CN219250154U - 生理信号采集装置及生理参数测量设备 - Google Patents

Abstract

本申请生理参数测量技术领域，提供一种生理信号采集装置及生理参数测量设备。其中，生理信号采集装置包括：至少两个电极、光电测量单元和模数转换单元，至少两个电极和光电测量单元均与模数转换单元连接，至少两个电极中的一个电极设置在光电测量单元的邻近区域内；至少两个电极用于采集手部接触电极时产生的手部感应信号；光电测量单元用于产生测量光线照射其邻近电极对应的手部，并采集测量光线的反射光线经光电感应所形成的原始脉搏波信号；模数转换单元用于分别对手部感应信号和原始脉搏波信号进行模数转换。该装置有利于提高生理信号的采集效率，并且能够节约传感器占据的空间，从而有利于将装置安装在便携式的电子设备中。

Description

生理信号采集装置及生理参数测量设备

技术领域

本申请涉及生理参数测量技术领域，具体而言，涉及一种生理信号采集装置及生理参数测量设备。

背景技术

人体的健康状况可以通过一些生理参数(例如，血压、心率)来表征，目前，已经有一些设备能够通过传感器采集人体产生的生理信号，并根据采集到的信号进行生理参数的测量。在有多种生理信号需要采集时，现有设备往往会独立设置多个传感器，这些传感器的空间位置比较分散，而用户在进行信号采集时需要用身体部位接触这些传感器，从而导致用户操作难度增加，降低了生理信号的采集效率。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种生理信号采集装置及生理参数测量设备，以改善上述技术问题，具体技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种生理信号采集装置，包括：至少两个电极、光电测量单元和模数转换单元，所述至少两个电极和所述光电测量单元均与所述模数转换单元连接，所述至少两个电极中的一个电极设置在所述光电测量单元的邻近区域内；所述至少两个电极用于采集手部接触电极时产生的手部感应信号；所述光电测量单元用于产生测量光线照射其邻近电极对应的手部，并采集所述测量光线的反射光线经光电感应所形成的原始脉搏波信号；所述模数转换单元用于分别对所述手部感应信号和所述原始脉搏波信号进行模数转换。

上述生理信号采集装置所采集的手部感应信号和原始脉搏波信号经进一步处理后可用于计算血压、心率、血氧等一种或多种生理参数。在该装置中，采集原始脉搏波信号用的光电测量单元与采集手部感应信号的一个电极邻近设置(电极、光电测量单元都可视为传感器)，从而用户手部接触光电测量单元(或其邻近电极)所处的位置时可以同时采集原始脉搏波信号和手部感应信号，从而降低了生理信号采集过程中用户的操作难度，提高了生理信号的采集效率。另外，光电测量单元和其中一个电极邻近设置，还使得传感器的空间分布更加紧凑，因此还节约了传感器占据的空间，有利于将生理信号采集装置安装在便携式的电子设备中。

在第一方面的一种实现方式中，所述至少两个电极中的一个电极上开设有通孔，所述光电测量单元设置在所述通孔中；或者，所述至少两个电极中的一个电极围绕所述光电测量单元设置。

在上述实现方式中，电极与光电测量单元在形状和/或位置上相互配合，从而使得二者的空间分布更加紧凑，有利于提高生理信号的采集效率并节约传感器占据的空间。

在第一方面的一种实现方式中，所述至少两个电极包括对应第一手部的第一电极和对应第二手部的第二电极，所述第一电极用于采集所述第一手部的第一部位接触电极时产生的第一感应信号，所述第二电极用于采集所述第二手部的第二部位接触电极时产生的第二感应信号；其中，所述第一手部为右手且所述第二手部为左手，或者，所述第一手部为左手且所述第二手部为右手。

上述实现通过设置两个电极来采集双手的手部感应信号，实施方式简单，设备成本较低。

在第一方面的一种实现方式中，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号。

上述实现通过设置三个电极来采集双手的手部感应信号，有利于采集到更多的有用信息，从而提高后续的生理参数测量精度(如果这些信号用于生理参数测量的话)。

在第一方面的一种实现方式中，所述模数转换单元包括第一放大电路、第一模数转换电路、第二放大电路和第二模数转换电路，所述第一电极和所述第二电极均与所述第一放大电路的输入端连接，所述第一放大电路的输出端与所述第一模数转换电路的输入端连接，所述光电测量单元与所述第二放大电路的输入端连接，所述第二放大电路的输出端与所述第二模数转换电路的输入端连接；其中，所述第一放大电路用于对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行差分放大，得到心电信号，所述第一模数转换电路用于对所述心电信号进行模数转换；所述第二放大电路用于对所述原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号，所述第二模数转换电路用于对所述脉搏波信号进行模数转换。

在上述实现方式中，模数转换单元可以直接输出脉搏波信号和心电信号(数字形式)，便于后续进行生理参数的计算。其中，心电信号是利用硬件电路(第一放大电路和第一模数转换电路)计算得到的，计算效率较高。

在第一方面的一种实现方式中，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号，所述第一放大电路的输入端还与所述第三电极连接；其中，所述第三感应信号用于作为所述第一放大电路对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行差分放大时的参考信号。

在上述实现方式中，通过增加第三手电极来采集第一感应信号和第二感应信号进行差分放大时的参考信号，有利于改善心电信号的信号质量。

在第一方面的一种实现方式中，所述模数转换单元包括第三放大电路、第三模数转换电路、第四放大电路和第四模数转换电路，所述第一电极和所述第二电极均与所述第三放大电路的输入端连接，所述第三放大电路的输出端与所述第三模数转换电路的输入端连接，所述光电测量单元与所述第四放大电路的输入端连接，所述第四放大电路的输出端与所述第四模数转换电路的输入端连接；其中，所述第三放大电路用于分别对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行放大，得到放大后的第一感应信号和放大后的第而感应信号，所述第三模数转换电路用于分别对所述放大后的第一感应信号和所述放大后的第二感应信号进行模数转换；所述第四放大电路用于对所述原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号，所述第四模数转换电路用于对所述脉搏波信号进行模数转换。

在上述实现方式中，模数转换单元输出的是放大后的第一感应信号、放大后的第二感应信号和脉搏波信号(数字形式)，后续在进行生理参数的计算时，可以先根据放大后的第一感应信号和放大后的第二感应信号，通过软件方式计算出心电信号，然后再根据心电信号和脉搏波信号(数字形式)计算所需的生理参数。此种实现方式有利于简化模数转换单元内部的电路设计。

在第一方面的一种实现方式中，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号，所述第三放大电路的输入端还与所述第三电极连接；其中，所述第三感应信号用于作为所述第三放大电路对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行放大时的参考信号。

在上述实现方式中，通过增加第三电极来采集第一感应信号和第二感应信号进行放大时的参考信号，有利于改善放大后的感应信号的信号质量。

在第一方面的一种实现方式中，所述装置还包括设置在以下至少一个位置的滤波器：所述至少两个电极中的至少一个电极与所述模数转换单元之间；所述光电测量单元与所述模数转换单元之间。

在上述实现方式中，通过设置滤波器，可以滤除信号中包含的人体噪声，从而有利于改善信号质量，进而也有利于提高后续计算生理参数的精度。

第二方面，本申请实施例提供一种生理参数测量设备，包括：第一方面或第一方面的任意一种实现方式提供的生理信号采集装置和处理单元，所述生理信号采集装置中的模数转换单元与所述处理单元连接；所述处理单元用于根据所述模数转换单元输出的转换结果信号计算生理参数，所述生理参数包括血压、心率和血氧中的至少一种。

上述生理参数测量设备由于包含了第一方面或第一方面的任意一种实现方式提供的生理信号采集装置，因此可实现高效的生理参数测量，并且容易实现为便携式设备，有利于用户自主地进行生理参数测量，无需再前往医院或者购买非便携式的专业设备进行测量。

在第二方面的一种实现方式中，所述生理信号采集装置的至少两个电极包括第一电极和第二电极，或者，包括第一电极、第二电极和第三电极；其中，所述第一电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于第一手部的第一部位接触的位置，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于第二手部的第二部位接触的位置，所述第三电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于所述第一手部的第三部位接触的位置，所述第一手部为右手且所述第二手部为左手，或者，所述第一手部为左手且所述第二手部为右手。

在上述实现方式中，将电极设置在适合用户接触的位置，有利于提高生理参数测量的效率，改善用户的测量体验。

在第二方面的一种实现方式中，所述至少两个电极包括第一电极、第二电极和第三电极；所述第一部位为所述第一手部的拇指，所述第三部位为所述第一手部的其余手指之一，所述第二部位为所述第二手部的手指之一，所述第一电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第一手部的侧面，所述第二电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第二手部侧面；或者，所述第一部位为所述第一手部的第一手指，所述第三部位为所述第一手部的第二手指，所述第二部位为所述第二手部的手指之一，所述第一电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第一手部的一侧表面，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第二手部的一侧表面；或者，所述第一部位为所述第一手部的第一手指，所述第三部位为所述第一手部的第二手指，所述第二部位为所述第二手部的手腕，所述第一电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的上表面和/或侧面，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备的底面。

上述实现方式在设置电极位置时，充分考虑了各种设备的外形特点，将电极设置在用户正常使用这些设备时容易接触的位置，使得用户可以在使用设备的过程中方便地进行生理参数测量。

在第二方面的一种实现方式中，所述生理信号采集装置的至少两个电极中的至少一个电极被复用为所述生理参数测量设备的功能按键，或者，与所述功能按键集成为一体结构。

在上述实现方式中，将电极复用为生理参数测量设备的功能按键(指实体按键)，或者，将电极与功能按键集成为一体结构，使得功能按键既可以实现原有既定功能(例如，音量调节、开关机)，又可以支持生理参数测量功能，而无需在设备表面单独设置电极(或者至少可以减少在设备表面单独设置的电极)，从而有利于提高设备功能的集成程度，改善设备的便携性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例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相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的生理信号采集装置的一种可能的结构；

图2示出了本申请实施例提供的模数转换单元的第一种可能的结构；

图3(A)示出了PPG信号可能具有的波形；

图3(B)示出了ECG信号可能具有的波形；

图3(C)示出了根据ECG信号和PPG信号计算PTT的原理；

图4示出了本申请实施例提供的模数转换单元的第二种可能的结构；

图5示出了电子设备为类手机设备时三个电极的设置方式；

图6示出了电子设备为类笔记本电脑设备时三个电极的设置方式；

图7示出了电子设备为类手表设备时三个电极的设置方式。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

图1示出了本申请实施例提供的生理信号采集装置的一种可能的结构，该装置可以、但不限于安装在一电子设备(包括但不限于本申请实施例提供的生理参数测量设备)中，使得该电子设备至少具有生理信号采集功能。参照图1，生理信号采集装置10至少包括电极100、光电测量单元110以及模数转换单元130，可选的还包括滤波器120，并且也不排除还包含其他组件。

其中，电极100的数量为至少两个，每个电极100均与模数转换单元130连接，每个电极100均用于采集手部接触电极时产生的手部感应信号，并将采集到的手部感应信号发送给模数转换单元130。例如，参照图1，共示出了三个电极100：第一电极101、第二电极102以及第三电极103，这三个电极100分别通过滤波器120连接到模数转换单元130，关于这三个电极100的详细说明可以参考后文内容。

注意，其一，此处的手部不限于手掌(含手指)部分，还可以包括手腕、手臂部分；其二，不同的电极100(位置不同)所接触的手可能是不同的(左手或右手)，或者即使接触的手相同，接触的手的部位也是不同的(手指、手腕等)，后文会给出具体的例子；其三，根据手部感应信号可以计算出计算心电信号(即Electrocardiogram信号，简称ECG信号)，但具体是否要利用手部感应信号计算心电信号是可选的，取决于实际需求。

电极100可以实现为金属薄片，金属可以增强其导电性能，而片状结构则能增大其与人体的接触面积，改善采集到的信号质量。当然，在替代方案中，金属也可以换成其他导体材料，并且电极100的形状也可以不是片状。

生理信号采集装置10的其中一个电极100设置在光电测量单元110的邻近区域内，光电测量单元110与模数转换单元130连接。为便于描述，将与光电测量单元110邻近的电极100称为目标电极。例如，参照图1，目标电极为第二电极102，但在替代方案中，目标电极也可以是第一电极101或者第三电极103。

光电测量单元110可以包括光源和光电传感器两部分，光源可以实现为LED灯，光电传感器可以实现为PD管，但也不排除其他实现方式。光源用于产生测量光线，测量光线照射手部后产生反射光线，光电传感器用于采集该反射光线经光电感应所形成的电信号，称为原始脉搏波信号(脉搏波信号，即Photoplethysmography信号，简称PPG信号，原始脉搏波信号可以理解为脉搏波信号的未经处理的形式)。根据测量原理和所测生理参数的不同，测量光线可能是单一波长的光线(例如，红光)，也可能是多种波长的光线(例如，红光和红外光)。

上述的“邻近”可以这样理解：目标电极和光电测量单元110的位置足够接近，使得目标电极在采集手部感应信号时，光电测量单元110也能够同时采集到原始脉搏波信号。话句话说，因为目标电极和光电测量单元110的位置足够接近，使得用户的手部在接触目标电极时，也能够同时接触到光电测量单元110，从而使得目标电极和光电测量单元110可以同时采集自身所需的信号。按照这一理解，上述“测量光线照射手部后产生反射光线”中的“手部”是指目标电极对应的手部。

至于光电测量单元110的邻近区域具体取多大的范围，可以根据目标电极对应的手部具体是哪个部位来进行针对性设计。例如，若目标电极对应的手部为手指(即用户应通过手指接触目标电极来采集手部感应信号)，考虑到手指的面积较小，可以采取如下设计：若目标电极与光电测量单元110的距离不超过0.5厘米，则认为其处于光电测量单元110的邻近区域内，当然，这里的0.5厘米仅为示例，也可以根据需求适当调整。又例如，若目标电极对应的手部为手腕(即用户应通过手腕接触目标电极来采集手部感应信号)，考虑到手腕的面积相对较大，可以采取如下设计：若目标电极与光电测量单元110的距离不超过1厘米，则认为其处于光电测量单元110的邻近区域内，当然，这里的1厘米仅为示例，也可以根据需求适当调整。

在保持“邻近”这一前提下，目标电极和光电测量单元110也存在多种不同的设置方式，下面例举几种：

在一种实现方式中，目标电极和光电测量单元110可以仅仅是“并排”在一起，二者各自的形状不受对方影响。

在一种实现方式中，目标电极上可以开设通孔，将光电测量单元110设置在该通孔中。进一步的，由于光电测量单元110可以包括光源和光电传感器两部分，因此目标电极上可以开设一个通孔，将这两部分都设置在该通孔内，或者目标电极上也可以开设两个通孔，将这两部分分别设置在一个通孔内。

在一种实现方式中，目标电极可以围绕光电测量单元110设置。此处的“围绕”，可以是指环绕也可以是指半环绕。环绕的情况的和上面开设通孔的方式类似，但开设通孔涉及针对目标电极的挖孔操作，而环绕仅指一种位置上的包围关系，并不一定涉及针对目标电极的挖孔操作，例如，先设置好光电测量单元110，然后将目标电极安装在光电测量单元110的四周，也属于一种环绕的情况。半环绕的情况，比如，将目标电极制作成“C”字型，在“C”字型中心设置光电测量单元110，“C”字型的缺口则可以用于引出光电测量单元110的导线，等等。

对于以上三种实现方式中的后两种，由于目标电极与光电测量单元110在形状和/或位置上相互配合，从而使得二者的空间分布更加紧凑。模数转换单元130用于分别对手部感应信号和原始脉搏波信号进行模数转换，并输出转换结果信号(数字信号)，该转换结果信号也可以认为是生理信号采集装置10最终采集到的生理信号。其中，转换结果信号包括两部分，一部分对应于手部感应信号，不妨叫第一转换结果信号(不一定是一个信号)，一部分对应于原始脉搏波信号，不妨叫第二转换结果信号。

注意，模数转换单元130的核心部件虽然是模数转换电路，但也可能包含其他电路，例如放大电路、差分电路等，即模数转换单元130所实现的功能不限于模数转换，还可能包含其他功能。从而，第一转换结果信号并不一定仅仅是手部感应信号数字化的结果，第二转换结果信号也不一定仅仅是原始脉搏波信号数字化的结果，详见后文的例子。

转换结果信号可用于计算生理参数，例如可以包括血压、心率、血氧中的至少一种参数，计算方法见后文描述。但转换结果信号也可以不用于或者暂时不用于计算生理参数：例如，可以只是将转换结果信号用于波形显示；又例如，可以将转换结果信号作为数据存储起来，不计算生理参数；又例如，可以将转换结果信号作为数据发送给其他设备(指生理信号采集装置10所在设备以外的设备)，至于其他设备如何处理接收到的数据则不关心。当然在后文中，主要是以转换结果信号要用于计算生理参数的情况为例进行阐述。

下面简单分析生理信号采集装置10的有益效果：在该装置中，采集原始脉搏波信号用的光电测量单元110与采集手部感应信号的一个电极100邻近设置(电极100、光电测量单元110都可视为传感器)，从而用户手部接触光电测量单元110(或其邻近电极100)所处的位置时可以同时采集原始脉搏波信号和手部感应信号，从而降低了生理信号采集过程中用户的操作难度，提高了生理信号的采集效率。另外，光电测量单元110和其中一个电极100邻近设置，还使得传感器的空间分布更加紧凑，因此还节约了传感器占据的空间，有利于将生理信号采集装置10安装在便携式的电子设备(例如，手机、手表)中，使得这些设备可以基于采集到的信号进行生理参数测量。

在一些实现方式中，生理信号采集装置10中的电极100可以包括：对应第一手部的第一电极101和对应第二手部的第二电极102，可选的还包括对应第一手部的第三电极103。其中，若第一手部为右手则第二手部为左手，或者，若第一手部为左手则第二手部为右手。某个电极“对应”的手部可以理解为该电极采集手部感应信号时与该电极接触的手部。

第一电极101用于采集第一手部的第一部位接触该电极时产生的电信号，称为第一感应信号；第二电极102用于采集第二手部的第二部位接触该电极时产生的电信号，称为第二感应信号；第三电极103用于采集第一手部的第三部位接触该电极时产生的电信号，称为第三感应信号。

这里对第一手部的第一部位具体是什么部位不作限定，例如可以是手指，可以是手腕，等等。对于第二手部的第二部位、第一手部的第三部位也同样不作限定，但第一手部的第一部位应当与第一手部的第三部位不同：例如，若第一手部为右手，右手的第一部位可以为右手拇指，右手的第三部位可以为右手食指；或者，右手的第一部位可以为右手食指，右手的第三部位可以为右手中指，等等。

相较而言，通过设置两个电极100来采集双手的手部感应信号，实施方式简单，设备成本较低。而通过设置三个电极100来采集双手的手部感应信号，有利于采集到更多的有用信息，从而提高后续的生理参数测量精度(如果这些信号用于生理参数测量的话)。

下面，在生理信号采集装置10中的电极100包括第一电极101、第二电极102和第三电极103的基础上，介绍模数转换单元130的两种实现方式：

模数转换单元130的结构1(以下简称结构1)

参照图2，模数转换单元130包括第一放大电路131、第一模数转换电路132、第二放大电路(未示出)和第二模数转换电路(未示出)。其中，第一电极101和第二电极102均与第一放大电路131的输入端连接，第一放大电路131的输出端与第一模数转换电路132的输入端连接，光电测量单元110与第二放大电路的输入端连接，第二放大电路的输出端与第二模数转换电路的输入端连接。

第一放大电路131用于对第一电极101采集到的第一感应信号和第二电极102采集到的第二感应信号进行差分放大，得到心电信号(模拟形式)，而第三电极103采集到的第三感应信号则用于作为第一感应信号和第二感应信号进行差分放大时的参考信号。

继续参照图2，第一放大电路131可以分为放大和差分两个部分，其中放大部分的主体是两个放大器IOP1和IOP2，IOP1用于放大第一感应信号，第三感应信号也作为参考信号输入IOP1，IOP2用于放大第二感应信号，第三感应信号也作为参考信号输入IOP2。差分部分的主体是放大器IOP3，用于对IOP1和IOP2的输出进行差分放大，得到心电信号。

进一步的，第三电极103是一个可选的组件，设置第三电极103有利于改善心电信号的信号质量，进而有利于提高生理参数的测量精度，但不设置第三电极103也是可以的，例如，在图2中，若不设置第三电极103，则IOP1和IOP2本来连接第三电极103的一端可以接地。

第一模数转换电路132用于对模拟形式的心电信号进行模数转换，并输出数字形式的心电信号，即上面提到的第一转换结果信号，在图2中，第一模数转换电路132的主体为模数转换器ADC1。

应当理解，图2中的电路结构仅为第一放大电路131和第一模数转换电路132的一个示例，第一放大电路131和第一模数转换电路132也可以采用符合上面功能描述的其他电路结构实现。

第二放大电路用于对原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号(模拟形式)，第二模数转换电路则用于对模拟形式的脉搏波信号进行模数转换，并输出数字形式的脉搏波信号，即上面提到的第二转换结果信号。例如，第二放大电路的主体可以是一个放大器，第二模数转换电路的主体可以是一个模数转换器。

下面结合结构1的输出，简单说明几项生理参数(血压、心率、血氧)的计算方式：

若生理信号采集装置10安装在一电子设备中，则模数转换单元130可以连接到该电子设备的中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，在CPU内部根据脉搏波信号和心电信号(均为数字形式)计算生理参数。

其中，图3(A)示出了脉搏波信号(PPG信号)的波形，不难看出，脉搏波信号为周期性信号，该周期与心跳周期是一致的，从而根据脉搏波信号可以计算心率。另外，根据脉搏波信号还可以计算出血液成分的光吸收度值，根据光吸收度值可以换算出血氧。

图3(B)示出了心电信号(ECG信号)的波形，不难看出，心电信号也是周期性信号，从而也可以用于计算心率等生理参数。

进一步的，参照图3(C)，根据脉搏波信号和心电信号可计算二者对应峰值之间的时间差，该时间差称为脉搏传输时间(Pulse Transit Time，简称PTT)，根据脉搏传输时间可以换算出血压。

需要注意，图3(A)～图3(C)中的信号波形是在第一手部为右手、第二手部为左手的情况下得到的，若第一手部为左手、第二手部为右手，则得到的信号可与3(A)～图3(C)中的信号反相(波峰变成波谷，波谷变成波峰)，但经过信号处理很容易将反相信号变换为和3(A)～图3(C)中的信号类似的形式，因此上述的生理参数计算方法仍然适用。

应当理解，虽然模数转换单元130具有结构1的生理信号采集装置10支持计算上述三种生理参数，但具体要测量什么生理参数还要根据用户的选择来确定，用户可以只测量其中的一种或两种参数，不一定要三种参数同时测量。例如，若用户只想测量心率，则可以只用第二手部的手指接触第二电极102，此时CPU根据脉搏波信号就足以完成心率计算，用户不用接触第一电极101和第三电极103，自然也就不会产生心电信号。还应当理解，可测量的生理参数不限于上述三种，不再逐一举例。

简单总结结构1，由于模数转换单元130可以直接输出脉搏波信号和心电信号(均为数字形式)，因此便于后续进行生理参数的计算。进一步的，由于心电信号是利用硬件电路(第一放大电路131和第一模数转换电路132)计算得到的，因此计算效率较高。

模数转换单元130的结构2(以下简称结构2)

参照图4，模数转换单元130包括第三放大电路133、第三模数转换电路134、第四放大电路(未示出)和第四模数转换电路(未示出)。其中，第一电极101和第二电极102均与第三放大电路133的输入端连接，第三放大电路133的输出端与第三模数转换电路134的输入端连接，光电测量单元110与第四放大电路的输入端连接，第四放大电路的输出端与第四模数转换电路的输入端连接。

第三放大电路133用于对第一电极101采集到的第一感应信号进行放大，得到放大后的第一感应信号，以及，对第二电极102采集到的第二感应信号进行放大，得到放大后的第二感应信号。第三电极103采集到的第三感应信号则用于作为第一感应信号和第二感应信号进行放大时的参考信号。

继续参照图4，第三放大电路133的主体是放大器IOP3和IOP4，IOP3用于放大第一感应信号，第三感应信号也作为参考信号输入IOP3，IOP4用于放大第二感应信号，第三感应信号也作为参考信号输入IOP4。

进一步的，第三电极103是一个可选的组件，设置第三电极103有利于改善放大后的两个感应信号的信号质量，进而有利于提高生理参数的测量精度，但不设置第三电极103也是可以的，例如，在图4中，若不设置第三电极103，则IOP3和IOP4本来连接第三电极103的一端可以接地。

第三模数转换电路134用于对模拟形式的、放大后的第一感应信号进行模数转换，并输出数字形式的、放大后的第一感应信号，以及，对模拟形式的、放大后的第二感应信号进行模数转换，并输出数字形式的、放大后的第二感应信号，这两个输出的数字信号即上面提到的第一转换结果信号。

在图4中，第三模数转换电路134的主体为模数转换器ADC2和ADC3，其中，ADC2连接IOP3，用于对放大后的第一感应信号进行模数转换，ADC3连接IOP4，用于对放大后的第二感应信号进行模数转换。

应当理解，图4中的电路结构仅为第三放大电路133和第三模数转换电路134的一个示例，第三放大电路133和第三模数转换电路134也可以采用符合上面功能描述的其他电路结构实现。

第四放大电路用于对原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号(模拟形式)，第四模数转换电路则用于对模拟形式的脉搏波信号进行模数转换，并输出数字形式的脉搏波信号，即上面提到的第二转换结果信号。例如，第四放大电路的主体可以是一个放大器，第四模数转换电路的主体可以是一个模数转换器。

结构2输出的脉搏波信号可以计算心率和血氧，具体可参照结构1中的相关内容，不再重复阐述。结构2中的第三放大电路133由于未做差分运算，因此可以将该差分运算的逻辑放到CPU中、以软件方式进行，即CPU通过执行计算机程序对放大后的第一感应信号和放大后的第二感应信号(均为数字形式)进行差分运算，得到心电信号(数字形式)，后续基于心电信号计算心率，或者基于心电信号和脉搏波信号(均为数字形式)计算血压，都可以参照结构1中的相关内容，不再重复阐述。

应当理解，虽然模数转换单元130具有结构2的生理信号采集装置10支持计算上述三种生理参数，但具体要测量什么生理参数还要根据用户的选择来确定，用户可以只测量其中的一种或两种参数，不一定要三种参数同时测量。还应当理解，可测量的生理参数不限于上述三种，不再逐一举例。

简单总结结构2，由于模数转换单元130并不包含差分电路，因此其结构比较简单，后续若需要计算心电信号(数字形式)，通过软件方式进行差分也比较灵活。

需要指出，模数转换单元130的结构不限于以上结构1和结构2，不再逐一举例。在一些可选方案中，还可以将模数转换单元130包含的电路封装到一块芯片中，称为模数转换芯片。

再次参照图1，可选的，在每个电极100与模数转换单元130之间，以及光电测量单元110与模数转换单元130之间均设置有滤波器120。这些滤波器120也属于生理信号采集装置10的一部分，用于对传感器(包括电极100和光电测量单元110)采集到的信号进行滤波，并将滤波后的信号输出给模数转换单元130。例如，图1最上方的滤波器120用于对第一电极101采集到的第一感应信号进行滤波，并将滤波后的信号输出给模数转换单元130，为简单起见，该滤波后的信号仍然可以认为是第一感应信号。

设置滤波器120的目的主要是滤除信号中包含的人体噪声，从而有利于改善信号质量，进而也有利于提高后续计算生理参数的精度。可以按照这一目的设计滤波器120，例如，可以、但不限于采用低通滤波器，将高频噪声过滤掉。

滤波器120的数量可以和传感器的数量相同(图1就是相同的情况)，但也可以少于传感器的数量：例如，只有光电测量单元110设置有对应的滤波器120；又例如，只有电极100设置有对应的滤波器120；又例如，光电测量单元110和电极100都设置有对应的滤波器120，但并非每个电极100都设置有对应的滤波器120。对于设置有多个滤波器120的情况，这些滤波器120的结构可以设计成相同的，可以设计成不同的，例如，可以针对不同类型的传感器所采集的信号的特点设计相应的滤波器120。

前文提到，在一些实现方式中，可将模数转换单元130包含的电路集成到一块模数转换芯片中，若生理信号采集装置10还包括滤波器120，则可选的，也可以将滤波器120集成到该模数转换芯片中。

本申请实施例还提供一种生理参数测量设备，包括：前文任意一个实施例提供的生理信号采集装置10和处理单元。其中，生理信号采集装置10中的模数转换单元130与处理单元连接，模数转换单元130输出的转换结果信号被输入处理单元。

处理单元可以是一个或多个处理器，例如可以是通用处理器，包括CPU、微控制单元(Micro Controller Unit，简称MCU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)或者其他常规处理器；还可以是专用处理器，包括图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。并且，在处理单元包含的处理器为多个时，其中的一部分可以是通用处理器，另一部分可以是专用处理器。

处理单元用于根据转换结果信号计算生理参数，生理参数包括但不限于血压、心率和血氧中的至少一种。前文已经以处理单元是CPU的情况为例说明了生理参数的计算方法，此处不再重复阐述。

应当理解，生理参数测量设备还可以包含其他一个或多个组件：例如，存储单元，与处理单元连接，可用于存储计算生理参数的计算机程序指令(这些指令可被处理单元执行)、生理参数计算结果、转换结果信号(数字形式)等一项或多项数据；显示屏，与处理单元连接，可用于在处理单元的控制下显示转换结果信号的波形(例如图3(A)、图3(B)中的波形)、生理参数计算结果等一项或多项数据，等等。

上述生理参数测量设备由于包含了本申请实施例提供的生理信号采集装置10，因此可实现高效的生理参数测量，并且容易实现为便携式设备(具体有哪些设备见后文的例子)，有利于用户自主地进行生理参数测量，无需再前往医院或者购买非便携式的专业设备进行测量。

对于生理信号采集装置10的模数转换单元130、滤波器120等组件，可以设置在生理参数测量设备内部，而电极100和光电测量单元110则需要设置在生理参数测量设备表面，便于采集所需的信号。

下面继续介绍电极100在生理参数测量设备表面的设置方式，主要以生理信号采集装置10包括第一电极101、第二电极102和第三电极103的情况为例，生理信号采集装置10仅包括第一电极101和第二电极102的情况可以类似分析。特别地，由于光电测量单元110与其中一个电极100邻近设置，所以就不单独说明其位置了。

在一种电极设计原则中，第一电极101设置在生理参数测量设备表面的适于第一手部的第一部位接触的位置，第二电极102设置在生理参数测量设备表面的适于第二手部的第二部位接触的位置，第三电极103设置在生理参数测量设备表面的适于第一手部的第三部位接触的位置。在该设计原则中，将电极100设置在适合用户接触的位置，有利于提高生理参数测量的效率，改善用户的测量体验。

其中，适于接触的位置可以理解为在用户正常使用生理参数测量设备的过程中，比较容易触碰的位置。考虑第一手部为右手且第二手部为左手的情况，例如，若生理参数测量设备为笔记本电脑，右手的第一部位是右手的某一手指，则“正常使用”可以理解为用户坐在笔记本电脑前进行操作，而由于此时用户的右手通常位于笔记本电脑右侧，因此“比较容易触碰的位置”可以是笔记本电脑的右侧表面，从而按照上述设计原则可以将第一电极101设置在此处。作为对比的，若将第一电极101设置在笔记本电脑的左侧表面，这样用户必须将右手移动到身体左侧才能接触该位置，测量起来十分别扭，不符合上述设计原则。

需要注意，生理参数测量设备并不能控制用户的行为，例如，若第一电极101在设计上是用于和右手拇指接触的，但用户非要用右手中指与其接触。此种情况难以避免，但生理参数测量设备可以通过引导用户，使其按照电极100的设计方式进行生理信号采集：例如，在生理参数测量设备表面印刷文字、符号、或者设计指示灯对用户进行提醒；又例如，将第一电极101设置在一个右手拇指便于接触，但右手中指不便于接触的位置，等等。

进一步的，即使用户未使用设计者预期的部位接触电极100，只要第一电极101和第三电极103采集的是来自第一手部的感应信号(对于只有第一电极101的情况也成立)，第二电极102采集的是来自第二手部的感应信号，仍然可以计算心电信号，并计算与心电信号相关的生理参数，只是用户操作起来可能不太方便而已。

下面以三种情况为例，说明上述电极设计原则可能的实现方案，在阐述时默认第一手部为右手且第二手部为左手(反过来的情况可类似分析)：

(1)若第一手部的第一部位为第一手部的拇指，第三部位为第一手部的其余手指之一，第二部位为第二手部的手指之一，则第一电极101可以设置在生理参数测量设备的对应第一手部的侧面，第二电极102和第三电极103可以设置在生理参数测量设备的对应第二手部侧面。

此种电极设计方式可适配于类手机设备。类手机设备是指外观、使用方式和手机类似的设备，其“正常使用”方式为第一手部单手握持。手机、尺寸较小的(如8英寸或8英寸以下)平板电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，简称PDA)、游戏掌机等设备都可以归为类手机设备。

针对类手机设备，三个电极100的具体位置分布可以参考图5(仅为示例)，在图5中，灰色区域表示(1)类设备的侧面，第一电极101位于设备的右侧面(对应第一手部的侧面)，而第二电极102和第三电极103则位于设备的左侧面(对应第二手部的侧面)，第二电极102中的黑色区域表示光电测量单元110。在一个可能的使用场景中，用户右手握持该设备，其拇指(第一部位)接触第一电极101，食指(第三部位)接触第三电极103，同时可用左手食指(第二部位)接触第二电极102以便进行生理参数测量。

(2)若第一部位为第一手部的第一手指，第三部位为第一手部的第二手指，第二部位为第二手部的手指之一，则第一电极101和第三电极103设置在生理参数测量设备的对应第一手部的一侧表面，第二电极102设置在生理参数测量设备的对应第二手部的一侧表面。

此种电极设计方式可适配于类笔记本电脑设备。类笔记本电脑设备是指外观、使用方式和笔记本电脑类似的设备。这类设备主要分为两部分，一部分是键盘区域(键盘可替换为其他输入模块)，一部分是显示屏，二者通过转轴、磁吸等方式耦合在一起，键盘区域通常设置有实体按键，而显示屏则通常不设置实体按键。类笔记本电脑设备的“正常使用”方式为用户正对设备的显示屏，并使用键盘进行操作。

针对类笔记本电脑设备，三个电极100的具体位置分布可以参考图6(仅为示例)，在图6中，第一电极101和第三电极103位于设备的右侧表面(对应第一手部的一侧表面)，而第二电极102则位于设备的左侧表面(对应第二手部的一侧表面)，第二电极102中的黑色区域表示光电测量单元110。在一个可能的使用场景中，用户坐在该设备前，其右手拇指(第一部位)接触第一电极101，食指(第三部位)接触第三电极103，同时可用左手食指(第二部位)接触第二电极102以便进行生理参数测量。

注意，图6示出的是第一电极101和第三电极103都设置在类笔记本电脑设备的键盘区域的右侧正面的情况，但其实类笔记本电脑设备的键盘区域的右侧面、显示屏的右侧面、显示屏的右侧背面也属于此类设备的“右侧表面”，因此也可以将第一电极101和第三电极103、或者其中的一个电极100设置在类笔记本电脑设备的这些位置。可以理解的，类笔记本电脑设备的键盘区域的右侧背面可以不属于此类设备的“右侧表面”，因为键盘区域的右侧背面通常是与桌面等表面接触的，对设备起支撑作用，不便再与用户的右手接触；类笔记本电脑设备的显示屏的右侧正面也可以不属于此类设备的“右侧表面”，因为显示屏的正面通常是用于显示画面的，设置电极100可能会占用显示空间。对于类笔记本电脑设备的“左侧表面”也可以类似分析，不再重复阐述。

(3)若第一部位为第一手部的第一手指，第三部位为第一手部的第二手指，第二部位为第二手部的手腕，则第一电极101和第三电极103设置在生理参数测量设备的上表面和/或侧面(“和/或”是指这两个电极100可以两个都位于上表面，可以两个都位于侧面，也可以一个位于上表面、一个位于侧面)，第二电极102设置在生理参数测量设备的底面。其中，第一手指可以是第一手部的任一手指，第一手部的第二手指与第一手部的第一手指不同。

此种电极设计方式可适配于可穿戴设备，比如手表、运动手环等穿戴于用户手部的设备。可穿戴设备的“正常使用”方式为用户的第二手部佩戴设备。

针对可穿戴设备，三个电极100的具体位置分布可以参考图7(仅为示例)，在图7中，灰色区域表示(3)类设备的侧面，第一电极101和第三电极103位于设备的侧面，而第二电极102则位于设备的底面，第二电极102中的黑色区域表示光电测量单元110。在一个可能的使用场景中，用户左手佩戴设备，其可用右手拇指(第一部位)接触第一电极101，食指(第三部位)接触第三电极103，同时左手手腕(第二部位)自然接触第二电极102以便进行生理参数测量。

简单总结(1)～(3)，这些情况在设置电极100的位置时，充分考虑了各种设备的外形特点，将电极100设置在用户正常使用这些设备时容易接触的位置，使得用户可以在使用设备的过程中方便地进行生理参数测量。并且，以上设备(指类手机设备、类笔记本电脑设备、可穿戴设备)均为便携式设备，从而用户可以随时随地的进行生理参数测量，实时监测自身的健康状况。

在很多时候，生理参数测量设备并非仅仅是用于生理参数测量的，生理参数测量可能只是这些设备的一个小功能而已(例如，手机、笔记本电脑的主要功能显然并非生理参数测量)，为了实现这样的小功能，在设备表面专门预留区域用于安装电极100可能会增加设备的制造成本，并且也可能影响设备的便携性。

考虑到生理参数测量设备表面可能会有一些功能按键(指实体按键)，例如手机的音量调节键、开关机键，从而，在一些实现方式中，可以改造部分或全部的功能按键，在保留其原有功能的同时，还可以将其复用为电极100(也可以说生理参数测量设备的电极100被复用为功能按键)，或者，可以将电极100与功能按键集成为一体结构。例如，可以将某个功能按键采用金属材料制作，从而该功能按键整体可以视为一个电极100；又例如，可以在某个功能按键表面贴上一层金属薄片作为一个电极100；又例如，可以在某个功能按键上开设一个凹槽，在其中嵌入金属材料作为一个电极100，等等。其中，第一个例子属于复用功能按键作为电极100的情况，后两个例子属于功能按键与电极100集成为一体结构的情况。

应当理解，并非每个电极100都要和一个功能按键耦合(复用或者集成都视为一种耦合方式)在一起，例如，手机表面仅有两个功能按键，但是生理参数测量设备有三个电极100，则至少有一个电极100需要独立实现，不能与功能按键耦合。

在上述实现方式中，电极100被复用为生理参数测量设备的功能按键，或者，将电极100与生理参数测量设备的功能按键集成为一体结构，使得功能按键既可以实现原有既定功能(例如，音量调节、开关机)，又可以支持生理参数测量功能，而无需在设备表面单独设置电极100(或者至少可以减少在设备表面单独设置的电极100的数量)，从而有利于提高设备功能的集成程度，降低设备的制造成本，改善设备的便携性，提高设备的美观程度。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，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。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种生理信号采集装置，其特征在于，包括：至少两个电极、光电测量单元和模数转换单元，所述至少两个电极和所述光电测量单元均与所述模数转换单元连接，所述至少两个电极中的一个电极设置在所述光电测量单元的邻近区域内；

所述至少两个电极用于采集手部接触电极时产生的手部感应信号；

所述光电测量单元用于产生测量光线照射其邻近电极对应的手部，并采集所述测量光线的反射光线经光电感应所形成的原始脉搏波信号；

所述模数转换单元用于分别对所述手部感应信号和所述原始脉搏波信号进行模数转换。

2.根据权利要求1所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述至少两个电极中的一个电极上开设有通孔，所述光电测量单元设置在所述通孔中；或者，所述至少两个电极中的一个电极围绕所述光电测量单元设置。

3.根据权利要求1或2所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述至少两个电极包括对应第一手部的第一电极和对应第二手部的第二电极，所述第一电极用于采集所述第一手部的第一部位接触电极时产生的第一感应信号，所述第二电极用于采集所述第二手部的第二部位接触电极时产生的第二感应信号；

其中，所述第一手部为右手且所述第二手部为左手，或者，所述第一手部为左手且所述第二手部为右手。

4.根据权利要求3所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号。

5.根据权利要求3所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述模数转换单元包括第一放大电路、第一模数转换电路、第二放大电路和第二模数转换电路，所述第一电极和所述第二电极均与所述第一放大电路的输入端连接，所述第一放大电路的输出端与所述第一模数转换电路的输入端连接，所述光电测量单元与所述第二放大电路的输入端连接，所述第二放大电路的输出端与所述第二模数转换电路的输入端连接；

其中，所述第一放大电路用于对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行差分放大，得到心电信号，所述第一模数转换电路用于对所述心电信号进行模数转换；

所述第二放大电路用于对所述原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号，所述第二模数转换电路用于对所述脉搏波信号进行模数转换。

6.根据权利要求5所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号，所述第一放大电路的输入端还与所述第三电极连接；

其中，所述第三感应信号用于作为所述第一放大电路对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行差分放大时的参考信号。

7.根据权利要求3所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述模数转换单元包括第三放大电路、第三模数转换电路、第四放大电路和第四模数转换电路，所述第一电极和所述第二电极均与所述第三放大电路的输入端连接，所述第三放大电路的输出端与所述第三模数转换电路的输入端连接，所述光电测量单元与所述第四放大电路的输入端连接，所述第四放大电路的输出端与所述第四模数转换电路的输入端连接；

其中，所述第三放大电路用于分别对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行放大，得到放大后的第一感应信号和放大后的第二感应信号，所述第三模数转换电路用于分别对所述放大后的第一感应信号和所述放大后的第二感应信号进行模数转换；

所述第四放大电路用于对所述原始脉搏波信号进行放大，得到脉搏波信号，所述第四模数转换电路用于对所述脉搏波信号进行模数转换。

8.根据权利要求7所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述至少两个电极还包括对应所述第一手部的第三电极，所述第三电极用于采集所述第一手部的第三部位接触电极时产生的第三感应信号，所述第三放大电路的输入端还与所述第三电极连接；

其中，所述第三感应信号用于作为所述第三放大电路对所述第一感应信号和所述第二感应信号进行放大时的参考信号。

9.根据权利要求1所述的生理信号采集装置，其特征在于，所述装置还包括设置在以下至少一个位置的滤波器：

所述至少两个电极中的至少一个电极与所述模数转换单元之间；

所述光电测量单元与所述模数转换单元之间。

10.一种生理参数测量设备，其特征在于，包括：如权利要求1-9中任一项所述的生理信号采集装置和处理单元，所述生理信号采集装置中的模数转换单元与所述处理单元连接；

所述处理单元用于根据所述模数转换单元输出的转换结果信号计算生理参数，所述生理参数包括血压、心率和血氧中的至少一种。

11.根据权利要求10所述的生理参数测量设备，其特征在于，所述生理信号采集装置的至少两个电极包括第一电极和第二电极，或者，包括第一电极、第二电极和第三电极；

其中，所述第一电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于第一手部的第一部位接触的位置，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于第二手部的第二部位接触的位置，所述第三电极设置在所述生理参数测量设备表面的适于所述第一手部的第三部位接触的位置，所述第一手部为右手且所述第二手部为左手，或者，所述第一手部为左手且所述第二手部为右手。

12.根据权利要求11所述的生理参数测量设备，其特征在于，所述至少两个电极包括第一电极、第二电极和第三电极；

所述第一部位为所述第一手部的拇指，所述第三部位为所述第一手部的其余手指之一，所述第二部位为所述第二手部的手指之一，所述第一电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第一手部的侧面，所述第二电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第二手部侧面；或者，

所述第一部位为所述第一手部的第一手指，所述第三部位为所述第一手部的第二手指，所述第二部位为所述第二手部的手指之一，所述第一电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第一手部的一侧表面，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备的对应所述第二手部的一侧表面；或者，

所述第一部位为所述第一手部的第一手指，所述第三部位为所述第一手部的第二手指，所述第二部位为所述第二手部的手腕，所述第一电极和所述第三电极设置在所述生理参数测量设备的上表面和/或侧面，所述第二电极设置在所述生理参数测量设备的底面。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的生理参数测量设备，其特征在于，所述生理信号采集装置的至少两个电极中的至少一个电极被复用为所述生理参数测量设备的功能按键，或者，与所述功能按键集成为一体结构。

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