本發(fā)明涉及傳感技術(shù)及生理參數(shù)分析測(cè)定技術(shù)，具體涉及基于壓力傳感器和脈搏搏動(dòng)的信息以提取生物體心率參數(shù)的測(cè)試技術(shù)，特別是通過(guò)在線測(cè)定基于脈搏搏動(dòng)對(duì)壓力傳感器信息影響以連續(xù)獲取心率參數(shù)，以確定被測(cè)試生物體在任何時(shí)候和任何地點(diǎn)的心率，實(shí)時(shí)地了解生物體的健康狀況。壓力傳感器感知生物體動(dòng)脈博動(dòng)對(duì)流體所產(chǎn)生的壓力變化，通過(guò)分析壓力傳感器所得到數(shù)據(jù)的頻譜分布，可以確定生物體的心率。本發(fā)明可廣泛用于快速、精確、在線、即時(shí)地確定被分析生物體的心率等生理信息：這些數(shù)據(jù)既能為使用者及時(shí)了解生物體的健康狀況，又能為醫(yī)生等職業(yè)人士了解生物體平時(shí)的生理狀況提供幫助，以作出更有效更具針對(duì)性的健康診斷。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的提高，人們對(duì)健康越來(lái)越關(guān)注。傳統(tǒng)的以醫(yī)院體檢、醫(yī)生診斷方式的醫(yī)療健康服務(wù)雖然仍然有著不可撼動(dòng)的地位，但是人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于這些傳統(tǒng)方式的服務(wù)，其中能提供基于移動(dòng)通訊設(shè)備的實(shí)時(shí)生理參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)最為引入注目。實(shí)時(shí)生理參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)結(jié)合多種傳感技術(shù)，能隨時(shí)為人們提供生理生化參數(shù)，方便使用者及時(shí)了解生理狀況，以便采取相應(yīng)醫(yī)療保健措施；同時(shí)這些數(shù)據(jù)也能為醫(yī)生診療時(shí)提供參考，以便了解患者平時(shí)的生理狀況。實(shí)時(shí)在線的可穿戴健康醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)采集人體的生理數(shù)據(jù)，是移動(dòng)健康醫(yī)療服務(wù)行業(yè)的入口，為基于大數(shù)據(jù)分析的健康醫(yī)療服務(wù)提供了可證實(shí)科學(xué)源泉，必將成為健康醫(yī)療服務(wù)業(yè)的基礎(chǔ)，是未來(lái)的趨勢(shì)。瑞士信貸網(wǎng)(ABI)報(bào)告顯示可穿戴技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)兩到三年將由目前的30-50億美元增長(zhǎng)到300-500億美元。ABI的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)到2018年可穿 戴設(shè)備全球?qū)⑦_(dá)到4.85億臺(tái)。中國(guó)前瞻網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2012年中國(guó)可穿戴便攜移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)銷(xiāo)售規(guī)模達(dá)到4.2億元，預(yù)計(jì)到2015年這一市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)10億元，2017年中國(guó)可穿戴便攜移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模接近50億元。心率測(cè)定是可穿戴設(shè)備獲取的最基本生理參數(shù)，得到此項(xiàng)參數(shù)主要有兩種技術(shù)：光電式和心電式。光電式通過(guò)表層皮膚動(dòng)脈血對(duì)特定波長(zhǎng)光吸收的變化來(lái)計(jì)算心率；心電式通過(guò)手指或皮膚測(cè)定心電曲線，從而得到心率。這兩種方法都是非常經(jīng)典的測(cè)定心率技術(shù)，需要設(shè)備與人體的緊密接觸，并需要排除外部光、電等因素干擾，才能獲取比較可靠的心率數(shù)據(jù)。但是使用可穿戴設(shè)備在線實(shí)時(shí)測(cè)定心率時(shí)，由于使用者經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，很難確保以上兩種技術(shù)所需要的獲取可靠性數(shù)據(jù)的條件。而且，這兩種技術(shù)的產(chǎn)品功耗比較大，在移動(dòng)應(yīng)用時(shí)，電池的可工作時(shí)間短。這就導(dǎo)致可穿戴設(shè)備獲得數(shù)據(jù)的精確度和可用性不能滿(mǎn)足需求各方的要求，影響了用戶(hù)對(duì)整個(gè)移動(dòng)健康管理的信心，限制了產(chǎn)品和市場(chǎng)的表現(xiàn)。因此，可靠便利低功耗地通過(guò)可穿戴設(shè)備獲取心率數(shù)據(jù)的技術(shù)和產(chǎn)品有著巨大的市場(chǎng)基礎(chǔ)和需求。

本發(fā)明在研究獲取心率等生理參數(shù)的各種技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器、電子電路和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，發(fā)明了一種可用于實(shí)時(shí)在線心率低功耗測(cè)定裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于動(dòng)脈搏動(dòng)來(lái)獲取生物體的心率等生理參數(shù)的裝置和方法，以便使用者或者其它用戶(hù)能實(shí)時(shí)了解心率等基本生命體征參數(shù)，不僅以便及時(shí)有效地采取醫(yī)療保健等健康措施，改善生物體的健康狀況，而且能在特殊緊急情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)危及生命的信號(hào)，起到預(yù)警作用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種心率和血壓裝置，包括流體盛置模塊、壓力傳感模塊、電信號(hào)處理模塊、控制模塊、電信號(hào)傳送模塊。

流體盛置模塊用于盛置具有一定壓力的流體，并將壓力均勻傳遞至生物體被測(cè)試部位；

壓力傳感模塊用于實(shí)時(shí)測(cè)定流體盛置模塊中流體的壓力；

電信號(hào)處理模塊用于傳遞控制模塊、壓力傳感模塊和脈搏傳感模塊的電信號(hào)并進(jìn)行處理，使這些信號(hào)在控制模塊和傳感模塊之間交換；

控制模塊用于控制壓力傳感模塊和動(dòng)脈搏動(dòng)模塊獲取的信息的方式和頻率，并對(duì)獲取的信息調(diào)用預(yù)設(shè)程序進(jìn)行運(yùn)算，提取血壓和心率等生理參數(shù)；

電信號(hào)傳送模塊將控制模塊得到的信息和后續(xù)其它模塊進(jìn)行信息交換傳送；

所述的流體盛置包裹于被測(cè)生物體測(cè)試部位，壓力傳感模塊和流體盛置模塊之間流體相通、被固定于流體盛置模塊，壓力傳感面被流體覆蓋，壓力傳感模塊與電信號(hào)處理模塊和控制模塊電連接，壓力傳感模塊在控制模塊的控制下以一定頻率按時(shí)間順序采集流體盛置模塊內(nèi)流體的壓力信息，經(jīng)過(guò)電信號(hào)處理模塊后傳回給控制模塊，控制模塊分析處理所得到的時(shí)間序列壓力信息的周期性，得到心率生理信息，經(jīng)過(guò)電信號(hào)傳送模塊傳送給后續(xù)其它模塊使用。

其中，流體盛置模塊中盛置有固定壓力的流體，該流體為氣體或者是液體，并被密封于裝置內(nèi)。

其中，流體盛置模塊中盛置有的流體，既可以是預(yù)先密封盛置于裝置內(nèi)，也可以在測(cè)試使用前通過(guò)液體泵沖入。

其中，流體盛置模塊內(nèi)的流體壓力與大氣壓的差值小于生物體的正常動(dòng)脈收縮壓。

其中，流體盛置模塊是采用具彈性的柔性材料制作，材料的彈性系數(shù)應(yīng)接近或小于所測(cè)生物體動(dòng)脈以上組織的彈性系數(shù)，以保證脈搏搏動(dòng)能及時(shí)被流體所感應(yīng)。

其中，流體盛置模塊具有氣密性，以確保測(cè)試過(guò)程中流體不發(fā)生泄漏。

其中，流體盛置模塊可以被制作成條形、帶型、套型、夾形但不限于上述形狀，以適應(yīng)生物體不同部位的形狀，提高舒適度和美觀度： 如測(cè)試腕部的血壓，流體盛置裝置可以制作成腕帶形，測(cè)試手指時(shí)可以做成環(huán)形或者是指套型、指夾形。

其中，流體盛置模塊在測(cè)試時(shí)，施加于測(cè)試部位的壓力小于生物體的正常動(dòng)脈舒張壓，以保證人體的舒適度，并避免對(duì)人體靜脈循環(huán)的影響。

其中，壓力傳感模塊用于實(shí)時(shí)測(cè)定流體盛置模塊中流體的壓力，該壓力信號(hào)隨著脈搏搏動(dòng)發(fā)生周期性的強(qiáng)度上微小震動(dòng)，這些信息包含心率信號(hào)和脈動(dòng)周期。

其中，壓力傳感裝置以確定頻率獲取數(shù)據(jù)，該頻率應(yīng)高于心率10倍以上，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和精度。

其中，電信號(hào)處理模塊用于傳遞控制模塊、壓力傳感模塊的電信號(hào)并進(jìn)行處理，使這些信號(hào)在不同模塊間能相互識(shí)別和使用；這些處理包括但不限于放大、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換等。

其中，控制模塊采用微處理器MCU或者數(shù)字信號(hào)處理器DSP等器件，用于控制壓力傳感模塊獲取的信息的方式和頻率，并對(duì)獲取的信息調(diào)用預(yù)設(shè)程序進(jìn)行運(yùn)算，提取心率等生理參數(shù)。

其中，電信號(hào)傳送模塊將控制模塊得到的信息傳送給后續(xù)其它模塊以及接受來(lái)自后續(xù)模塊的信息；該傳送方式采用有線或者無(wú)線的通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，如有線的如I2C，串行口等，無(wú)線的WIFI，藍(lán)牙，或者是無(wú)線蜂窩通訊等。

所述的流體盛置模塊、壓力傳感模塊、電信號(hào)處理模塊、控制模塊和電信號(hào)傳送模塊共同構(gòu)成心率測(cè)試裝置。在電源的驅(qū)動(dòng)下，該裝置能獨(dú)立工作。

本發(fā)明獲取心率信息方法，其步驟如下：

首先，壓力傳感模塊獲取包裹于生物體測(cè)試部位流體盛置模塊內(nèi)流體壓力信號(hào)，該壓力信號(hào)反映了心率周期和脈搏在一定壓力下動(dòng)脈脈搏搏動(dòng)變化趨勢(shì)，其波形包含有心率和脈搏周期信息；

然后通過(guò)數(shù)學(xué)處理方法，對(duì)壓力傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行基線校正、濾波、平滑等處理，消除所得到的壓力信號(hào)中噪音和干擾因素引入的假信息等，得到能反應(yīng)壓力波真實(shí)波形；

最后通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如微分、傅里葉轉(zhuǎn)換、小波分析等手段，獲取波形中周期性，以定量得到生物體的心率參數(shù)。

總之，采用以上裝置和方法，對(duì)獲取的流體壓力信號(hào)分析處理， 得到如圖1所示的典型流體盛置模塊內(nèi)流體壓力信號(hào)，通過(guò)頻譜分析能準(zhǔn)確在線地獲取生物體的心率參數(shù)。

由于采取了以上技術(shù)方案，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明采用固定壓力流體盛置裝置，簡(jiǎn)化了操作和測(cè)定時(shí)間。

2)本發(fā)明中施加于測(cè)試部位的壓力低于血壓收縮壓的流體盛置裝置，提高了使用者的舒適感，擴(kuò)大了使用人群，簡(jiǎn)化了操作和測(cè)定時(shí)間。

3)本發(fā)明由于采用固定壓力方式，減少了充氣過(guò)程能快速獲取生理參數(shù)，能用于在線連續(xù)獲取心率等生理參數(shù)。

4)本發(fā)明采用微型化的傳感裝置獲取數(shù)據(jù)，整個(gè)裝置體積小、自重輕，可用于可穿戴設(shè)別。

5)本發(fā)明采用低功耗的傳感技術(shù)，能降低裝置功耗，延長(zhǎng)在線工作時(shí)間。

6)本發(fā)明的裝置和方法光電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，適應(yīng)范圍廣，既可以單獨(dú)使用用于心率等生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可以和其它傳感器裝置集成，以實(shí)時(shí)獲取更多生理參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1：流體盛置模塊內(nèi)流體典型壓力信號(hào)；

圖2：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖3：流體盛置模塊結(jié)構(gòu)示意圖；左邊為縱向剖面圖，右邊為箭頭所指處橫向剖面圖，外周黑色為制作的柔性材料，內(nèi)部斜影部分為填充的流體。

圖4：本發(fā)明的實(shí)施例一的示意圖；

圖5：本發(fā)明的實(shí)施例二的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明就使用在人體上監(jiān)測(cè)心率的裝置和方法來(lái)說(shuō)明本說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

人體動(dòng)脈內(nèi)血液會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而產(chǎn)生波動(dòng)。在體表處，這種波動(dòng)也能被感知到，只是在不同的部位所能感知到的強(qiáng)弱有不同而已。比如中醫(yī)所熟悉的脈診就是通過(guò)感知橈動(dòng)脈在腕部的寸關(guān)尺等不同位置產(chǎn)生脈動(dòng)振幅不同而實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，動(dòng)脈血管以及與之相連接毛細(xì)血管都存在與因心臟收縮和舒張而產(chǎn)生的動(dòng)脈波，這種動(dòng)脈波以接近10m/s的速度在全身傳播，從大的頸動(dòng)脈到指端、耳端的動(dòng)脈毛細(xì)血管都以相同的節(jié)律在波動(dòng)，這就是動(dòng)脈波，也就是人們?cè)隗w表處感知到的脈搏搏動(dòng)。動(dòng)脈搏動(dòng)的節(jié)律脈率即心率，因此通過(guò)感知?jiǎng)用}搏動(dòng)便能確定心率。圖1是通過(guò)本裝置得到流體壓力隨時(shí)間的變化。我們可以看到流體盛置裝置內(nèi)的壓力隨著時(shí)間發(fā)生非常有規(guī)則的變動(dòng)，這種變動(dòng)周期和心臟搏動(dòng)周期相同，其頻率即為心率。

圖2即為依照上述原理所設(shè)計(jì)的心率測(cè)定裝置，包括流體盛置模塊、壓力傳感模塊、電信號(hào)處理模塊、控制模塊、電信號(hào)傳送模塊。以上裝置的電源或由外部電源提供，或由電池提供。

流體盛置模塊采用具彈性的柔性材料制作，材料的彈性系數(shù)應(yīng)接近或小于人體肌肉皮膚的彈性系數(shù)，以保證脈搏搏動(dòng)能及時(shí)被流體所感應(yīng)。氣體或者液體可以是預(yù)先密封盛置于裝置內(nèi)，也可以在測(cè)試使用前通過(guò)流體泵沖入。氣體或者流體的相對(duì)壓力小于80mmHg，絕對(duì)壓力小于1.1個(gè)大氣壓。在保證該裝置能有效感知脈搏的搏動(dòng)信號(hào)的前提下，盡可能地采用較低的壓力，以保證人體體感的舒適度，降低長(zhǎng)期使用對(duì)血液循環(huán)的影響。在整個(gè)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，流體盛置模塊確保氣密性，以防止測(cè)試過(guò)程中流體發(fā)生泄漏，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。流體盛置模塊的外觀形狀可以被制作成條形、帶型、套型、夾形等形狀，以適應(yīng)被測(cè)試部位的形狀，提高舒適度和美觀度：如腕部的血壓腕帶形，手指的指環(huán)形、指套型或者指夾形，耳部的耳夾型或者耳釘型。

壓力傳感模塊用于采用壓力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)定流體盛置模塊中流體的壓力變化。壓力傳感器的壓力傳感一面和流體盛置模塊之間流體相通，以確保流體的壓力和壓力測(cè)試面的壓力實(shí)時(shí)保持一致。

電信號(hào)處理模塊用于傳遞控制模塊、壓力傳感模塊電信號(hào)并進(jìn)行處理，使這些信號(hào)在不同模塊間能相互識(shí)別和使用。電信號(hào)處理模塊的功能包括但不限于反相、比較、放大、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)制等。

控制模塊采用微處理器MCU、CPU或者數(shù)字信號(hào)處理器DSP等器件。結(jié)合軟件，用于控制壓力傳感模塊獲取的信息的方式和頻率，并對(duì)獲取的信息調(diào)用預(yù)設(shè)程序進(jìn)行基線校正、濾波、解卷積、微分、頻譜分析等運(yùn)算，提取心率等生理參數(shù)。

電信號(hào)傳送模塊將控制模塊得到的信息傳送給后續(xù)其它模塊以及接受來(lái)自后續(xù)其它模塊的信息；該傳送方式采用有線或者無(wú)線的通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，如有線的如I2C，串行口等，無(wú)線的WIFI，藍(lán)牙，或者是無(wú)線蜂窩通訊等。

流體盛置模塊包裹于被測(cè)生物體測(cè)試部位，壓力傳感模塊和流體盛置模塊之間流體相通，被固定于流體盛置模塊確定位置，壓力傳感面被流體覆蓋，電信號(hào)傳送模塊、壓力傳感模塊與電信號(hào)處理模塊和控制模塊電連接。壓力傳感裝置在控制模塊的控制下以大于100Hz頻率采集信號(hào)。

獲取心率的方法為：先獲取壓力傳感裝置的壓力信號(hào)隨動(dòng)脈搏動(dòng)的變化信號(hào)；然后通過(guò)數(shù)學(xué)處理，對(duì)這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基線校正、濾波、平滑等方式以消除獲得信號(hào)中的噪音和干擾；最后通過(guò)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行微分、傅里葉變化或者小波分析，以提取周期或者頻譜參數(shù)，定量地得到生物體心率數(shù)據(jù)。

本發(fā)明中的各模塊根據(jù)需要進(jìn)行靈活配置。例如可以進(jìn)一步將溫度傳感、血容脈搏傳感器和血壓脈搏傳感器同時(shí)設(shè)置在裝置內(nèi)，同步采用，進(jìn)一步獲取更多關(guān)于循環(huán)系統(tǒng)的生理參數(shù)。為減小裝置的外觀尺寸，可以將信號(hào)處理模塊、控制模塊、信號(hào)傳送模塊集成在同一塊電路板上，并進(jìn)一步的集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示器件，以構(gòu)成獨(dú)立生理參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)。該裝置的電源既可以由其它外部電源的提供，也可以采用電池獨(dú)立工作。為提高使用的便利性，保護(hù)流體盛置裝置和傳感裝置，結(jié)合適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外面輔以剛性材料制成的外殼或者外套，可以提高用戶(hù)的舒適度，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)代通訊技術(shù)，還可以對(duì)緊急情況進(jìn)行提醒、預(yù)警或者報(bào)警。

實(shí)施例一

圖4本發(fā)明的一種基于腕部脈搏波測(cè)定心率裝置和方法。為減 少人體對(duì)貼附于皮膚之上敏感和刺激，本實(shí)施例采用增強(qiáng)型天然橡膠做成的氣密性氣囊，流體采用預(yù)沖空氣做成的流體盛放裝置，預(yù)置空氣壓力為高于大氣壓50mmHg。采用差壓型氣體氣壓傳感器作為流體壓力傳感模塊的核心器件測(cè)定空氣的壓力以及動(dòng)脈搏動(dòng)引起的氣壓微小變動(dòng)。壓力傳感模塊內(nèi)置前置放大器，將信號(hào)放大以提高信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。差壓型氣體傳感器得到的信號(hào)被信號(hào)處理模塊中AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)在控制模塊MCU的控制下，以200Hz采樣頻率同步采樣。MCU對(duì)獲得數(shù)值信號(hào)，在程序的控制下完成基線校正、數(shù)值濾波、傅里葉轉(zhuǎn)換，得到心率數(shù)據(jù)。信號(hào)傳送模塊采用低功耗藍(lán)牙芯片，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送。

在本實(shí)施實(shí)例中，信號(hào)處理模塊、控制模塊、信號(hào)傳送模塊被集成在一塊電路板上。同時(shí)為提高易用性，本實(shí)施實(shí)例中采用了不銹鋼結(jié)構(gòu)件作為外殼以保護(hù)流體盛置模塊；為儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和及時(shí)顯示心率值，還引入了存儲(chǔ)器和顯示器。以上裝置在鋰電池的驅(qū)動(dòng)下工作。

實(shí)施例二

圖5是本發(fā)明應(yīng)用于耳垂，通過(guò)測(cè)定耳垂部動(dòng)脈毛細(xì)血管的動(dòng)脈搏動(dòng)來(lái)確定心率。為適應(yīng)耳垂的形狀，該裝置的外形設(shè)計(jì)成貝殼狀，里面襯以天然橡膠制成的空氣膠囊作為流體盛置裝置，空氣壓力初始值為高于大氣壓30mmHg。壓力傳感裝置的工作頻率都被設(shè)為200Hz。為減輕裝置重量，采用紐扣電池作為電源。其它的配置和數(shù)據(jù)處理方法都同實(shí)施實(shí)例一。

本發(fā)明可廣泛用于快速精確地確定人或者其它動(dòng)物的心率：既可以獨(dú)立使用作為在線連續(xù)監(jiān)控心率值，也可以結(jié)合其它設(shè)施，作為一個(gè)多參數(shù)生理監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，以實(shí)時(shí)確定生物體的心率。

從本發(fā)明的裝置和方法以及實(shí)例的說(shuō)明可以看出，本發(fā)明提供了基于壓力傳感、波形分析來(lái)確定被測(cè)人或者動(dòng)物體的心率裝置和方法，本方法和裝置具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、低功耗、設(shè)備簡(jiǎn)單，配置靈活，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。但以上說(shuō)明也不能限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，凡是專(zhuān)業(yè)人士在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的明顯或不明顯的變化，修飾或改良，均應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)。