CN116746894A - 一种生物特征信息检测装置和电子设备 - Google Patents
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Abstract
一种生物特征信息检测装置，包括手指套、脉搏波传感器、模拟前端、微控制单元。所述手指套包括机械结构或气囊。所述脉搏波传感器包括光发射器和光电二极管。所述模拟前端与所述脉搏波传感器电连接，且所述模拟前端用于接收所述电信号，并输出模拟前端信号。所述微控制单元与所述模拟前端电连接，且所述微控制单元用于接收所述模拟前端信号，并输出生物特征信息，所述生物特征信息包括血压值。所述生物特征信息检测装置可以实现血压测量装置的小型化，方便用户随身携带，实现用户非居家环境下的血压监测。
Description
技术领域
本申请涉及可穿戴设备技术领域，并且更具体地，涉及一种生物特征信息检测装置和电子设备。
背景技术
目前水银血压计是血压测量领域的金标准，要求使用者要有一定专业知识的，使用者也可以根据测试者实际情况进行动态调整，所以测试结果准确，适用人群范围广。虽然目前市场上的电子血压计可以不需要专业人员进行使用操作，但由于其整体体积较大，一般适用于放置在家庭中，不能随身携带，故无法满足高血压人群进行实时的血压管理。
因此，如何实现血压测量装置的小型化，方便用户随身携带，实现用户非居家环境下的血压监测，是一项亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请实施例第一方面提供的一种生物特征信息检测装置，包括：
手指套，所述手指套包括机械结构或气囊，所述机械结构或所述气囊用于将所述手指套固定在用户的手指上；
脉搏波传感器，所述脉搏波传感器包括光发射器和光电二极管，所述光发射器用于发射光信号，所述光信号被待检测物体反射或透射后到达所述光电二极管，所述光电二极管用于将接收到的光信号转换成电信号；
模拟前端，所述模拟前端与所述脉搏波传感器电连接，且所述模拟前端用于接收所述电信号，并输出模拟前端信号；
微控制单元，所述微控制单元与所述模拟前端电连接，且所述微控制单元用于接收所述模拟前端信号，并输出生物特征信息，所述生物特征信息包括血压值。
在一种可能的实施方式中，所述装置还包括压力检测器，所述压力检测器与所述模拟前端电连接。
在一种可能的实施方式中，所述手指套为两端贯通型，所述两端贯通型手指套的横截面为环形。
在一种可能的实施方式中，所述手指套为非贯通型；
所述非贯通型手指套仅在一端设置有开口；
所述非贯通型手指套的截面为矩形、圆形、椭圆形和多边形中的一种，且所述非贯通型手指套具有内部空间，所述内部空间用于容纳所述用户的手指。
在一种可能的实施方式中，所述手指套还包括空气导管，所述空气导管和所述气囊连接。
在一种可能的实施方式中，所述机械结构包括弹簧结构，所述弹簧结构包括弹簧本体和连接板；
所述连接板和所述弹簧本体的一端连接，所述弹簧本体的另一端和所述手指套连接，且所述弹簧结构设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
在一种可能的实施方式中，所述弹簧本体包括第一弹簧本体和第二弹簧本体，所述连接板包括第一连接板和第二连接板；
所述第一连接板和所述第一弹簧本体连接，所述第二连接板和所述第二弹簧本体连接，所述第一连接板上设置有所述光发射器，所述第二连接板上设置有所述光电二极管。
在一种可能的实施方式中，所述机械结构或所述气囊设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
在一种可能的实施方式中，所述机械结构包括电机结构，所述电机结构包括电机和连接板，所述连接板和所述电机连接，所述电机用于控制所述连接板活动，且所述电机结构设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
在一种可能的实施方式中，所述生物特征信息还包括心率值和血氧值中的至少一个。
本申请实施例第二方面提供的一种电子设备，包括本申请实施例第一方面提供的任一项生物特征信息检测装置，以及显示屏，所述显示屏设置在所述装置的外表面，所述显示屏用于显示所述生物特征信息。
在一种可能的实施方式中，所述电子设备包括智能戒指，指夹式血压测量仪，指夹式血压血氧测量仪，指夹式多参数测量仪。
本申请实施例提供了生物特征信息检测装置，可以基于手指进行血压测量，并以较小的体积完成血压的准确测量，实现了血压测量装置的小型化，方便用户随身携带。
本申请实施例还提供了电子设备，可以方便高血压用户在非居家环境下快速便捷的监测实时血压，提升用户体验。
附图说明
图1是一种手指血管从舒张到加压再回到舒张状态的示意图。
图2是本申请实施例提供的一种生物特征信息检测装置的结构示意图。
图3是本申请实施例提供的另一种生物特征信息检测装置的结构示意图。
图4是本申请实施例提供的又一种生物特征信息检测装置的结构示意图。
图5是一种血管从完全收缩到恢复舒张过程中的PPG波形幅值曲线图。
图6是一种双高斯拟合法计算血压的示意图。
图7是本申请实施例提供的一种生物特征信息检测装置在手指第三指节的血压检测结果示意图。
图8是本申请实施例提供的一种生物特征信息检测装置在手指第二指节的血压检测结果示意图。
图9是本申请实施例提供的一种电子设备的结构框图。
图10是本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
另外，“第一”、“第二”等术语仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
图1展示了一种手指血管从舒张到加压再回到舒张状态的示意图。
如图1(a)所示，手指10包括骨头101和血管102，当所述手指10处于正常的静息状态时，此时所述血管102处于舒张状态。当对所述手指10施加压力时，所述手指10两侧的所述血管102会从舒张状态逐步变成压缩状态，如图1(b)所示，此时所述血管102的血流变小到几乎截断的状态。随后当施加在所述手指10的压力逐步释放时，如图1(c)所示，此时所述血管102会逐步从压缩状态恢复到舒张状态。
在对所述血管102进行加压或者所述血管102恢复过程中，同步记录此时的压力值和所述血管102的压力脉搏波或光电脉搏波。
压力脉搏波和光电脉搏波的波形图具有相似的形态特征，因为压力脉搏波和光电脉搏波实际上是同一动脉周期性搏动过程的两种不同表现形式，本质上都反映了心血管***的功能状态。因此，可以通过分析研究压力脉搏波或者光电脉搏波信号的特征，提取其中包含的生理病理信息，为心血管***相关疾病的早期诊断和预防提供帮助。
压力脉搏波通常在桡动脉、颈动脉或股动脉等浅表动脉处检测获取，利用压力检测器描记动脉压力随时间的变化曲线，得到压力脉搏波波形图。光电脉搏波一般是利用光电传感器检测获取，所以又常称为光电容积脉搏波，通常采用光电容积脉搏波描记(PhotoPlethysmography，PPG)法检测得到，采用该方法描记得到的血液容积随时间的变化曲线，即为光电脉搏波波形图，下文将光电脉搏波波形也写为PPG波形。
根据加压或恢复过程中的压力脉搏波或光电脉搏波的波形，提取相关特征，如PPG波形峰值，绘制成包络曲线，根据示波法原理，幅值最大处即为平均血压(Mean BloodPressure，MBP)，进而可通过传统的双高斯拟合法或包络拐点法或深度学习算法得到收缩压(Systolic Blood Pressure，SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure，DBP)。
具体的，图2展示了本申请实施例提供的一种生物特征信息检测装置的结构示意图，图3展示了本申请实施例提供的另一种生物特征信息检测装置的结构示意图，图4展示了本申请实施例提供的又一种生物特征信息检测装置的结构示意图。
如图2、图3和图4所示，本申请实施例提供一种生物特征信息检测装置20，所述装置20包括：
手指套200，所述手指套200包括机械结构24或气囊25，所述机械结构24或所述气囊25用于将所述手指套200固定在用户的手指10上。
可选的，请参见图4，所述手指套200为两端贯通型，所述两端贯通型手指套202的横截面为环形，所述环形包括圆环形、三角环形、方环形、椭圆环形、波浪环形。图4中的手指套202类似戒指，用户可以将所述两端贯通型手指套202戴在所述手指10的第三指节(如图4(a)所示)或第二指节(如图4(b)所示)上，方便快捷的实现血压检测。
可选的，请参见图2和图3，所述手指套200为非贯通型，也就是说所述非贯通型手指套201仅在一端设置有开口，所述非贯通型手指套201的截面为矩形、圆形、椭圆形和多边形中的一种，且所述非贯通型手指套201具有内部空间，所述内部空间用于容纳用户的所述手指10。在日常使用时，所述非贯通型手指套201受到环境光影响比较小，可以实现较高准确度的血压检测，同时又能满足方便快捷的要求。
在本申请实施例中，所述两端贯通型手指套202和所述非贯通型手指套201都可以包括所述机械结构24或所述气囊25。
可选的，所述机械结构24或所述气囊25设置在所述手指套200内部靠近所述开口的一侧。
当所述非贯通型手指套201戴在用户的所述手指10上时，所述非贯通型手指套201开口一侧靠近所述手指10的第三指节部位，所述机械结构24或所述气囊25设置在所述非贯通型手指套201内部靠近所述开口的一侧，可以采集到所述第三指节部位的压力脉搏波或光电脉搏波的波形。
作为一种可选的实施例，请参见图3和图4，所述手指套200包括所述气囊25和空气导管270，所述空气导管270和所述气囊25连接，所述空气导管270可以实现给所述气囊25充气和放气。
作为另一种可选的实施例，所述手指套200包括所述机械结构24，所述机械结构24用于将所述手指套200固定在用户的所述手指10上。所述机械结构24包括弹簧结构240，所述弹簧结构240包括弹簧本体241和连接板242。所述连接板242和所述弹簧本体241的一端连接，所述弹簧本体241的另一端和所述手指套200连接，且所述弹簧结构240设置在所述手指套200内部靠近所述开口的一侧。
具体的，作为一种可选的实施例，请参见图2，所述弹簧本体241包括第一弹簧本体2411和第二弹簧本体2412，所述连接板242包括第一连接板2421和第二连接板2422；
所述第一连接板2421和所述第一弹簧本体2411连接，所述第二连接板2422和所述第二弹簧本体2412连接，所述第一连接板2421上设置有光发射器211，所述第二连接板2422上设置有光电二极管212。
作为又一种可选的实施例，所述机械结构24包括电机结构，所述电机结构包括电机和连接板，所述连接板和所述电机连接，所述电机用于控制所述连接板活动，且所述电机结构设置在所述手指套200内部靠近所述开口的一侧。所述电机可以控制所述连接板，对所述血管102进行加压和放压操作。
脉搏波传感器210，所述脉搏波传感器210包括所述光发射器211和所述光电二极管212，所述光发射器211用于发射光信号，所述光信号被待检测物体反射或透射后到达所述光电二极管212，所述光电二极管212用于将接收到的光信号转换成电信号。
具体的，请参见图2中所述脉搏波传感器210，在透射型脉搏波传感器210中，所述光发射器211发射的光信号通过所述手指10的肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织，被所述光电二极管212接收。
具体的，请参见图4中所述脉搏波传感器210，在反射型脉搏波传感器210中，所述光发射器211发射的光信号透过所述手指10的皮肤组织然后再反射到所述光电二极管212。
模拟前端(Analog Front End，AFE)220，所述模拟前端220与所述脉搏波传感器210电连接，且所述模拟前端220用于接收所述电信号，并输出模拟前端信号。
具体的，所述模拟前端220可以对所述脉搏波传感器210感测的所述电信号进行放大、滤波和模数(Analog-to-Digital，AD)转换等处理，处理后的信号就是所述模拟前端信号。
微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)230，所述微控制单元230与所述模拟前端220电连接，且所述微控制单元230用于接收所述模拟前端信号，并输出生物特征信息，所述生物特征信息包括血压值。
可选的，在进行血压检测时，所述微控制单元MCU可通过传统的双高斯拟合法或包络拐点法或深度学习算法对所述模拟前端信号进行处理，然后得到包括收缩压SBP和舒张压DBP的血压值。
作为一种可选的实施例，所述生物特征信息还包括心率值和血氧值中的至少一个。所述脉搏波传感器210可以同时被用于血压检测和心率血氧检测，实现了所述脉搏波传感器210的复用，从而可以简化所述装置20的结构，节约成本。
可选的，请参见图3和图4，所述装置20还包括压力检测器260，所述压力检测器260与所述模拟前端220电连接。
作为一种可选的实施例，所述压力检测器260可以被用来测量压力脉搏波，然后再根据所述压力脉搏波计算得到血压值，而所述脉搏波传感器210将用来测量心率值和血氧值。
作为另一种可选的实施例，可以将所述压力检测器260和所述脉搏波传感器210结合起来测量血压值，分别根据所述压力检测器260测量出的压力脉搏波和所述脉搏波传感器210测量出的光电脉搏波计算出两个初始血压值，然后再对这两个初始血压值进行处理，例如取平均值，得到目标血压值。在本实施例中，同时用所述压力检测器260和所述脉搏波传感器210来计算血压值，可以提高血压值计算结果的准确度。
值得说明的是，所述压力检测器260除了应用在图3和图4的装置中，还可以应用在包括图2的所述装置20中，本申请实施例没有限定所述压力检测器260的应用范围。
图5是一种血管从完全收缩到恢复舒张过程中的PPG波形幅值曲线图。
具体的，请一并参见图1和图5，以示波法测量血压为例，通过给所述手指10施加压力实现所述血管102阻断过程获取光电脉搏波幅值曲线，通过曲线拟合方式，多维度获取曲线特征，根据曲线拟合参数(图5中的Parameter1、Parameter2、Parameter3....)，获取最终血压结果，即图5中的收缩压SBP和舒张压DBP。PPG波形幅值曲线如图5所示，横坐标为压力，纵坐标为PPG波形幅值。
示波法的一般计算方法为：血管容积变化最大处对应的压力即为平均血压MBP，然后根据包络曲线特征确定收缩压SBP、舒张压DBP和平均血压MBP之间的内在关系，最终得到血压结果。
图6是一种双高斯拟合法计算血压的示意图。结合图5和图6，计算血压结果的方法如下：
首先，通过双高斯函数拟合包络曲线：
其中，A1、B1分别为包络曲线的峰值点的纵坐标和横坐标，A2为包络曲线与y轴交点的纵坐标，B2为包络曲线上位于峰值点左侧且为峰值点高度一半的点(可以称为左半高宽点)与峰值点的横坐标之差，B3为包络曲线上位于峰值点右侧且为峰值点高度一半的点(可以称为右半高宽点)与峰值点的横坐标之差。
然后，得到包络曲线的参数后，由以下公式计算得到舒张压DBP、收缩压SBP、平均血压MBP：
SBP＝2.5*MBP-1.6*DBP
除了用上述的双高斯拟合法计算血压外，还可以选择用包络拐点法计算血压。
具体的，包络拐点法的原理为：动脉在零跨壁压条件下的弹性最大，压力脉搏波包络曲线峰值点左右两侧存在两个拐点，这两个拐点对应的袖套压力分别为收缩压SBP和舒张压DBP，所述拐点对应的压力变化量最大，因此对应包络曲线的一阶导的绝对值为最大值，此时对应的包络曲线的二阶导的值应为0。因此，通过计算压力脉搏波包络曲线的一阶导或者二阶导的值，就可以找到包络曲线峰值点左右两侧的两个拐点，从而分别计算出收缩压SBP和舒张压DBP。
图7和图8分别是本申请实施例提供的一种生物特征信息检测装置在手指第三指节和第二指节的血压检测结果示意图。
在图7和图8中，横坐标代表不同的被测对象，纵坐标代表血压值大小，血压值单位是毫米汞柱(mmHg)。
其中SBP0和DBP0表示使用水银听诊器记录的收缩压和舒张压的真值，SBP1和DBP1表示在指节处采集压力脉搏波计算得到的收缩压和舒张压的值。
从图7和图8中可以看到，在第三指节和第二指节的血压检测结果和使用水银听诊器记录的血压检测结果非常接近，在第三指节和第二指节处进行血压检测具备可行性。
在下面的表1中，在手臂、手腕、第三指节和第二指节等不同部位分别对25个被测对象进行了血压测量，均使用示波法采集压力脉搏波，通过提取压力脉搏波的波峰进行包络拟合，最后计算出包络峰(Envelope Peak，EP)与收缩压SBP、舒张压DBP和平均动脉压(Mean Arterial Pressure，MAP)的相关系数。
表1
从表1中可以看到在手臂、手腕、第三指节和第二指节测量出的收缩压SBP、舒张压DBP和平均动脉压MAP与包络峰EP的相关系数，不论是对正常血压的被测对象，还是对高血压的被测对象，第三指节和第二指节都与血压有强相关的关系。
在下面的表2中分别给出了在第三指节和第二指节测量血压数据的准确度评估结果。
表2
其中MD表示中位数差(Median Deviation，MD)，SD表示标准差(StandardDeviation，SD)。
从表2中可以看到在第三指节和第二指节测量血压数据的准确度评估结果。具体来看，收缩压SBP的中位数差SBP_MD和舒张压DBP的中位数差DBP_MD的绝对值都小于5，以及收缩压SBP的标准差SBP_SD和舒张压DBP标准差DBP_SD的绝对值都小于8，符合ISO医疗标准。
通过本申请实施例提供的所述生物特征信息检测装置20在第三指节和第二指节测量血压，得到的血压数据准确度均符合标准。
图9是本申请实施例提供的一种电子设备的结构框图。
如图9所示，本申请实施例还提供一种电子设备40，所述电子设备40包括上述本申请实施例提供的所述生物特征信息检测装置20，以及显示屏30，所述显示屏30设置在所述装置20的外表面，所述显示屏30用于显示所述生物特征信息。
具体的，所述显示屏30显示的所述生物特征信息包括血压值、血氧值和心率值。所述显示屏30可以单独显示血压值，也可以同时显示血压值、血氧值和心率值。
可选的，所述可穿戴设备还包括智能戒指，指夹式血压测量仪，指夹式血压血氧测量仪，指夹式多参数测量仪等可以应用在手指上的便携式血压测量设备。
图10是本申请实施例提供的一种电子设备的示意图。
如图10所示，所述电子设备40是一个多功能的指夹式血压血氧测量仪，可以测量的生物特征信息包括：心率值、血氧值、心率变异性(HRV)和血压值等。
本申请实施例中的所述电子设备40，可以方便高血压用户在非居家环境下快速便捷的监测实时血压，提升用户体验。
以上结合附图详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。
Claims (12)
1.一种生物特征信息检测装置，所述装置包括：
手指套，所述手指套包括机械结构或气囊，所述机械结构或所述气囊用于将所述手指套固定在用户的手指上；
脉搏波传感器，所述脉搏波传感器包括光发射器和光电二极管，所述光发射器用于发射光信号，所述光信号被待检测物体反射或透射后到达所述光电二极管，所述光电二极管用于将接收到的光信号转换成电信号；
模拟前端，所述模拟前端与所述脉搏波传感器电连接，且所述模拟前端用于接收所述电信号，并输出模拟前端信号；
微控制单元，所述微控制单元与所述模拟前端电连接，且所述微控制单元用于接收所述模拟前端信号，并输出生物特征信息，所述生物特征信息包括血压值。
2.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括压力检测器，所述压力检测器与所述模拟前端电连接。
3.如权利要求1或2所述的装置，所述手指套为两端贯通型手指套，所述两端贯通型手指套的横截面为环形。
4.如权利要求1或2所述的装置，所述手指套为非贯通型；
所述非贯通型手指套仅在一端设置有开口；
所述非贯通型手指套的截面为矩形、圆形、椭圆形和多边形中的一种，且所述非贯通型手指套具有内部空间，所述内部空间用于容纳所述用户的手指。
5.如权利要求3所述的装置，所述手指套还包括空气导管，所述空气导管和所述气囊连接。
6.如权利要求4所述的装置，所述机械结构包括弹簧结构，所述弹簧结构包括弹簧本体和连接板；
所述连接板和所述弹簧本体的一端连接，所述弹簧本体的另一端和所述手指套连接，且所述弹簧结构设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
7.如权利要求6所述的装置，所述弹簧本体包括第一弹簧本体和第二弹簧本体，所述连接板包括第一连接板和第二连接板；
所述第一连接板和所述第一弹簧本体连接，所述第二连接板和所述第二弹簧本体连接，所述第一连接板上设置有所述光发射器，所述第二连接板上设置有所述光电二极管。
8.如权利要求4所述的装置，所述机械结构或所述气囊设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
9.如权利要求4所述的装置，所述机械结构包括电机结构，所述电机结构包括电机和连接板，所述连接板和所述电机连接，所述电机用于控制所述连接板活动，且所述电机结构设置在所述手指套内部靠近所述开口的一侧。
10.如权利要求1所述的装置，所述生物特征信息还包括心率值和血氧值中的至少一个。
11.一种电子设备，所述电子设备包括如权利要求1至10中任一项所述的装置，以及显示屏，所述显示屏设置在所述装置的外表面，所述显示屏用于显示所述生物特征信息。
12.如权利要求11所述的电子设备，所述电子设备包括智能戒指，指夹式血压测量仪，指夹式血压血氧测量仪，指夹式多参数测量仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310766661.4A CN116746894A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种生物特征信息检测装置和电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310766661.4A CN116746894A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种生物特征信息检测装置和电子设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116746894A true CN116746894A (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=87954893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310766661.4A Pending CN116746894A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种生物特征信息检测装置和电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116746894A (zh) |
-
2023
- 2023-06-26 CN CN202310766661.4A patent/CN116746894A/zh active Pending
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