CN111528813A - 一种便携腕式多生理信息实时检测无线*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学器材领域，具体说是一种便携腕式多生理信息实时检测无线***。本发明包括：心电信号采集模块，用于采集心电信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；脉搏波采集模块，用于采集光电容积脉搏波信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；体表温度采集模块，用于采集体表温度并发送给数据分析处理以及无线传输模块；数据分析处理以及无线传输模块，用于处理分析心电信号、光电容积脉搏波信号以及显示并发送体表温度、处理后的心电信号、脉搏波信号。本发明实现综合测量血压及心率/脉搏、呼吸频率、血氧饱和度的技术集成，算法的实现方法，并构建了伤员监护网络。
Description
技术领域
本发明属于医学装备领域，具体说是一种便携腕式多生理信息实时检测无线***。
背景技术
在灾害现场，往往需要对伤员的体温、心电、血氧饱和度、血压、呼吸频率等生理参数进行实时的监护，以便及时对伤员进行救护。目前对伤员的监护采用医用的体积较大的、分立型心电、呼吸、无创血压、血压饱和度、脉搏、体温等生理参数监测的生理参数监护仪。这种监护方式下，如果能将伤员统一集中、统一管理且所携带的仪器数量足够，是非常有效的；如果无法做到，比如伤员被异物压迫，无法搬动，监护仪数量不够等情况下，就无法满足工作需求。监护仪体积、重量、接口复杂、需要固定电源等等问题限制了监护仪的使用范围，不利于其在应急救援现场的使用。因此，针对灾害现场环境及设备使用的环境，亟需设计一款体积小、质量轻、便于携带，实现伤员心电、呼吸、无创血压、血压饱和度、脉搏等生理参数检测的小型连续无创性生命体征检测设备。进一步地、针对应急救援现场情况复杂、交通通讯不便、伤员多且医护人员少、伤员有时无法进行集中看护等特点，需要建立一个应急救援现场伤员生理参数监护网络，提高对伤员伤情变化了解的及时性，使救援的医护工作更加有效，挽救更多伤员。
因此，设计一款用于应急救援的小型便捷的穿戴式多生理参数监护产品具有深远的意义。通过研制腕式测量体温、血压、心率/脉搏、呼吸频率、血氧饱和度的关键技术，实现综合测量体温、血压及心率/脉搏、呼吸频率、血压饱和度的技术集成，推动应急救援智能可穿戴设备及技术的发展。研制并应用新的装备以使救援工作更为有效，可以在救援地域挽救更多的伤员生命。
发明内容
本项目利用光电容积脉搏波描记法检测光电容积脉搏波，与心电图配合、经过算法分析，进行伤员心电、呼吸、无创血压、血压饱和度、脉搏等生理参数的实时获取。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，包括：
心电信号采集模块，用于采集心电信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
脉搏波采集模块，用于采集光电容积脉搏波信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
体表温度采集模块，用于采集体表温度并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
数据分析处理以及无线传输模块，用于处理分析心电信号、光电容积脉搏波信号以及显示并发送体表温度、处理后的心电信号、脉搏波信号。
所述心电采集模块包括：
心电传感器，用于采集心电信号并发送给心电信号调理电路；
心电信号调理电路，用于抑制心电信号中的干扰信号，放大频带内的心电信号幅度并将处理后的心电信号发送给数据分析处理以及无线传输模块。
所述脉搏波采集模块包括：
脉搏波传感器，用于采集光电容积脉搏波信号并发送给脉搏波信号调理电路；
脉搏波信号调理电路，包括顺序连接的前置放大电路、信号分离电路以及信号调理电路，用于将混叠在一起的光电容积脉搏波信号进行分离，得到两个不同波长的独立光电容积脉搏波信号，分别进行放大滤波后，发送给数据分析处理以及无线传输模块。
所述数据分析处理以及无线传输模块包括：
数据选择器，用于根据需要选择心电信号和光电容积脉搏波信号中的一种；
模数转换器，用于将数据选择器选择的信号进行模数转换，生成心电数据或脉搏波数据，并发送给主控微处理器；
主控微处理器，用于心电数据和脉搏波数据的计算处理和存储；将心电数据、脉搏波数据、体表温度与异常报警模块中的标准范围相比较，若超出范围，则产生报警信息通过无线发送模块发送给终端设备；
LCD显示模块，用于将显示主控微处理器处理后的结果；
无线发送模块，用于将主控微处理器处理后的结果通过无线发送给终端设备；
异常报警模块，用于储存各类数据的标准范围。
一个终端设备与若干个实时监测无线***无线通信，终端设备和实时监测无线***组成伤员监护网络。
一种便携腕式多生理信息实时检测方法，包括：
采集光电容积脉搏波信号，将混叠在一起的光电容积脉搏波信号进行分离，放大滤波后，进行模数转换，生成脉搏波数据；
根据脉搏波数据进行频谱分析，得到生理信息。
血氧饱和度检测方法具体为：
从脉搏波数据中提取不同波长入射光经过手臂后反射得到的光强信号；
计算两种光强信号吸收之比为R：
其中，IDC650、IDC940分别为波长为650nm和940nm直流分量，IAC650、IAc940分别为波长为650nm和940nm交流分量；
计算得出血氧饱和度SpO2为：
SpO2＝AR2+BR+C
其中，A、B、C为常数。
呼吸频率检测方法具体为：
通过计算脉搏波数据中波峰的差分波形，找出差分波峰的间隔时间差，做傅里叶变换，得到差分波峰间隔时间差的频谱，在0.1Hz～0.45Hz的最大峰值的频率为呼吸频率。
无袖带生理参数建模方法，具体为：
从同一时刻采集的脉搏波数据中，获取脉搏波传导时间T，同时利用袖带检测方式获取实际血压，基于偏最小二乘法建立传导时间T与实际血压的特征关系方程。
所述特征关系方程用于根据实时采集的脉搏波数据，得到无袖带生理参数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明设计了一种便携式手腕柔性多生理信息实时检测无线***，将心电信号调理电路，脉搏波信号调理电路以及数据分析处理传输模块集成于一体，脉搏波传感器可设于手腕处，整体实时检测无线***便于携带。
2.本发明可以实现血压、心率/脉搏、呼吸频率、血氧饱和度的实时测量，实现综合测量血压及心率/脉搏、呼吸频率、血压饱和度的技术集成，算法的实现方法，并构建了伤员监护网络。
附图说明
图1为本发明总体框图；
图2本发明方法流程图；
图3为心电信号调理电路框图；
图4为反射式检测方法示意图；
图5为脉搏波采集单元框图；
图6为应急救援现场伤员监护网络图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明总体框图。
1.多生理参数监护仪硬件
脉搏波采集模块、心电信号采集模块、体表温度采集模块和数据分析处理以及无线传输模块是要实现的监护网络建立的主要四大硬件部分。本发明利用心电R波的峰值为时间起始点，在肢体末端，如指尖、手腕设置脉搏波传感器，记录光电容积脉搏波(PPG)，提取PPG信号的最大值为终点，从而得到脉搏波传导时间(PWTT)。针对心电信号和脉搏波信号特征及其在采集过程中可能受到的干扰，由传感器采集到的信号，经过调理后转换为数字信号，再进行下一步处理，
(1)心电采集单元
考虑应急救援现场监护需求及脉搏波传导时间测量需要，本***拟采用导联方式测量心电数据，在人体皮肤表面放置2个电极来采集生物电差，为抑制共模干扰，设计右腿驱动电路来驱动第3个电极。心电信号是微弱的生物电信号，幅值仅0.5～5mV，信号能量主要分布在0.05Hz～100Hz，且从人体体表采集到的心电信号往往叠加了基线漂移、公频干扰、肌电干扰等干扰信号，因此信号调理电路的任务主要就是抑制干扰并放大有效频带内的有用信号幅度，为后续模数转换器提供高信噪比的模拟信号，心电信号调理电路结构框图如图3所示，基线漂移干扰的频率一般在0.7Hz以下，与心电有用信号存在交集，故高通网络只会滤除一部分直流分量，因此滤除基线漂移和工频干扰的任务主要有软件通过信号处理算法实现。
心电信号包括：1、心率；2、心率变异性(HRV)：R-R间期并不是一个恒定不变的值，其随时间的变化称为心率变异性
(2)脉搏波采集单元
脉搏波采集单元主要任务，是从人体指尖或手腕处取得光电容积脉搏波信号，并将经过调理后的容积脉搏波信号发送给模数转换部分，为血氧饱和度、血压值和脉搏/心率等的计算提供必要数据。
如图4所示，采用反射式检测方法，采用血管组织对不同波长的光源反射强度不同的原理，利用光电接收器，将接收光的光强变化转化为电信号，进行放大处理。
根据朗伯-比尔定律(Lambert-Beer Law)计算血液中血氧饱和度需要双波长入射进行测定，故此利用方波发生器和延时器构成光源驱动电路，产生两路矩形波对光源进行调制，依次开启或关断。如图5所示，传感器后续电路包括前置放大电路、信号分离电路以及信号调理电路，其任务是将混叠在一起的双波长透射光信号进行分离，并通过信号调理电路进行放大滤波，提高信噪比，为后续的模数转换器提供可靠的脉搏波模拟电信号。
(3)体表温度采集单元
采用红外温度传感器芯片或热电偶、热电阻等原理的芯片集成入本发明的硬件***中，测量人体皮肤表面温度。
(4)数据分析处理传输单元
由前端传感器采集到的心电、脉搏波信号经过模数转换器转化成数字信号，再进行下一步的数据分析处理。利用低功耗嵌入式芯片或高运算精度DSP芯片实现对脉搏波信号及心电信号的高速采样和高精度运算处理，保证***对脉搏波传导时间的精度要求。以DSP芯片做为数据处理的中央处理器，实现脉搏波信号及心电信号的高速运算处理、数据存储、异常报警、LCD液晶显示。拟采用的无线射频模块，或采用ZigBee技术，或Lora技术，利用每个节点作为中继，扩展数据传输距离，实现数据的单向无线传输，构建一个伤员监护网络。
如图2所示为本发明方法流程图。
2.生理参数算法研究
(1)无袖带血压计算方法的研究
利用心脏射血后，血液在血管种流动产生的脉搏波滞后于心脏射血点的原理，测量脉搏波被滞后的时间T，建立传导时间T与实际血压的特征关系方程，计算数据的脉搏波传导时间及脉搏波特征参数：脉搏波传导时间、脉搏波的波形系数、主波高度、升支最大斜率、脉搏波周期等，基于偏最小二乘法对采集到的脉搏波传导时间和脉搏波特征参数进行训练建模，得到舒张压、收缩压的预测模型。
脉搏波传导时间计算无袖带血压
原理：血压与动脉脉搏波传导速度之间的相关关系，而这种相关关系在不同个体之间存在一定差异。所以为了提高血压测量的精度，两种方法都需要针对特定的测量个体进行模型校准，用一次或若干次的精确血压测试值校准测量模型。
收缩压相关性高；舒张压相关不大
血压BP与脉搏波传导时间PPT近似有以下关系：BP＝a+b*PPT,(也有文献有BP＝a+b*ln PPT)a、b大小因个体而异，同一个体在短时间内，这一数值是确定的
理论上只要获得两组收缩压与对应的脉搏波传导时间值，就能确定收缩压与PPT方程中的待定系数a、b；实际并非线性相关，需要在参数标定过程中将数据进行非线性拟合的方法确定特征方程参数，通过多对PPT和收缩压值代入参数标定软件中进行非线性拟合；采用归一化方法计算舒张压
训练模型输入：血压(收缩压/舒张压)与脉搏波传导时间PPT；输出：拟合的特征方程
(2)血氧饱和度计算方法的研究
根据朗伯-比尔光吸收原理，利用脱氧血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2) 在红光区和近红光区吸收光谱的差异性，通过PPG信号研究人体血氧饱和度，定义两种光吸收之比为R，为
由于入射光(波长650nm和940nm)进入组织后依次经过皮肤、脂肪、肌肉、静脉血等不跳变的组织，对入射光的衰减相对稳定，形成平稳的直流分量(IDC650、 IDC940)，随着脉动变化的动脉血，形成的脉动分量或者交流分量(IAC650、IAC940), 反应了动脉血对光强度的衰减。
其中，I为两束不同波长的光束强度，得出血氧饱和度SpO2为SpO2＝AR2+BR+C
其中，A、B、C为经验常数，需实验测定。
(3)呼吸频率计算方法的研究
呼吸时会引起静脉血回流心脏时胸内压变化，肺内的牵张感受器感受到压力的变化，神经活动就会调节大脑的血管运动中枢，控制交感神经作用到血管，引起血管的变化，进而造成检测到的光电容积脉搏波PPG发生变化，这种变化通过频率调制和幅度调制影响PPG，因此可以从PPG中检测到这种与呼吸相关的变化提取呼吸频率；
呼吸信号会通过幅度调制到脉搏波上，在PPG信号上表现出来的是信号的包络，通过识别出的脉搏波的峰值点，得到PPG信号的包络。呼吸时，由于迷走神经的作用，心率会产生微弱的变化；吸气时，迷走神经被抑制，心率升高，呼气时，迷走神经抑制取消，心率降低，通过峰值之间的间隔，可以得到准确的心率信息，并从心率信息中计算得出呼吸频率。由于呼吸引起血管的变化，导致采集得到的脉搏波的幅度也会受呼吸作用的影响，因此，也可以通过脉搏波的幅度来获取与呼吸有关的频率信息。另外，在研究过程中发现，脉搏波所包围的面积也与呼吸信号有密切的联系。
通过脉搏波信号的包络、间隔、幅度、面积参数等特征参数，或利用心电图的心率变异性(HRV)等信号参数，进行频谱分析等相关数据分析技术，即可得到呼吸频率。参考心率变异性，利用脉搏波计算呼吸频率。根据呼吸窦性心律不齐，通过计算脉搏波波峰的差分波形，找出差分波峰的间隔时间差，做傅里叶变换，得到差分波峰间隔时间差的频谱，在0.1Hz～0.45Hz的最大峰值的频率认为是呼吸率。也可采用连续小波变换、离散小波变化以及经验模态分解和整体平均经验模态分解等几种方法对分别对光电容积脉搏波信号进行分解，从中提取呼吸信号。
3.伤员监护网络的构建
如图6所示，伤员监护网络主要包括基于嵌入式***设计的小型多生理参数实时监测显示***设计和远程监护终端的设计。由传感器采集的信号，经由 DSP芯片或FPGA芯片运算处理得到所需的生理参数，一方面在嵌入式***上进行实时的显示，另一方面通过无线传输模块，将数据传输至远程监护终端进行集中监控。
采用轮询存储等技术实现采用点对多点的单向无线数据传输；或采用ZigBee技术、Lora技术，利用其他节点作为中继，扩展数据传输距离，实现数据的单向无线传输，构建一个伤员监护网络，利用研制的多生理参数监护仪实时监测伤员的病情发展，并将监护数据实时发送至数据终端，集中监控伤员的生理参数。
Claims (10)
1.一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，其特征在于，包括：
心电信号采集模块，用于采集心电信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
脉搏波采集模块，用于采集光电容积脉搏波信号并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
体表温度采集模块，用于采集体表温度并发送给数据分析处理以及无线传输模块；
数据分析处理以及无线传输模块，用于处理分析心电信号、光电容积脉搏波信号以及显示并发送体表温度、处理后的心电信号、脉搏波信号。
2.根据权利要求1所述的一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，其特征在于，所述心电采集模块包括：
心电传感器，用于采集心电信号并发送给心电信号调理电路；
心电信号调理电路，用于抑制心电信号中的干扰信号，放大频带内的心电信号幅度并将处理后的心电信号发送给数据分析处理以及无线传输模块。
3.根据权利要求1所述的一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，其特征在于，所述脉搏波采集模块包括：
脉搏波传感器，用于采集光电容积脉搏波信号并发送给脉搏波信号调理电路；
脉搏波信号调理电路，包括顺序连接的前置放大电路、信号分离电路以及信号调理电路，用于将混叠在一起的光电容积脉搏波信号进行分离，得到两个不同波长的独立光电容积脉搏波信号，分别进行放大滤波后，发送给数据分析处理以及无线传输模块。
4.根据权利要求1所述的一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，其特征在于，所述数据分析处理以及无线传输模块包括：
数据选择器，用于根据需要选择心电信号和光电容积脉搏波信号中的一种；
模数转换器，用于将数据选择器选择的信号进行模数转换，生成心电数据或脉搏波数据，并发送给主控微处理器；
主控微处理器，用于心电数据和脉搏波数据的计算处理和存储；将心电数据、脉搏波数据、体表温度与异常报警模块中的标准范围相比较，若超出范围，则产生报警信息通过无线发送模块发送给终端设备；
LCD显示模块，用于将显示主控微处理器处理后的结果；
无线发送模块，用于将主控微处理器处理后的结果通过无线发送给终端设备；
异常报警模块，用于储存各类数据的标准范围。
5.根据权利要求1所述的一种便携腕式多生理信息实时检测无线***，其特征在于，一个终端设备与若干个实时监测无线***无线通信，终端设备和实时监测无线***组成伤员监护网络。
6.一种便携腕式多生理信息实时检测方法，其特征在于，包括：
采集光电容积脉搏波信号，将混叠在一起的光电容积脉搏波信号进行分离，放大滤波后，进行模数转换，生成脉搏波数据；
根据脉搏波数据进行频谱分析，得到生理信息。
7.根据权利要求6所述的一种便携腕式多生理信息实时检测方法，其特征在于，血氧饱和度检测方法具体为：
从脉搏波数据中提取不同波长入射光经过手臂后反射得到的光强信号；
计算两种光强信号吸收之比为R：
其中，IDC650、IDC940分别为波长为650nm和940nm直流分量，IAC650、IAC940分别为波长为650nm和940nm交流分量；
计算得出血氧饱和度SpO2为：
SpO2＝AR2+BR+C
其中，A、B、C为常数。
8.根据权利要求6所述的一种便携腕式多生理信息实时检测方法，其特征在于，呼吸频率检测方法具体为：
通过计算脉搏波数据中波峰的差分波形，找出差分波峰的间隔时间差，做傅里叶变换，得到差分波峰间隔时间差的频谱，在0.1Hz～0.45Hz的最大峰值的频率为呼吸频率。
9.根据权利要求6所述的一种便携腕式多生理信息实时检测方法，其特征在于，无袖带生理参数建模方法，具体为：
从同一时刻采集的脉搏波数据中，获取脉搏波传导时间T，同时利用袖带检测方式获取实际血压，基于偏最小二乘法建立传导时间T与实际血压的特征关系方程。
10.根据权利要求9所述的一种便携腕式多生理信息实时检测方法，其特征在于，所述特征关系方程用于根据实时采集的脉搏波数据，得到无袖带生理参数。
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