一种脉搏及血红细胞浓度监测仪及方法与流程

本发明涉及医疗电子检测及脉搏波信号检测及处理领域，特别涉及一种脉搏及血红细胞浓度监测仪及方法。

背景技术：

随着人们的生活节奏增加及工作压力的增加，心脏病等心血管疾病发病率不断增加，对心血管的相关检测也越来越受到人们的关注。脉搏包含了人体心血管情况的重要信息，与多种疾病有密切关系，所以可以通过测量脉搏来判断心血管的情况。

目前，测量脉搏主要有压力式、脉诊式、心电式和光电式的方法，压力式通常采用压敏元件制成的压力传感器实现，具有工艺复杂，制造成本高，设备笨重，不轻便及易误报、漏报等缺点。脉诊式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用，但是受人为的影响因素较大，测量精度不高；心电式是通过将安装有心电传感器的带卷绕于被测定者的胸部，以心电方式测定被测定者的心脏跳动来测定被测定者的脉搏数，该方法操作繁琐，设备成本高，被测者检测时感到不舒服，而光电式则利用光电传感器以光电方式检测被测定者血管的脉动，来测定被测定者的脉搏数，后者主要使用光电容积的方法，光电容积法测量过程中存在重搏波，对测量结果造成干扰，导致心率测量结果不准确；而血红细胞浓度可以为医学上的疾病判断，在临床上，可以使用血红细胞浓度作为诊断肾上腺功能亢进的重要依据，血红细胞浓度是心血管疾病检测的重要一项，同时可以辅助肺疾病的诊断治疗，它不仅在临床上有运用，而且测试运动员的体能等方面运用也比较广，而目前鲜有监测仪能同时测量脉博和血红细胞浓度以满足患者的需要，所以，提供一种脉博测量结果准确且能同时测量血红细胞浓度的监测仪及方法非常有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用基于信号强度频域调制的方法来处理强度信号而减少甚至消除重搏波提高测量结果的脉搏及血红细胞浓度监测仪以解决现有技术的不足。

本发明通过以下技术方案来实现发明目的：

一种脉搏及血红细胞浓度监测仪，包括夹指装置，夹指装置一端开口且内设有腔体，腔体的上、下表面分别相对设有红外光源和光电探测器，夹指装置依次与储存运算装置和显示装置连接；

夹指装置，用于夹紧被测试者的手指指肚部分；

红外光源，用于照射被测者的手指并透射出原始光强度信号；

光电探测器，用于接收红外光源发出的原始光强度信号将光信号转换为电信号以采集像素范围内的数据并将电信号传到储存运算装置，光电探测器是基于CMOS相机，探测灵敏度和精度高；

储存运算装置，用于储存和处理原始光强度信号；

显示装置，用于显示经储存运算装置处理后的脉搏数据和血红细胞浓度数据。由此，通过在夹指装置的腔体内设置上下相对的红外光源装置和光电检测器，采集手指经红外光源照射后透射出的光强度信号，由光电探测器对信号进行预处理后，储存运算装置采用基于信号强度频域调制的方法得到平均调制深度从而得到血红细胞浓度和脉搏频率，并由显示装置显示血红细胞浓度和脉搏频率，探测灵敏度和精度高，利于快速计算出红细胞浓度和脉博频率，提高了工作效率，对于紧急情况测量被测者的脉搏具有十分重要的意义。

进一步地，所述夹指装置的腔体呈U型，腔体的下表面设有一排或多排所述光电探测器，光电探测器沿横向排列的宽度小于人体手指宽度，由此，将整体的光电探测器宽度设置为小于成人夹指宽度，安装在夹指装置的中部的光电探测器就主要对手指指肚测量，易测得脉搏等相关参数，避免因光电探测器大于手指面积，光电探测器会接收到部分不准确的信号，平均后求值后影响最终测量的准确性。

进一步地，所述红外光源与光电探测器一一对应且平齐，由此，光电探测器可以比较容易测得脉搏等相关参数，避免因红外光源与光电探测器不一一对应时接收到的部分信号有遗失，导致测量结果不具有普遍性影响最终测量数据的准确性。

本发明的另一个目的是提供一种脉搏及血红细胞浓度监测方法，该方法基于上述脉搏及血红细胞浓度监测仪，包括以下步骤：

S1.将所述光电探测器的采集速率设置为F>350fps；

S2.采集被测部位经红外光源照射后透射出来光的强度信号并储存，该强度信号是未处理、包含心跳信息的原始光强度信号；

S3.对S2中所得的光强信号进行预处理，其中包括去除噪声，采用傅里叶变换方法获取频域上的信号；

S4.对S3中经预处理所得的信号，采用基于信号强度频域调制方法计算出调制深度，算出的调制深度为实时调制深度；

S5.设光电探测器有n个，将S4中得到的n个调制深度求平均，则求平均调制深度，从而得出实时血红细胞浓度，算出的平均调制深度是实时的，同时将时间和平均调制深度用坐标表示；

S6.对S5中得到的平均调制深度进行快速傅里叶变换得到频域图，再读峰，得到脉搏数据，并由显示装置显示脉搏数据和血红细胞浓度。

进一步地，所述S1中光电探测器的采集速率的设置是基于以下原理：正常人的最大脉搏在210次每分钟，设一分钟内采集100帧的数据，而光电探测器的采集速度f要大于脉搏的速度以便能够采集到完整的、准确的、连续的强度信号，即100/F<60/210，得F>350fps；

所述S2中光强度信号的采集是被测者将一根手指放入夹指装置中，夹指装置上表面的红外光源照射被测手指，由夹指装置下表面的光电探测器接收原始的光强度信号；

所述S3中对原始光强信号进行快速傅里叶变换(简称FFT)得到频域信号频谱强度I^j(u)：每次取m张数据进行FFT，每相邻两个信号值之间隔10张数据，即对第(1+10(j-1))张数据到第(m+10(j-1))张数据进行FFT后得到第j个信号值，可用如下关系式表示：

其中，j是信号值排序，t是时间，u是频率，表示第j个频域动态信号，表示第j个频域静态信号；

所述S4中基于强度信号的频域调制方法是：取S3中得到的各个信号值频谱强度I^j(u)，包含静态频率和动态频率，分别提取一定范围内静态频域的频率和动态频域的频率并求强度，再把提取到的动态频率强度比静态频率强度得到调制深度，而调制深度与血红细胞浓度成正比例关系，得出血红细胞浓度；

所述S5中，在n个光电探测器的情况下，所有信号值排序与时间存在一一对应关系，将S4中得到的调制深度求平均值，平均调制深度MD^j的公式可表示为：

所述S6中，得到的平均调制深度值即为时域上的平均调制深度值，对MD^j进行FFT，

FFT(MD^j)＝A(δ(f+f₀)+δ(f-f₀))

读峰求出被测者的脉搏频率f，其中A为频谱信号幅值，f₀为峰值所对应的频率。

本发明提供的脉搏及血红细胞浓度监测仪，与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用基于信号强度频域调制的方法来处理光强度信号减少甚至消除了重搏波提高了测量结果的准确性，且无需采用卷积等复杂的运算操作，只需FFT等简单运算，极大降低计算复杂度，节省了储存空间，便于单片机实现。

2、既可以集成于多参数检测的脉搏血氧仪中，又可以作为独立的脉搏及末梢血流量监测仪，还可以作为中间件处理程序，便于无限监测及网络化应用，且简洁实用无需人工重复预处理，实施时所需资源少，软硬件开销低。

3、整个监测仪整体体积小，利于放置和对被监测者的脉搏监测，节省了空间，提高了空间的使用率，且监测方法简便，适用范围广，可应用到医院或家庭中。

4、使用基于CMOS相机的光电探测器采集信号，探测灵敏度和精度高，利于快速计算出红细胞浓度和脉博频率，提高了工作效率，对于紧急情况测量被测者的脉搏有重要意义。

附图说明

图1为本发明脉搏及血红细胞浓度监测仪一种实施方式的结构示意图；

图2为图1中夹指装置的结构示意图；

图3为本发明脉搏及血红细胞浓度监测方法的流程图；

图4为光电检测器采集到的部分光强度信号图；

图5为进行傅里叶变换后得到的第二信号值图；

图6为平均调制深度时域图；

其中：1—夹指装置，2—红外光源，3—光电检测器，4—储存运算装置，5—

显示装置，6—腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和图2所示，一种脉搏及血红细胞浓度监测仪，包括夹指装置1，夹指装置一端开口且内设有腔体6，腔体6的上、下表面分别相对设有红外光源2和光电探测器3，夹指装置1依次与储存运算装置4和显示装置5连接；夹指装置1的腔体6呈U形，腔体6的下表面设有两排光电探测器3；为了提高测量的准确性，光电探测器3沿横向排列的宽度小于人体手指宽度，光电探测器3就主要是对手指指肚测量，由此易测得脉搏等相关参数，避免因光电探测器3大于手指面积，光电探测器3会接收到部分不准确的信号使平均后求值后影响最终测量的准确性；

另外，红外光源2与光电探测器3一一对应且平齐，可避免因红外光源2与光电探测器3不一一对应时接收到的部分信号有遗失，导致测量结果不具有普遍性而影响数据的准确性。

其中，夹指装置1，用于夹紧被测试者的手指指肚部分，光电检测器3突出夹指装置1腔体6的表面；红外光源2，用于照射被测者的手指并透射出原始光强度信号；光电探测器3，用于接收红外光源2发出的原始光强度信号将光信号转换为电信号以采集像素范围内的数据并将电信号传到储存运算装置4；储存运算装置4，用于储存和处理原始光强度信号；显示装置5，用于显示经储存运算装置4处理后的脉搏数据和血红细胞浓度数据。

使用该装置进行脉搏及血红细胞浓度监测时，被测者将手指伸入夹指装置1的U形腔体6中，手指指肚紧贴腔体6内的光电检测器3一侧，如图4所示，经红外光源2照射被测者的手指背面后透射出的原始光强度信号由光电探测器3采集后经噪声处理和傅立叶变换对信号进行预处理，再经储存运算装置4中基于信号强度频域调制的方法得到血红细胞浓度，经傅立叶变换得到脉博数据，最后由显示装置5将计算得到的血红细胞浓度和脉博数据显示出来。

一种脉搏及血红细胞浓度监测方法，如图3所示，该方法基于上述脉搏及血红细胞浓度监测仪，包括以下步骤：

S1.将所述光电探测器3的采集速率设置为F>350fps，光电探测器3的采集速率的设置是基于以下原理：正常人的最大脉搏在210次每分钟，设一分钟内采集100帧的数据，而光电探测器3的采集速度f要大于脉搏的速度以便能够采集到完整的、准确的、连续的强度信号，即100/F<60/210，得F>350fps；

S2.采集被测部位经红外光源2照射后透射出来光的强度信号并储存，该强度信号是未处理、包含心跳信息的原始光强度信号，S2中光强度信号的采集是被测者将一根手指放入夹指装置1中，夹指装置1腔体6内上表面的红外光源2照射被测手指，由夹指装置1腔体6的下表面的光电探测器3接收原始的光强度信号；

S3.对S2中所得的光强信号进行预处理，其中包括去除噪声，采用傅里叶变换方法获取频域上的信号，S3中对原始光强信号进行快速傅里叶变换(简称FFT)得到频域信号频谱强度I^j(u)：每次取m张数据进行FFT，每相邻两个信号值之间隔10张数据，即对第(1+10(j-1))张数据到第(m+10(j-1))张数据进行FFT后得到第j个信号值，如由第1张数据到第m张数据进行FFT得到对应第一信号值，第11张数据到第m+10张数据进行FFT得第二信号值，如图5所示。频域信号频谱强度I^j(u)可用如下关系式表示：

其中，j是信号值排序，t是时间，u是频率，表示第j个频域动态信号，表示第j个频域静态信号；

S4.对S3中经预处理所得的信号，采用基于信号强度频域调制方法计算出调制深度，算出的调制深度为实时调制深度，S4中基于强度信号的频域调制方法是：取S3中得到的各个信号值频谱强度I^j(u)，包含静态频率和动态频率，分别提取一定范围内静态频域的频率和动态频域的频率并求强度，再把提取到的动态频率强度比静态频率强度得到调制深度，而调制深度与血红细胞浓度成正比例关系，得出血红细胞浓度，但不受血流速度影响；

S5.设光电探测器3有n个，将S4中得到的n个调制深度求平均，如图6所示，同时将时间和平均调制深度用坐标表示，在n个光电探测器的情况下，所有信号值排序与时间存在一一对应关系，将S4中得到的调制深度求平均值，从而得出实时血红细胞浓度，算出的平均调制深度是实时的，平均调制深度MD^j的公式可表示为：

得到的平均调制深度值即为时域上的平均调制深度值，对MD^j进行FFT，

FFT(MD^j)＝A(δ(f+f₀)+δ(f-f₀))

读峰求出被测者的脉搏频率f，其中A为频谱信号幅值，f₀为峰值所对应的频率；

S6.对S5中得到的平均调制深度进行快速傅里叶变换得到频域图，再读峰，得到脉搏数据，并由显示装置显示脉搏数据和血红细胞浓度。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。