一种心率和血压测定装置和方法与流程

本发明涉及传感技术及生理参数分析测定技术，具体涉及基于压力传感器和脉搏搏动传感的信息以提取生物体心率、动脉血压等参数的测试技术，特别是通过在线获取压力传感器和脉搏传感器获取的信息以连续获取心率、血压等生理参数，以确定被测试生物体在任何时候和任何地点的生理参数，实时地了解生物体的健康状况。压力传感器感知生物体动脉博动对流体所产生的压力变化，脉搏传感器感知动脉搏动所产生的脉搏波，通过分析这两种传感器所得到的数据，可以确定生物体的心率和血压状况。本发明可广泛用于快速、精确、在线、即时地确定被分析生物体的心率和血压等生理信息，这些数据既能为使用者及时了解生物体的健康状况，又能为医生等职业人士了解生物体平时的生理状况提供帮助，以作出更有效更具针对性的健康诊断。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们对健康越来越关注。传统的以医院体检、医生诊断方式的医疗健康服务虽然仍然有着不可撼动的地位，但是人们已经不再满足于这些传统方式的服务，其中能提供基于移动通讯设备的实时生理参数测定系统最为引入注目。实时生理参数测定系统结合多种传感技术，能随时为人们提供生理生化参数，方便使用者及时了解生理状况，以便采取相应医疗保健措施；同时这些数据也能为医生诊疗时提供参考，以便了解患者平时的生理状况。实时在线的可穿戴健康医疗设备实时采集人体的生理数据，是移动健康医疗服务行业的入口，为基于大数据分析的健康医疗服务提供了可证实科学源泉，必将成为健康医疗服务业的基础，是未来的趋势。瑞士信贷网(ABI)报告显示可穿戴技术市场规模在未来两到三年将由目前的 30-50亿美元增长到300-500亿美元。ABI的数据预计到2018年可穿戴设备全球将达到4.85亿台。中国前瞻网数据显示，2012年中国可穿戴便携移动医疗设备市场销售规模达到4.2亿元，预计到2015年这一市场规模将超过10亿元，2017年中国可穿戴便携移动医疗设备市场规模接近50亿元。心率测定是可穿戴设备获取的最基本生理参数，得到此项参数主要有两种技术：光电式和心电式。光电式通过表层皮肤动脉血对特定波长光吸收的变化来计算心率；心电式通过手指或皮肤测定心电曲线，从而得到心率。这两种方法都是非常经典的测定心率技术，需要设备与人体的紧密接触，并需要排除外部光、电等因素干扰，才能获取比较可靠的心率数据。但是使用可穿戴设备在线实时测定心率时，由于使用者经常处于运动状态，很难确保以上两种技术所需要的获取可靠性数据的条件。便携式血压的测定通常有听诊法和脉搏震荡波法两种技术。听诊法采用充气袖套不断加压的方式，改变动脉的血流，通过听诊器获得血流声音变化以及与充气袖套相连接流体压力计的压力来确定动脉收缩压和舒张压。该方法虽被称为测量血压的金标准，但由于采用的流体压力计体积庞大，使用不方便；大部分设备还含有有毒物质水银，因为其对环境的恶劣影响而被列入需要禁用的技术。脉搏波震荡波法在此基础上，采用压力传感器获取充气气囊内的压力，通过气囊内脉搏波产生震动曲线进行算法分析获取血压的收缩点和舒张点以替代人耳的声音判断，大大简化了设备，使用也更加便利。但是这两者本质上都需要对动脉血流进行人为加压阻断，会对人体产生不适，甚至有部分人群不能适用此方法；血压数据也不能连续在线获得。事实上，随着人们对健康的追求越来越高，人们对随时了解生理参数如心率血压等数据有着迫切的要求；特别是对高血压后者准高血压病人，连续在线获取血压参数对他们的诊断和健康管理都是非常必须的。连续获取血压的除了医院专业测试测试设备外，人们也在研究各种便利技术和手段以供使用者随时获取血压参 数：如通过测试脉搏波传输时间等确定平均血压，通过加压使得动脉中流过的血流保持恒定的恒定血容法，以及通过分析动脉博波形的方法等，这些方法或存在使用复杂，或血压数据可靠性差、或适用人群有限等缺陷。这些因素限制了产品和市场的表现。因此，可靠便利地通过可穿戴设备获取心率、血压数据的技术和产品有着巨大的市场基础和需求。

本发明在研究获取心率和血压等生理参数的各种技术和实现方式的基础上，结合传感器、电子电路和数据分析技术，发明了一种可用于实时在线心率和血压的测定装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于动脉搏动来获取生物体的心率、血压等生理参数的装置和方法，以便使用者或者其它用户能实时了解以心率、血压等基本生命体征参数，不仅能便及时有效地采取医疗保健等健康措施，改善生物体的健康状况，而且能在特殊紧急情况下及时发现危及生命的信号，起到预警作用。

为达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种心率和血压装置，包括流体盛置模块、脉搏传感模块、压力传感模块、电信号处理模块、控制模块、电信号传送模块。

流体盛置模块用于盛置具有一定压力的流体，并将压力均匀传递至生物体被测试部位；

压力传感模块用于实时测定流体盛置模块中流体的压力；

脉搏传感模块用于实时获取生物体动脉博动信息；

电信号处理模块用于传递控制模块、压力传感模块和脉搏传感模块的电信号并进行处理，使这些信号在控制模块和传感模块之间交换；

控制模块用于控制压力传感模块和脉搏传感模块获取的信息的方式和频率，并对获取的信息调用预设程序进行运算，提取血压和心率等生理参数；

电信号传送模块将控制模块得到的信息和后续其它模块进行信息交换传送；

所述的流体盛置包裹于被测生物体测试部位，脉搏传感模块置于生物体被测部位动脉位置皮肤上方，压力传感模块和流体盛置模块之间流体相通、被固定于流体盛置模块，压力传感面被流体覆盖，压力传感模块和脉搏传感模块与电信号处理模块和控制模块电连接，脉搏传感模块和压力传感模块在控制模块的控制下以一定频率按时间顺序同步采集流体盛置模块内流体的压力信息，经过电信号处理模块后传回给控制模块，控制模块分析处理所得到的时间序列动脉搏动信息和压力信息，得到心率和血压等生理信息，经过电信号传送模块传送给后续其它模块使用。

其中，流体盛置模块中盛置有固定压力的流体，该流体为气体或者是液体，并被密封于装置内。

其中，流体盛置模块中盛置有的流体，既可以是预先密封盛置于装置内，也可以在测试使用前通过液体泵冲入。

其中，流体盛置模块内的流体压力与大气压的差值小于生物体的正常动脉收缩压。

其中，流体盛置模块是采用具弹性的柔性材料制作，材料的弹性系数应接近或小于所测生物体动脉以上组织的弹性系数，以保证脉搏搏动能及时被流体所感应。

其中，流体盛置模块具有气密性，以确保测试过程中流体不发生泄漏。

其中，流体盛置模块可以被制作成条形、带型、套型、夹形但不限于上述形状，以适应生物体不同部位的形状，提高舒适度和美观度：如测试腕部的血压，流体盛置装置可以制作成腕带形，测试手指时可以做成环形或者是指套型、指夹形。

其中，流体盛置模块在测试时，施加于测试部位的压力小于生物体的正常动脉舒张压，以保证人体的舒适度，并避免对人体静脉循环的影响。

其中，压力传感模块用于实时测定流体盛置模块中流体的压力，该压力信号随着脉搏搏动发生周期性的强度上微小震动，这些信息包含心率信号和脉动周期。

其中，压力传感装置以确定频率获取数据，该频率应高于心率 10倍以上，以保证数据的可靠性和精度。

其中，脉搏传感模块用于实时获取生物体动脉博动信息，脉搏传感模块采用脉压脉搏波传感器或者是血容脉搏波传感器，获取脉搏波随时间的变化信息。

其中，脉搏传感模块的脉压脉搏波传感器以压力传感方式获取动脉血管侧壁压力随时间的变化信息；血容脉搏波传感器以光电的方式获取动脉血管内动脉血量随时间的变化信息。

其中，脉搏传感装置以确定频率获取数据，该频率应高于心率10倍以上，以保证数据的可靠性和精度。

其中，压力传感模块和脉搏传感模块以相同的信号采样频率、同步地采集流体盛置装置内流体压力和脉搏搏动信号。

其中，电信号处理模块用于传递控制模块、压力传感模块和脉搏传感模块的电信号并进行处理，使这些信号在不同模块间能相互识别和使用；这些处理包括但不限于放大、AD转换、DA转换等。

其中，控制模块采用微处理器MCU或者数字信号处理器DSP等器件，用于控制压力传感模块和脉搏传感模块获取的信息的方式和频率，并对获取的信息调用预设程序进行运算，提取血压和心率等生理参数。

其中，电信号传送模块将控制模块得到的信息传送给后续其它模块以及接受来自后续模块的信息；该传送方式采用有线或者无线的通讯方式实现数据的传递，如有线的如I2C，串行口等，无线的WIFI，蓝牙，或者是无线蜂窝通讯等。

所述的流体盛置模块、脉搏传感模块、压力传感模块、电信号处理模块、控制模块和电信号传送模块共同构成心率和血压测试装置。所述的心率和血压测试装置。在电源的驱动下，构成能独立工作的生理参数测试系统。

本发明获取心率、血压信息方法，其步骤如下：

首先，压力传感模块获取包裹于生物体测试部位流体盛置模块内流体压力信号，该压力信号反映了心率周期和脉搏在一定压力下动脉脉搏搏动变化趋势，其波形包含有心率和压力信息；脉搏传感模块与压力传感器同步获取获取生物体动脉搏动信号，该信号反映了动脉在心脏搏动的压缩期间和舒张期间动脉波的变化情况，其波形包含有收缩压和舒张压的信息；

然后通过数学处理方法，对所获得的信号分别进行基线校正、滤波、平滑等处理，消除所得到的压力信号和脉搏波信号中噪音和干扰因素引入的假信息等，得到能反应压力波、脉搏波的真实波形；

最后通过对压力信号和脉搏波信号波形参数的分析，如微分分析、傅里叶转换、小波分析、曲线拟合等方式，获取波形中曲线变化斜率、积分面积、频率周期等信息，以及这些参数之间的相关性分析，最终定量得到生物体的心率参数和动脉血压。

总之，采用以上装置和方法，对同步获取的流体压力信号和脉搏搏动信号分析处理，得到如图1所示的典型流体盛置模块内流体压力信号和如图2所示的典型脉搏搏动信号，通过波形分析和相关性分析后，能准确在线地获取生物体的动脉血压和心率参数。

由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：

1)本发明采用固定压力流体盛置装置，简化了操作和测定时间。

2)本发明中施加于测试部位的压力比较低，提高了使用者的舒适感，扩大了使用人群简化了操作和测定时间。

3)本发明采用同步获取流体压力和动脉搏动信息的装置和方法，能准确测定血压和心率等生理参数。

3)本发明由于采用固定压力方式，减少了充气过程能快速获取血压参数时间，适用于在线连续获取血压心率等生理参数。

4)本发明采用微型化的传感装置获取数据，整个装置体积小、自重轻，可用于可穿戴设别。

5)本发明采用低功耗的传感技术，能降低装置功耗，延长在线工作时间。

6)本发明的装置结构简单，配置灵活，适应范围广，既可以单独使用用于心率血压等生理参数的实时监测，也可以和其它装置集成，以实时获取更多生理参数。

附图说明

图1：流体盛置模块内流体典型压力信号；

图2：脉搏搏动装置获取典型脉搏搏动信号；

图3：本发明的结构方框图；

图4：流体盛置模块结构示意图；左边为纵向剖面图，右边为箭头所指处横向剖面图，外周黑色为制作的柔性材料，内部斜影部分为填充的流体。

图5：本发明的实施例一的示意图；

图6：本发明的实施例二的示意图。

具体实施方式

本发明就使用在人体上监测心率和血压的装置和方法来说明本说明本发明的实施方式。

人体动脉内血液会随着心脏的搏动而产生波动。在体表处，这种波动也能被感知到，只是在不同的部位所能感知到的强弱有不同而已。比如中医所熟悉的脉诊就是通过感知桡动脉在腕部的寸关尺等不同位置产生脉动振幅不同而实现的。事实上，动脉血管以及与之相连接毛细血管都存在与因心脏收缩和舒张而产生的动脉波，这种动脉波以接近10m/s的速度在全身传播，从大的颈动脉到指端、耳端的动脉毛细血管都以相同的节律在波动，这就是动脉波，也就是人们在体表处感知到的脉搏搏动。动脉波在血管中的流动主要产生两种效应：一是动脉血液在心脏的泵压下，对动脉血管侧壁产生压力，这即通常称谓的血压；第二种效应是因为左心室在射血初期泵出的血量大，减小至舒张期的关闭不在射出血液，因此动脉内的血流容积也是随着心脏收缩舒张周期而变化的。这两种变化统称为脉搏波，前者称为脉压脉搏波，通过压阻型、压容、或者压电型传感式脉搏传感器获取；后者称为血容脉搏波，一般通过光电式动脉容积传感器得到。不管是脉压脉搏波还是血容脉搏波，蕴含有大量的人体生理信息，动脉搏动的节律脉率即心率，脉搏波的波形变化和节律情况直接反映人体循环体统的健康状况，比如动脉的收缩和舒张、血管弹性、肢端微循环状况。人体某些的病变也会影响到脉搏波的节律和形状，比如高血压，高血脂症，这也是中医脉诊的生理和物理基础之一。

图2是通过光电法实际测得的血容脉搏波。可以看到血管内动脉的血量随着时间发生非常有规则的变动，这种变动周期和心脏搏动周期相同，其频率即为心率。在一个脉动周期内，我们还可以看到一些 容积变动，对应着心脏的收缩和舒张，以及收缩和舒张期间心脏射血减慢引起的潮波。大量的医学和生理学研究数据表明，脉搏波的波形和动脉血压有着非常强的相关性，有经验的中医通过对脉搏的细微体验来判断血压大致的高低。但是，这些波形变化都是相对值变化，不能直接得到量化的血压值，这就需要给这些波形参数提供一个可供参考的压力值，以量化血压值。本发明中解决了这一难题：通过压力传感装置获取包覆在测试动脉位置的流体盛置装置内的固定流体压力来测定动脉血流对动脉血管壁产生的压力，从而使得脉搏波有了压力参考点。由于脉搏波和流体压力波动是同步获得的，通过波形分析和关联性计算，即可确定动脉血压。

图3即为依照上述原理所设计的心率和血压测定装置，包括流体盛置模块、脉搏传感模块、压力传感模块、电信号处理模块、控制模块、电信号传送模块。以上模块在电源的驱动下进行工作。

流体盛置模块采用具弹性的柔性材料制作，材料的弹性系数应接近或小于所测肌肉皮肤组织的弹性系数，以保证脉搏搏动能及时被流体所感应。气体或者液体可以是预先密封盛置于装置内，也可以在测试使用前通过流体泵冲入。气体或者液体与大气压的差值的小于100mmHg，即绝对压力小于1.13个大气压。在保证该装置能有效感知脉搏的搏动信号的前提下，尽可能地采用较低的压力施加于测试部位，以保证人体体感的舒适度，降低长期使用对血液循环的影响。在整个数据收集过程中，流体盛置模块确保气密性，以防止测试过程中流体发生泄漏，影响数据的准确性和可靠性。流体盛置模块的外观形状可以被制作成条形、带型、套型、夹形等形状，以适应被测试部位的形状，提高舒适度和美观度：如腕部的血压腕带形，手指的指环形、指套型或者指夹形，耳部的耳夹型或者耳钉型。

压力传感模块用于采用压力传感器，实时测定流体盛置模块中流体的压力变化。压力传感器的压力传感一面和流体盛置模块之间流体相通，以确保流体的压力和压力测试面的压力实时保持一致。

脉搏传感模块用于实时获取人体动脉搏动信息。脉搏传感模块可以采用脉压脉搏波传感器或者是血容脉搏波传感器，以实时获取脉搏波随时间的变化信息。脉搏传感模块置于人体被测部位动脉位置皮肤上。

电信号处理模块用于传递控制模块、压力传感模块和脉搏传感模 块的电信号并进行处理，使这些信号在不同模块间能相互识别和使用。电信号处理模块的功能包括但不限于反相、比较、放大、AD转换、DA转换、信号调制等。

控制模块采用微处理器MCU、CPU或者数字信号处理器DSP等器件。结合嵌入式软件，用于控制压力传感模块和脉搏传感模块获取的信息的方式和频率，并对获取的信息调用预设程序进行背景校正、滤波、解卷积、微分、积分、比较、内插、迭代、回归、小波分析、傅里叶转换等运算，提取血压和心率等生理参数。

电信号传送模块将控制模块得到的信息传送给后续其它模块以及接受来自后续其它模块的信息；该传送方式采用有线或者无线的通讯方式实现数据的传递，如有线的I2C，串行口等，无线的WIFI，蓝牙，或者是无线蜂窝通讯等。

流体盛置模块包裹于被测生物体测试部位，脉搏传感模块置于生物体被测部位动脉位置皮肤上，压力传感模块和流体盛置模块之间流体相通、被固定于流体盛置模块确定位置，压力传感面被流体覆盖，电信号传送模块、压力传感模块和脉搏传感模块与电信号处理模块和控制模块电连接。

压力传感模块和脉搏传感模块在控制模块的控制下以大于100Hz频率同步采集信号。其中，压力传感模块和脉搏传感模块以相同的信号采样频率、同步地采集流体盛置装置内流体压力和脉搏搏动信号。

通过以上装置获取心率和血压的方法为：先同步获取压力传感装置的压力信号和脉搏传感装置的动脉搏动信号；接着通过数学处理，对这些数据分别进行基线校正、滤波、平滑等方式以消除获得信号中的噪音和干扰；最后通过对压力信号和脉搏波信号进行如微分、积分、傅里叶变化或者小波分析，以提取频谱分布和波形参数。对这些频谱分布数据和波形参数进行相关性分析，最终定量地得到生物体心率和动脉血压如舒张压，收缩压，平均血压等数据。结合现代医学和生理学研究成果，可以进一步得到如血管弹性、血管年龄等循环系统参数。

本发明中的各模块根据需要进行灵活配置。例如要同时测定多个波长的血容数据，可以在血容脉搏传感其中配置多个波长的光源，以同时取得血氧的生理信息。也可以进一步将温度传感、心电图传感、 血容脉搏传感器和血压脉搏传感器同时设置在装置内，进一步获取更多关于循环系统的生理参数。为减小装置的外观尺寸，可以将信号处理模块、控制模块、信号传送模块集成在同一块电路板上，并进一步的集成数据存储和显示器件，以构成独立生理参数测定系统。电源既可以采用外部供电，也可以采用电池。为提高使用的便利性，保护流体盛置装置和传感装置，结合适当的结构设计，外面辅以刚性材料制成的外壳或者外套，可以提高用户的舒适度，增强用户体验。结合现代通讯技术，还可以对紧急情况进行提醒、预警或者报警。

实施例一

图5本发明的一种基于腕部脉搏波测定心率和动脉血压装置和方法。为减少人体对贴附于皮肤之上敏感和刺激，本实施例采用增强型天然橡胶做成的气密性气囊，流体采用预冲空气做成的流体盛放装置，预置空气压力为1个大气压加上90mmHg。采用差压型气体气压传感器作为流体压力传感模块的核心器件测定空气的压力以及动脉搏动引起的气压微小变动。压力传感模块内置前置放大器，将信号放大以提高信号在传输过程中的抗干扰能力。脉搏传感装置采用压阻型压力脉搏传感器，放置在桡动脉关口处获取脉搏搏动引起的皮肤组织压力变化。脉搏传感器同样输出的是经过前置放大的模拟信号。差压型气体传感器和脉搏传感器得到的信号被信号处理模块中AD转换器将模拟信号转换成数字信号。这些数字信号在控制模块MCU的控制下，以200Hz采样频率同步采样。MCU对获得数值信号，在程序的控制下完成基线校正、数值滤波、傅里叶转换，得到心率数据和去掉噪音及干扰的信号。对这些信号进一步进行波形分析，以及二组信号间相关性分析，通过预设的算法和模型，即可得到量化的血压数值，包括收缩压、舒张压、以及平均血压。信号传送模块采用低功耗蓝牙芯片，实现测试数据和原始测量数据的传送。

在本实施实例中，信号处理模块、控制模块、信号传送模块被集成在一块电路板上，同时以锂电池作为电源。同时为提高易用性，本实施实例中采用了不锈钢结构件作为外壳以保护脉搏传感模块和流体盛置模块；为储存数据和及时显示心率血压值，还引入了存储器和 显不器。

实施例二

图6是本发明应用于耳垂，通过测定耳垂部动脉毛细血管的动脉搏动来确定心率和血压。为适应耳垂的形状，该装置的外形设计成贝壳状，里面衬以透明气密性尼龙材料制成的空气胶囊作为流体盛置装置，空气压力初始值为一个大气压加上80mmHg。此处的脉搏传感装置采用数字型光电型血容脉搏传感器，信号不需要DA转换。脉搏传感器置于空气囊内部，透过尼龙层，发射和接收光信号。脉搏传感器和压力传感装置的工作频率都被设为200Hz。电源采用纽扣电池。其它的配置和数据处理方法都同实施实例一。

本发明可广泛用于快速精确地确定人或者其它动物的心率和血压：既可以独立使用作为在线连续监控血压心率值，也可以结合其它生理参数监控设施和运动型可穿戴设备，作为一个多参数生理监控系统的一部分，以实时确定人或者其它动物的血压、心率。

从本发明的装置和方法以及实例的说明可以看出，本发明提供了基于动脉搏动传感、压力传感、波形分析以及相关性分析来确定被测人或者动物体的心率和动脉血压装置和方法，本方法和装置具有实时、连续、低功耗、设备简单，配置灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。