一种信号发射器和PPG信息采集设备的制作方法

本发明实施例涉及生理信号检测领域，尤其涉及一种信号发射器和ppg信息采集设备。

背景技术：

如今人们越来越关注自身的健康状况，人体的生理参数如心率、血氧饱和度等均可反映出人体的健康状况。可以采用光电容积脉搏波信息(ppg信息)获取人体的心率和血氧饱和度等信息，其原理是：当光束从皮肤进入人体后，将在人体脂肪层和血管中发生折射和反射，其中皮肤肌肉、脂肪层等对光的吸收在整个血液循环中保持恒定不变，而血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量多，光吸收量大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，检测到的光强度大，故光接收器接收到的光强度随血液容积呈脉动性变化，将光信号转换成电信号，可获得容积脉搏血流的变化，提取到ppg信息。

现有的采集人体ppg信息的技术中，由于光信号会被人体脂肪层吸收衰减，因此都是对脂肪层较为薄弱的手指或手腕进行采集，以免接收的信号过弱。但对这些脂肪薄弱的部位采集信号需要使用特定的结构，人为主动干预实现。而许多患者在患病前期，人体没有异常反应，往往不会主动采集生理信号，因此耽误了治疗时间。

技术实现要素：

本发明提供一种信号发射器和ppg信息采集设备，以实现可在人体厚脂肪部位采集ppg信息，使得人们可以在无感知的状态下采集ppg信息，及早发现生理特征的异常。

第一方面，本发明实施例提供一种信号发射器，包括驱动模块和光发射器件，所述驱动模块的输出端连接所述光发射器件的输入端；

所述驱动模块向所述光发射器件输出电流；所述光发射器件以预设的入射角度向人体皮肤发射光信号，以使所述光信号进入人体血管后携带ppg信息从人体皮肤出射，其中，所述光信号与所述驱动模块的输出电流相对应，所述预设的入射角度大于13.8°且小于15.5°。

第二方面，本发明实施例提供一种ppg信息采集设备，包括信号发射器和信号接收器；

所述信号发射器包括驱动模块和光发射器件，所述驱动模块的输出端连接所述光发射器件的输入端；

所述驱动模块向所述光发射器件输出电流；所述光发射器件以预设的入射角度向人体皮肤发射光信号，以使所述光信号进入人体血管后携带ppg信息从人体皮肤出射，其中，所述光信号与所述驱动模块的输出电流相对应，所述预设的入射角度大于13.8°且小于15.5°；

所述信号接收器包括光接收器件和信号处理模块，所述光接收器件的输出端连接所述信号处理模块的输入端；

所述光接收器件与所述光发射器件相邻设置，接收所述从人体皮肤出射的光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述信号处理模块接收和处理所述电信号，获得所述电信号所携带的ppg信息。

本发明实施例以大于13.8°且小于15.5°的入射角度向人体皮肤发射光信号，通过建立光信号在脂肪部位的传输模型和实验发现，该范围的入射角度会减小人体脂肪层对光信号的吸收衰减，使得ppg信息采集可以在人体厚脂肪部位进行，解决现有技术在脂肪薄弱部位采集ppg信息需要人为主动执行会耽误治疗时间的问题，实现人们可以在无感知的状态下采集ppg信息，及早发现生理特征异常的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的信号发射器的结构示意图；

图2是本发明实施例一中光信号在人体传输的示意图；

图3是本发明实施例一中光信号强度与入射角度的关系曲线；

图4是本发明实施例二提供的ppg信息采集设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的信号发射器的结构示意图。该信号发射器包括驱动模块11和光发射器件12，驱动模块11的输出端连接光发射器件12的输入端。

驱动模块11向光发射器件12输出电流；光发射器件12以预设的入射角度向人体皮肤发射光信号，以使所述光信号进入人体血管后携带ppg信息从人体皮肤出射，其中，所述光信号与驱动模块11的输出电流相对应，预设的入射角度大于13.8°且小于15.5°。

通过基于物理光学理论建立的光信号在脂肪部位的传输模型和相关实验发现，该范围的入射角度会减小人体脂肪层对光信号的吸收衰减，优选地，预设的入射角度为14.63°。具体地，参见图2，图2是本发明实施例一中光信号在人体传输的示意图，光信号经过空气、皮肤、脂肪最后进入血液中，由于皮肤内外层介质不同会产生梯度折射，部分被人体吸收衰减，部分在血管处反射，然后以一个出射角度从人体皮肤出射。以空气为第一介质，人体为第二介质，则第二介质的等效折射率ρ′与脂肪层和血管的折射率有关。同时，入射角度决定光信号在脂肪和血管中的传输距离，因此入射角度也影响第二介质的等效折射率ρ′。发明人采用光传输理论和光辐射理论，建立光信号在人体的传输模型，得到第二介质的等效折射率ρ′的计算公式：

其中，x为光发射器件12发射光信号的入射角度，y为光信号在脂肪层中的折射率。根据上述公式，可计算得到当x＝14.63°时，第二介质的等效折射率ρ′最小，则在血管处被反射后出射的光信号强度最高。

进一步推导出其数学期望：如图2所示，α1和α2分别是光发射器件发射的立体角为ω的光信号照射到皮肤和脂肪层的交界边缘形成的入射角(平面角度)。建立直角坐标系，以n1和n2分别表示在皮肤和脂肪层中的光信号折射率，发现对应关系：

在上述对应关系的基础上，利用matlab进行仿真实验获得如图3所示的光信号强度与入射角度的关系曲线。根据仿真实验的结果，当入射角度13.8°至15.5°之间时，出射光信号强度占最大出射光信号强度的80％以上。因此，预设的入射角度大于13.8°且小于15.5°能够减小人体脂肪层对光信号的吸收衰减，使得ppg信息采集可以在人体厚脂肪部位进行，进而可以通过在各种日常用具中设计无需人为主动刻意即可采集到ppg信息的结构。例如，优选地，光发射器件可以通过接触人体臀部向人体皮肤发射光信号，即可将光发射器件设于马桶上。

本实施例还提供优选的驱动模块的输出电流幅值范围，以进一步提高采用本实施例提供的信号发射器采集ppg信息的精度。具体地，电流幅值不能过大或过小，如果电流幅值过小会导致出射光信号过于微弱，难以识别；若是幅值过大则可能造成最终信号失真等情况。对于人体臀部而言，衰减光信号的主要因素是脂肪含量。

光信号辐射强度计算公式为其中φe为辐射通量，ω为辐射立体角。根据能量守恒定律得到入射信号辐射强度ue≈uf+uc，其中uf为反射信号强度，uc为在脂肪层传输吸收的信号强度。显然，光信号在空气传输的阻抗光信号在臀部脂肪层的阻抗其中，f为电流算子，是衡量在特定的光电转换比例下，输出电流所对应的光信号与介质阻抗之间的关系。

定义p为反射电压v反射光信号(特定光电转换比例下反射光信号对应的电压)和入射电压v入射光信号(特定光电转换比例下入射光信号对应的电压)的比值。则v入射光信号＝v反射光信号+v传输光信号，i入射光信号＝i反射光信号+i传输光信号，且经过上述入射信号辐射强度ue的公式及入射光信号、发射光信号和传输光信号之间的关系，进一步推导可得到：该公式说明了光信号的衰减程度与脂肪阻抗有关。在设计信号发射器时，根据信号发射器驱动模块的光电转换参数，通过该公式可以推导最利于采集ppg信息的状态下，人体脂肪层阻抗与所需驱动电流幅值之间的函数关系。现有技术普遍采用afe4400集成模拟前端芯片作为驱动模块的前端芯片，根据该函数关系和可测得的人体臀部脂肪层阻抗，可获得采用afe4400集成模拟前端芯片的驱动模块的最佳输出电流为8.3ma。进一步地，经过实验验证，当采用afe4400集成模拟前端芯片的驱动模块的输出电流大于7.5ma且小于9.5ma时，出射光信号强度为相同入射角度下最大出射光信号强度的90％以上。

在上述技术方案的基础上，所述信号发射器优选为双波段发射器。在测试血氧饱和度时需要用到双波段的ppg信息。

本实施例的技术方案，以建立光信号在脂肪部位的传输模型和实验所得到的最佳入射角度和驱动模块输出电流控制出射光信号强度，减小人体脂肪层对光信号的吸收衰减，使得ppg信息采集可以在人体厚脂肪部位进行，解决现有技术在脂肪薄弱部位采集ppg信息需要人为主动执行会耽误治疗时间的问题，实现人们可以在无感知的状态下采集ppg信息，及早发现生理特征异常的效果。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的ppg信息采集设备。该ppg信息采集设备30包括信号发射器10和信号接收器20；

信号发射器10包括驱动模块11和光发射器件12，驱动模块的输出端连接所述光发射器件的输入端。驱动模块11向光发射器件12输出电流；光发射器件12以预设的入射角度向人体皮肤发射光信号，以使所述光信号进入人体血管后携带ppg信息从人体皮肤出射，其中，所述光信号与驱动模块11的输出电流相对应，所述预设的入射角度大于13.8°且小于15.5°。

信号接收器20包括光接收器件21和信号处理模块20，光接收器件21的输出端连接信号处理模块22的输入端。光接收器件21与光发射器件12相邻设置，接收所述从人体皮肤出射的光信号，并将所述光信号转换为电信号；信号处理模块22接收和处理所述电信号，获得所述电信号所携带的ppg信息。

在具体实施时，信号处理模块22对所述电信号的处理包括滤波和放大。进一步地，信号处理模块包括50hz工频陷波器。具体地，信号处理模块22先滤除所述电信号中由环境带来的噪音，并对原本幅值就很微弱的信号进行放大处理，然后使用微处理器中内置编写的50hz工频软件陷波器滤除人体带来的工频干扰，并将模拟电信号转换为数字电信号。

进一步的，信号处理模块22还包括通信模块，通信模块将处理后的携带ppg信息的电信号传输到外部显示终端，供监护人员预览和参考分析，获得所需检测的生理特征，如心率和血氧饱和度等。

本实施例的技术方案，以大于13.8°且小于15.5°的入射角度向人体皮肤发射光信号，通过建立光信号在脂肪部位的传输模型和实验发现，该范围的入射角度会减小人体脂肪层对光信号的吸收衰减，使得ppg信息采集可以在人体厚脂肪部位进行，解决现有技术在脂肪薄弱部位采集ppg信息需要人为主动执行会耽误治疗时间的问题，实现人们可以在无感知的状态下采集ppg信息，及早发现生理特征异常的效果。

需要说明的是，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。