一种腕带式红外测量脉搏方法
【专利摘要】一种腕带式红外测量脉搏方法涉及脉搏测量领域，特别涉及利用红外反射技术对手腕脉搏波进行测量。针对现有测量方式在手腕等血管不是特别丰富的地方测量不准确，且针对手指进行脉搏测量无法实时主动监护用户身体状况的问题，本发明提出腕带式红外测量脉搏方法：测得的手腕处弱脉搏波信号通过脉搏波信号提取电路和模数转换器，再经过信号处理单元对数字脉搏波信号进行特征量提取和匹配滤波，得到有效的脉搏波信号，对满足相关性的脉搏波信号进行统计平均便可得到测量者的脉搏次数。本发明有效地解决了现有测量方式中对弱脉搏波信号进行计数所得结果偏差较大的问题，并且用本发明设计的脉搏测量设备可戴在手腕处，对用户身体状态进行实时主动监护。
【专利说明】一种腕带式红外测量脉搏方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉搏测量领域，特别涉及一种利用红外反射技术对手腕进行脉搏测量的方法。
【背景技术】
[0002]红外测量脉搏方法是一种红外光波段的光电容积脉搏波描记法。人体血液中的氧合血红蛋白(Hb02)和没被氧合还原血红蛋白(Hb)对于不同波长光的吸收系数是不同的。在红外光附近，Hb和Hb02的吸收系数变化曲线都比较平坦，受二极管发光波长误差影响也较小，因此红外光比较适合用来进行脉搏测量。当红外光线照射在皮肤表面时，部分光线反射至红外传感器。由于皮肤肌肉组织对光的吸收在血液循环中基本不变，而血液容积在心脏作用下波动性变化，心脏收缩时外围血容量大，光线吸收量也大，反射至传感器的量小，相反，在心脏舒张时，反射至传感器的光线强度大，从而使红外传感器接收到的光线强度随心脏收缩舒张而变化。
[0003]目前利用红外反射技术对脉搏进行测量的设备多是针对手指进行测量，手指的血管丰富，测量到的脉搏信号较强，容易处理。用现有的测量方法对手腕等血管不是很丰富的地方进行测量，将会出现较大偏差。目前对手指进行脉搏测量的方法比较繁琐，需要手指以合适的力度放在传感器上才能进行脉搏测量，并且这种脉搏检测设备不能定时主动检测用户脉搏。在需要对使用者生理参数进行看护的情况下，目前的检测方法无法胜任。
【发明内容】
[0004]针对现有对手指进行脉搏测量的方法不能对手腕处进行准确测量，且对手指进行脉搏测量的方法比较繁琐，不能对用户的脉搏进行主动测量，无法对使用者身体状况进行实时看护的问题，本发明提出一种腕带式红外测量脉搏方法，可有效解决现有测量方式的不足。`
`[0005]本发明提供的脉搏信号提取电路由红外测量脉搏电路和信号放大滤波电路组成，完成光电信号转换、弱电信号的放大和滤波功能。
[0006]红外测量脉搏电路主要由红外光发射器和红外光接收传感器组成，放在腕带的底部，接近使用者的皮肤。红外光发射器采用红外发光二极管，其发射的红外光照在腕带接触的皮肤，被皮肤反射到红外光接收传感器，红外光接收传感器采用红外三极管，红外三极管内部对采集到的红外光信号有一定的放大作用，输出信号较强。
[0007]信号放大滤波电路由两级运放组成。脉搏波信号经电容交流耦合至第一级运算放大器的输入端，输出的信号通过电容交流耦合至第二级运放的输入端；第二级运算放大电路输出端以直流耦合的方式连接到模数转换器的输入端口，第二级运算放大器的输出直流偏置设置在模数转换器输入电压范围的中间部分。
[0008]信号经放大滤波后经模数转换电路进行转换得到数字信号，在信号处理单元对数字信号进行匹配滤波并运用连续脉搏波相关性对数字信号进行特征提取，便可得到有效的数字脉搏信号，其具体步骤如下:
O设置有效脉搏波信号幅度阈值K，经放大后的信号幅度在百毫伏到3V之间，K值范围可在0.3V~IV之间。
2)对采集到的脉搏波信号幅度进行检测，大于幅度阈值K的视为有效脉搏波信号，小于阈值K的视为无效信号。
3)对幅度有效的脉搏波信号进行频率检查。其周期在0.33~3.3 S之间的，是有效的脉搏波信号，超出该范围的视为无效信号。步骤2、3完成对一个脉搏波信号的匹配滤波。
4)将幅度和周期均满足要求的脉搏波信号存入数组X[n]，以备后续处理。
5)判断ADC采用的信号是否处理完毕？没有处理完，则从步骤2开始进入下一个采用数据的处理；处理完毕，则进入步骤6。
6)对满足幅度、周期要求的X[n]数据进行相关性检查。
7)滤除非相关的数据。一次脉搏测量过程中，脉搏波信号具有连续相关性，非连续的突变信号为进入有效信号带宽内的干扰信号。
8)最后满足相关性的脉搏波信号为有效的脉搏波信号，对其周期进行统计平均便可得到测量者的脉搏次数。
[0009]本发明的有益效果是:对数字脉搏波信号进行特征量提取和匹配滤波的方法，可有效解决现有测量方式中对手腕处进行脉搏测量所得结果偏差较大的问题；并且，因采用了数字化信号处理技术，前段模拟电路得到极大简化。以本发明测量方法设计的测量脉搏设备以腕表形式带在用户手腕处，可实时主动的检测用户脉搏，而且测量步骤简便。`【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是脉搏信号采集处理结构框图。
[0011]图2是信号放大滤波电路图。
[0012]图3是数字域信号波形图。
[0013]图4是数字脉搏信号处理流程图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图，对本发明进一步详述优选实施例。
[0015]参见图1，信号放大滤波电路(2 )对红外测量脉搏电路(I)中的红外三极管输出信号进行前端放大滤波。信号放大滤波电路如图2所示，图中，Cl、C2有隔直通交作用，使后级放大器只对交流信号进行放大。AMPl和AMP2组成放大滤波电路，有效的脉搏波信号周期在0.33~3.3 S之间，其中C3、C4有高频滤波作用，可将电路板其他地方耦合过来的高频噪声和因测试者肌肉抖动引起的突发干扰滤除。AMPl电路对有效脉搏波信号的放大关系为:Gainl=R2/Rl=20 ；AMP2电路对有效脉搏波信号的放大关系为:Gain2=R6/R5=40。则两级放大对有效信号的放大倍数为800倍。因红外接收传感器采用红外三极管，其内部在完成光电转换的同时，对信号也进行了一定的放大，对手腕测量时输出信号幅度在毫伏级别，经过后级800倍的放大后，信号幅度可达百毫伏甚至伏级别。
[0016]将放大滤波后的模拟信号送至模数转换电路(3)进行A/D转换，转换后的数据在数字信号处理单元(4)进行信号分析处理。本发明实施例中采用TI公司的CC2510为A/D转换和数字信号处理平台。
[0017]经CC2510的模数转换器转换所得数字域脉搏波信号如图3所示，此时K设置为0.5V。图中幅度的变化是呼吸造成传感器与皮肤接触程度的变化造成的。而在横轴刻度190到204之间的双峰信号是手臂活动造成的。前端模拟电路可滤除突发的高频干扰，但当手臂活动造成的干扰信号在有效脉搏波信号频率范围之内时，模拟电路无法滤除，此时需要在数字域对信号进行分析处理。
[0018]将数字脉搏波信号进行匹配滤波及相关性对比，可滤除在有效脉搏波信号频率范围内的干扰，得到有效的数字脉搏信号，其具体步骤如图4所示:
O设置有效脉搏波信号幅度阈值K为0.5V。
[0019]2)对采集到的脉搏波信号幅度进行检测，大于幅度阈值K的视为有效脉搏波信号，小于阈值K的视为无效信号。
[0020]3)对幅度有效的脉搏波信号进行频率检查。其周期在0.33~3.3 S之间的，是有效的脉搏波信号，超出该范围的视为无效信号。步骤2、3完成对一个脉搏波信号的匹配滤波。
[0021]4)将幅度和周期均满足要求的脉搏波信号存入数组X[n]，以备后续处理。
[0022]5)判断ADC采用的信号是否处理完毕？没有处理完，则从步骤2开始进入下一个采用数据的处理；处理完毕，则进入步骤6。
[0023]6)对满足幅度、周期要求的X[n]数据进行相关性检查。
[0024]7)滤除非相关的数据。一次脉搏测量过程中，脉搏波信号具有连续相关性，非连续的突变信号为进入有效信号带宽内的干扰信号。
[0025]8)最后满足相关性的脉搏波信号为有效的脉搏波信号，对其周期进行统计平均便可得到测量者的脉搏次数。
[0026]图3中所示的数据，横轴190~204处出现双峰，在图4所示的步骤2进行幅度检查时，197~204被视为一个周期信号，而这个周期在正常脉搏波信号周期范围内，步骤3无法滤除。在进行步骤6信号相关性检查时，该数据周期与相邻数据发生突变，被检测出为干扰信号予以滤除。对图3中所得有效脉搏波信号进行统计平均，得到其周期为796ms，经计算其脉搏次数为75次。
[0027]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种腕带式红外测量脉搏方法，其特征是从手腕处获取的弱脉搏波信号通过脉搏波信号提取电路和与之相连接的模数转换电路(3)得到数字信号，信号处理单元(4)对数字脉搏波信号进行特征量提取和匹配滤波，其步骤如下: O设置有效脉搏波信号幅度阈值K ； 2)对采集到的脉搏波信号幅度进行检查、判断，滤除幅值小于K的信号； 3)对幅度有效的脉搏波信号进行频率检查、判断，滤除周期异常的信号； 4)将幅度和频率均满足要求的脉搏波信号存入数组X[η]； 5)判断ADC采用的信号是否处理完毕，没有处理完，则回到步骤2)进入下一个数据的处理；处理完毕，则进行下一个步骤； 6)对比X[η]数据，进行相关性检查； 7)滤除非相关的数据； 8)对满足相关性的脉搏波信号的周期进行统计平均，得到测量者的脉搏次数。
2.根据权利要求1所述的脉搏信号提取电路包括红外测量脉搏电路(I)和信号放大滤波电路(2)组成。
3.根据权利要求2所述的红外测量脉搏电路(1)，红外光发射器采用红外发光二极管，其特征是红外光接收传感器采用红外三极管。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的红外测量脉搏电路(1)，其特征是放在腕带的底部。
5.根据权利要求2所述的信号放`大滤波电路(2)，其特征是由两级运放组成，脉搏波信号经电容(Cl)交流耦合至第一级运算放大器的输入端，输出的信号通过电容(C2)交流耦合至第二级运放的输入端，第二级运算放大电路输出端以直流耦合的方式连接到模数转换电路(3)的输入端口。
6.根据权利要求5所述的第二级运算放大电路，其输出直流偏置设置在模数转换器输入电压范围的中间部分。
7.根据权利要求1所述的阈值K，其取值范围在0.3V~IV之间。
【文档编号】A61B5/024GK103860159SQ201210537161
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2012年12月12日
【发明者】陈永金, 李征, 李晶 申请人:北京格瑞图科技有限公司