一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測裝置，該心率變異性監(jiān)測裝置包括PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊和顯示模塊。采用PPG傳感器檢測人體脈搏波信號，同時(shí)根據(jù)加速度傳感器采集的人體運(yùn)動信號以及自適應(yīng)濾波降噪的方法去除脈搏波信號中因人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾信號，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行心率變異性HRV時(shí)域與頻域分析，可隨時(shí)隨地監(jiān)測用戶心血管疾病情況、精神、情緒、疲勞以及睡眠等并給出評估提示。
【專利說明】
一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于穿戴式設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們在物質(zhì)生活上獲得越來越多的滿足，對于生活質(zhì)量也有了更加高的要求，越發(fā)的關(guān)心自己的身心健康，在日常生活中使用穿戴式設(shè)備監(jiān)測自身的健康狀況已經(jīng)成為一種趨勢。然而當(dāng)前市場上的穿戴式設(shè)備特別是具有心血管疾病診斷功能的穿戴式設(shè)備還很少，或者在使用上仍有很多局限，人們迫切需求能更加便捷、準(zhǔn)確、隨時(shí)隨地的監(jiān)測自身健康狀況的穿戴式醫(yī)療保健設(shè)備。
[0003]臨床上發(fā)現(xiàn)心率變異性(HRV)的變化與許多疾病例如心血管疾病，又或者是情緒、疲勞狀態(tài)等有著密不可分的關(guān)系。采用時(shí)域以及頻域的方法進(jìn)行心率變異性的分析，可以實(shí)現(xiàn)心血管疾病的預(yù)警及疲勞狀態(tài)、睡眠質(zhì)量等的檢測。臨床上一般通過心電信號檢測獲得心率變異性分析結(jié)果，但需要人們前去醫(yī)院。
[0004]目前已有很多檢測心率變異性的相關(guān)裝置或系統(tǒng)的報(bào)道，，例如發(fā)明專利CN104161509B、CN100515327、CN100342820C、及 CN1263419C，上述這些專利均采取通過檢測心電信號獲得心率變異性分析結(jié)果，但是用于心電信號檢測的穿戴式設(shè)備在用戶使用上仍存在很大局限，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測分析用戶的心率變異性。利用光電容積脈搏波描記法(PhotoP I e thysmoGraphy，PPG)來進(jìn)行脈搏波的采集可在一定程度解決上述問題，如發(fā)明專利CN105105732A提出采用基于PPG傳感器實(shí)現(xiàn)脈搏心率檢測及情緒和疲勞程度監(jiān)測的系統(tǒng)及方法，該P(yáng)PG傳感器采用單個(gè)綠光LED作為光源，沒有解決PPG傳感器在使用過程中易受人體運(yùn)動干擾的問題。同時(shí)，石波等人[1]利用PPG傳感器(由一個(gè)綠光LED和一個(gè)光電二極管組成)、Arduino uno開發(fā)板以及PC計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了一套脈率變異性分析系統(tǒng)，石萍[2]利用指夾PPG傳感器MTL1020FC耳夾PPG傳感器MTL1020EC以及Powerlab/16sp儀器系統(tǒng)來獲取脈搏波信號，兩個(gè)PPG傳感器均采用950nm的近紅外LED作為光源，陳義峰[3]利用Nellcor OximeterPPG傳感器(由一個(gè)紅光LED、一個(gè)近紅外光LED以及一個(gè)光敏晶體管組成)獲取人體脈搏波信號，并由單片機(jī)采集發(fā)送至PC上位機(jī)進(jìn)行心率變異性分析，石磊等人[4]則利用一個(gè)紅光LED、一個(gè)近紅外光LED以及光接收單元設(shè)計(jì)了一個(gè)PPG傳感器，并通過STM8L101F3P6單片機(jī)采集PPG傳感器信號再發(fā)送到PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行心率變異性分析。上述研究中提出的這些裝置體積較大、不方便佩戴，無法用于隨時(shí)隨地監(jiān)測人體心率變異性，且均未采取降低人體運(yùn)動干擾的設(shè)計(jì)。此外，馬俊領(lǐng)等人[5]利用紅光LED與光敏三極管構(gòu)成的PPG傳感器測量人體心率和呼吸頻率，金凡等人[6]運(yùn)用相同設(shè)計(jì)的PPG傳感器結(jié)合MSP430單片機(jī)和安卓手機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)，這些方法可以降低裝置的體積，但由于PPG傳感器均采用了紅光LED、或者紅光LED與近紅外光LED的組合，測量過程中易受干擾，且同樣未做降低人體運(yùn)動干擾的硬件設(shè)計(jì)。最后，需要指出的是已有相關(guān)報(bào)道，在PPG傳感器電路設(shè)計(jì)上大多比較簡單，還有許多改進(jìn)空間。
[0005]綜上所述，迫切需求開發(fā)能夠連續(xù)長時(shí)間實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測人體心率變異性的穿戴式設(shè)備，同時(shí)能夠克服人體運(yùn)動干擾，從而獲得可靠的HRV監(jiān)測結(jié)果。
[0006]參考文獻(xiàn):
[0007][I]石波，陳法圣，陳建方，等.脈率變異性分析在穿戴式智能設(shè)備中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械雜志，2015(2):95-97。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，能夠檢測到脈搏信號并消除其中的人體運(yùn)動干擾，并將其用于HRV實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的空白。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0015]一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備包括PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊和顯不模塊，其中:
[0016]所述PPG傳感器電路，用于采集人體脈搏波信號；
[0017]所述多軸加速度傳感器，用于采集人體運(yùn)動信號；
[0018]所示信號處理模塊，用于接收所述PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器采集的人體脈搏波信號和人體運(yùn)動信號，采用自適應(yīng)濾波降噪方法從人體脈搏波信號中去除人體運(yùn)動信號干擾，并提取降噪后脈搏波信號的P波峰值，求出相鄰P波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔PPT，再用時(shí)域與頻域分析方法處理PPT序列，得到心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果；
[0019]所述顯示模塊，用于顯示信號處理模塊輸出的心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果。
[0020]進(jìn)一步地，本發(fā)明PPG傳感器電路具有如下三種實(shí)現(xiàn)方式:
[0021]1、所述PPG傳感器電路包括PPG傳感器、電流_電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號濾波電路、電壓信號放大電路和電壓基準(zhǔn)電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號濾波電路用于去除脈搏波信號中的基線噪聲、工頻干擾及高頻噪聲，所述電壓信號放大電路由運(yùn)算放大器和電阻組成，用于放大脈搏波電壓信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求，所述電壓信號濾波電路采用運(yùn)算放大器、電阻、電容組成或單純由電阻、電容構(gòu)成。
[0022 ] 2、所述PPG傳感器電路包括脈沖寬度調(diào)制HVM電路、PPG傳感器、解調(diào)電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和電壓信號放大濾波電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述PffM電路用于輸出脈沖信號來調(diào)制脈搏波信號，所述解調(diào)電路用于對調(diào)制后的脈搏波信號進(jìn)行解調(diào)，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將解調(diào)后的脈搏波電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號。
[0023 ] 3、所述PPG傳感器電路包括LED光源控制電路、PPG傳感器、電流_電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號放大濾波電路以及電壓基準(zhǔn)電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述LED光源控制電路用于對PPG傳感器進(jìn)行控制，以便降低PPG傳感器的功耗或提高PPG傳感器靈敏度，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號的大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求。
[0024]進(jìn)一步地，上述三種實(shí)施方式中，所述PPG傳感器由LED光源和光電二極管組成，其中LED光源為多個(gè)綠光LED或綠光LED與紅外LED的組合。
[0025]進(jìn)一步地，上述三種實(shí)施方式中，所述信號處理模塊、以及PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器，可采用分立元件的形式或者集成在同一個(gè)SoC芯片中。
[0026]本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)方式，所述信號處理模塊為帶A/D轉(zhuǎn)換的M⑶或ARM芯片，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備還包括無線通信模塊，所述無線通信模塊用于將信號處理模塊輸出的心率變異性監(jiān)測結(jié)果通過無線方式進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送的無線信號可以被安裝有應(yīng)用程序APP的智能終端、或醫(yī)療保健中心接收，智能終端或醫(yī)療保健中心可以根據(jù)心率變異性監(jiān)測結(jié)果對用戶的健康狀況等做出評估或其他處理。
[0027]上述PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊、顯示模塊和無線通信模塊可以封裝在人體可穿戴物品中，作為一個(gè)單獨(dú)的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備對用戶進(jìn)行心率變異性監(jiān)測。
[0028]在上述實(shí)現(xiàn)方式中，整個(gè)心率變異性監(jiān)測設(shè)備作為一個(gè)完整的產(chǎn)品對用戶進(jìn)行心率變異性監(jiān)測。
[0029]優(yōu)選地，本發(fā)明的另一種實(shí)現(xiàn)方式，所述信號處理模塊為安裝有應(yīng)用程序APP的智能終端，所述顯示模塊為智能終端的顯示屏，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備還包括微處理器與無線通信模塊，所述微處理器為帶A/D轉(zhuǎn)換的MCU或ARM芯片，用于對所述PPG傳感器電路采集的人體脈搏波信號和所述多軸加速度傳感器采集的人體運(yùn)動信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過無線通信模塊發(fā)送給所述智能終端。
[0030]在本發(fā)明優(yōu)選方式下，所述PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、微處理器和無線通信模塊封裝在人體可穿戴物品中。所述微處理器、以及PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器集成在同一個(gè)SoC芯片中。智能終端接收PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器分別采集的人體脈搏波信號和人體運(yùn)動信號，從人體脈搏波信號中去除人體運(yùn)動信號干擾，計(jì)算分析得到心率變異性監(jiān)測結(jié)果。本發(fā)明的優(yōu)選方式利用了用戶的智能終端，降低了設(shè)備的綜合成本。
[0031]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述信號處理模塊對所述PPT序列進(jìn)行分析得到的心率變異性指標(biāo)包括:
[0032](I)、時(shí)域分析指標(biāo):相鄰P波峰值間隔PPT、相鄰P波峰值間隔標(biāo)準(zhǔn)差SDNN、相鄰P波峰值間隔均方差rMSSD、相鄰P波峰值間隔之差大于50ms的個(gè)數(shù)NN50以及NN50占相鄰P波峰值間隔總數(shù)的百分?jǐn)?shù)PNN50;
[0033](2)、頻域分析指標(biāo):頻率在0.03-0.04Hz的極低頻功率VLF、頻率在0.04-0.15Hz的低頻功率LF、頻率在0.15-0.40Hz的高頻功率HF以及低頻功率與高頻功率的比值LF/HF。
[0034]本發(fā)明提出的一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，采用了PPG傳感器檢測人體脈搏波信號，并根據(jù)加速度傳感器采集的人體運(yùn)動信號，去除脈搏波信號中因人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾信號，最后進(jìn)行HRV分析，可隨時(shí)隨地監(jiān)測用戶心血管疾病情況、精神、情緒、疲勞以及睡眠等并進(jìn)行預(yù)警提示。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0036]圖2a、2b、2c為本發(fā)明穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備中PPG傳感器電路的三種實(shí)施例；
[0037]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中多軸加速度傳感器電路結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備中自適應(yīng)濾波降噪方法的一種實(shí)施例；
[0039]圖5為本發(fā)明穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備采用SoC芯片時(shí)的一種結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0040]圖6為本發(fā)明穿戴式心率變異性檢測設(shè)備信號處理模塊采用智能終端時(shí)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明，以下實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
[0042]有關(guān)研究表明脈搏信號波形中的相鄰P波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔(PPT)與心電圖波形中的相鄰R波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔(RRT)具有相當(dāng)一致性，因此可將脈搏波信號用于HRV分析。本發(fā)明的總體思想就是通過穿戴式設(shè)備采集人體脈搏波信號，并根據(jù)多軸加速度傳感器信號采用自適應(yīng)濾波方法去除脈搏波信號中因人體運(yùn)動造成的干擾信號，再進(jìn)行心率變異性分析。
[0043]實(shí)施例一:
[0044]如圖1所示，本實(shí)施例一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，包括PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊和顯不模塊。本實(shí)施例PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊和顯示模塊封裝在人體可穿戴物品中，例如手環(huán)、指環(huán)及耳夾等中。
[0045]本實(shí)施例采用光電容積脈搏波描記法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)來進(jìn)行脈搏波的采集，PPG傳感器電路用于連續(xù)長時(shí)間檢測手腕部或者手指端部等部位的人體脈搏波信號。
[0046]具體地，PPG傳感器電路三種實(shí)施例如下:
[0047]實(shí)施例1、PPG傳感器電路如圖2a所示，具體包括PPG傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號濾波電路、電壓信號放大電路、電壓基準(zhǔn)電路。其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號濾波電路用于去除脈搏波信號中的基線噪聲、工頻干擾及高頻噪聲，所述電壓信號放大電路由運(yùn)算放大器和電阻組成，用于放大脈搏波電壓信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求。其中，電壓信號濾波電路采用運(yùn)算放大器、電阻、電容組成或單純由電阻、電容構(gòu)成。
[0048]實(shí)施例2、PPG傳感器電路設(shè)計(jì)方案如圖2b所示，具體包括脈沖寬度調(diào)制PffM電路、PPG傳感器、解調(diào)電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和電壓信號放大濾波電路。其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述PWM電路用于輸出脈沖信號來調(diào)制脈搏波信號，所述解調(diào)電路用于對調(diào)制后的脈搏波信號進(jìn)行解調(diào)，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將解調(diào)后的脈搏波電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號，采用運(yùn)算放大器、電阻、電容組成，這里的干擾信號是指區(qū)別于人體脈搏波信號頻率的其他干擾信號，僅使得人體脈搏波信號頻率范圍內(nèi)的信號通過。
[0049 ] 實(shí)施例3、PPG傳感器電路設(shè)計(jì)方案如圖2c所示，具體包括LED光源控制電路、PPG傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號放大濾波電路以及電壓基準(zhǔn)電路。其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號;所述LED光源控制電路用于對PPG傳感器中LED光源進(jìn)行控制，具體通過調(diào)節(jié)PPG傳感器中的LED光源的發(fā)光強(qiáng)度或者發(fā)光頻率來降低PPG傳感器的功耗，或通過增強(qiáng)PPG傳感器中LED光源的亮度來提高PPG傳感器靈敏度，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號的大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求。
[0050] PPG傳感器由LED光源和光電二極管組成，其中LED光源為多個(gè)綠光LED或綠光LED與紅外LED的組合。LED光源和光電二極管可以集成在同一個(gè)芯片中或由分立元件組成。[0051 ]此外，考慮到PPG傳感器電路在檢測人體脈搏波信號時(shí)，易受人體運(yùn)動的影響，例如手臂的晃動等。因此在本發(fā)明實(shí)施例中還設(shè)計(jì)有多軸加速度傳感器，用來檢測人體運(yùn)動信號，以便對脈搏波信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波降噪。在一些實(shí)施例中，還可增加對多軸加速度傳感器信號進(jìn)行濾波或放大或?yàn)V波放大的調(diào)理電路。
[0052]例如在一種實(shí)施例中，增加了對加速度傳感器信號進(jìn)行調(diào)理的帶通濾波電路，如圖3所示，帶通頻率范圍為0.1-5.0Hz。
[0053]本實(shí)施例信號處理模塊，用于接收PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器分別采集的人體脈搏波信號和人體運(yùn)動信號，采用自適應(yīng)濾波降噪方法從人體脈搏波信號中去除人體運(yùn)動信號干擾，并提取降噪后脈搏波信號的P波峰值，求出相鄰P波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔PPT，再用時(shí)域與頻域分析方法處理PPT序列，得到心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果。
[0054]具體地，根據(jù)多軸加速度傳感器輸出的信號，從PPG傳感器電路輸出的脈搏波信號中去除人體運(yùn)動信號干擾，可采用基于最小均方值算法(LMS)、或遞推最小二乘法(RLS)、或快速橫向?yàn)V波(FTF)或變換域算法等的自適應(yīng)濾波降噪方法。
[0055]如圖4所示，本發(fā)明中一種實(shí)施例采用LMS自適應(yīng)濾波降噪方法，其工作原理如下:
[0056]其中輸入的PPG傳感器信號y(n)包括無干擾的脈搏波信號s(n)與人體運(yùn)動干擾信號n(n)兩部分，SP:
[0057]y(n) =s(n)+n(n) (I)
[0058]其中干擾信號n(n)通過加速度信號a(n)估計(jì)，a(n)通過FIR濾波器后產(chǎn)生輸出信號?(η):
[0059]?(η) =wO(n)a(n)+wla(n-l )+---+wL-la(n-L+l) (2)
[0060]其中w(n)為濾波器權(quán)系數(shù)，L為濾波器階數(shù)；
[0061 ]其中，濾波器權(quán)重系數(shù)w(n)可通過迭代方法進(jìn)行調(diào)整，迭代公式如下:
[0062]ff(n+l)=ff(n)+ye(n)a(n) (3)
[0063]其中μ為權(quán)重系數(shù)更新步長，e(n)為誤差信號。e(n)可根據(jù)脈搏波信號的期望信號d(n)(在本實(shí)施例中d(n)即為輸入的PPG傳感器信號y(n))與?(η)求出:
[0064]e(n) =?(η)-?(η) (4)
[0065]上述迭代算法收斂條件為e(n)的均方值達(dá)到最小。
[0066]因此根據(jù)公式(2)、(3)、(4)，當(dāng)e(n)的均方值達(dá)到最小時(shí)可求出?(η)，再根據(jù)公式
(1)求得8(11)的估計(jì)￥(11)為:
[0067]Υ(η) =γ(η)-?(η) (5)。
[0068]進(jìn)一步的，從采集到的脈搏波信號中去除因人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾信號后，提取降噪后脈搏波信號的P波峰值，然后求出相鄰P波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔(PPT)，對上述計(jì)算得到的PPT序列進(jìn)行時(shí)域與頻域分析，得到心率變異性指標(biāo):
[0069](I)、時(shí)域分析指標(biāo):相鄰P波峰值間隔PPT、相鄰P波峰值間隔標(biāo)準(zhǔn)差SDNN、相鄰P波峰值間隔均方差rMSSD、相鄰P波峰值間隔之差大于50ms的個(gè)數(shù)ΝΝ50以及ΝΝ50占相鄰P波峰值間隔總數(shù)的百分?jǐn)?shù)PNN50;
[0070](2)、頻域分析指標(biāo):頻率在0.03-0.04Hz的極低頻功率VLF、頻率在0.04-0.15Hz的低頻功率LF、頻率在0.15-0.40Hz的高頻功率HF以及低頻功率與高頻功率的比值LF/HF。
[0071]HRV分析結(jié)果可以用于心血管疾病預(yù)警、精神、疲勞及睡眠等的監(jiān)測以及生物識別等。
[0072]例如，將本實(shí)施例一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備戴在手腕部位，對人體心率變異性進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測:
[0073]在一些實(shí)施例中，采用短時(shí)程(每隔5分鐘)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要為計(jì)算HRV的頻域分析指標(biāo)，結(jié)果可用于心血管疾病的預(yù)警、情緒及疲勞狀態(tài)的分析等。
[0074]在一些實(shí)施例中，采用長時(shí)間程(每隔24小時(shí))對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于計(jì)算HRV時(shí)域分析指標(biāo)中的SDNN，作為急性心肌梗塞死亡危險(xiǎn)的預(yù)警指標(biāo):高?；颊撸琒DNN小于50ms ；中度危險(xiǎn)，SDNN小于10ms。
[0075]在在一些實(shí)施例中，本發(fā)明穿戴式設(shè)備可對用戶疲勞或睡眠進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)連續(xù)進(jìn)行心率變異性監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)指標(biāo)LF/HF數(shù)值持續(xù)下降，且下降到設(shè)定LF/HF數(shù)值的閾值時(shí)，提示用戶疲勞或進(jìn)入睡意；同時(shí)也可根據(jù)HF及LF/HF數(shù)值變化情況分析用戶睡眠質(zhì)量。
[0076]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備還可用于分析用戶的精神壓力情況，例如當(dāng)用戶HF低于正常范圍或者LF與LF/HF的數(shù)值均高于正常范圍時(shí)，則提示用戶當(dāng)前處于精神緊張、壓力過大的狀態(tài)。
[0077]本實(shí)施例顯示模塊，用于顯示信號處理模塊得到的心率變異性監(jiān)測結(jié)果。
[0078]本實(shí)施例中信號處理模塊采用帶A/D的M⑶或ARM芯片，顯示模塊可以采用OLED/VFD/LCD/TFT等顯示屏。
[0079]進(jìn)一步的，上述PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器以及上述信號處理模塊可采用分立元件的形式或者集成在同一個(gè)SoC芯片中。例如本發(fā)明實(shí)施例一電路組成采用SoC芯片時(shí)，一種結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，其中灰色部分為SoC芯片內(nèi)部資源。其中PPG傳感器電路采用實(shí)施例1的實(shí)現(xiàn)方式，SoC采用Cypress公司生產(chǎn)的PSoC5芯片，內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、微處理器、多路復(fù)用器MUX等。其中運(yùn)算放大器用于構(gòu)成電壓信號放大電路，所述放大電路輸入端分別為經(jīng)過電壓信號濾波電路降噪過的脈搏波電壓信號以及通過電壓基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓;所述A/D轉(zhuǎn)換器用于將通過MUX輸入的模擬脈搏波信號與加速度傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，輸入到微處理器中進(jìn)行處理，本實(shí)施例微處理器主要實(shí)現(xiàn)信號處理模塊的功能。D/A轉(zhuǎn)換器用來輸出基準(zhǔn)電壓。
[0080]進(jìn)一步地，本實(shí)施例還設(shè)置有無線通信模塊，用于將信號處理模塊輸出的心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果通過無線方式進(jìn)行發(fā)送。該無線通信模塊可以是藍(lán)牙、WIF1、NFC、GPRS或者其他的通信方式。發(fā)送的無線信號可以被安裝有應(yīng)用程序APP的智能終端、或醫(yī)療保健中心接收，智能終端或醫(yī)療保健中心可以根據(jù)心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果對用戶的健康狀況做出評估或其他處理。
[0081]本實(shí)施例信號處理模塊、無線通信模塊可以是分別獨(dú)立的模塊，也可以集成在同一芯片中，例如采用帶有無線功能的MCU或ARM或SOC芯片替代本實(shí)施例中的信號處理模塊和無線通信模塊。
[0082]實(shí)施例二:
[0083]如圖6所示，本實(shí)施例一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，包括PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、微處理器、無線通信模塊和智能終端。
[0084]與實(shí)施例一不同的是，本實(shí)施例中采用智能終端來代替實(shí)施例一中的信號處理模塊和顯示模塊。智能終端為智能手機(jī)或平板電腦，由安裝在智能終端上的應(yīng)用程序APP對采集的信號進(jìn)行計(jì)算分析以及顯示心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果。
[0085]因此本實(shí)施例還包括微處理器與無線通信模塊，用于將PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器采集的人體脈搏波信號和人體運(yùn)動信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并通過無線方式發(fā)送到用戶的智能終端上，以便通過智能終端進(jìn)行分析、顯示以及數(shù)據(jù)儲存。此時(shí)智能終端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析得到心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果，具體的處理方法與實(shí)施例一的信號處理模塊相同，這里不再贅述。
[0086]無線通信模塊可以是藍(lán)牙、WIF1、NFC、GPRS或者其他的通信方式。微處理器為帶A/D轉(zhuǎn)換的MCU或ARM芯片，對PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過無線通信模塊發(fā)送給智能終端。
[0087]本實(shí)施例微處理器、無線通信模塊可以是分別獨(dú)立的模塊，也可以集成在同一芯片中。例如采用帶有無線功能的MCU或ARM或SoC芯片替代本實(shí)施例中的微處理器和無線通信模塊。與實(shí)施例一類似，PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器以及上述微處理器可采用分立元件的形式或者集成在同一個(gè)SoC芯片中。本實(shí)施例PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、微處理器和無線通信模塊封裝在可穿戴物品中，例如手環(huán)和指環(huán)中。
[0088]進(jìn)一步的，應(yīng)用程序(APP)具有設(shè)備匹配單元、數(shù)據(jù)顯示單元、監(jiān)測結(jié)果反饋單元、GPS定位單元以及用戶數(shù)據(jù)存儲單元。所述設(shè)備匹配單元用于與穿戴式設(shè)備進(jìn)行無線通信匹配，接收來自穿戴式設(shè)備的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)顯示單元用于顯示HRV時(shí)域與頻域分析指標(biāo);監(jiān)測結(jié)果反饋單元用于根據(jù)上述各項(xiàng)HRV分析指標(biāo)對用戶進(jìn)行心血管疾病預(yù)警或精神、情緒及疲勞狀態(tài)、睡眠質(zhì)量等的提示;GPS定位單元用于用戶所處地理位置定位，以便用戶需救援時(shí)快速掌握其所在位置;用戶數(shù)據(jù)存儲單元用于保存用戶的歷史監(jiān)測結(jié)果。
[0089]容易理解的是，本實(shí)施例中PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器設(shè)置在手環(huán)或指環(huán)等人體穿戴式物品上，采集人體脈搏波信號和人體運(yùn)動干擾信號。無線通信模塊將上述信號發(fā)送到智能終端上進(jìn)行分析處理顯示，所以本實(shí)施例中信號處理模塊和顯示模塊直接利用了智能終端的處理器和顯示屏，大大降低人體佩戴部分成本，利用智能終端等現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行HRV分析，并直接在智能終端屏幕上顯示分析結(jié)果。
[0090]容易理解的是，本實(shí)施例一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，還包括電源模塊，用于為上述其他電路和模塊供電，這里不再贅述。
[0091]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種主動降噪的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備包括PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊和顯不模塊，其中: 所述PPG傳感器電路，用于采集人體脈搏波信號； 所述多軸加速度傳感器，用于采集人體運(yùn)動信號； 所述信號處理模塊，用于接收所述PPG傳感器電路和多軸加速度傳感器分別采集的人體脈搏波信號和人體運(yùn)動信號，采用自適應(yīng)濾波降噪方法從人體脈搏波信號中去除人體運(yùn)動信號干擾，并提取降噪后脈搏波信號的P波峰值，求出相鄰P波峰值對應(yīng)的時(shí)間間隔PPT，再用時(shí)域與頻域分析方法處理PPT序列，得到心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果； 所述顯示模塊，用于顯示信號處理模塊輸出的心率變異性指標(biāo)及監(jiān)測結(jié)果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述PPG傳感器電路包括PPG傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號濾波電路、電壓信號放大電路和電壓基準(zhǔn)電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號濾波電路用于去除脈搏波信號中的基線噪聲、工頻干擾及高頻噪聲，所述電壓信號放大電路由運(yùn)算放大器和電阻組成，用于放大脈搏波電壓信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求，所述電壓信號濾波電路采用運(yùn)算放大器、電阻、電容組成或單純由電阻、電容構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述PPG傳感器電路包括脈沖寬度調(diào)制HVM電路、PPG傳感器、解調(diào)電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和電壓信號放大濾波電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述PWM電路用于輸出脈沖信號來調(diào)制脈搏波信號，所述解調(diào)電路用于對調(diào)制后的脈搏波信號進(jìn)行解調(diào)，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將解調(diào)后的脈搏波電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述PPG傳感器電路包括LED光源控制電路、PPG傳感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓信號放大濾波電路以及電壓基準(zhǔn)電路，其中所述PPG傳感器用于檢測人體脈搏波信號，所述LED光源控制電路用于對PPG傳感器進(jìn)行控制，以便降低PPG傳感器的功耗或提高PPG傳感器靈敏度，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于將PPG傳感器輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號放大濾波電路由運(yùn)算放大器和電阻、電容組成，用于放大脈搏波電壓信號并濾除干擾信號，所述電壓基準(zhǔn)電路用于調(diào)節(jié)脈搏波電壓信號大小以匹配信號處理模塊對輸入電壓信號的要求。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的PPG傳感器由LED光源和光電二極管組成，其中LED光源為多個(gè)綠光LED或綠光LED與紅外LED的組合。6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述信號處理模塊、以及PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器，集成在同一個(gè)SOC芯片中。7.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述信號處理模塊為帶A/D轉(zhuǎn)換的MCU或ARM芯片，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備還包括無線通信模塊，用于將信號處理模塊輸出的心率變異性監(jiān)測結(jié)果通過無線方式進(jìn)行發(fā)送，所述PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、信號處理模塊、顯示模塊和無線通信模塊均封裝在人體可穿戴物品中。8.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的穿戴式心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述信號處理模塊為安裝有應(yīng)用程序APP的智能終端，所述顯示模塊為智能終端的顯示屏，所述心率變異性監(jiān)測設(shè)備還包括微處理器與無線通信模塊，所述微處理器為帶A/D轉(zhuǎn)換的M⑶或ARM芯片，用于對所述PPG傳感器電路采集的人體脈搏波信號和多軸加速度傳感器采集的人體運(yùn)動信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過無線通信模塊發(fā)送給所述智能終端。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述PPG傳感器電路、多軸加速度傳感器、微處理器和無線通信模塊封裝在人體可穿戴物品中，所述微處理器、以及PPG傳感器電路中所用到的運(yùn)算放大器集成在同一個(gè)SoC芯片中。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心率變異性監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述信號處理模塊對所述PPT序列進(jìn)行分析得到的心率變異性指標(biāo)包括: (1)、時(shí)域分析指標(biāo):相鄰P波峰值間隔PPT、相鄰P波峰值間隔標(biāo)準(zhǔn)差SDNN、相鄰P波峰值間隔均方差rMSSD、相鄰P波峰值間隔之差大于50ms的個(gè)數(shù)NN50以及NN50占相鄰P波峰值間隔總數(shù)的百分?jǐn)?shù)PNN50; (2)、頻域分析指標(biāo):頻率在0.03-0.04Hz的極低頻功率VLF、頻率在0.04-0.15Hz的低頻功率LF、頻率在0.15-0.40Hz的高頻功率HF以及低頻功率與高頻功率的比值LF/HF。
【文檔編號】A61B5/024GK105943015SQ201610394242
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月4日
【發(fā)明人】郭希山, 張京, 楊柯凡
【申請人】浙江大學(xué)