专利名称：一种运动和生理信息检测设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生理参数测量仪器，尤其涉及的是， 一种运动和生理 信息检测设备。
背景技术：
生命在于运动。然而，近几十年来，安逸、方便、快捷的生活方式致 使运动不足性疾病迅速增多。运动不足可造成学生在生长发育阶段的发育 不良，身高和体重达不到平均水平。在中国，与运动不足相关疾病的发病 率呈现逐年增高的趋势。国家体改委的一个专项调查发现，中国知识分子
的平均寿命与全国平均寿命相比要低10岁左右，有人认为这些与高校中年
教师运动不足有关。此外，不少人在运动锻炼过程中，不按照自然规律，
不根据自身状况来运动，导致运动过量。运动过量可以导致维生素B12缺 乏症，可引起月经异常或血尿，青少年运动过量可能导致贫血。更为严重 的是，不少人因运动过量而导致死亡。实践i正实，适量的体育运动是保持 人体机能、体能处于最佳状态的有效手段。
那么如何保证自己所进行的体育运动是适量的，这就需要借助一定的 仪器对自身的运动信息和生理信息进行联合检测，得到动态的生理反馈信 息，如卡路里消耗量及体温随运动的变化等，从而更合理地安排运动强度 和训练方式。而这样的检测仪器市场上已有很多的样式，但是它们都不很 理想，都存在以下一种或几种缺陷，比如，有些通过绑在手臂上的PPG技 术传感器，获取人体的体温、热通量、加速度信息和皮肤电阻信息，这些 产品的信号采取部位均处于运动幅度较大区域，对使用PPG技术提取心率和血氧饱和度而言，由于运动伪迹使有效信号的拾取非常不稳定，不能提 取一些对运动干扰相对敏感的生理信号比如，还有些通过贴近于佩戴者耳 廓或外耳道的传感器，获取生理信号，这种方式虽然在一定程度上解决了 运动干扰对生理信号提取的问题，但该仪器使用的加速度传感器仅用于运 动伪差消除，未用于提供用户的运动状态信息。
可见，现有技术存在一定的缺陷，需要进一步地改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种运动和生理信息检测设备，其主要固 定在被检测者的额头部进行测量，具有抗运动伪差、并能够检测运动参数 的功能。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案
本实用新型提供的运动和生理信息检测设备，所述设备包括与被检 测者头部相接触的信号检测单元，连接所述信号检测单元输出端的运动分 析单元，以及与所述运动分析单元相连的显示单元；所述信号^r测单元用 于获取被检测者在运动中的生理信息和运动信息，并将获取的信息送入所 述运动分析单元中进行处理；所述运动分析单元用于将信息处理的结果送 入所述显示单元中予以显示。所述头部指除五官外的头部部分，例如额头 部、颞部或颅部。
所述检测设备，其中，所述信号检测单元至少包括 一个与所述头部 皮肤相接触的光电容积描记传感器(PPG传感器)组，及一个用于为传感 器提供工作电压或电流的电源管理模块，所述光电容积描记传感器(PPG 传感器)组的输出端连接所述运动分析单元，所述光电容积描记传感器(PPG 传感器)组用于评估位于被检测者额头部的皮下血流信息，并将该信息送 入所述运动分析单元中进行处理。
所述4企测设备，其中，所述信号检测单元还包括与所述头部皮肤相接触的体温传感器组，皮肤电阻传感器组，加速度传感器组、陀螺仪传感 器组、脑电传感器组，生化传感器组中的一种或几种的组合，每一个传感 器组的输出端均连接所述运动分析单元。
所述检测设备，其中，所述光电容积描记传感器(PPG传感器)组， 体温传感器组，皮肤电阻传感器组，加速度传感器组、陀螺仪传感器组、 脑电传感器组或生化传感器组中至少包括一个传感器元件。
所述检测设备，其中，所述信号检测单元还包括 一信号分析处理和 控制模块，该信号分析处理和控制模块串联在所述各个传感器组的输出端 与所述运动分析单元之间，该信号分析处理和控制模块的电源输入端连接 所述电源管理^^莫块，该信号分析处理和控制^f莫块用于控制所述各个传感器 组的检测，以及4企测信号的输出。
所述检测设备，其中，所述信号分析处理和控制模块包括
信号放大和处理电路，用于对所述各个传感器组输出的模拟信号依次 进行信号》t大处理、滤波处理、A/D转换处理；
中央控制处理模块，用于接收来自所述信号放大和处理电路和所述各 个传感器组的数字信号，并对该数字信号进行处理；
数据接收和传输才莫块，该模块连接所述运动分析单元，该模块用于向 所述运动分析单元发送所述中央控制处理模块输出的处理结果，或接收来 自所述运动分析单元的控制命令。
所述检测设备，其中，所述运动分析单元设置在手机或掌上电脑中， 所述信号^f全测单元与所述手机或掌上电脑通过有线或无线通信方式进行信 息互通。
所述检测设备，其中，所述信号检测单元中集成有无线通信模块，所 述信号检测单元通过所述无线通信模块与所述运动分析单元进行信息互 通。
所述检测设备，其中，所述信号检测单元设置在一载体上，该载体为帽子、头带、头巾或头盔。
所述检测设备，其中，所述信号检测单元中的各个传感器采用按压、 粘贴或其他方式与被检测者额头部皮肤相接触。所述信号检测单元中的传 感器元件通过一减震装置与所述载体连接。
有益效果本实用新型通过在被检测者的额头部获得检测信号的方式， 使得;险测i殳备具有抗运动伪差的性能，通过增加PPG传感器、皮肤电阻传 感器等等可以同时测量多种生理信息和运动信息，这些信息能够确切地反 映身体运动负荷的变化，这些信息概念简单、操作容易，易于应用于运动 训练的实践中，易于对运动状态的测试结果进行比4交与评价。
图1为本实用新型的检测设备结构示意图； 图2为本实用新型检测设备中传感器的位置示意图； 图3为本实用新型4企测设备的头盔方案的示意图； 图4为信号分析处理和控制才莫块的结构示意图； 图5为减震装置的安装示意图。
具体实施方式
以下对本实用新型的较佳实施例加以详细说明。 如图l所示，本实用新型提供的运动和生理信息检测设备，包括 与祐j企测者头部相接触的信号检测单元001，连接所述信号检测单元输 出端的运动分析单元400,以及与所述运动分析单元400相连的显示单元 500;所述信号检测单元001用于获取4皮检测者在运动中的生理信息和运动 信息，并将获取的信息送入所述运动分析单元400中进行处理；所述运动 分析单元400用于将信息处理的结果送入所述显示单元500中予以显示。 信号检测单元001与人体的头部相接触，特别是在额头部、颞部或颅部，这里的头部指除五官外的头部部分。其中，信号检测单元001包括 一个 与所述头部皮肤相接触的传感器单元100和一个用于为传感器提供工作电 压或电流的电源管理才莫块300,在传感器单元100中至少包括一个光电容积 描记传感器(PPG传感器)组，所述光电容积描记传感器(PPG传感器) 组的输出端连接所述运动分析单元400，所述光电容积描记传感器(PPG传 感器)组用于评估位于被检测者额头部的皮下血流信息，并将该信息送入 所述运动分析单元400中进行处理。传感器单元100中除光电容积描记传 感器(PPG传感器)组外，还可以包括体温传感器组，皮肤电阻传感器组， 加速度传感器组、陀螺仪传感器组、脑电传感器组，生化传感器组等等中 的一种或几种的组合，每一个传感器组的输出端均连接所述运动分析单元 400。信号检测单元OOl和运动分析单元400可以实时或事后的方式，通过 有线或无线的方式进行通信；运动分析单元400用于为显示单元500提供 用户运动状态信息。上述PPG传感器、体温传感器、皮肤电阻传感器等需 要与人体接触的传感器，采用按压或粘贴的方式与人体4^触。上述传感器
嵌入信号检测单元时，可以设置减震装置。如图5所示，所述信号检测单 元设置在一载体上，该载体为帽子、头带、头巾或头盔等，而减震装置300 位于传感器单元100和头盔、帽子等载体之间，实际形式可以是海绵、小 弹簧组等。通过上述减震装置，可以使传感器与信号^r测设备小范围移动， 避免相对位移对信号的干扰。
为减少运动干扰对上述传感器获取信号，可以采用数字信号处理进行 实时自适应噪声抵消技术，所以本实用新型的加速度传感器不仅可以用于 获取人体运动状态信息，还可用于去除运动噪声的信号处理过程。
上述光电容积描记传感器(PPG传感器)组，体温传感器组，皮肤电 阻传感器组，加速度传感器组，陀螺仪传感器组，脑电传感器组或生化传 感器组等中至少包括一个传感器元件。如图1所示，为了便于控制传感器 的信号采集和输出，信号检测单元还包括 一信号分析处理和控制模块200，该信号分析处理和控制模块200串联在所述各个传感器组(即传感器单元 100)的输出端与所述运动分析单元400之间，该信号分析处理和控制模块 200的电源输入端连接所述电源管理模块300，该信号分析处理和控制才莫块 200用于控制所述各个传感器组的检测，以及检测信号的输出。如图4所示， 信号分析处理和控制模块200包括信号放大和处理电路201,用于对所述 各个传感器组(包括如图4所示的传感器Al、…，An，传感器B1、…， Bn)输出的模拟信号依次进行信号放大处理、滤波处理、A/D转换处理； 中央控制处理模块202,用于接收来自所述信号放大和处理电路201和所述 各个传感器组的数字信号，并对该数字信号进行处理；数据接收和传输模 块203，该模块连接所述运动分析单元400，该模块用于向所述运动分析单 元400发送所述中央控制处理模块202输出的处理结果，或接收来自所述 运动分析单元400的控制命令；存储模块204,属于可选模块，用于存储临 时数据和设备的硬件配置文件。
基于图4的结构，信号分析处理和控制模块200具体原理是，信号放 大和处理电路201对传感器获取的模拟信号进行信号放大、滤波、AD转换 等方式对信号进行处理后，通过中央控制处理模块202采用一定算法分析 处理后，经信号放大和处理电路或直接反馈到传感器100中，实现对生理 和运动信号的初步分析和处理。当然，有一些传感器已经将模拟信号进行 了初步的信号处理，直接发送数字信号，此时中央控制处理模块202可以 直接对传感器进行控制和管理。中央控制处理模块202可以将分析处理后 的信息即时通过数据接收和传输模块203直接传送到运动分析单元400中， 也可以将其存储到存储模块204中。存储模块204是可选才莫块，可以采用 EEPROM、铁电和Flash等存储介质，可以通过I2C、 SPI、 USB等方式与 中央控制处理模块202通信，取决于具体应用需求。中央控制处理模块202 可以由单CPU方式实现，也可以由多个CPU方式实现。
图1所示的信号^r测单元001可以通过中央控制处理^f莫块202对数据接收和传输才莫块203进行控制，采用有线或无线的方式，与运动分析单元 400之间建立数据通信。采用有线通信方式时，数据接收和传输模块203可 以采用USB、串口、并口等方式实现；采用无线通信方式时，可以通过红 外、蓝牙、Zigbee (全新无线网络数据通信技术)、WiFi(全称为Wireless Fidelity,又称802.11b标准)、2G( second generation,第二代移动通讯技术)、 2.5G (2.5G是基于2G与3G之间的过渡类型)、3G (third generation,第三 代移动通讯技术)、专用RF (射频)等通讯技术实现。优选地，以USB方 式实现有限通信，以专用RF方式实现短距离无线通信，以Zigbee技术实 现中距离无线通信，以GPRS实现远距离无线通信。
运动分析单元可以设置在手机或掌上电脑中，结合被检测者的年龄、 性别、身高、体重等个人基本信息，运动分析单元可以采用手机、PDA(掌 上电脑)等手持式设备进行简单的数据分析并予以显示，另外，通过手机、 PDA等手持式设备与终端配有线或无线接收装置的微机、服务器等高性能 计算设备进行远距离通信，也可以直接与终端配有线或无线接收装置的微 机、服务器等高性能计算设备进行通信，接收和存储信号检测单元获取的 信息，而后通过数据挖掘的方式，提供更多的运动状态信息给用户。可见， 信号检测单元中集成有无线通信模块，信号检测单元可以通过无线通信模 块与运动分析单元进行信息互通，这个无线通信模块可以适用不同的无线 网络。
在具体实施制作时，信号检测单元可以设置在自行车、赛车、击剑、 登山等运动员采用的头盗上，也可以设置在帽子、束发带上。当信号检测 单元与运动分析设备之间是远距离通信时， 一个方案是采用头盔形式结合 手机(PDA)的方式实现。如图3所示，在头盔上内表面，靠近使用者额 头的位置设置有皮肤电阻传感器103、 PPG传感器lOl、体温传感器102、 加速度传感器104;在位于中间的位置设置有电池、信号放大和处理电路 201、中央控制处理模块202、存储模块204、电源管理模块300，在偏后方的位置设置有数据接收和传输模块203。如图2，在使用时，皮肤电阻传感 器103、 PPG传感器lOl、体温传感器102、加速度传感器104等各个传感 器可以位于净皮检测者的额头部位，也可以位于颞部或颅部。各个传感器的 分布可以采用独立形式分别存在，也可以采用集成模块的方式。例如，体 温传感器102和加速度传感器104实现时，可以采用内嵌温度传感器的加 速度传感器，也可以分别采用温度传感器和无温度传感器的加速度传感器。 各个传感器提取的基本信息有动态心率、血氧饱和度、脉搏波强度、体 温值、皮肤电阻值等多种生理信息，以及用一处或多处的三维运动信息， 这个信息由加速度传感器和陀螺仪传感器提取。
综上所述，本实用新型提供的方案，不仅能够在日常生活中的活动状 况下，甚至是一些运动状态下，均能够测量加速度、心率、血氧饱和度、 脉搏波强度、体温、皮肤电阻值等生理信息和运动信息。
通过对基于嵌入式微控制器的穿戴式血氧计的几种信号处理算法的对 比性研究，W.S.Johnston和Mendelson发现，用Butterworth LPF算法获取 PPG信号中的DC成份、并用差分的方式获取AC成份时，血氧饱和度的测 试结果最准确；而通过测量值与变化的阔值比较获取峰值的方式获取HR 信息效果最好，所以可以利用此研究结果，将其用入本实用新型的产品中， 也可以将算法设计与传感器设计相结合，并充分考虑到在嵌入式微控制器
的可实现性，将心率与血氧数据与体温传感器、皮肤电阻GSR和加速度传 感器的数据进行融合，进一步减少运动伪迹，提高算法的检测精度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以 改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的 保护范围。
权利要求1、一种运动和生理信息检测设备，其特征在于，所述设备包括与被检测者头部相接触的信号检测单元，连接所述信号检测单元输出端的运动分析单元，以及与所述运动分析单元相连的显示单元；所述信号检测单元用于获取被检测者在运动中的生理信息和运动信息，并将获取的信息送入所述运动分析单元中进行处理；所述运动分析单元用于将信息处理的结果送入所述显示单元中予以显示。
2、 根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述头部指额头部、颞部或颅部。
3、 根据权利要求1或2所述的检测设备，其特征在于，所述信号检测单元至少包括 一个与所述头部皮肤相接触的光电容积描记传感器组，及一个用于为传感器提供工作电压或电流的电源管理才莫块，所述光电容积描记传感器组的输出端连接所述运动分析单元，所述光电容积描记传感器组用于评估位于被检测者额头部的皮下血流信息，并将该信息送入所述运动分析单元中进行处理。
4、 根据权利要求3所述的检测设备，其特征在于，所述信号检测单元还包括与所述头部皮肤相接触的体温传感器组、皮肤电阻传感器组、加速度传感器组、陀螺仪传感器组、脑电传感器组、生化传感器组中的一种或几种的组合，每一个传感器组的输出端均连接所述运动分析单元。
5、 根据权利要求4所述的检测设备，其特征在于，所述光电容积描记传感器组，体温传感器组，皮肤电阻传感器组，加速度传感器组，陀螺仪传感器组、脑电传感器组，或生化传感器组中至少包括一个传感器元件。
6、 根据权利要求4所述的检测设备，其特征在于，所述信号检测单元 还包括 一信号分析处理和控制模块，该信号分析处理和控制模块串联在 所述各个传感器组的输出端与所述运动分析单元之间，该信号分析处理和 控制模块的电源输入端连接所述电源管理模块，该信号分析处理和控制模 块用于控制所述各个传感器组的检测，以及检测信号的输出。
7、 根据权利要求6所述的检测设备，其特征在于，所述信号分析处理 和控制模块包括信号放大和处理电路，用于对所述各个传感器组输出的模拟信号依次 进行信号ii大处理、滤波处理、A/D转换处理；中央控制处理模块，用于接收来自所述信号放大和处理电路和所述各 个传感器组的数字信号，并对该数字信号进行处理；数据接收和传输模块，该模块连接所述运动分析单元，该模块用于向 所述运动分析单元发送所述中央控制处理模块输出的处理结果，或接收来 自所述运动分析单元的控制命令。
8、 根据权利要求l、 2、 4、 5、或6中的任一项权利要求所述的检测设 备，其特征在于，所述运动分析单元设置在手机或掌上电脑中，所述信号 检测单元与所述手^^或掌上电脑通过有线或无线通信方式进行信息互通。
9、 根据权利要求3中的任一项权利要求所述的检测设备，其特征在于， 所述信号^^测单元设置在一载体上，该载体为帽子、头带、头巾或头盔。
10、 根据权利要求9所述的检测设备，其特征在于，所述信号检测单 元中的传感器元件通过一减震装置与所述载体连接。
专利摘要本实用新型提供了一种运动和生理信息检测设备，所述设备包括可与被检测者头部皮肤相接触的信号检测单元，连接所述信号检测单元输出端的运动分析单元，以及与所述运动分析单元相连的显示单元；所述信号检测单元用于获取被检测者在运动中的生理信息和运动信息，并将获取的信息送入所述运动分析单元中进行处理；所述运动分析单元用于将信息处理的结果送入所述显示单元中予以显示。本实用新型主要固定在被检测者的额头部进行测量，具有抗运动伪差、并能够检测运动参数的功能。
文档编号A61B5/00GK201299554SQ20082009603
公开日2009年9月2日 申请日期2008年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者磊 王, 黄邦宇 申请人:深圳先进技术研究院