專利名稱：脈率測量方法及指環(huán)式脈率測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈率測量方法及采用該方法的脈率測量儀，具體涉及一種無創(chuàng)獲 取指端動脈脈率的光電裝置，屬于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光電容積脈搏波掃描法是獲取光電容積脈搏波的常規(guī)手段，其是借助光電技術(shù)手 段，在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)傷檢測方法。當(dāng)利用一束特定波長的光束 照射到人體指端皮膚表面，并以透射或反射方式傳送到光電接收器時，由于受到指端皮膚、 肌肉和血液等成分的吸收作用，檢測器檢測到的入射光強度會發(fā)生衰減。其中，皮膚、肌肉 等組織對入射光的吸收保持恒定，這些來自非脈動部分的光吸收成分構(gòu)成了容積脈搏波的 直流分量。此外，由于皮膚動脈內(nèi)的血液容積在心臟搏動的作用下呈周期性的脈動變化，光 電接收器接收的光強信號也會隨之呈脈動性周期變化，即為容積脈搏波的交流分量。由此 分析看到，容積脈搏波中包含了心搏信息，因而可以從中獲取脈率。
目前，利用光電容積脈搏波掃描法獲取脈搏的方法測量位置多為指尖及耳垂等光 易穿透部位，然而這些測量部位大多需要在安靜狀態(tài)下測量，不宜在運動狀態(tài)下測量，若在 運動狀態(tài)測量時，需要引入心電參考，測量過程復(fù)雜且容易弓I起較大誤差。其抗運動干擾性 能差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易佩戴而且價格高昂，不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畋＝〖叭粘＿\動時測量的 需要。發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種脈率測量方法及采用該方法的指 環(huán)式脈率測量儀，具有結(jié)構(gòu)簡單、外型小巧，方便佩戴和抗干擾能力強的特點。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案一種脈率測量方法，其以手指指腹為脈搏信號測量位置， 利用特定波長的光束照射到指腹皮膚表面，通過光電接收器采用透射和/或透射光光強信 號，依據(jù)光強信號呈脈動性周期變化的交流分量計算脈率。
該方法包括以下幾個步驟(1)在手指指腹兩側(cè)貼附相互間呈一定角度設(shè)置的光 束發(fā)射和接收裝置，采集指腹處的脈搏波；( 根據(jù)所述脈搏波的主要能量頻帶分布范圍， 使用HR高通、低通濾波器對所述脈搏信號濾除直流分量及高頻成分；C3)使用移動平均方 法及去除基線漂移方法進一步去除噪聲及干擾；(4)利用抗混疊濾波器對信號進行濾波處 理；(5)對步驟(4)處理后的信號取樣，并通過快速傅里葉變換(FFT)將其變換至頻域，然 后獲取指端動脈的脈率值。
—種指環(huán)式脈率測量儀，包括脈搏波采集裝置和脈搏波處理和顯示裝置，所述脈 搏波處理和顯示裝置設(shè)有中央控制及信號處理模塊，所述中央控制及信號處理模塊的控制 信號輸出/入端構(gòu)成脈搏波處理和顯示裝置的控制信號輸出/入端，所述脈搏波處理和顯 示裝置的控制信號輸出/入端通過無線或有線的方式與所述脈搏波采集裝置的脈搏波信 號輸入/出端連接。
所述脈搏波采集裝置采用可以套在人手指上的指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)，可以包括內(nèi)環(huán)和 與所述內(nèi)環(huán)相配套的外環(huán)，所述內(nèi)環(huán)里側(cè)設(shè)有LED發(fā)光管和與所述LED發(fā)光管成一定角度 的光電接收器，測量時所述LED發(fā)光管和光電接收器貼附于手指指腹兩側(cè)，所述外環(huán)上可 以設(shè)有無線收發(fā)裝置和為所述無線收發(fā)裝置供電的電池。
所述LED發(fā)光管連接用于控制所述LED發(fā)光管工作狀態(tài)的LED發(fā)光管驅(qū)動電路， 所述LED發(fā)光管驅(qū)動電路的控制信號輸入端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的控制信號輸入端， 通過無線收發(fā)裝置與所述中央控制和信號處理模塊的控制信號輸出端連接通信。
所述脈搏波處理和顯示裝置采用可以戴在人手腕上的腕帶式結(jié)構(gòu)，包括殼體和連 接所述殼體的腕帶，所述中央控制及信號處理模塊通常設(shè)置在所述殼體內(nèi)，所述殼體內(nèi)還 設(shè)有顯示集成電路和與所述顯示集成電路連接的顯示屏，所述中央控制及信號處理模塊的 信號輸出終端連接所述顯示集成電路的信號輸入端，所述顯示集成電路的信號輸出端連接 所述顯示屏的信號輸入端。
所述內(nèi)環(huán)里側(cè)還可以設(shè)有信號放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述光電接收器的電信號輸 出端連接所述信號放大器的信號輸入端，所述信號放大器的信號輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的信號輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸出端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的脈搏波信號輸 出端，通過無線收發(fā)裝置連接所述中央控制及信號處理模塊的控制信號輸入端。
所述中央控制及信號處理模塊內(nèi)可以設(shè)有FIR高通、低通濾波器和抗混疊濾波器。
所述中央控制及信號處理模塊所進行的信號處理與計算包括
(1)信號預(yù)處理使用HR高通、低通濾波器濾除脈搏信號中的干擾成分，再進行 指端動脈光電容積脈搏信號的預(yù)處理，同時，有選擇性的放大濾除干擾后的信號；
(2)信號抽樣采用抗混疊濾波器技術(shù)處理(1)中獲得的脈搏信號，對信號進行抽 樣處理；
(3)FFT頻域分析使用快速傅里葉變換將O)中抽樣信號變換至頻域，提取脈率 頻域峰值進而獲得指端動脈脈率值，進而使用FFT頻域分析分離出脈搏信號并提取脈率值。
所述LED發(fā)光管可以采集一路光束或按時序輪轉(zhuǎn)采集多路光束發(fā)送給所述光電 接收器，所述光電接收器優(yōu)選為硅光電接收器，所述指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)為壓力可調(diào)、半徑可調(diào) 的支撐式結(jié)構(gòu)。
有益效果由于本發(fā)明采用可以套在人手指上的指環(huán)式結(jié)構(gòu)和配套的可以戴在手 腕上的腕帶式結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)簡單、外形小巧且佩戴方便。
由于LED發(fā)光管與硅光電探測器嵌入指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)中的內(nèi)環(huán)，成一定夾角，分 附于手指指腹兩側(cè)，同時采用透射式光電采集方式發(fā)送光波，光傳導(dǎo)路徑短，獲取的脈搏信 號清晰、強度大，而且本發(fā)明結(jié)合了先進的脈搏信號處理算法，顯示的波形清晰、明顯，具有 抗干擾能力強的特點。
由于指環(huán)式固定支撐結(jié)構(gòu)長度可調(diào)節(jié)、壓力可調(diào)節(jié)，保證了 LED發(fā)光管和硅光電 探測器能夠適應(yīng)于不同的手指尺寸，對手指皮膚及皮下血管保持適當(dāng)?shù)木鶆驂毫σ怖诎?靜及運動狀態(tài)下采集到清晰、穩(wěn)定的光電容積脈搏波，因此能夠滿足人們?nèi)粘Ｉ畋＝〖?日常運動時佩戴的需要。


圖1為本發(fā)明的指環(huán)式脈率測量儀整體結(jié)構(gòu)示意圖2為LED發(fā)光管、光電接收器與指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)相對位置示意圖3為LED發(fā)光管、光電接收器與手指指腹的相對位置示意圖4為腕帶式結(jié)構(gòu)整體分解圖5為指端動脈脈率獲取裝置整體流程圖。
具體實施方式
參見圖1-5，本發(fā)明提供的指環(huán)式脈率測量儀，包括脈搏波采集裝置1和脈搏波處 理和顯示裝置2，所述脈搏波處理和顯示裝置設(shè)有中央控制及信號處理模塊9，所述中央控 制及信號處理模塊的控制信號輸出/入端構(gòu)成脈搏波處理和顯示裝置的控制信號輸出/入 端，所述脈搏波處理和顯示裝置的控制信號輸出/入端通過無線或有線的方式與所述脈搏 波采集裝置的脈搏波信號輸入/出端連接，優(yōu)選地，采用無線的方式連接所述脈搏波采集 裝置和脈搏波處理和顯示裝置。
所述脈搏波采集裝置采用可以套在人手指上的指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)，可以包括內(nèi)環(huán)3 和與所述內(nèi)環(huán)相配套的外環(huán)4，所述內(nèi)環(huán)里側(cè)設(shè)有LED發(fā)光管5和與所述LED發(fā)光管成一定 角度的光電接收器6，測量時所述LED發(fā)光管和光電接收器貼附于手指指腹兩側(cè)，所述LED 發(fā)光管采用透射式光電采集方式，發(fā)送光束給所述光電接收器，采用透射式光電采集方式， 光傳導(dǎo)路徑短，便于獲取清晰的脈搏信號，所述外環(huán)上可以設(shè)有無線收發(fā)裝置7和為所述 無線收發(fā)裝置供電的電池8，利用無線收發(fā)裝置，可以省去布線的麻煩，簡化電路，也使該測 量儀外形小巧、結(jié)構(gòu)簡單。
所述LED發(fā)光管連接用于控制所述LED發(fā)光管工作狀態(tài)的LED發(fā)光管驅(qū)動電路 14，所述LED發(fā)光管驅(qū)動電路的控制信號輸入端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的控制信號輸入 端，通過無線收發(fā)裝置與所述中央控制和信號處理模塊的控制信號輸出端連接通信，所述 中央控制和信號處理模塊發(fā)出對LED發(fā)光管驅(qū)動電路的控制信號，使該電路發(fā)出LED驅(qū)動 信號，驅(qū)動所述LED發(fā)光管發(fā)射光束。
所述脈搏波處理和顯示裝置采用可以戴在人手腕上的腕帶式結(jié)構(gòu)，包括殼體和連 接所述殼體的腕帶10，所述中央控制及信號處理模塊通常設(shè)置在所述殼體內(nèi)，所述殼體內(nèi) 還設(shè)有顯示集成電路和與所述顯示集成電路連接的顯示屏11，所述中央控制及信號處理模 塊的信號輸出終端連接所述顯示集成電路的信號輸入端，所述顯示集成電路的信號輸出端 連接所述顯示屏的信號輸入端，所述顯示屏屏幕將顯示處理后的脈搏波波形和經(jīng)過計算后 得到的脈率值。
所述內(nèi)環(huán)里側(cè)還可以設(shè)有信號放大器12和模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，所述光電接收器的電 信號輸出端連接所述信號放大器的信號輸入端，所述信號放大器的信號輸出端連接所述模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸出端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的脈搏波 信號輸出端，通過無線收發(fā)裝置連接所述中央控制及信號處理模塊的控制信號輸入端，所 述中央控制及信號處理模塊對接收到的數(shù)字脈搏信號進行實時處理。
所述中央控制及信號處理模塊內(nèi)可以設(shè)有FIR高通、低通濾波器和抗混疊濾波量得到的脈搏波波形進行一系列處理和計算。
所述中央控制及信號處理模塊所進行的信號處理與計算包括
(1)信號預(yù)處理使用HR高通、低通濾波器濾除脈搏信號中的干擾成分，利用移 動平均及曲線擬合去基線相結(jié)合的方法進行指端動脈光電容積脈搏信號的預(yù)處理，利用移 動平均的方法通過移動的平均窗口處理信號，能夠去除信號毛刺且能較好地保留脈搏信號 特征，采用曲線擬合出基線趨勢曲線，由原信號曲線減去擬合出的基線，從而消除基線漂移 的影響，同時，有選擇性的放大濾除干擾后的信號，由于經(jīng)過上述處理之后，脈搏信號幅度 會衰減很大，因此此步中劃分了不同的脈搏波信號強度區(qū)間，對處于不同強度區(qū)間的脈搏 波信號進行不同放大倍數(shù)的選擇性放大，以增加信號辨識度，提高計算精度；
(2)信號抽樣由脈搏信號主要能量頻帶范圍可知，其為低頻信號，直接對低頻脈 搏信號進行抽樣處理，信號會出現(xiàn)頻域上的混疊、時域上的失真，采用抗混疊濾波器技術(shù)處 理(1)中獲得的脈搏信號，使用抗混疊濾波器處理信號后，混疊干擾被抑制，而信號所在的 低頻帶則得到了很好的保留，對處理后的信號進行抽樣，以降低運算復(fù)雜度，提高系統(tǒng)實時 性能，需要注意的是，本發(fā)明算法中抗混疊濾波器截止頻率的選取需要覆蓋脈搏信號的頻 帶范圍，以防脈搏信號頻域信息丟失影響后續(xù)處理；
C3)FFT頻域分析安靜狀態(tài)時，脈搏波波形清晰，頻譜能量集中于脈率頻域峰值 附近，然而在運動狀態(tài)下，時域脈搏波波形失真明顯，頻譜中雜波分量較多，時域提取其周 期信號難度很大，而基于周期信號的頻域體現(xiàn)為一系列諧波分量之和的理論基礎(chǔ)，使用快 速傅里葉變換將O)中抽樣信號變換至頻域，根據(jù)周期信號頻譜呈諧波分布的特征，提取 脈率頻域峰值進而獲得指端動脈脈率值，針對運動干擾明顯一路脈搏信號無法提取脈率的 情況，利用盲源分離算法處理多路采集的容積脈搏信號分離脈搏信號和運動干擾，進而使 用FFT頻域分析分離出脈搏信號并提取脈率值。
所述LED發(fā)光管采集一路光束或按時序輪轉(zhuǎn)采集多路光束發(fā)送給所述光電接收 器，LED發(fā)光管輪轉(zhuǎn)發(fā)射一束紅光(如波長為660nm的紅光)和一束近紅外光(如波長為 SOOnm的近紅外光)以及其它特征波長，光束的選擇依具體采集路數(shù)而定，所述光電接收 器優(yōu)選為硅光電接收器，所述指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)壓力可調(diào)節(jié)、半徑可調(diào)節(jié)，所述腕帶長度可調(diào) 節(jié)，保證了設(shè)置在所述指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)里側(cè)的LED發(fā)光管和硅光電探測器能夠適應(yīng)于 不同的手指尺寸，對手指皮膚及皮下血管保持適當(dāng)?shù)木鶆驂毫Γ灿欣谠诎察o或運動狀 態(tài)下能夠采集到清晰、穩(wěn)定的光電容積脈搏波，所述腕帶長度可調(diào)節(jié)，便于適應(yīng)不同胖瘦的 人佩戴。
本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、外型小巧，方便佩戴和抗干擾能力強的特點，能夠滿足人們 日常生活保健及日常運動時佩戴的需要。
權(quán)利要求
1.一種脈率測量方法，其特征在于其以手指指腹為脈搏信號測量位置，利用特定波長 的光束照射到指腹皮膚表面，通過光電接收器采用透射和/或透射光光強信號，依據(jù)光強 信號呈脈動性周期變化的交流分量計算脈率。
2.如權(quán)利要求1所述的脈率測量方法，其特征在于包括以下幾個步驟(1)在手指指腹 兩側(cè)貼附相互間呈一定角度設(shè)置的光束發(fā)射和接收裝置，采集指腹處的脈搏波；( 根據(jù) 所述脈搏波的主要能量頻帶分布范圍，使用^R高通、低通濾波器對所述脈搏信號濾除直 流分量及高頻成分；(3)使用移動平均方法及去除基線漂移方法進一步去除噪聲及干擾； (4)利用抗混疊濾波器對信號進行濾波處理；( 對步驟(4)處理后的信號取樣，并通過快 速傅里葉變換(FFT)將其變換至頻域，然后獲取指端動脈的脈率值。
3.—種指環(huán)式脈率測量儀，包括脈搏波采集裝置和脈搏波處理和顯示裝置，其特征在 于所述脈搏波處理和顯示裝置設(shè)有中央控制及信號處理模塊，所述中央控制及信號處理模 塊的控制信號輸出/入端構(gòu)成脈搏波處理和顯示裝置的控制信號輸出/入端，所述脈搏波 處理和顯示裝置的控制信號輸出/入端通過無線或有線的方式與所述脈搏波采集裝置的 脈搏波信號輸入/出端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述脈搏波采集裝置采用可以 套在人手指上的指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)環(huán)和與所述內(nèi)環(huán)相配套的外環(huán)，所述內(nèi)環(huán)里側(cè)設(shè) 有LED發(fā)光管和與所述LED發(fā)光管成一定角度的光電接收器，測量時所述LED發(fā)光管和光 電接收器貼附于手指指腹兩側(cè)，所述外環(huán)上設(shè)有無線收發(fā)裝置和為所述無線收發(fā)裝置供電 的電池。
5.如權(quán)利要求4所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述LED發(fā)光管連接用于控制 所述LED發(fā)光管工作狀態(tài)的LED發(fā)光管驅(qū)動電路，所述LED發(fā)光管驅(qū)動電路的控制信號輸 入端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的控制信號輸入端，并通過所述無線收發(fā)裝置與所述中央控 制和信號處理模塊的控制信號輸出端連接通信。
6.如權(quán)利要求5所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述脈搏波處理和顯示裝置采 用可以戴在人手腕上的腕帶式結(jié)構(gòu)，包括殼體和連接所述殼體的腕帶，所述中央控制及信 號處理模塊設(shè)置在所述殼體內(nèi)，所述殼體內(nèi)還設(shè)有顯示集成電路和與所述顯示集成電路連 接的顯示屏，所述中央控制及信號處理模塊的信號輸出終端連接所述顯示集成電路的信號 輸入端，所述顯示集成電路的信號輸出端連接所述顯示屏的信號輸入端。
7.如權(quán)利要求4、5或6所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述內(nèi)環(huán)里側(cè)還設(shè)有信 號放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述光電接收器的電信號輸出端連接所述信號放大器的信號輸入 端，所述信號放大器的信號輸出端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 信號輸出端構(gòu)成所述脈搏波采集裝置的脈搏波信號輸出端，通過所述無線收發(fā)裝置連接所 述中央控制及信號處理模塊的控制信號輸入端。
8.如權(quán)利要求7所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述中央控制及信號處理模塊 內(nèi)設(shè)有FIR高通、低通濾波器和抗混疊濾波器。
9.如權(quán)利要求8所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述中央控制及信號處理模塊 所進行的信號處理與計算包括(1)信號預(yù)處理使用HR高通、低通濾波器濾除脈搏信號中的干擾成分，再進行指端 動脈光電容積脈搏信號的預(yù)處理，同時，有選擇性的放大濾除干擾后的信號；(2)信號抽樣采用抗混疊濾波器技術(shù)處理(1)中獲得的脈搏信號，對信號進行抽樣處理；(3)FFT頻域分析使用快速傅里葉變換將(2)中抽樣信號變換至頻域，提取脈率頻域 峰值進而獲得指端動脈脈率值，進而使用FFT頻域分析分離出脈搏信號并提取脈率值。
10.如權(quán)利要求9所述的指環(huán)式脈率測量儀，其特征在于所述LED發(fā)光管采集一路光束 或按時序輪轉(zhuǎn)采集多路光束發(fā)送給所述光電接收器，所述光電接收器為硅光電接收器，所 述指環(huán)式支撐結(jié)構(gòu)為壓力可調(diào)、半徑可調(diào)的支撐結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈率測量方法及采用該方法的指環(huán)式脈率測量儀。該方法以手指指腹為脈搏信號測量位置，利用特定波長的光束照射到指腹皮膚表面，通過光電接收器采用透射和/或透射光光強信號，依據(jù)光強信號呈脈動性周期變化的交流分量計算脈率。所述指環(huán)式脈率測量儀，包括脈搏波采集裝置和脈搏波處理和顯示裝置，所述脈搏波處理和顯示裝置設(shè)有中央控制及信號處理模塊，所述中央控制及信號處理模塊的控制信號端通過有線或無線的方式與所述脈搏波采集裝置連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、外型小巧，方便佩戴和抗干擾能力強的特點，能夠滿足人們?nèi)粘Ｉ畋＝〖叭粘＿\動時佩戴的需要。
文檔編號A61B5/0245GK102028457SQ20101056483
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者劉志文, 劉忠英, 王群 申請人:北京麥邦光電儀器有限公司