CN204797851U - 一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪。该装置通过固定在人体内衣支架上的可穿戴人体多种生理信号的采集传感器组(包括：人体生物电传感器组、心电传感器组、MEMS人体组织生理波形传感器组、血氧饱和度传感器和温度传感器)和多通道信号的调理电路，再经过基于压缩感知的随机A/D转换器输入微处理***存储器，微处理器把采集的信号作为原始数据，经过去噪、降噪和压缩感知处理后，分别实现人体生理健康常规参数实时监测和通过云端Web服务模块为终端用户提供：①人体亚健康HRV精神压力分析；②建立人体健康档案；③人体亚健康智能专家诊断分析；④个性化亚健康生活指导；⑤多元亚健康关联数据分析。

Description

一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，尤其涉及可实现在移动设备上对人体血氧、血压、呼吸、脉搏、心音(电)、肺音(电)、胃音(电)、肝音(电)等生理参数的采集，并采用HRV分析法对人体亚健康精神压力进行综合分析。

背景技术

随着经济社会的快速发展，高强度的工作和激烈的竞争给人们的生活带来了极大的压力，导致很多人长期处于亚健康状态。亚健康是介于健康和疾病之间的一种生理、心理和代谢功能低下的综合状态，它是身体患病的临界状态，是许多疾病的前期征兆，如心血管疾病、十二指肠溃疡、肝炎、癌症等。由于其潜伏期一般长达8到10年，所以大多数人对其危害性认识不足，进而引发不可逆转的恶性疾病。据统计，亚健康的易感人群主要集中在社会的精英层，年龄范围在40-59岁的人群中占到了70％左右，其中在企事业管理人员、基层公务员、白领阶层、知识分子和某些特殊行业的人群中发病率更高。研究表明，亚健康的致病成因与当前环境的污染、紧张的生活节奏、心理承受的压力过大、饮食不规律、过度的使用电脑、睡眠时间减少、身体运动不足、体力透支等不良的生活***衡心理、动静结合、改善生活环境、以及处理好生活和工作关系，经过循序渐进的积极治疗，则身体逐步向健康方向转化。鉴于此，本专利旨在通过设计检测人体各种生理信息的变化装置，自动测量人体的交感神经和副交感神经的平衡度，采用HRV分析模型，并依据心率变异性的相关因素，计算分析人体当前所承受的精神压力，从而为人体是否处于亚健康状态提供诊断依据。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪器，该装置通过固定在人体内衣支架上的可穿戴人体多种生理信号的采集传感器组(包括：人体生物电传感器组、心电传感器组、MEMS人体组织生理波形传感器组、血氧饱和度传感器和温度传感器)和三类不同信号通道的调理电路，再经过基于压缩感知的随机A/D转换器输入微处理器，微处理器把采集的信号作为原始数据，经过去噪、降噪和压缩感知处理后，分别实现人体生理健康常规参数实时监测和发送至云端。发送至云端的数据将根据终端用户的服务请求，通过云端Web服务模块可以为终端用户提供如下服务：①人体亚健康HRV精神压力分析；②建立人体健康档案；③人体亚健康智能专家诊断分析；④个性化亚健康生活指导；⑤多元亚健康关联数据分析。见附图1人体亚健康生理参数精神压力分析仪***结构图。

本实用新型采用下述技术方案：

一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，包括固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，即：人体生物电传感器阵列、MEMS人体组织生理波形传感器阵列、血氧饱和度检测传感器阵列，通过固定在人体贴身部位的多组传感器把包含人体生理特征的信息转换为电信号，再经过增益可控的宽带生物电信号调离电路和多通道压缩感知随机A/D转换模块，在微处理器的控制下，将采集的数据存储在本地，同时通过WIFI/3G/4G传输至云端。本地数据可以实时监测和显示人体的包括心、肺、肝、胃部位的生物电信息和人体组织器官的机械振动生理特征信息。传输至云端的数据，经过去噪、降噪和压缩感知处理后，通过云端Web服务模块为终端用户提供如下服务：①人体亚健康HRV精神压力分析；②建立人体健康档案；③人体亚健康智能专家诊断分析；④个性化亚健康生活指导；⑤多元亚健康关联数据分析。并在终端显示器显示。见附图2人体亚健康生理参数精神压力分析仪原理结构图。

所述的固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，主要用于固定多个传感器，包括心、肺、肝、胃部位的生物电信息和基于MEMS的人体组织生理波形传感器阵列。其特征在于：心脏部位传感器设置了心电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在胸前右侧，女士固定在背部右侧。肺部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部。肝部部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架左下侧，公用地线采用镀银导电网格线固定于人体背部。

所述的人体生物电传感器阵列主要把人体生物电信号通过固定的接口进行放大：采用多通道阵列超高输入阻抗、低噪声的精密运算放大器TLV2254作为电压跟随器，电压跟随器放置在紧靠被测传感器的位置，以降低传输噪声，每个通道的输出信号用于驱动保护环，保护环形成等电位的低阻抗屏蔽，以保护各个输入通路免受漏电流的影响。

采用MEMS人体组织生理波形传感器阵列，把人体组织的次声波、声波和超声波转变为电信号，并传输到信号调理模块。信号调理模块包括：由初级运算放大器TLV2254构成的电压跟随器，由次级AD603两极放大电路和同步增益控制电路组成的信号放大器。所述电路其特征在于把人体的器官组织由于病变后组织体密度或强度发生变化而产生的摩擦声波、血液流动和血管壁的摩擦声波转变为宽频带电信号，且把电信号进行放大，为后极A/D转换提供信号源。

所述的血氧饱和度检测传感器阵列，其特征在于通过外接导联装置设置SCM660和SCM810两个不同波段的发光二极管作为光电容积脉搏传感器的光源，上下设置两个光电接收管作为透射和反射两种监测模式。所述的透射模式是指通过测试手指的光线透射度进行监测脉搏血氧饱和度。所述的反射模式是指通过对固定在人体的某一皮肤位置的发光二极管和接收光电管加电，并检测皮下血管对不同波段光线的反射率的大小，以计算脉搏血氧饱和度。

所述的血氧饱和度监测传感器阵列包括SCM660和SCM810两个不同波段的发光二极管作为光电容积脉搏传感器的光源，包括上下两个光电接收管，使得该阵列即可工作在透射模式，也可工作在反射模式。

所述的血氧饱和度检测传感器阵列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。前置放大器选用INA321仪表放大器，主要性能参数为：共模抑制比94dB，工作带宽500KHz，输入失调电压0.2mV。前置放大器电压放大倍数设计为5-10倍。前置放大器INA321输出的信号内同时含有660nm和810nm的信号。以CD4066数控开关作为信号分离器，以发光管驱动时序信号I660和I810作为开关控制信号，将前置放大器输出由单路混合信号变为只含有660nm光强信号的Id660以及只含有810nm光强信号的Id810。信号调理电路内含两个通道，每个通道含有一个截止频率为102Hz的4阶巴特沃斯低通滤波器以及一个电压放大倍数为200倍的放大器。经过信号调理电路后，输至基于压缩感知的A/D转换器。

所述的增益可控的宽带生物信号调离与分离模块，采用仪表差动放大器，提高电路共模抑制比，适合测量人体任意两点之间的电压差，其优点在于电路具有较大的共模抑制比，以避免由于传感器的大幅度基线漂移干扰有效信号。主电路采用有记忆的自适应放大器，其特征在于由AD603组成两极放大电路和同步增益控制电路。所述生物电信号电极传感器传输给第一级放大器，其阻抗一般大于100兆欧姆，电容值为100pF。输入阻抗主要由这两个前置级运算放大器的输入阻抗决定，电阻R用于限流经输入导联的电流，并联的齐纳二极管和将所有超过齐纳二极管的信号旁路至接地点。每个通道设有一个有源陷波器，调节可调电阻R可以将陷波频率设置为50/60HZ。放大器具有单独的屏蔽驱动用于保护每个输入导联免受外界噪声的干扰。

所述的多通道压缩感知随机A/D转换模块，采用可控制的A/D转化电路，根据微处理器***所事先具有的信息经验确定有效数据采样时机，控制***实现随机采集。

基于上述实施方案，所述的固定在人体贴身部位的多组传感器把包含人体生理特征的信息转换为电信号，再经过多通道增益可控的宽带生物电信号调离电路和压缩感知随机A/D转换模块，在微处理器的控制下，将采集的数据存储在本地，同时通过WIFI/3G/4G传输至云端。本地数据可以实时监测和显示人体的包括心、肺、肝、胃部位的生物电信息和人体组织器官的机械振动生理特征信息。传输至云端的数据，经过去噪、降噪和压缩感知处理后，通过云端Web服务模块为终端用户提供如下服务：①建立人体健康档案；②人体亚健康HRV精神压力分析；③人体亚健康智能专家诊断分析；④个性化亚健康生活指导；⑤多元亚健康关联数据分析。

附图说明

图1：人体亚健康生理参数精神压力分析仪***结构图；

图2：人体亚健康生理参数精神压力分析仪原理结构图；

图3：可穿戴传感器内衣支架示意图；

图4：电压跟随器原理图；

图5：有记忆的自动增益控制放大电路；

注：图3中附图标记为：①心电传感器，②MEMS心电传感器，③胃部生物电传感器，④MEMS胃部生理波传感器，⑤肺部生物电传感器，⑥MEMS肺部生理波传感器，⑦肝部生物电传感器，⑧MEMS肝部生理波传感器，⑨女士肺部生物电传感器，⑩MEMS女士肺部生理波传感器，女士肝部生物电传感器，MEMS女士肝部生理波传感器，可调整的松紧带，连线接口。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型通过固定在人体内衣支架上的三组传感器，即：人体生物电传感器组、MEMS人体组织生理波形传感器组以及血氧饱和度传感器组，分别采集人体生物电信号、人体组织生物特征机械振动波形和人体脉搏血氧饱和度，各传感器采集的信号输出端通过前置放大模块、滤波电路和自动增益放大电路连接至多通道压缩感知的A/D转换电路的输入端，多通道压缩感知的A/D转换电路的输出端连接至微处理器***的数据存储器，微处理器***(移动终端)还接有显示模块和模式设置模块。

该实用新型为了把多个传感器固定在人体的被测部位，特意设计了可以固定传感器的贴身内衣支架，如图3，该支架可以将人体生物电传感器阵列、MEMS人体组织生理波形传感器阵列、血氧饱和度检测传感器阵列固定在其上。通过固定在人体贴身部位的多组传感器把包含人体生理特征的信息转换为电信号，再经过增益可控的宽带生物电信号调离电路和多通道压缩感知随机A/D转换模块，在微处理器的控制下，将采集的数据存储在本地，同时通过WIFI/3G/4G传输至云端。本地数据可以实时监测和显示人体的包括心、肺、肝、胃部位的生物电信息和人体组织器官的机械振动生理特征信息。传输至云端的数据，经过去噪、降噪和压缩感知处理后，通过云端Web服务模块为终端用户提供如下服务：①人体亚健康HRV精神压力分析；②建立人体健康档案；③人体亚健康智能专家诊断分析；④个性化亚健康生活指导；⑤多元亚健康关联数据分析。并在终端显示器显示，见图2人体亚健康生理参数精神压力分析仪原理结构图。

所述的固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，主要用于固定多个传感器，包括心、肺、肝、胃部位的生物电信息和基于MEMS的人体组织生理波形传感器阵列。其特征在于：心脏部位传感器设置了心电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在胸前右侧，女士固定在背部右侧。肺部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部。肝部部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架左下侧，公用地线采用镀银导电网格线固定于人体背部。见图3：可穿戴传感器内衣支架示意图。

根据对影响人体亚健康和精神压力参数的分析，本实用新型采用多通道信号采集电路采集的人体生物电信号，包括：心电信号(放置在胸部、背部的电极)、胃电信号(放置在左腹部的皮肤表面的电极)、肝电信号(放置在右腹部的皮肤表面的电极)、肺电信号(放置在肺部的皮肤表面的电极)；采集的MEMS人体组织生理波形传感器包括心跳、胃肠蠕动、肝部摩擦音、肺部呼吸音；采集的血氧饱和度传感器包括：固定在手指上或者固定在人体的某皮肤位置实现脉搏测量、血氧饱和度测量、血压测量和血液流速测量。

人体生物电信号采用多通道阵列超高输入阻抗、低噪声的精密运算放大器TLV2254作为电压跟随器，跟随器放置在紧靠被测传感器的位置，以降低传输噪声，每个通道的输出信号用于驱动保护环，保护环形成等电位的低阻抗屏蔽，以保护各个输入通路免受漏电流的影响。

由于人体生理信号较弱，为了有效采集各传感器信号，需要对传感器输出信号进行调理，信号调理电路由前置放大模块、滤波电路和自增益放大模块。生物电信号电极传感器传输给第一级放大器，其阻抗大于100兆欧姆，电容值为100pF。输入阻抗主要由这两个前置级运算放大器的输入阻抗决定，电阻R用于限流经输入导联的电流，并联的齐纳二极管和将所有超过齐纳二极管的信号旁路至接地点。本实用新型前置放大模块由电压跟随器TLV2254组成，如图4是电压跟随器原理图，电压跟随器的输出接放大电路输入端，放大电路由四路低压低功耗运算放大器TLV2254构成三级增益放大电路，每级增益可以通过编程设置为10、100、1000倍，电路的总增益可达一百万倍。

该实用新型采用MEMS人体组织生理波形传感器阵列传，把人体组织的次声波、声波和超声波转变为电信号，并传输到信号调理模块。信号调理模块，由初级运算放大器TLV2254构成的电压跟随器、信号放大电路和电压自增益控制模块组成。该电路在于把人体的器官组织由于病变后组织体密度或强度发生变化而产生的摩擦声波、血液流动和血管壁的摩擦声波转变为宽频带电信号，且把电信号进行放大，为后极A/D转换提供信号源。

该实用新型采用血氧饱和度检测传感器阵列采集人体脉搏和血氧饱和度。传感器外接导联装置采用SCM660和SCM810两个不同波段的发光二极管作为光电容积脉搏传感器的光源，设置上下两个光电接收管作为透射和反射两种监测模式。其中透射模式是指通过测试手指的光线透射度进行监测脉搏血氧饱和度；反射模式是指通过对固定在人体的某一皮肤位置的发光二极管和接收光电管加电，并检测皮下血管对不同波段光线的反射率的大小，以计算脉搏血氧饱和度。

血氧饱和度监测传感器阵列包括SCM660和SCM810两个不同波段的发光二极管作为光电容积脉搏传感器的光源，包括上下两个光电接收管，使得该阵列即可工作在透射模式，也可工作在反射模式。血氧饱和度检测传感器阵列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，随后送往基于多通道压缩感知的A/D转换器。

增益可控的宽带生物信号调离与分离模块，采用仪表差动放大器提高电路共模抑制比，适合测量人体任意两点之间的电压差，其优点在于电路具有较大的共模抑制比，以避免由于传感器的大幅度基线漂移干扰有效信号。

自动增益控制电路采用有记忆的自适应放大器，由两个AD603组成两极放大电路和同步增益控制电路，见图5有记忆的自动增益控制放大电路。该电路的记忆功能主要是由D/A转换模块和微处理器组成，微处理器根据各通道信号的益处情况，自动调整D/A模块的输入端，D/A的输出端实时调整AD603增益控制电压，从而控制各通道信号处在适合多通道压缩感知的A/D转换器采集的有效范围。

每个通道设有一个有源陷波器，调节可调电阻R可以将陷波频率设置为50/60HZ。

多通道压缩感知随机A/D转换模块，采用可控制的A/D转化电路，根据***所事先具有的信息经验确定有效数据采样时机，控制***实现随机采集。

多通道放大器具有单独的屏蔽驱动，用于保护每个输入导联免受外界噪声的干扰。

Claims (7)

1.一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：包括固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，即：人体生物电传感器阵列、MEMS人体组织生理波形传感器阵列、血氧饱和度检测传感器阵列，通过固定在人体贴身部位的多组传感器，把包含人体生理特征的信息转换为电信号，电信号输出端接前置放大器输入端，前置放大器输出端接信号滤波电路输入端，滤波电路输出端接增益可控的电信号调理电路输入端，增益可控的电信号调理电路输出端接多通道压缩感知随机A/D转换模块，多通道压缩感知随机A/D转换模块输出接微处理器***的存储器，微处理器***连接数据去噪处理、数据压缩感知、人体生理健康常规参数监测、服务请求信息与显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，包括多个传感器，包括：心、肺、肝、胃部位的生物电传感器和基于MEMS的人体组织生理波形传感器阵列；

采用MEMS人体组织生理波形传感器阵列，把人体组织的次声波、声波和超声波转变为电信号，并传输到信号调理模块；信号调理模块包括：由初级运算放大器TLV2254构成的电压跟随器，由次级AD603两极放大电路和同步增益控制电路组成的信号放大器。

3.根据权利要求2所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的固定在人体可穿戴贴身内衣支架上的传感器组，还包括：心脏部位传感器设置了心电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在胸前右侧，女士固定在背部右侧；肺部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部；肝部部位传感器设置了生物电传感器和MEMS微机电生理波检测传感器，两个传感器分别固定在贴身传感器内衣支架左下侧，公用地线采用镀银导电网格线固定于人体腰部和背部；

所述一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪的微处理***，包括无线蓝牙、模式设置和WIFI/3G/4G通信模块，以及配置在云端服务器的WEB服务模块；

所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，所述的生物电传感器把人体生物电信号通过固定的接口进行放大，采用多通道阵列超高输入阻抗、低噪声的精密运算放大器TLV2254作为电压跟随器，电压跟随器放置在紧靠被测传感器的位置，每个通道的输出信号设置防干扰驱动保护环电路。

4.根据权利要求3所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪的血氧饱和度检测传感器阵列包括透射式和反射式脉搏血氧检测传感器。

5.根据权利要求4所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的血氧饱和度检测传感器阵列通过外接导联装置设置SCM660和SCM810两个不同波段的发光二极管作为光电容积脉搏传感器的光源，上下设置两个光电接收管作为透射和反射两种接收模式，所述的透射模式是指通过测试手指的光线透射度进行检测脉搏血氧饱和度，所述的反射模式是指通过对固定在人体的某一皮肤位置的发光二极管和接收光电管加电，并检测皮下血管对不同波段光线的反射率的大小，计算脉搏血氧饱和度。

6.根据权利要求5所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的血氧饱和度检测传感器阵列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。

7.根据权利要求1所述的一种可穿戴的人体亚健康多元生理参数精神压力分析仪，其特征在于：所述的多通道压缩感知随机A/D转换模块，采用可控制的基压缩感知随机采样A/D转换电路。