CN106264509A - 一种心率测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施方式公开了一种心率测量装置和方法。其中，本方法包括：由内部振荡模块产生固定频段的电磁波；电磁波发射探头将电磁波发射至待测区域；回波信号采集探头接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至信号分析模块；信号分析模块根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据。通过上述方式，本发明实施方式能够避免心电和光电法测量心率的不足，提供了一种非介入式测量装置，免去待测用户佩戴的不便，便于测试部署，本实施方案适用于家中、工作场所等环境，可以实现自行、准确、实时、无感知的情况下，对多人同时进行心率测量操作。
Description
技术领域
本发明实施方式涉及医疗仪器技术领域，特别是涉及一种心率测量装置和方法。
背景技术
现有技术中，比较常用的心率测量仪器有：基于光纤光栅传感器的测量仪器、血压计、基于光电智能脉搏的测量仪器、心电测量仪器等，上述仪器都是基于以下四种原理：
1.压力原理
在一个心搏间期中，动脉血管内的压力会随着心脏的舒缩发生周期性波动。采用压力传感器测量出这种压力的变化，经过放大电路、滤波电路、微处理器处理后就可以计算出心率。这种方法往往和测血压连用，而且使用时需要气泵，血压计一般采用这种方法测量心率。
2.电阻原理
人体动脉血的电阻会随着血液流动而发生变化，通过这种变化就能提取出心率来。但是皮肤对这种方法的影响很大，而且时间不同被测试者不同测量结果也会受到不同程度的影响，所以一般不采用这种方法测量心率。
3.心电原理
这是目前医学上采用最多也是最准确的一种方法，它不仅能够测量出心率，而且能够精确的获得多种心电参数。心电描记(ECG，electrocardiogram)是测量和诊断异常心脏节律的最好的方法。采用ECG测量心率的仪器主要是心电测量仪。
4.光电原理
人体心脏充血和放血的过程，血管中的血容量和流速都会发生变化，就会影响其对光的反射率，通过这一原理，人们研究出了一种基于光电的心率测量方法。这种方法一般采用含有红外发射和红外接收二极管的光电传感器采集脉搏信息，通过放大电路和信号处理，计算出心率。采集心率的部位一般为指尖或耳廓。
上述四种测量方式中，前两种方式需用被测用户佩戴仪器测量，较为不便，而后两种主动方式也存在以下的不足：
目前主动测量心率的分析装置使用较多的是心电(ECG，electrocardiogram)和光电(PPG，photoplethysmographg)形式，其中：
PPG形式通过光电容积脉搏波描记法测量血液对于光的吸收率，进而计算出心率；而ECG形式则是通过导联构成生物电的闭合回路来测量生物电的变化，进而计算出心率。
但是，PPG方法的缺点是心率准确度较差，容易受到其他光线的干扰，以及佩戴时皮肤汗液的影响；而ECG方法的缺点则是测量设备佩戴较为复杂，需要形成闭合回路，不方便日常佩戴。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的技术缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种心率测量装置和方法，能够给用户带来一种用户体验良好的非介入式的心率测量装置和相应的心率提取方法。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种心率测量装置。
其中，本装置包括：内部振荡模块、电磁波发射探头、回波信号采集探头以及信号分析模块，其中：
所述内部振荡模块用于产生固定频段的电磁波；
所述电磁波发射探头用于将所述电磁波发射至待测区域；
所述回波信号采集探头用于接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至所述信号分析模块；
所述信号分析模块用于根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据。
优选的，所述内部振荡模块包括振荡器和配套电路，其中，所述振荡器用于产生交流信号，所述配套电路用于根据所述交流信号产生所述固定频段的电磁波。
优选的，所述电磁波发射探头采用频率调制载波发射所述电磁波，所述频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，所述频率调制载波的发射周期为2毫秒。
优选的，所述信号分析模块包括微处理单元、采样单元、放大单元、滤波单元，其中，所述微处理单元用于按特定时序执行信号分析指令，所述采样单元用于对所述回波信号执行采样处理，得到采样信号，所述放大单元用于对所述采样信号执行放大处理，所述滤波单元用于去除特定波形内的噪声。
优选的，所述信号分析模块还包括相位分析单元，所述相位分析单元用于根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种心率检测方法，本方法包括：
由内部振荡模块产生电磁波；
电磁波发射探头将所述电磁波发射至待测区域；
回波信号采集探头接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至信号分析模块；
所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据。
优选的，所述电磁波发射探头将所述电磁波发射至待测区域包括：
所述电磁波发射探头采用频率调制载波发射所述电磁波，所述频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，所述频率调制载波的发射周期为2毫秒。
优选的，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据包括：
根据所述载波信号的发射时间以及所述回波信号的接收时间确定所述电磁波的反射时间；
优选的，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据还包括：
根据所述反射时间将所述载波信号划分为不同的片区，以区分由不同的障碍物以及不同的人体所产生的回波信号。
优选的，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据还包括：
根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源，并根据所述反射源的回波信号确定心率数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提供一种非介入式测量装置和相应的心率提取方法，免去待测用户佩戴的不便，便于测试部署，本发明适用于家中、工作场所等环境，可以实现自行、准确、实时、无感知的情况下，对多人同时进行心率测量操作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的心率测量装置第一实施例结构示意图；
图2是本发明实施例提供的心率测量装置第二实施例结构示意图；
图3是本发明实施例提供的心率测量装置第三实施例结构示意图；
图4是本发明实施例提供的心率测量方法第四实施例流程图；
图5是本发明实施例提供的心率测量方法第五实施例流程图；
图6是本发明实施例提供的心率测量方法第六实施例流程图；
图7是本发明实施例提供的心率测量方法第七实施例流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
本发明实施例1提供了心率检测装置的第一优选实施例，如图1所示为本发明实施例提供的心率测量装置第一实施例结构示意图。
参阅图1，本实施例提供的一种心率测量装置，本装置包括：内部振荡模块10、电磁波发射探头20、回波信号采集探头30以及信号分析模块40。
可以理解的是，本装置的各个模块可以集成于一个壳体之内，并与匹配的电源模块、通信模块等基础模块构成一心率测量设备。该设备可设置于公共场所，用于测试覆盖区域内的人体心率，例如，学校、医院、车站等，或者可以设置于家庭中，用于检测家庭成员的心率数据。
具体的，本装置的内部振荡模块10用于产生固定频段的电磁波；
电磁波发射探头20用于将电磁波发射至待测区域；
回波信号采集探头30用于接收由反射源反射的回波信号，并将回波信号发送至信号分析模块40；
信号分析模块40用于根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据。
优选的，当待测环境中，反射源处于特定位置区域时，本方案可以直接根据反射源所产生的回波信号进行分析，得到与该反射源相对应的心率数据。
优选的，当待测环境中，反射源的位置不特定，那么所接受到回波信号无法与反射源建立对应关系，因此，信号分析模块40还用于，根据回波信号的相位特征确定产生回波信号的反射源，具体的：
1、分析载波信号在待测空间中的反射情况：
可以理解的是，待测空间可以是家庭里的客厅、车站的候车室等空间区域，因此，由电磁波发射探头20发出的载波信号在待测空间内传输的过程中，将会受到三大类障碍物的反射：墙体等建筑结构、柜子等静止物品、以及人体。其中，前两类障碍物为静止物体，而人体的运动状态不定。由于处于待测空间内的这三大类障碍物均会对载波信号产生反射，因此，这些障碍物所产生的回波信号中包含了由人体所产生的心率信号和其它干扰信号。
优选的，电磁波发射探头20采用频率调制载波发射电磁波，频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，频率调制载波的发射周期为2毫秒。
2、分析由不同障碍物所产生的回波信号：
本实施例提出根据载波信号的反射时间，将反射回来的载波信号划分为不同的片区，其中，反射时间可以由载波信号的发送时刻和该载波信号经反射后的接收时刻之差确定。
优选的，当两个物体相距小于10厘米时，将其对应的反射回来的载波信号划为相同片区，而当两个物体相距大于或等于10厘米时，则将其对应的反射回来的载波信号划为不同片区，其中，用于判定的两个物体之间的距离可以根据本实施例所适用的场景确定，例如，当场景区域内的空间较小，零碎物品较多，如在房间时，可以适当减小该距离，又例如，当场景区域内的空间较大，如在车站或者其它室外场景时，可以适当增大该距离。
分片区的处理方式可以实现对不同障碍物的区分，同时，分片区的处理方式还可以区分不同人体的反射信号，以实现多人同时测量。
3、在由不同的障碍物所产生的回波信号中提取由人体所产生的回波信号：
首先，我们需要理解的是，静止物体的回波信号通常是时不变的，而人体由于自身运动、呼吸节律等影响，产生的回波信号通常是时变的。
其次，处于近似静止的人体，比如写字台前办公、睡觉、看电视等，回波信号的变化较小；处于运动的人体，比如走路、摆动胳膊等运动，由于运动的偶发性，将会使得较为规律的回波信号产生突变。
因此，根据回波信号是否存在小范围变化以及突变，可以将运动人体和静止人体进一步鉴别出来。
4、在由人体所产生的回波信号中提取每个人的回波信号：
本实施例利用回波信号的相位进行不同人体的区分判定。
首先，将信号相位定义为其中d(t)表示回波的传输距离，λ表示探测波的波长。
优选的，本实施例使用的波长为5厘米。
当回波信号采集探头30接收到的回波信号的相位在一定范围内变化，并且出现较为固定的周期性变化时，可认为此回波信号是由同一人体反射回来。可以理解的是，如果回波信号中，有N组信号的相位是在其各自一定范围内变化，那么可以分别确定此待测空间内N个人各自对应的回波信号。
5、分析每个人的回波信号，获得每个人的心率测量数据：
本实施例所采用的处理方式是，首先采用傅里叶变换，提取特定频段内的时域波形；然后，采用数字滤波器，对该特定频段内的波形进行滤波，去除噪声。具体的：
a、对回波载波进行加窗处理，窗口长度为30秒；
b、将窗口内数据进行傅里叶变换，得到该波形对应的频域表示；
c、心率所处频段为保留频段，对保留频段内的信号进行傅里叶逆变换，得到保留频段对应的时域信号；
d、对该时域信号进行数字滤波，得到干净的心电信号；
e、采用波峰检测法，对该心电信号进行心率数据提取。
本实施例的有益效果在于，通过利用电磁波回波信号对多人心率同时检测和分析，能够避免心电和光电法测量心率的不足，提供了一种非介入式测量装置，免去待测用户佩戴的不便，便于测试部署，本实施方案适用于家中、工作场所等环境，可以实现自行、准确、实时、无感知的情况下，对多人同时进行心率测量操作。以心率带作为比较基准，本方***率为正负5％之内，准确率较高。
实施例二
本发明实施例2提供了心率检测装置的第二优选实施例，如图2所示为本发明实施例提供的心率测量装置第二实施例结构示意图。
参阅图2，本实施例提供的一种心率测量装置，与实施例1的区别在于，本实施例的内部振荡模块10包括振荡器11和配套电路12，其中，所述振荡器10用于产生交流信号，所述配套电路12用于根据所述交流信号产生所述固定频段的电磁波。
实施例三
本发明实施例3提供了心率检测装置的第三优选实施例，如图3所示为本发明实施例提供的心率测量装置第三实施例结构示意图。
参阅图3，本实施例提供的一种心率测量装置，与实施例1的区别在于，本实施例的信号分析模块40包括微处理单元41、采样单元42、放大单元43和滤波单元44。其中，微处理单元41用于按特定时序执行信号分析指令，采样单元42用于对回波信号执行采样处理，得到采样信号，放大单元43用于对采样信号执行放大处理，滤波单元44用于去除特定波形内的噪声。
实施例四
本发明实施例4提供了心率检测方法的第四优选实施例，如图4所示为本发明实施例提供的心率测量方法第四实施例流程图。
参阅图4，本实施例提供的一种心率测量方法，本方法包括：
S1、由内部振荡模块10产生电磁波；
S2、电磁波发射探头20将电磁波发射至待测区域；
S3、回波信号采集探头30接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至信号分析模块40；
S4、信号分析模块40根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据。
可以理解的是，本实施例方法步骤中所涉及的各个模块可以集成于一个壳体之内，并与匹配的电源模块、通信模块等基础模块构成一心率测量设备。该设备可设置于公共场所，用于测试覆盖区域内的人体心率，例如，学校、医院、车站等，或者可以设置于家庭中，用于检测家庭成员的心率数据。
本实施例的有益效果是，通过利用电磁波回波信号对多人心率同时检测和分析，能够避免心电和光电法测量心率的不足，提供了一种非介入式测量装置，免去待测用户佩戴的不便，便于测试部署，本实施方案适用于家中、工作场所等环境，可以实现自行、准确、实时、无感知的情况下，对多人同时进行心率测量操作。
实施例五
本发明实施例5提供了心率检测方法的第五优选实施例，如图5所示为本发明实施例提供的心率测量方法第五实施例流程图。
参阅图5，本实施例提供的一种心率测量方法，与实施例4的区别在于，信号分析模块40根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据包括：
S41、根据所述载波信号的发射时间以及所述回波信号的接收时间确定所述电磁波的反射时间。
可以理解的是，待测空间可以是家庭里的客厅、车站的候车室等空间区域，因此，由电磁波发射探头20发出的载波信号在待测空间内传输的过程中，将会受到三大类障碍物的反射：墙体等建筑结构、柜子等静止物品、以及人体。其中，前两类障碍物为静止物体，而人体的运动状态不定。由于处于待测空间内的这三大类障碍物均会对载波信号产生反射，因此，这些障碍物所产生的回波信号中包含了由人体所产生的心率信号和其它干扰信号。
优选的，电磁波发射探头20采用频率调制载波发射电磁波，频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，频率调制载波的发射周期为2毫秒。
本实施例有益效果是，可以分析得到载波信号在待测空间中的反射情况。
实施例六
本发明实施例6提供了心率检测方法的第六优选实施例，如图6所示为本发明实施例提供的心率测量方法第六实施例流程图。
参阅图6，本实施例提供的一种心率测量方法，与实施例5的区别在于，信号分析模块40根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据还包括：
S42、根据所述反射时间将所述载波信号划分为不同的片区，以区分由不同的障碍物以及不同的人体所产生的回波信号。
本实施例提出根据载波信号的反射时间，将反射回来的载波信号划分为不同的片区，其中，反射时间可以由载波信号的发送时刻和该载波信号经反射后的接收时刻之差确定。
优选的，当两个物体相距小于10厘米时，将其对应的反射回来的载波信号划为相同片区，而当两个物体相距大于或等于10厘米时，则将其对应的反射回来的载波信号划为不同片区，其中，用于判定的两个物体之间的距离可以根据本实施例所适用的场景确定，例如，当场景区域内的空间较小，零碎物品较多，如在房间时，可以适当减小该距离，又例如，当场景区域内的空间较大，如在车站或者其它室外场景时，可以适当增大该距离。
本实施例的有益效果是，分片区的处理方式可以实现对不同障碍物的区分，同时，分片区的处理方式还可以区分不同人体的反射信号，以实现多人同时测量。
实施例七
本发明实施例7提供了心率检测方法的第七优选实施例，如图7所示为本发明实施例提供的心率测量方法第七实施例流程图。
参阅图7，本实施例提供的一种心率测量方法，与实施例6的区别在于，信号分析模块40根据回波信号提取心电信号，并根据心电信号获得心率测量数据还包括：
S43、根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源，并根据所述反射源的回波信号确定心率数据。
1、根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源：
首先，我们需要理解的是，静止物体的回波信号通常是时不变的，而人体由于自身运动、呼吸节律等影响，产生的回波信号通常是时变的。
其次，处于近似静止的人体，比如写字台前办公、睡觉、看电视等，回波信号的变化较小；处于运动的人体，比如走路、摆动胳膊等运动，由于运动的偶发性，将会使得较为规律的回波信号产生突变。
因此，根据回波信号是否存在小范围变化以及突变，可以将运动人体和静止人体进一步鉴别出来。
最后，在由人体所产生的回波信号中提取每个人的回波信号：
本实施例利用回波信号的相位进行不同人体的区分判定。
首先，将信号相位定义为其中d(t)表示回波的传输距离，λ表示探测波的波长。
优选的，本实施例使用的波长为5厘米。
当回波信号采集探头30接收到的回波信号的相位在一定范围内变化，并且出现较为固定的周期性变化时，可认为此回波信号是由同一人体反射回来。可以理解的是，如果回波信号中，有N组信号的相位是在其各自一定范围内变化，那么可以分别确定此待测空间内N个人各自对应的回波信号。
2、根据所述反射源的回波信号确定心率数据：
具体的，分析每个人的回波信号，获得每个人的心率测量数据：
本实施例所采用的处理方式是，首先采用傅里叶变换，提取特定频段内的时域波形；然后，采用数字滤波器，对该特定频段内的波形进行滤波，去除噪声。具体的：
a、对回波载波进行加窗处理，窗口长度为30秒；
b、将窗口内数据进行傅里叶变换，得到该波形对应的频域表示；
c、心率所处频段为保留频段，对保留频段内的信号进行傅里叶逆变换，得到保留频段对应的时域信号；
d、对该时域信号进行数字滤波，得到干净的心电(改为心电)信号；
e、采用波峰检测法，对该心电信号(改为心电)进行心率数据提取。
本实施例的有益效果在于，通过利用电磁波回波信号对多人心率同时检测和分析，能够避免心电和光电法测量心率的不足，提供了一种非介入式测量装置，免去待测用户佩戴的不便，便于测试部署，本实施方案适用于家中、工作场所等环境，可以实现自行、准确、实时、无感知的情况下，对多人同时进行心率测量操作。以心率带作为比较基准，本方***率为正负5％之内，准确率较高。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种心率测量装置，其特征在于，所述装置包括：内部振荡模块、电磁波发射探头、回波信号采集探头以及信号分析模块，其中：
所述内部振荡模块用于产生固定频段的电磁波；
所述电磁波发射探头用于将所述电磁波发射至待测区域；
所述回波信号采集探头用于接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至所述信号分析模块；
所述信号分析模块用于根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部振荡模块包括振荡器和配套电路，其中，所述振荡器用于产生交流信号，所述配套电路用于根据所述交流信号产生所述固定频段的电磁波。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁波发射探头采用频率调制载波发射所述电磁波，所述频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，所述频率调制载波的发射周期为2毫秒。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号分析模块包括微处理单元、采样单元、放大单元、滤波单元，其中，所述微处理单元用于按特定时序执行信号分析指令，所述采样单元用于对所述回波信号执行采样处理，得到采样信号，所述放大单元用于对所述采样信号执行放大处理，所述滤波单元用于去除特定波形内的噪声。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号分析模块还包括相位分析单元，所述相位分析单元用于根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源。
6.一种心率检测方法，其特征在于，包括：
由内部振荡模块产生电磁波；
电磁波发射探头将所述电磁波发射至待测区域；
回波信号采集探头接收由反射源反射的回波信号，并将所述回波信号发送至信号分析模块；
所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁波发射探头将所述电磁波发射至待测区域包括：
所述电磁波发射探头采用频率调制载波发射所述电磁波，所述频率调制载波的发射频率为5.25GHz至7.25GHz，所述频率调制载波的发射周期为2毫秒。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据包括：
根据所述载波信号的发射时间以及所述回波信号的接收时间确定所述电磁波的反射时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据还包括：
根据所述反射时间将所述载波信号划分为不同的片区，以区分由不同的障碍物以及不同的人体所产生的回波信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信号分析模块根据所述回波信号提取心电信号，并根据所述心电信号获得心率测量数据还包括：
根据所述回波信号的相位特征确定产生所述回波信号的反射源，并根据所述反射源的回波信号确定心率数据。
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