CN105686815A - 一种无感监测人体生理参数装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无感监测人体生理参数装置，属于智能穿戴技术领域；该装置包括：微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管、电源和显示屏；红外发射管和红光发射管连接微处理器的输出端，光敏管的输出端串联滤波放大器后连接微处理器的输入端；红外发射管、红光发射管与光敏管相对间隔设置；显示屏由微处理器驱动；电源为微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管和显示屏供电。本发明提供的无感监测人体生理参数装置采用光电技术：光电多普勒、容积脉搏波、分子光谱及吸收等前沿生理检测技术来检测血流信号。对采集的数据通过算法运算、分析、建模等数据处理后，最终可以计算出多项人体生理参数：血氧饱和度、脉率、呼吸率、血压、血糖。
Description
技术领域
本发明涉及一种无感监测人体生理参数装置，属于智能穿戴技术领域。
背景技术
最近几年出现大量的智能穿戴设备：智能手环，智能手表，智能戒指等等。这些设备具有监测运动，来电提示，闹钟提醒，监测用户的睡眠质量等功能，技术上都是通过一种加速度传感器来监测用户的体动，翻身，跑步。这些数据经过算法的优化，有一定的准确性，但数据结果的有效性，实用性，不能被充分体现出来，这些数据对用户的健康状态不能有效的体现和评估，缺乏人体的基本生理参数监测与获取，因此无法准确判断用户的生理数据，也就无法对用户提供有效且真实的帮助。手环手表是需要连接智能手机来工作，某种程度上是手机的附属品。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提出一种可以监测人体血液流动速度、血压、血液容积波、血液密度、血氧饱和度、血糖、血脂等多种参数的无感监测人体生理参数装置。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种无感监测人体生理参数装置，包括：微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管、电源和显示屏；所述红外发射管和红光发射管连接所述微处理器的输出端，所述光敏管的输出端串联滤波放大器后连接所述微处理器的输入端；所述红外发射管、红光发射管与所述光敏管相对间隔设置；所述显示屏由所述微处理器驱动；所述电源为所述微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管和显示屏供电；所述红外发射管、红光发射管与所述光敏管之间的间隔可容纳人类手指。
上述方案进一步的改进在于：还包括与所述微处理器连接的蓝牙模块。
上述方案进一步的改进在于：还包括与所述微处理器连接的加速度模块。
上述方案进一步的改进在于：还包括与所述微处理器连接的震动模块。
上述方案进一步的改进在于：所述红外发射管和红光发射管与所述微处理器之间串联有脉冲放大器。
本发明提供的无感监测人体生理参数装置，采用光电技术：光电多普勒、容积脉搏波、分子光谱及吸收等前沿生理检测技术来检测血流信号。人体血液成分中含有大量的血红蛋白，利用血红蛋白在不同氧合状态下对近红外光具有的不同吸收谱这一特性，可以对人体组织中氧合血红蛋白，还原血红蛋白等浓度的变化进行定量检测。脉搏波经过的动脉血管会因脉搏的搏动出现瞬间的血管管壁扩张、回弹，在血管扩张过程中血液容积逐渐增多，在血管壁回弹过程中血液容积逐渐减少，这种血液容积的变化特征会引起近红外光的吸收光谱随着变化，利用光电传感器可以感测到这种光亮的变化特征，将这种微弱的光电信号进行放大、滤波后可以再现脉搏变化的实时波形，就可以获取实时血液容积脉搏波信号原始波形，将信号波形进行模数转换后可以得到真实的脉搏波信号数据，对采集的数据通过算法运算、分析、建模等数据处理后，最终可以计算出多项人体生理参数：血氧饱和度、脉率、呼吸率、血压、血糖等多种数据。整个过程对人体没有任何刺激，做到完全无感。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个优选的实施例所结构示意图。
图2是图1中微处理器、蓝牙模块、显示屏和加速度模块电路图。
图3是图1中红光发射管驱动电路图。
图4是图1中红外发射管驱动电路图。
图5是图1中光敏管驱动电路图。
具体实施方式
实施例
本实施例提供的无感监测人体生理参数装置，其外壳为指环形式，套在人手指根部，除其外壳之外，如图1所示，还包括：微处理器1、红外发射管2、红光发射管3、光敏管5、电源和显示屏6；红外发射管2和红光发射管3分别通过脉冲放大器连接微处理器1的输出端，光敏管5的输出端串联滤波放大器4后连接微处理器1的输入端；红外发射管2、红光发射管3与光敏管5相对间隔设置；显示屏6由微处理器1驱动；还包括与微处理器1连接的蓝牙模块8、加速度模块7和震动电机9。
电源包括有锂电池、充电电路和稳压电路，其为其他各用电部件供电。
如图2所示，本实施例的微处理器1采用CC2640F128RHBR芯片，其自带有蓝牙功能，可以通过简单的外围电路即可实现蓝牙通讯，其各I/O口则连接OLED显示、加速度传感器等。
如图3和图4所示，红外发射管2、红光发射管3均由LMV651驱动，以脉冲信号让两者交替发光。
如图5所示，光敏管5分别由TPS60400和两个OPA376芯片驱动，以便对采集到的信号进行滤波、放大处理。
本实施例提供的装置在工作时，微处理器1以40KHz的频率驱动红外发射管2和红光发射管3交替发光，产生40KHz高辐射强度的脉冲光电信号，脉冲光电信号照射到指端皮肤时，一部分光子能量被皮肤组织反射或散射；一部分光子能量被血液成分吸收或漫反射；同时一部分光子能量会穿透指端到达另一端，穿透的这部分光子能量会被另一端的高速光敏管5检测到，再对检测到的光子能量变化信号进行放大、滤波，可以获取实时血液容积脉搏波信号原始波形，将信号波形进行模数转换后可以得到真实的脉搏波信号数据，对采集的数据通过算法运算、分析、建模等数据处理后，最终可以计算出多项人体生理参数：血氧饱和度、脉率、呼吸率、血压、血糖。
两种不同波长的发光管在高频率脉冲状态下交替发射光子，可以产生比平时更强的光子辐射能力，增强了血液中血红蛋白及氧合血红蛋白的光谱响应特性，提高了血氧饱和度检测的信号强度、灵敏度、分辨率等；血流动力学信号复杂多变，高频率脉冲载波信号的应用可以比较容易的提取指端血流的瞬时变化特征，准确的还原血流动力学表现出的相关生理参数。如血压的变化可以从容积脉搏波的波形幅值、波形斜率、叠加波形间的周期等反应出来，脉率变化、呼吸率变化更是可以方便的从容积脉搏波中得出；血糖的计算是通过血液中葡萄糖分子浓度的变化会引起红外光子能量变换的特性实现，在高频率红外脉冲照射下，血液中的葡萄糖分子不仅产生光谱吸收、反射的固有特性，同时分子的振动能级和转动能级发生从基态到激发态的跃迁，使相应的透射光强度减弱；当血液中的血糖浓度保持不变时，相应的透射光强度也保持不变，当血糖浓度发生变化时，势必引起血液中透射光强度的比例变化，通过对这种透射光强度的实时长时间的变化检测，并保存变化数据，可以得到个体血糖浓度的变化趋势，通过与真实血糖浓度数据的对比分析，建立个体的血糖浓度变化模型，确定模型后，就可以对人体的血糖浓度进行实时监测跟踪。
内置的加速度模块7会记录用户的运动状态：散步、跑步速度、久坐提醒、运动量等数据，并自动结合生理状态参数结果对用户的日常生活、运动状态、饮食、睡眠等提供最合理的建议及帮助。
实时监测的结果通过显示屏6显示，本实施例中的显示屏6采用OLED屏。当监测结果超过预定的报警范围时，本实施例的装置首先会通过蓝牙模块8向附近的手机发送报警信号，同时震动电机9会工作，提示相关的异常生理参数在显示屏6上，在紧急情况下，报警信息会通过手机发送到指定的医院、监护人。手机应用程序可以记录每天的监测数据及结果，可以实时远程监护，通过对用户长期大量生理数据的监测和分析，最终可以建立用户的生理健康数据库，能够对用户的心脑血管疾病发展初期做到提前发现，早干预、早治疗，最终达到预防心脑血管疾病的大范围爆发趋势。
本装置可以佩戴在人类左右手指的近节指骨外围，重点检测左右手的中指、食指、无名指位置；近节指骨是手指的第一节，负责手指的触觉、活动、感觉等传输带，与手掌面平行的是指屈肌腱以及分布在周围的静脉、动脉、神经组织、毛细血管网络，红外发射管2与红光发射管3位于指骨一侧的同一并排位置安装，指骨另一侧安装光敏管5，红外发射管2与红光发射管3的光线正好垂直于光敏管5的接收面，红外发射管2与红光发射管3发射的光线不会垂直照射到近节指骨，而是正好穿透近节指骨上层的指屈肌腱及手指皮肤组织；此装置适宜佩戴在左右手的食指、中指、无名指的规定位置以便达到最佳的检测效果。
手指是血液循环的末端，分布着丰富的毛细血管、微静脉、微动脉、神经元、神经末梢、组织；因此可以反应人体的诸多生理健康参数，如：手指取血化验做血常规检测、手指取血测血糖指标、指夹式血氧饱和度检测，这些应用都是采用了手指的远节指骨即手指头末端的位置来当作检测位置，说明手指作为生理参数检测的准确性、重要性是毋庸置疑的。但传统的生理参数检测方法存在一定的弊端，测血糖、血常规检测均需要扎破手指，对用户有一定的创伤，且有感染病菌危险；日常操作起来不方便、便携性差、重复性差。指夹式血氧仪长时间佩戴会阻碍指端的血液循环，会给用户带来不适感，指夹式血氧仪采用光穿透的方法检测，需要穿透指端的远端指骨，对光信号的阻碍作用较大，不利于光的穿透检测，因此对血液成分的分析判断不能胜任。
本装置在吸收以上成熟的技术方法上有了创造性变革，采用高频率脉冲光电多普勒技术来采集手指近节指骨上层的肌肉组织中的血液动力学信号，双光束穿透没有指骨的血管、组织，试验中能检测到丰富的血液成分的变化特征信号，通过放大、滤波、数据采集、数据处理后，最终可以计算出大量的人体生理参数特征数据。
本发明不局限于上述实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种无感监测人体生理参数装置，其特征在于，包括：微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管、电源和显示屏；所述红外发射管和红光发射管连接所述微处理器的输出端，所述光敏管的输出端串联滤波放大器后连接所述微处理器的输入端；所述红外发射管、红光发射管与所述光敏管相对间隔设置；所述显示屏由所述微处理器驱动；所述电源为所述微处理器、红外发射管、红光发射管、光敏管和显示屏供电；所述红外发射管、红光发射管与所述光敏管之间的间隔可容纳人类手指。
2.根据权利要求1所述无感监测人体生理参数装置，其特征在于：还包括与所述微处理器连接的蓝牙模块。
3.根据权利要求1所述无感监测人体生理参数装置，其特征在于：还包括与所述微处理器连接的加速度模块。
4.根据权利要求1所述无感监测人体生理参数装置，其特征在于：还包括与所述微处理器连接的震动模块。
5.根据权利要求1所述无感监测人体生理参数装置，其特征在于：所述红外发射管和红光发射管与所述微处理器之间串联有脉冲放大器。
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