一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)。包括發(fā)光模塊：包含兩個及以上發(fā)光二極管，發(fā)射波長400nm

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)
[0001]

[0002]本專利技術(shù)涉及生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，具體涉及一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)。

技術(shù)介紹

[0003]隨著人類對自身健康狀況的日益關(guān)注，生理監(jiān)測系統(tǒng)也日趨完善。對于慢性疾病患者，長期精確的生理參數(shù)檢測能夠有效降低疾病風險，為治療提供有效的數(shù)據(jù)參考。傳統(tǒng)的生理參數(shù)檢測設(shè)備，包括測量心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和體溫等的簡單醫(yī)療和保健器具，為衡量血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)等方面的健康狀況提供依據(jù)，在家庭保健、遠程醫(yī)療和臨床醫(yī)學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]醫(yī)療檢測儀器技術(shù)發(fā)展趨于便攜化和網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)的生理參數(shù)檢測儀器存在功能單一、體積較大，無法滿足日益增加的長期實時檢測需求的問題。而隨著傳感器技術(shù)的集成化和智能化程度不斷提高，在保持低成本的情況下，使得將多種傳感器集成為一體應(yīng)用于醫(yī)療檢測成為可能。現(xiàn)有的穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)容易受到人體運動、檢測系統(tǒng)與測試部位緊固程度，個體皮膚差異和環(huán)境光干擾等因素影響，導(dǎo)致測量精度下降。
[0005]為了解決現(xiàn)有檢測系統(tǒng)存在的上述缺陷，本專利技術(shù)研發(fā)了一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，可顯著提高生理參數(shù)檢測精度，具有重要的實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0006]本專利技術(shù)的目的是提供一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，基于多傳感器的系統(tǒng)設(shè)計和生理參數(shù)測量方法，能夠提高穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)在外界干擾情況下的測試精度，解決現(xiàn)有的穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)測量精度易受外界因素影響的問題。
[0007]本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，具體包括：發(fā)光模塊：包含兩個及以上發(fā)光二極管，發(fā)射波長400nm
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1200nm的光線，按照設(shè)定的時序依次發(fā)出不同波長的光線照射人體皮膚表面；光電感應(yīng)模塊：接收經(jīng)過皮膚反射或透射的光線，將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，產(chǎn)生PPG信號；信號調(diào)理模塊：將電流信號放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，低通濾波器去除高頻噪聲，電壓信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，形成數(shù)字PPG信號；壓力傳感器：測量生理參數(shù)檢測系統(tǒng)與皮膚表面的接觸壓力，產(chǎn)生壓力信號；IMU：包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計，測量生理參數(shù)檢測部位的運動狀態(tài)；溫度傳感器：測量體溫；藍牙通信模塊：將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C；
主控制器：自動設(shè)置發(fā)光模塊、光電感應(yīng)模塊、信號調(diào)理模塊、壓力傳感器、IMU和溫度傳感器的工作參數(shù)，接收信號調(diào)理模塊的PPG信號、壓力傳感器的壓力信號、IMU的加速度計、陀螺儀和磁強計數(shù)據(jù)以及溫度傳感器的體溫數(shù)值，計算包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和體溫的生理參數(shù)。
[0008]進一步地，所述的低通濾波器的截止頻率范圍為5Hz
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100Hz，模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換頻率為20Hz
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600Hz。
[0009]所述的發(fā)光模塊與光電感應(yīng)模塊幾何布局有兩種，其中一種的光電感應(yīng)模塊位于幾何布局的中間，接收皮膚的反射或透射光線，所述的發(fā)光模塊布置為4個，分布在光電感應(yīng)模塊周圍，按照設(shè)定的時序發(fā)光和熄滅，亮滅變化頻率范圍為20Hz
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600Hz，結(jié)構(gòu)如圖2所示，光電感應(yīng)模塊位于幾何布局的中間，接收皮膚的反射或透射光線。4個發(fā)光模塊布置在光電感應(yīng)模塊周圍，按照設(shè)定的時序發(fā)光和熄滅，亮滅變化頻率范圍為20Hz
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600Hz。發(fā)光模塊與光電感應(yīng)模塊的間距因選取的測試部位不同而不同，選定測試部位后，依據(jù)光電感應(yīng)模塊的信號波形確定最佳間距；另一種的光電感應(yīng)模塊為4個，所述的發(fā)光模塊為5個，所述的5個發(fā)光模塊分布在4個光電感應(yīng)模塊周圍，4個光電感應(yīng)模塊充分利用測試部位的面積，同時采集4組并行PPG信號，剔除其中受到外界因素干擾的PPG信號，計算生理參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，有4個光電感應(yīng)模塊，另有5個發(fā)光模塊分布在光電感應(yīng)模塊周圍，此設(shè)計適用于測試部位面積較大的情況，4個光電感應(yīng)模塊充分利用測試部位的面積，同時采集4組并行PPG信號，剔除其中受到外界因素干擾的PPG信號，選擇更理想的PPG信號計算生理參數(shù)，繼而提高了生理參數(shù)測量的精度和可靠性。本專利技術(shù)光電感應(yīng)模塊產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過電流/電壓放大器變?yōu)榉翟龃蟮碾妷盒盘枺盘柗糯蟊稊?shù)可調(diào)；低通濾波器能夠有效濾除高頻噪聲，截止頻率范圍為5Hz
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100Hz；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器對電壓信號進行采樣，完成PPG數(shù)字信號的獲取；PPG數(shù)字信號通過串行總線傳輸?shù)街骺刂破饔糜谟嬎阈穆省⒑粑l率、血壓和血氧飽和度。
[0010]所述的主控制器用于測量生理參數(shù)，具體包括：（1）設(shè)置發(fā)光模塊的發(fā)光時序，調(diào)整發(fā)光功率，使得PPG信號的幅度處于理想的區(qū)間；（2）設(shè)置信號調(diào)理模塊的采樣時序，調(diào)整電流/電壓放大器的放大倍數(shù)和低通濾波器的截止頻率，使得不同波長光線產(chǎn)生的PPG信號能夠在正確的時刻被采樣，得到比較理想的PPG信號便于生理參數(shù)計算；（3）獲取壓力傳感器信號，判斷穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)是否與測試部位緊密接觸，自動識別生理參數(shù)檢測系統(tǒng)晃動及脫落情況，提高生理參數(shù)測量的可靠性；（4）獲取IMU輸出的加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)，通過傳感器融合算法估計測試部位的實時姿態(tài)；為了對測試部位的運動進行估計，首先建立如下的數(shù)學(xué)模型：
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（1）
式（1）中，為測試部位的姿態(tài)四元數(shù)，a為加速度數(shù)據(jù)g0為重力加速度，m為磁場強度數(shù)據(jù)，m0為地磁場基準，R(q)為測試部位姿態(tài)矩陣，滿足如下等式：
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（2）利用式（2）數(shù)學(xué)模型，結(jié)合貝葉斯最優(yōu)估計算法，能夠?qū)崟r估計出測試部位的姿態(tài)變化；測試部位顯著的姿態(tài)變化將導(dǎo)致PPG信號波動，間接影響生理參數(shù)測試精度；根據(jù)計算得到的姿態(tài)變化估計值，剔除測試部位運動對PPG信號的影響，將受運動影響的信號波形恢復(fù)為較理想的信號波形，在此基礎(chǔ)上計算心率、呼吸頻率、血壓和血氧飽和度，繼而保證了生理參數(shù)測試精度。
[0011]所述的主控制器實現(xiàn)包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和體溫的測量和計算過程，其中所述的呼吸頻率檢測為，利用PPG信號計算呼吸頻率，步驟為：信號預(yù)處理：利用數(shù)字高通濾波器去掉PPG信號的低頻成分，高通濾波器截至頻率范圍為0Hz
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0.3Hz，然后通過數(shù)字低通濾波器去掉PPG信號頻率高于40Hz部分；信號辨識：識別PPG信號的有效部分，去除測試部位抖動、環(huán)境光干擾以及PPG信號飽和的影響；特征提取：提取PPG信號的局部最大值和最小值，計算PPG信號的典型特征，包括信號幅度、周期和一個周期內(nèi)不同幅度對應(yīng)的波形寬度；呼吸頻率計算：將提取的PPG信號特征變換到頻域，分析頻譜能量的峰值，與之對應(yīng)的頻率即為呼吸頻率。
[0012]所述的血壓檢測是利用PPG信號分析脈搏波速計算血壓，步驟為：信號預(yù)處理：利用數(shù)字高通濾波器去掉PPG信號的低頻成分，高通濾波器截至頻率范圍為0Hz
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0.3Hz，然后通過數(shù)字低通濾波器去掉PPG信號頻率本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括:發(fā)光模塊：包含兩個及以上發(fā)光二極管，發(fā)射波長400nm
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1200nm的光線，按照設(shè)定的時序依次發(fā)出不同波長的光線照射人體皮膚表面；光電感應(yīng)模塊：接收經(jīng)過皮膚反射或透射的光線，將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，產(chǎn)生PPG信號；信號調(diào)理模塊：將電流信號放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，低通濾波器去除高頻噪聲，電壓信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，形成數(shù)字PPG信號；壓力傳感器：測量生理參數(shù)檢測系統(tǒng)與皮膚表面的接觸壓力，產(chǎn)生壓力信號；IMU：包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計，測量生理參數(shù)檢測部位的運動狀態(tài)；溫度傳感器：測量體溫；藍牙通信模塊：將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C；主控制器：自動設(shè)置發(fā)光模塊、光電感應(yīng)模塊、信號調(diào)理模塊、壓力傳感器、IMU和溫度傳感器的工作參數(shù)，接收信號調(diào)理模塊的PPG信號、壓力傳感器的壓力信號、IMU的加速度計、陀螺儀和磁強計數(shù)據(jù)以及溫度傳感器的體溫數(shù)值，計算包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和體溫的生理參數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的低通濾波器的截止頻率范圍為5Hz
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100Hz，模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換頻率為20Hz
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600Hz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的發(fā)光模塊與光電感應(yīng)模塊幾何布局為，光電感應(yīng)模塊位于幾何布局的中間，接收皮膚的反射或透射光線，所述的發(fā)光模塊布置為4個，分布在光電感應(yīng)模塊周圍，按照設(shè)定的時序發(fā)光和熄滅，亮滅變化頻率范圍為20Hz
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600Hz。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的發(fā)光模塊與光電感應(yīng)模塊幾何布局為，所述的光電感應(yīng)模塊為4個，所述的發(fā)光模塊為5個，所述的5個發(fā)光模塊分布在4個光電感應(yīng)模塊周圍，4個光電感應(yīng)模塊充分利用測試部位的面積，同時采集4組并行PPG信號，剔除其中受到外界因素干擾的PPG信號，計算生理參數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的主控制器用于測量生理參數(shù)，具體包括：（1）設(shè)置發(fā)光模塊的發(fā)光時序，調(diào)整發(fā)光功率，使得PPG信號的幅度處于理想的區(qū)間；（2）設(shè)置信號調(diào)理模塊的采樣時序，調(diào)整電流/電壓放大器的放大倍數(shù)和低通濾波器的截止頻率，使得不同波長光線產(chǎn)生的PPG信號能夠在正確的時刻被采樣，得到比較理想的PPG信號便于生理參數(shù)計算；（3）獲取壓力傳感器信號，判斷穿戴式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)是否與測試部位緊密接觸，自動識別生理參數(shù)檢測系統(tǒng)晃動及脫落情況，提高生理參數(shù)測量的可靠性；（4）獲取IMU輸出的加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)，通過傳感器融合算法估計測試部位的實時姿態(tài)；為了對測試部位的運動進行估計，首先建立如下的數(shù)學(xué)模型：
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（1）其中式（1）中為測試部位的姿態(tài)四元數(shù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張爍，
申請(專利權(quán))人：張爍，
類型：發(fā)明
國別省市：