉搏波传感器收集人体脉搏的光电信号，通过压力脉搏波传感器收集人体的脉搏波的压电信号。
S3中，通过信号采集模块对光电信号和压电信号分别进行过滤和放大，进而得到相应的光电信号和压电信号。
S4中，根据连续时间段，若光电信号干扰较小选择光电信号计算心率，若光电信号干扰较大则选择压电信号计算心率，计算心率过程如下：①采样数据1取绝对值x1(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率、采样数据2取绝对值x2(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率；②绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于阈值thres1的点p1，则在区间[p1，p2]上搜索幅值大于thres1的点的数量cnt1，其中p2、p1为点的索引值，且p2与p1的时长间距为0.1秒，如果cnt1/(p2–p1)大于阈值thres2，thres2＝0.5，则将[p1,p2]区间上幅值最大点定义为一个峰值点，然后，从p2+1点继续采用上述方法向前搜索，如此循环直到差分绝对值信号abs_d_x1结束位置时停止搜索；此过程将获得若干个峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点；③在心电信号x1(n)上以集合A中各峰值点为中心的领域，即区间[ai–d，ai+d]上搜索最大幅值点，这些点即为R波顶点，其中ai表示集合A＝{a1,a2,…}中任意一峰值点的相应索引值，d为正整数；④计算相邻两R波顶点的时间间隔T，由T可以换算得到一个瞬时心率，对所有瞬时心率求平均，即可得到该时长L秒内的平均心率，其中T的单位为秒。
S5中，当某个时间段两个信号都有较强干扰信号(即瞬时心率数据不平稳)时，将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，信号合成后得到一个新的信号(峰值振幅为之前采集数据的两倍)，进而利用新的阈值计算出心率，其实现方式为：通过将采样数据x1(n)与x2(n)的绝对值进行相加运算得到x3(n),新的绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于2*thres1的点p1，得到新的峰值点集合峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点，进而计算心率。
S6中，通过计算得到的人体心率数据，并通过数据存储显示模块对数据进行存储，且通过数据存储显示模块将心率数据在手表上进行显示，从而使人员在手表上可以查看监测的心率数据。
手表可以佩戴在人员的手腕上，红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块均设置于手表上，从而通过红外光电容积脉搏波传感器及压力脉搏波传感器组合进行心率采集实现低功耗的智能手表。
实施例1
红外光电容积脉搏波传感器主要由两部分组成包括发光二极管和光电探测器，利用LED灯发出黄、绿、红不同波长的光，经过皮肤组织的投射、反射，由光电探测器对所获得的光信号转化成电信号，对数据进行处理、分析，实现对人体的心率、心率变异性、血氧饱和度、乳酸阈值等生理信号进行监测和分析，当在强烈的环境光噪声干扰时，严重影响光电传感器提取生理信息的准确性。
压力脉搏波传感器采用压电薄膜，压电薄膜作为一种动态应变传感器，其非常适合应用于人体皮肤表面的生命信号监测，其灵敏度足以隔着外套探测出人体脉搏和呼吸心跳等生命特征，但是当人在进行运动时，其手臂的动作会产生较多的干扰信号影响心率的计算，
当光电信号产生的干扰较少时，直接使用光电信号进行心率计算，若光电信号产生的干扰较多时，则判断压电信号的干扰情况，若压电信号的干扰较小则直接丢弃光电信号，使用压电信号进行心率计算，当光电信号和压电信号在某一时间段都产生了干扰时，由于采集方式不同，产生的干扰时间点不同，而心率时间是相同的，将两个信号进行合成，从而得到一个幅值较大且干扰相对减弱的信号，利用这个信号进行心率计算，从而利用信号的干扰性强度进行信号选择计算心率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，包括手表、红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块，其特征在于：其方法步骤如下：
S1：将脉搏波传感器安装于手表上；
S2：收集人体脉搏的光电信号和压电信号；
S3：通过信号采集模块对光电信号和压电分别进行处理；
S4：通过选择光电信号或压电信号来计算心率；
S5：将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，合成新的信号，并利用新的阈值计算出心率；
S6：通过数据存储显示模块显示心率数据，用于人员查看。
2.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S1中，首先将红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器安装于手表与人体手腕皮肤接触的面上，使红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器均与人体皮肤接触，从而通过红外光电容积脉搏波传感器和压力脉搏波传感器对人体进行监测。
3.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S2中，通过安装好的红外光电容积脉搏波传感器收集人体脉搏的光电信号，通过压力脉搏波传感器收集人体的脉搏波的压电信号。
4.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S3中，通过信号采集模块对光电信号和压电信号分别进行过滤和放大，进而得到相应的光电信号和压电信号。
5.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S4中，根据连续时间段，若光电信号干扰较小选择光电信号计算心率，若光电信号干扰较大则选择压电信号计算心率，计算心率过程如下：①采样数据1取绝对值x1(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率、采样数据2取绝对值x2(n)，其中n＝1，1、2、…、f*L，f为信号采样频率；②绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于阈值thres1的点p1，则在区间[p1，p2]上搜索幅值大于thres1的点的数量cnt1，其中p2、p1为点的索引值，且p2与p1的时长间距为0.1秒，如果cnt1/(p2–p1)大于阈值thres2，thres2＝0.5，则将[p1,p2]区间上幅值最大点定义为一个峰值点，然后，从p2+1点继续采用上述方法向前搜索，如此循环直到差分绝对值信号abs_d_x1结束位置时停止搜索；此过程将获得若干个峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点；③在心电信号x1(n)上以集合A中各峰值点为中心的领域，即区间[ai–d，ai+d]上搜索最大幅值点，这些点即为R波顶点，其中ai表示集合A＝{a1,a2,…}中任意一峰值点的相应索引值，d为正整数；④计算相邻两R波顶点的时间间隔T，由T可以换算得到一个瞬时心率，对所有瞬时心率求平均，即可得到该时长L秒内的平均心率，其中T的单位为秒。
6.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S5中，当某个时间段两个信号都有较强干扰信号(即瞬时心率数据不平稳)时，将光电信号与压电信号进行采样数据集数组相加操作，信号合成后得到一个新的信号(峰值振幅为之前采集数据的两倍)，进而利用新的阈值计算出心率，其实现方式为：通过将采样数据x1(n)与x2(n)的绝对值进行相加运算得到x3(n),新的绝对值信号从起始位置点开始搜索，当遇到幅值大于2*thres1的点p1，得到新的峰值点集合峰值点的集合A＝{a1,a2,…}，a1、a2……分别表示各峰值点，进而计算心率。
7.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述S5中，通过计算得到的人体心率数据，并通过数据存储显示模块对数据进行存储，且通过数据存储显示模块将心率数据在手表上进行显示，从而使人员在手表上可以查看监测的心率数据。
8.根据权利要求1所述的提升心率监测准确度的智能手表的实现方法，其特征在于：所述手表可以佩戴在人员的手腕上，所述红外光电容积脉搏波传感器、压力脉搏波传感器、信号采集模块、中央处理单元和数据存储显示模块均设置于手表上。
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