專利名稱：無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置與方法，屬于生物醫(yī)學(xué)工 程領(lǐng)域中用于對人體生理參數(shù)如血壓、心率、呼吸頻率、血氧飽和度和體溫的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
目前血壓的測量可分為直接測量和間接測量。直接測量是將連接有壓力傳感器的 導(dǎo)管直接插入大動脈或心室來測量血壓，雖然利用這種方法測得的血壓數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確，但 其技術(shù)要求較高，有一定創(chuàng)傷性，不適合廣泛使用。間接測量是通過檢測動脈管壁的搏動、 血管容積變化等參數(shù)間接得到血壓，簡便易行且無創(chuàng)。間接測量血壓的方法有脈搏血壓測 量法，音調(diào)血壓測量法和基于脈搏波傳輸時間的血壓測量法。傳統(tǒng)的血氧飽和度測量是先從人體中抽取血液再利用分析儀器分析血液得到血 氧飽和度數(shù)值。這種檢測方法雖然準(zhǔn)確，但是對患者造成痛苦，也有可能帶來感染。依據(jù)光 電容積脈搏波原理設(shè)計出的無創(chuàng)脈搏血氧計是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，利用 該方法設(shè)計的血氧計成本低、安裝維護方便、使用時不需要校正，可以用于長時間測量。呼吸頻率的檢測通常用的方法有阻抗法，直接測量呼吸氣流法和氣道壓力法等。心率可以從心電圖的特征參數(shù)中獲得也可以通過測量脈搏間接得到心率。體溫通過溫度計與人體接觸測量得到。對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，世界知識產(chǎn)權(quán)組織授權(quán)專利，授權(quán)專利號為 W0/2010/001233，授權(quán)日期為:2010年1月7日。該專利自述為“無創(chuàng)血壓檢測系統(tǒng)和方 法由下面的具體措施給予說明用一個傳感器或一個探測器來獲得一個物體的體容積描記 信號或光容積描記信號。該信號的兩個或更多的特征點之間的時間差可以計算出來。例 如，該時間差與脈沖離開傳感器或探測器到反射點再回到傳感器或探測器這一固定的距離 相關(guān)，利用這個時間差，血壓的檢測可以進行連續(xù)測量也可以進行一定時間周期的測量?！?該專利利用一路光信號進行了血壓的測量，在很大程度上減少了被監(jiān)測者在測量時的不適 感，但是該專利的缺點是該專利只進行了血壓的測量研究，沒有將脈搏波的光容積描記信 號充分分析，并且處理模塊比較龐大，不具有便攜性。
美國發(fā)明專利，授權(quán)專利號為US7179228B2，授權(quán)公告日2007年2月20日。該 專利自述為“該裝置的組成包括光源和產(chǎn)生第一路信息的光電探測器組成的光模塊，產(chǎn) 生第二路壓力信號的柔韌貼片型壓力傳感器，完成接收和處理第一路和第二路信息并計算 出實時血壓數(shù)值的處理器模塊?！边@個專利的主要缺點是為了使壓力傳感器獲得準(zhǔn)確的血 管壓力參數(shù)，檢測者需要將該裝置緊緊的按在人體橈動脈表面，正是由于如此，如果進行長 時間的血壓測量，會由于測量裝置與血管之間的作用力而使血液流動受到阻礙從而使被測 量者產(chǎn)生不適感。同時，檢測者對施加在裝置的壓力變化會影響到血壓的數(shù)值。另外，中國專利，授權(quán)公告號CN1698536A，授權(quán)公告日2005年11月23日沖國專 禾丨J，授權(quán)公告號CN100502768C，授權(quán)公告日2009年6月24日；這些專利都是采用心電信 號和脈搏波光容積描記信號相結(jié)合計算出人體血壓值，由于心電信號的引入需要添加一部心電測量裝置，增添了檢測的復(fù)雜程度，不便于便攜式使用和長時間檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種無袖帶便攜式檢測人體生理參數(shù)的裝置和方法，該方法和裝置 是基于對脈搏波光容積描記信號特征點的分析而計算出人體生理參數(shù)，包括利用光電檢 測的方法獲得人體脈搏波光容積描記信號，通過對信號特征時間的提取和信號功率譜的計 算得出人體血壓，血氧飽和度，心率和呼吸頻率的參數(shù)值；利用溫度傳感器獲得人體體表溫 度信號，通過對該信號的處理實現(xiàn)人體體溫的檢測。一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置，包括電源，光電檢測模 塊，貼片式 溫度傳感器，信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機，液晶顯示屏，數(shù)據(jù)存儲 器，其特征在于A)光電檢測模塊包括紅光光源、紅外光光源和光信號接收器，所述的光信號接收 器在紅光光源和紅外光光源二者連線的中點位置，且三者在一條直線上，以方便對漫反射 光信號的獲得和特征時間的確定；光信號接收器依次與信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊和單片機連接，單片機外接一塊數(shù)據(jù)存儲器；B)電源，信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機及數(shù)據(jù)存儲器設(shè)置 在一個殼體內(nèi)，該外殼連接系帶系在人體手腕，外殼的表面為液晶顯示屏；C)光電檢測模塊設(shè)置在外殼背面，與橈動脈對應(yīng)的體表皮膚接觸；D)貼片式溫度傳感器設(shè)置在外殼背面的中部，與腕部皮膚接觸，將上述光電檢測 模塊和貼片式溫度傳感器測試的信號傳送至單片機；E)單片機的輸出端與液晶顯示屏連接，液晶顯示屏上設(shè)置有輸入的收縮壓血壓 值，輸入的舒張壓血壓值，增減按鈕，輸出的收縮壓數(shù)值，輸出的血氧飽和度數(shù)值，輸出的心 率數(shù)值，輸出的舒張壓數(shù)值，輸出的溫度數(shù)值，輸出的呼吸頻率數(shù)值和電源開關(guān)；上述A)、B)、C)、D)E)組成無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置。所述的外殼側(cè)面還設(shè)置有蜂鳴器，蜂鳴器與單片機的輸出端連接，用于將超出正 常范圍的生理參數(shù)聲控報警，液晶顯示屏上每個顯示的數(shù)值旁邊均設(shè)置LED燈，用于顯示 超出正常范圍的生理參數(shù)。一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的方法，其特征在于將無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置帶在手腕部位，光電檢測模塊貼緊橈動 脈對應(yīng)的體表皮膚部位，利用光信號接收器接收由紅光光源和紅外光光源發(fā)射的經(jīng)過漫反 射后的信號，經(jīng)信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊后，輸入單片機；F)單片機對兩路信號的特征點和特征時間提取，經(jīng)過公式⑴、(2)得到收縮壓的 血壓值和舒張壓的血壓值；<formula>formula see original document page 5</formula>其中Psys為收縮壓，Pdia為舒張壓，PTT為脈搏波傳播時間，α s、α i、θ S，α d、α 2禾口θ d為修正參數(shù)；分別采用三個Psys和Pdia便可以確定修正參數(shù)的值；G)單片機對其中的任一路信號，確定脈搏波的周期T，通過公式(3)得到心率 r 60<formula>formula see original document page 6</formula>(3)H)單片機對兩路信號的峰值和谷值進行確定，通過公式(4)的計算，得到血氧飽
和度
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Zj1e、I^c、分別為紅光光源所得到的一路信號的峰值和谷值，和為
紅光光源所得到的一路信號的峰值和谷值，P、μ和ο為修正參數(shù)；I)利用單片機對其中一路光容積描記脈搏波信號進行運算，求出該信號的功率 譜，呼吸頻率在光容積描記脈搏波信號的功率譜中有明顯的特征峰值，通過確定該峰值，判 斷出該特征峰值對應(yīng)的頻率f，即此頻率為被檢測者的呼吸頻率fbrea，也可以利用公式(5)Nbrea = 60 Xf(5)計算得到被檢測者在一分鐘內(nèi)的呼吸次數(shù)Ntoa ；J)體溫的測量由貼片式溫度傳感器測量的體表溫度信號經(jīng)過單片機處理后通過 公式(6)T1 = α T2+ β(6)得到對應(yīng)的腋下溫度或者口腔溫度，其中T1為腋下溫度或口腔溫度，T2為溫度傳 感器測量的體表溫度，α和β為修正參數(shù)。本發(fā)明的有益效果在于無袖帶式光電脈搏波監(jiān)測人體生理參數(shù)裝置可以無創(chuàng)、 舒適、實時的顯示出人體生理參數(shù)，使多項人體生理參數(shù)在一個裝置上得到測量，大大簡化 了測量的步驟，減少了測量所花費的時間，消除了被測量者的不適感。在監(jiān)測過程中，該裝 置不會對人體產(chǎn)生任何危害，因此可以用于長時間生理參數(shù)的監(jiān)測。同時，該裝置便攜性 好，附加了報警和數(shù)據(jù)存儲功能。由于裝置的便攜性，測量者可以在安靜舒適的環(huán)境中進行 生理參數(shù)的測量，大大減小了 “白衣效應(yīng)”的影響，使得該裝置測得的生理參數(shù)在臨床上的 意義更加重大。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中光電檢測裝置的放大示意圖；圖3為光容積描記脈搏波兩路信號示意圖；圖4為檢測裝置的佩戴示意圖；圖5為本裝置顯示面板示意圖。
1、電源，2、光電檢測模塊，3、貼片式溫度傳感器，4、信號放大模塊，5、信號濾波模 塊，6、A/D轉(zhuǎn)換模塊，7、單片機，8、液晶顯示屏，9、數(shù)據(jù)存儲器，10、紅光光源，11、光信號接收 器，12紅外光光源，13、輸入的收縮壓血壓值，14、輸入的舒張壓血壓值，15、增減按鈕，16、輸 出的收縮壓數(shù)值，17、輸出的血氧飽和度數(shù)值，18、輸出的心率數(shù)值，19、輸出的舒張壓數(shù)值， 20、輸出的溫度數(shù)值，21、輸出的呼吸頻率數(shù)值，22、電源開關(guān)，23、報警蜂鳴器，24、LED燈。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理 參數(shù)的裝置如圖1、圖2所示，包括電源1，光電檢測模塊2，溫度貼片傳感器3，信號放大模 塊4，信號濾波模塊5，A/D轉(zhuǎn)換模塊6，單片機7，液晶顯示屏8，數(shù)據(jù)存儲器9，其特征在于A)光電檢測模塊2包括紅光光源10、紅外光光源12和光信號接收器11，所述的 光信號接收器11在紅光光源10和紅外光光源12 二者連線的中點位置，且三者在一條直線 上，以方便對漫反射光信號的獲得和特征時間的確定；光信號接收器11依次與信號放大模 塊4，信號濾波模塊5，A/D轉(zhuǎn)換模塊6和和單片機7連接，單片機的輸出端連接數(shù)據(jù)存儲器 9 ；
B)電源1，信號放大模塊4，信號濾波模塊5，A/D轉(zhuǎn)換模塊6及單片機7設(shè)置在一 外殼內(nèi)，外殼連接系帶系在人體手腕，外殼的表面為液晶顯示屏8;數(shù)據(jù)存儲器9設(shè)置在外 殼體外；C)光電檢測模塊2設(shè)置在外殼背面，與橈動脈對應(yīng)體表皮膚接觸；D)溫度貼片傳感器3設(shè)置在外殼背面的中部，與腕部皮膚接觸，將光電檢測模塊2 和溫度貼片傳感器3測試的信息傳送單片機7 ；E)單片機的輸出端與液晶顯示屏8連接，液晶顯示屏結(jié)構(gòu)如圖4所示，液晶顯示屏 8上設(shè)置有輸入收縮壓的血壓值13，輸入舒張壓的血壓值14，增減按鈕15，輸出的收縮壓 數(shù)值16，輸出的血氧飽和度數(shù)值17，輸出的心率數(shù)值18，輸出的舒張壓數(shù)值19，輸出的溫度 數(shù)值20，輸出的呼吸頻率數(shù)值21和電源開關(guān)22 ；上述A)、B)、C)、D)E)組成無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置。所述外殼側(cè)面還設(shè)置有蜂鳴器23，蜂鳴器與單片機7的輸出端連接，用于將結(jié)果 超出正長范圍的生理參數(shù)聲控報警，同時液晶顯示屏8上每個顯示的數(shù)值旁邊均設(shè)置LED 燈24，用于顯示超出正常范圍的生理參數(shù)。一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的方法，其特征在于將無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置帶在手腕部位，光電檢測模塊2貼緊橈 動脈對應(yīng)體表皮膚，利用光信號接收器11接收由紅光光源10和紅外光光源12發(fā)射的經(jīng)過 漫反射的光線，經(jīng)信號放大模塊4，信號濾波模塊5，A/D轉(zhuǎn)換模塊6后，輸入單片機7 ；F)單片機7對兩路信號的特征點和特征時間提取，經(jīng)過公式⑴、(2)得到收縮壓 的血壓值和舒張壓的血壓值；
αν αλPsvs =+ ~l—r + θ8
sys PTT ρττ2⑴
<formula>formula see original document page 8</formula>其中Psys為收縮壓，Pdia為舒張壓，PTT為脈搏波傳播時間，α s、α ρ θ s，α d、α 2禾口 θ <!為修正參數(shù)；采用三個Psys將⑴式聯(lián)立方程，確定參數(shù)QpQp θ s，采用三個Pdia將 (2)式聯(lián)立方程，便可以確定參數(shù)ad、ajn θ 值；只要測出PTT的值，便可由(1)式確 定收縮壓，由(2)式確定舒張壓；G)單片機對其中的任一路信號，確定脈搏波的周期T，通過公式(3)得到心率fhea=f(3)H)單片機對兩路信號的峰值和谷值進行確定，通過公式(4)的計算，得到血氧飽
和度
<formula>formula see original document page 8</formula>其中/i、I^c、分別為紅光光源所得到的一路信號的峰值和谷值，Zj2e和/A為
紅外光光源所得到的一路信號的峰值和谷值，P、μ和ο為修正參數(shù)；I)利用單片機對其中一路光容積描記脈搏波信號進行運算，求出該信號的功率 譜，呼吸頻率在光容積描記脈搏波信號的功率譜中有明顯的特征峰值，通過確定該峰值，判 斷出該特征峰值對應(yīng)的頻率f，即此頻率為被檢測者的呼吸頻率fbrea，也可以利用公式(5)Nbrea = 60 Xf(5)計算得到被檢測者在一分鐘內(nèi)的呼吸次數(shù)Ntoa ；J)體溫的測量由溫度貼片傳感器測量的體表溫度信號經(jīng)過單片機處理后通過公 式(6)T1 = α T2+ β(6)得到對應(yīng)的腋下溫度或者口腔溫度，其中T1為腋下溫度或口腔溫度，T2為溫度傳 感器測量的體表溫度，α和β為修正參數(shù)。使用時將本發(fā)明監(jiān)測裝置的系帶系在人的手腕上，將設(shè)置在外殼背面的光電檢測 模塊2與腕部橈動脈對應(yīng)的皮膚接觸；將設(shè)置在外殼背面中部的溫度貼片傳感器3與腕部 皮膚接觸，打開電源，光信號接收器11接收到由紅光光源10和紅外光光源12產(chǎn)生的光電 容積描記脈搏波信號，由光信號接收器11收集，經(jīng)信號放大模塊4，信號濾波模塊5，A/D轉(zhuǎn) 換模塊6后，輸入單片機7 ；有公式(1)得到收縮壓血壓值，由公式(2)得到舒張壓血壓值， 由公式(3)得到心率，由公式(4)得到血氧飽和度，由公式(5)得到呼吸頻率或每分鐘呼吸 次數(shù)，由公式(6)得到人體溫度，并將生理參數(shù)數(shù)值在液晶顯示屏8上顯示，同時將生理參 數(shù)在存儲設(shè)備9中存儲。裝置中貼片式溫度傳感器3、光電檢測模塊2、單片機7和液晶顯 示屏8都用鋰電池供電。
若某一生理參數(shù)指標(biāo)超出正常范圍，單片機啟動蜂鳴23發(fā)出 警示音，同時相應(yīng)指 標(biāo)參數(shù)的LED燈24閃爍，以示報警。
權(quán)利要求
一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置，包括電源，光電檢測模塊，貼片式溫度傳感器，信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機，液晶顯示屏，數(shù)據(jù)存儲器，其特征在于A)光電檢測模塊包括紅光光源、紅外光光源和光信號接收器，所述的光信號接收器在紅光光源和紅外光光源二者連線的中點位置，且三者在一條直線上，以方便對漫反射光信號的獲得和特征時間的確定；光信號接收器依次與信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊和單片機連接，單片機外接一塊數(shù)據(jù)存儲器；B)電源，信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機及數(shù)據(jù)存儲器設(shè)置在一個殼體內(nèi)，該外殼連接系帶系在人體手腕，外殼的表面為液晶顯示屏；C)光電檢測模塊設(shè)置在外殼背面，與橈動脈對應(yīng)的體表皮膚接觸；D)貼片式溫度傳感器設(shè)置在外殼背面的中部，與腕部皮膚接觸，將上述光電檢測模塊和貼片式溫度傳感器測試的信號傳送至單片機；E)單片機的輸出端與液晶顯示屏連接，液晶顯示屏上設(shè)置有輸入的收縮壓血壓值，輸入的舒張壓血壓值，增減按鈕，輸出的收縮壓數(shù)值，輸出的血氧飽和度數(shù)值，輸出的心率數(shù)值，輸出的舒張壓數(shù)值，輸出的溫度數(shù)值，輸出的呼吸頻率數(shù)值和電源開關(guān)；上述A)、B)、C)、D)E)組成無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置，其特征在于外殼 側(cè)面還設(shè)置有蜂鳴器，蜂鳴器與單片機的輸出端連接，用于將超出正常范圍的生理參數(shù)聲 控報警，液晶顯示屏上每個顯示的數(shù)值旁邊均設(shè)置LED燈，用于顯示超出正常范圍的生理 參數(shù)。
3.一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的方法，其特征在于將無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置帶在手腕部位，光電檢測模塊貼緊橈動脈對 應(yīng)的體表皮膚部位，利用光信號接收器接收由紅光光源和紅外光光源發(fā)射的經(jīng)過漫反射后 的信號，經(jīng)信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊后，輸入單片機；F)單片機對兩路信號的特征點和特征時間提取，經(jīng)過公式(1)、(2)得到收縮壓的血壓 值和舒張壓的血壓值；<formula>formula see original document page 2</formula>其中Psys為收縮壓，Pdia為舒張壓，PTT為脈搏波傳播時間，a s、a i、0 s，a d、a 2和0d 為修正參數(shù)；分別采用三個Psys和Pdia便可以確定修正參數(shù)的值；G)單片機對其中的任一路信號，確定脈搏波的周期T，通過公式(3)得到心率 <formula>formula see original document page 2</formula>(3)H)單片機對兩路信號的峰值和谷值進行確定，通過公式(4)的計算，得到血氧飽和度<formula>formula see original document page 3</formula>其中Iλ1DC、Iλ1DC、分別為紅光光源所得到的一路信號的峰值和谷值Iλ2DC和Iλ2DC為紅光光源所得到的一路信號的峰值和谷值，φ、u和o為修正參數(shù)；I)利用單片機對其中一路光容積描記脈搏波信號進行運算，求出該信號的功率譜，呼 吸頻率在光容積描記脈搏波信號的功率譜中有明顯的特征峰值，通過確定該峰值，判斷出 該特征峰值對應(yīng)的頻率f，即此頻率為被檢測者的呼吸頻率fbrea，也可以利用公式(5)<formula>formula see original document page 3</formula>計算得到被檢測者在一分鐘內(nèi)的呼吸次數(shù)；J)體溫的測量由貼片式溫度傳感器測量的體表溫度信號經(jīng)過單片機處理后通過公式<formula>formula see original document page 3</formula>得到對應(yīng)的腋下溫度或者口腔溫度，其中為腋下溫度或口腔溫度，T2為溫度傳感器 測量的體表溫度，a和0為修正參數(shù)。
全文摘要
一種無袖帶便攜式監(jiān)測人體生理參數(shù)的裝置和方法，殼體內(nèi)光信號接收器依次與信號放大模塊，信號濾波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊和單片機連接，單片機外接一塊數(shù)據(jù)存儲器；外殼連接系帶系在人體手腕，外殼的表面為液晶顯示屏；光電檢測模塊設(shè)置在外殼背面，與橈動脈對應(yīng)的體表皮膚接觸；貼片式溫度傳感器設(shè)置在外殼背面的中部，與腕部皮膚接觸，光電檢測模塊，將獲得人體脈搏波光容積描記信號進行運算，通過對信號特征時間的提取和信號功率譜的計算得出人體血壓，血氧飽和度，心率和呼吸頻率的參數(shù)值；利用溫度傳感器獲得人體體表溫度信號，本發(fā)明可以在一個便攜式裝置上無創(chuàng)、舒適、實時、準(zhǔn)確地顯示出人體多項生理參數(shù)。
文檔編號A61B5/0205GK101828908SQ20101017028
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者王成, 郭旭東, 馬俊領(lǐng) 申請人:上海理工大學(xué)