CN210697620U - 一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，包括手环带和壳体，所述壳体包括上盖和下盖，所述上盖的中部安装有有机玻璃，所述壳体内置电子模块、遮光海绵条、导电片，所述下盖的底壁上安装有USB塞子和出光口透明片，所述导电片位于遮光海绵条的下侧，所述出光口透明片位于导电片的下侧。本方案提出的全自动穿戴式心血管健康诊断手环可用于测量心率、动脉硬化指数、心室收缩功能、血管老化程度、以及血管可能堵塞的情形，此外还有血液流速和脉搏波反弹速度、呼吸数、运动后心跳恢复度、心率变异度、心房颤动，以及上述六种以上心血管健康指标变异度的时域与频域分析，具有使用佩戴方便，操作便捷，测量快速，测量精确的特点。

Description

一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环

技术领域

本实用新型涉及智能电子检测技术领域，尤其涉及一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环。

背景技术

目前市面上的智能穿戴电子设备种类繁多，其中便包括一种穿戴式智能手环，通过智能手环，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板等设备同步，起到通过数据指导健康生活的作用。

但是现有的穿戴式智能检测设备一般具有以下的缺点：检测设备一般可提供心跳数、血压、睡眠检测、GPS路径导航、步数、卡路里消耗等功能的检测或计量，上述技术功能对于个人心血管健康管理或是身心压力的分析存在着不足，此外对于动脉硬化检查来说则必须到医院做X光血管照影，超音波，或动脉硬化检测仪来检测，现有的穿戴式智能检测设备并不具备此类功能，因此需要对现有检测设备的以上缺点进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，包括手环带和壳体，所述壳体包括上盖和下盖，所述上盖的中部安装有有机玻璃，所述壳体内置电子模块、遮光海绵条、导电片，所述下盖的底壁上安装有USB 塞子和出光口透明片，所述导电片位于遮光海绵条的下侧，所述出光口透明片位于导电片的下侧，所述电子模块包括荧幕触控膜、荧幕、蓝牙主板、震动马达、电池、动脉扫描模块电路板，所述动脉扫描模块电路板包括LED、光传感器、接地弹块、第一微处理器、第二微处理器、石英振荡器、导线连接头、连接线、讯号放大器、存储器、晶体管；

所述导电片贯穿开设有第一出光孔和第二进光孔，所述出光口透明片贯穿开设有第二出光孔和第一进光孔，所述第一出光孔与第二出光孔相互对应，所述第二进光孔和第一进光孔相互对应。

优选地，所述遮光海绵条粘贴在动脉扫描模块电路板的底壁上，且遮光海绵条包裹在LED和光传感器的周围，所述LED同时与第一出光孔和第二出光孔同时与第二进光孔和第一进光孔对应。

优选地，所述接地弹块与动脉扫描模块电路板焊接固定，所述接地弹块的底端与导电片相互接触。

优选地，所述导线连接头与连接线相互匹配，所述连接线为6pin 软排线，所述动脉扫描模块电路板通过连接线与蓝牙主板连接。

优选地，所述蓝牙主板与荧幕无线连接，所述蓝牙主板与手机APP 无线连接。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本方案提出的全自动穿戴式心血管健康诊断手环可用于测量心率、动脉硬化指数、心室收缩功能、血管老化程度、以及血管可能堵塞的情形，此外还有血液流速和脉搏波反弹速度、呼吸数、运动后心跳恢复度、心率变异度、心房颤动，以及上述六种以上心血管健康指标变异度的时域与频域分析，具有使用佩戴方便，操作便捷，测量快速，测量精确的特点。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环的整体结构示意图；

图2为本实用新型中壳体的爆炸图；

图3为本实用新型中电子模块的爆炸图；

图4为本实用新型中动脉扫描模块电路板的爆炸图；

图5为本实用新型中导电片的结构示意图；

图6为本实用新型中出光口透明片的结构示意图；

图7为本实用新型的检测流程示意图；

图8为本实用新型所读取的脉搏波波型图；

图9为本实用新型脉搏波讯号处理程序流程图；

图10为本实用新型读取的脉搏波波型图(i)、脉搏波型第一阶导数图(ii)、脉搏波型第二阶导数图(iii)；

图11为本实用新型脉搏波频谱分析图；

图12为本实用新型缩收压实际测量值与参考血压机的测值比较示意图；

图13为本实用新型舒张压实际测量值与参考血压机的测值比较示意图；

图14为本实用新型心跳实际测量值与参考血压机的测值比较图示意；

图15为本实用新型所可以组装成的不同产品型式示意图。

图中：1手环带、2壳体、21上盖、22下盖、3电子模块、31荧幕触控膜、32荧幕、33蓝牙主板、34震动马达、35电池、36动脉扫描模块电路板、361LED、362光传感器、363接地弹块、364第一微处理器、365第二微处理器、366石英振荡器、367导线连接头、3671 连接线、368讯号放大器、369存储器、3610晶体管、4遮光海绵条、 5导电片、51第一出光孔、52第二进光孔、6USB塞子、7出光口透明片、71第二出光孔、72第一进光孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1-7，一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，包括手环带1和壳体2，壳体2包括上盖21和下盖22，上盖21的中部安装有有机玻璃，壳体2内置电子模块3、遮光海绵条4、导电片5，下盖22 的底壁上安装有USB塞子6和出光口透明片7，导电片5位于遮光海绵条4的下侧，出光口透明片7位于导电片5的下侧，电子模块3包括荧幕触控膜31、荧幕32、蓝牙主板33、震动马达34、电池35、动脉扫描模块电路板36，动脉扫描模块电路板36包括LED361、光传感器362、接地弹块363、第一微处理器364、第二微处理器365、石英振荡器366、导线连接头367、连接线3671、讯号放大器368、存储器369、晶体管3610。

导电片5贯穿开设有第一出光孔51和第二进光孔52，出光口透明片7贯穿开设有第二出光孔71和第一进光孔72，第一出光孔51 与第二出光孔71相互对应，第二进光孔52和第一进光孔72相互对应。

遮光海绵条4粘贴在动脉扫描模块电路板36的底壁上，且遮光海绵条4包裹在LED361和光传感器362的周围，LED361同时与第一出光孔51和第二出光孔71对应，光传感器362同时与第二进光孔52 和第一进光孔72对应。

上述遮光海绵条4、导电片5、接地弹块363、出光口透明片7 可共同形成防干扰机构，其中：

遮光海绵条4用于将LED361和光传感器362进行分隔，一方面用于防止LED361的光线直接照射到光传感器362，确保光线完全从出光口透明片7射出，另一方面，可限制周围的杂光对光传感测器362 造成影响。

此外导电片5、接地弹块363可消除人体以及外界的静电对各个元器件的影响。

遮光海绵条4的材料为海绵，此外也可选用其他不导电不透光的材料。

接地弹块363与动脉扫描模块电路板36焊接固定，接地弹块363 的底端与导电片5相互接触。

导线连接头367与连接线3671相互匹配，连接线3671为6pin 软排线，动脉扫描模块电路板36通过连接线3671与蓝牙主板33连接。

蓝牙主板33与荧幕32无线连接，蓝牙主板33与手机APP无线连接。

光传感器362的有效面积为3x3mm^2，LED361的发光面积为 2x3mm^2，光传感器362及LED361的中心相距6.5mm。

由于接地弹块363，导电片5，对讯号噪音降低的效用，还有 LED361与光传感器362的尺寸，及相对位置的排列对提升讯号撷取有帮助，这三项特征增加了光学讯号撷取的精密度，这样更精准的心率讯号才可以演算分析出更多心血管相关的健康指数(血管弹性，动脉硬化指数，脉搏波强度，心室收缩力，余留血量，心率变异度等)，以达诊断装置的准确性。

本实用新型的检测流程大致如下：

步骤一：使用者戴上手环后，通过手机APP或者荧幕等任意一种方式启动测量，启动后，通过LED361发射绿光，光线从下盖22射入人体血管内，然后反射至光传感器362，通过讯号放大器368放大后，通过第一微处理器364和第二微处理器365完成讯号的处理,此过程为单次检测过程；

步骤二：将步骤一中的检测过程继续重复两次，可计算并得到一个平均值；

步骤三：动脉扫描电路板36将步骤二中得到的平均值，通过连接线3671传送至蓝牙主板33；

步骤四：根据启动测量的方式，蓝牙主板33将结果无线传输至手机APP或者荧幕32。

本实用新型中：如图8的脉搏波波型，其中主波a为由心脏(左心室)送出的脉搏波，而反弹波b的形成有两个主要原因，一个为血管壁的反弹，另一个为主动脉由大变成小的分岔所造成的。

如图9，本方案取得使用者的脉搏波原始数据后，再经过滤波处理后，如果进入快速傅立叶(FFT)运算之后，可得脉搏波频谱分析，而从已滤波后之波型可得到心率，再从心率的第一阶微分波型可得第一种血管硬化指数(NSI)及第二种血管硬化指数，脉搏波传导速度 (PWV)，对一次微分结果再做一次微分，则可得脉搏波的第二阶微分波型，由此即可得加速光容积脉搏波(APG)，再从APG可得以下数种心血管相关生理参数，第三种血管硬化指数:血管弹性(AE)、血管老化程度(DPI)、心室收缩功能(EC)、心脏收缩送血后，血管内余留血量(RBV:)、及七种血管可能堵塞的情形。

经过滤波的波型可得血压值，再从血压值的差可得第二种血管硬化指数。

而收集了1分钟以上的心率变化资料之后，可分析得时域与频域的心率变异度(HRV)，而从HRV可得至少10种生理参数，包括自律神经平衡度、呼吸数、AVNN、SDNN、RMSSD、PNN50、totalpower、 VLFpower、HFpower、LF/HF等，利用相同的分析法可对上述加速光容积脉搏波(APG)相关的心血管参数,例如血管弹性(AE)、血管老化程度(DPI)、心室收缩功能(EC)、心脏收缩送血后，血管内余留血量 (RBV)、及血管堵塞情形做一时域与频域的变异度分析。

本创作也可包装成婴幼儿脚环或手环心血管健康监测器以作为婴幼儿心血管健康及呼吸数的监测，可用来预防幼儿猝死。

玆将以上项目分别详述如下:

其中心跳数即由两个波峰间的时间如图8中d,e所算出。而血管硬化指数SI(公尺/秒)在先前的技术中定义为

SI＝身高/T23 (1)

T23定义如图8中c及为主波a与反弹波b之间的时间差。本创作装置与医疗级SA3000P的临床实测值比较，如下表:

表一:本方案产品与医院级仪器实测值比较

可以证实本创作装置的血管硬化、血管弹性值与SA3000P的血管弹性值相关联性高,但本创作发现这个定义需要被修正如下：

第一，T23会受心跳的快慢的影响而失真，即当心跳加快时，血管的硬化程度会被过度高估，所以本创作加入一心跳补偿函数，这个函数可从同一个人在相同PWV或ABI血管硬化测量值，但不同心跳时得出；另一个需要修正的是以单纯的身高做为反弹波传导距离的计算容易引起测量结果的偏差，例如两个人的微细血管的弹性(SI测代表的意义)一样，但如果照式(1)计算，则身高较高者，SI值会偏高，这个可由ABI值(也是测微小血管硬化的)相同，但身高不同的人的SI 值来得到一个修正函数,综合由心跳及身高带来的偏差所得的补偿函数C(q),本创作的硬化指数修正为:

SIN＝h/T23xC(q) (2)

由图10(iii)的波型二阶导数图中各个标示点(a至e)可以求得多项重要心血管参数分述如下:

(1).由数值c/a可得第四种血管硬化指数(AE),这个值越小，表示血管硬化程度越高,(2).由数值b/a可得心室收缩功能(EC)指标，这个值愈大，代表心室收缩功能愈不好,(3).由数值d/a可得心脏收缩送血后，血管内余留血量(RBV)指标，这个测量值愈小，代表愈不好,(4).由数值e/a可得第五种血管硬化指数。这个值越小，表示血管硬化程度越高,(5).由数值(b-c-d-e)/a可得血管老化程度(DPI)指标，这个测量值愈大，愈不好,(6).由数值45.5*(b-c-d-e)/a+65.9 可得”血管年龄”值,如果血管年龄大于目前实际年龄值，那当然表示不好,(7).由bd两点连成的值线如图10(iii)所示，由bd直线的斜率可得血管阻塞情形的参考指标,当θ角度在45度左右，代表阻塞小，血液循环好；当θ接近0度时，则代表不好；而当θ<0度，则θ越小代表循环越不好。

更佳的是本创作对如图10上的各"转折点"标定运算法,本运算法通过比较各个特征点之间相对的关系，例如相对的大小、位置、角度、时间顺序、各个特征点之间的生理意义，及对受测者本身的各种生理条件的考量等，我们制作成不同的分类条件来过滤测量值，如此可以准确的找出波型中各种特征点,本创作运算法的特点之一为程序简洁，特别适用在微处理器上，可应用在不同的穿戴式产品。

如图11即为图8的频谱分析，右轴为FFT转换后的强度，横轴为频率。图11中有数个主要波(例如主振幅a,第二阶谐振b,第三阶谐振c:此图为本创作手表产品的实测结果)，如果在这些主振幅a旁有些较大的振幅或不规则噪声波，则极可能反应着使用者的心血管系统有些问题存在,可以用来分析心跳频率，心脏瓣膜开闭及冠状动脉因血流而产生的振动噪声有无异常,也可以借此判断出有无冠状动脉方面的疾病。

更好的是，本创作可以免掉一般气袋式的频谱血压计所造成的压迫与不舒适；也可以避免血压计的较为笨重与不方便携带性,借由本创作的分析装置，可以让使用者在有限度的手部移动范围内，随时轻松量测脉搏波频谱分析。

更好的是本创作运用血压与血管变形量之间的关系来量测血压。血管为一弹性管体，受到心脏压缩射出的血液冲击后，即会变形。很直觉得，血压越高则血管相对的变形量越大，如图10(i)，当然血管受压后的变形量，也跟受测者的年龄、血管特性等有密切的关系，本创作以医疗级血压计为参考标准机，并使用本创作智慧手环，对不同的受测者测量得到如图10(i)之波形资料后，立即再以参考血压机测量得到的标准血压值(Pref)。而从相对的脉搏波中分析出变形量A及受测者血管特性值B，然后从以下算式(3)中，可得系数C0,C1及由 A,B构成的血管变形函数f(A,B)。其中血管变形函数f(A,B)先由A,B 的线性函数开始假设代入式(3)中，本创作应用多次回归算法改变函数的形式，并调整系数C0,C1来求得最适合的函数型式及系数组合。如此即可应用(3)式来求得血压值，而不必再用气压带式的血压计了。

Pref＝C0+C1*f(A,B) (3)

本创作产品实际测量所得之血压值及参考血压机测量得到的标准血压值之比较，如图12、图13、图14，为本创作手环所量测的血压丶心跳值与医疗级参考血压计的血压值以及心跳值的比较。第12 图中a，为本创作手环收缩压测值，相对于标准血压计收缩压测值的图画。共114次测量，其中有效测量(有测到值的)为71次。测试者年龄从14岁到82岁，男性13人，女性14人，总共27人。第12图中b，为本创作手环收缩压测量值的误差分布图。图中虚线所示，为一个标准差范围。约略为68％的收缩压误差值，在正负18(mmHg)范围内.同样的,第13图中c、d表示的是舒张压的情形。第13图d，为本创作手环舒张压测量值的误差分布图。图中虚线所示，为一个标准差范围。约略为68％的舒张压误差值，在正负13(mmHg)范围内；同样的,第14图e、f表示的是心跳的情形。第14图中f，为本创作手环心跳测量值的误差分布图。图中虚线所示，为一个标准差范围。约略为68％的心跳误差值，在正负6(bpm)范围内.

由于本创作可以连续测量脉搏波，所以同一装置还可以量测心率变异度(HRV)。HRV即是每个心跳间周期的些微差异，是身体的自然现象，并不是心律不整。本创作可以量测15分钟以内或更长，例如24 小时的HRV。如以2到3分钟的HRV则可得至少8项有效生理数据，如图8：例如从原始脉搏波数据到收集连续3分钟内的每一个心率。再求得这些心率的平均心跳间隔周期(AVNN)(msec)，而计算每一个心率周期相对此平均的标准差可得SDNN；再计算每每相邻两心跳周期差的平方，再求出此差的平均值方根(rMSSD)；也可从两两相邻心跳周期时间差大于50msec发生的次数总和除以总心跳次数，即可得一百分比，此即为(PNN50)，以上为HRV的时域分析部份。如果将心跳周期及其对应发生的时间做一傅立叶转换(FFT)，再从FFT的结果得出功率频谱密度(PSD,powerspectrumdensity)，即可得HRV的各种频域分析结果。例如：从功率频谱密度(PSD)中计算至0.04Hz内的总功率可得TOTPWR；从功率频谱密度(PSD)中计算超低频范围(0.003至 0.04Hz)内的总功率为VLF；从频谱功率分布(PSD)中计算低频范围 (0.04至0.15Hz)内的总功率为LF；从频谱功率分布(PSD)中计算高频范围(0.15至0.4Hz)内的总功率为HF；而从LF/HF的比值也可得另一有用的指标；从这些HRV所得的各项指标，可以看出各种相关的生理健康状况。例如：SDNN<50msec者，相较于一般健康者(SDNN在130msec 左右)，其因心脏病的致死机率会提高5.3倍；又例如冠心症患者的 LF/HF平均为3.0(比一般健康者为2.5左右高许多)。这些值也可以反应出个人的交感与副交感神经的平衡性。借此可以显示生活心理压力与身体劳累指数，心理状态量测(情绪起伏、压力、兴奋、悲伤、躁郁、忧虑等)。也可以从HRV的频域分析中得到呼吸的频率。

动脉硬化诊断的另一项重要参数是脉波传导速率 (pulsewavevelocity，PWV)。心脏收缩造成的脉波，经由动脉血管传导至身体各部位的时间不同，可以利用非侵入性光学传感器同步量测脉波传导的时间差。脉波传导速率就是传导距离与时间差的比值。 PWV与该量测区动脉硬化程度有直接相关，一般而言，动脉血管越硬，弹性越差，PWV越快。由图10中(ii)的一阶导数中的PTT做为脉搏波传导速度代入第(7)式，即可得PWV,其中B为bodycorrection factor＝0.5(对成人)，

PWV＝B*身高/PTT (7)。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，包括手环带(1)和壳体(2)，其特征在于，所述壳体(2)包括上盖(21)和下盖(22)，所述上盖(21)的中部安装有有机玻璃，所述壳体(2)内置电子模块(3)、遮光海绵条(4)、导电片(5)，所述下盖(22)的底壁上安装有USB塞子(6)和出光口透明片(7)，所述导电片(5)位于遮光海绵条(4)的下侧，所述出光口透明片(7)位于导电片(5)的下侧，所述电子模块(3)包括荧幕触控膜(31)、荧幕(32)、蓝牙主板(33)、震动马达(34)、电池(35)、动脉扫描模块电路板(36)，所述动脉扫描模块电路板(36)包括LED(361)、光传感器(362)、接地弹块(363)、第一微处理器(364)、第二微处理器(365)、石英振荡器(366)、导线连接头(367)、连接线(3671)、讯号放大器(368)、存储器(369)、晶体管(3610)；

所述导电片(5)贯穿开设有第一出光孔(51)和第二进光孔(52)，所述出光口透明片(7)贯穿开设有第二出光孔(71)和第一进光孔(72)，所述第一出光孔(51)与第二出光孔(71)相互对应，所述第二进光孔(52)和第一进光孔(72)相互对应。

2.根据权利要求1所述的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，其特征在于，所述遮光海绵条(4)粘贴在动脉扫描模块电路板(36)的底壁上，且遮光海绵条(4)包裹在LED(361)和光传感器(362)的周围，所述LED(361)同时与第一出光孔(51)和第二出光孔(71)对应，所述光传感器(362)同时与第二进光孔(52)和第一进光孔(72)对应。

3.根据权利要求1所述的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，其特征在于，所述接地弹块(363)与动脉扫描模块电路板(36)焊接固定，所述接地弹块(363)的底端与导电片(5)相互接触。

4.根据权利要求1所述的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，其特征在于，所述导线连接头(367)与连接线(3671)相互匹配，所述连接线(3671)为6pin软排线，所述动脉扫描模块电路板(36)通过连接线(3671)与蓝牙主板(33)连接。

5.根据权利要求1所述的一种全自动穿戴式心血管健康诊断手环，其特征在于，所述蓝牙主板(33)与荧幕(32)无线连接，所述蓝牙主板(33)与手机APP无线连接。

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