一种智能体征监测腕式可穿戴设备及血压测量方法与流程

本发明涉及一种可实时监测人体脉搏血压等体征的智能可穿戴电子产品及血压测量方法。

背景技术：

随着生活水平的逐步提高，人们对健康状况的逐步重视，各种健康监测产品应运而生。不规则的生活方式和日渐加大的竞争压力让很多人一直生存在亚健康状态，各种疾病的慢性潜伏导致生活质量的下降。我国是具有传统医学的国家，中医在健康方面一直提倡的是三分治七分养，中医认为血为人之本，心主血脉，心脏搏动把血液排入血管而形成脉搏。心脏的搏动和血液在血管中的运行均由宗气所推动。血液循行于脉管之中，除了心脏的主导作用外，还必须有各脏器的协调配合。肺朝百脉，即是循行于全身的血脉均汇于肺，且肺主气，通过肺气的敷布，血液才能布散全身；脾胃为气血生化之源，脾主统血，血液的循行有赖于脾气的统摄；肝藏血，肝主疏泄，有调节血量的作用；肾藏精，精化气，是人体阳气的根本，各脏腑功能活动的动力；而且精可化生血，是生成血液的物质基础之一。故脉象的形成与五脏功能活动有关，而且五脏与六腑相表里，脉象的变化也可反映六腑的变化。

根据中医2000多年的理论积累，古代医家筛选制定的二十八种常用脉象，是一个严谨而科学的组合，每一种脉象都有一定针对性，其诊断作用不能互相替代；其中，任何一种脉象的脉形规范和实际意义被埋没或被误解，都会影响对脉象的诊察，甚至影响脉诊的适用范围和诊断作用。传统脉象诊断需要依靠医者的长期研习，有关脉象的判断也完全依靠传承的口叙或者文字，这就把中医魁宝局限在了普通人之外。

近年来随着电子信息技术的不断发展，关于脉象诊断方面的研究也进入了新的时期，不断出现的各类脉象分析仪器装置要么体积较大不能实时携带监测，或者专业性很强普通人无法使用，随着智能运动手表的发展，小型化、智能化、便携的可穿戴产品的出现，把中医对健康监测的理念融合到可日常佩带的产品中是一个全新的方向。

专利号为200610119382的中国发明专利“多点式、三部位、自动加压式中医脉搏检测装置及其方法”，采用了带浮梁的悬臂式结构，可调节取脉位置，具有较好的重复性。同时也选择寸、关、尺三部位进行压电传感器进行信号采集，达到了准确提取脉象的目的，但该装置仍然较为专业和不便于日常监测。

专利号为201110439661的中国发明专利“基于柔性阵列传感器的多路脉象检测装置”，采用了柔性传感器，也形成了采集多路脉象的检测装置，但是描叙的压力控制装置为水银柱式，更无法便携和实时监测。

专利号为2013104185356的中国发明专利“一种中医脉象检测系统”，采用了柔性硅胶薄膜材料包裹传统压电传感器的方法，该专利描叙的实施方式有影响压电传感器正常采集的可能，气囊的充气加压也不可能做到如描叙所说的便携性，特别是对桡动脉的定位更无明确表述。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，在传感器技术、便携性、非专业局限方面加以改进，更融入血氧血压监测、红外超导体温监测、射频传输技术等现代电子技术，把中医的专有技艺融入可穿戴产品中，实现一种可以使用者实时日常监测本人体征状况的智能体征监测腕式可穿戴设备。

本发明的技术方案是：一种智能体征监测腕式可穿戴设备，包括设备主体，设备主体上设有显示屏幕、微处理器、供电电路和功能电路，所述的微处理器通过功能电路连接有体征监测模块、红外超导体温监测模块、APP数据交换模块、WIFI及蓝牙射频通讯模块、运动能量监测模块、SOS急救求助模块和卫星定位模块。

所述的体征监测模块包括通过脉象超声采集装置、光波血氧检测装置、桡动脉定位装置、脉象超声采集装置和手指压取仿真装置。

所述的脉象超声采集装置是超声TOFD双晶探头采集装置。

所述的的光波血氧检测装置是650nm的红光传感器。

所述的手指压取仿真装置包括微压传感器与步进直线微电机。

所述的红外超导体温监测模块由116个热电偶串联组合而成，所述的红外超导体温监测模块封盖有光学带通滤波器。

所述的设备主体是智能手表。

血氧浓度是血液中被氧结合的含氧血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度(SpO2)，采用波长650nm的红光和950nm的红外光进行反射式检测，根据含氧血红蛋白(HbO2)对650nm红光的强吸收及对950nm红外光的弱吸收特性，我们选择了650nm的红光传感器，通过对发出光量及反射接收光量的比值，我们可以从光电二极管检测到血液脉动血氧饱和度。

本发明的手指压取仿真装置加压方式与常规压电薄膜传感器需要的加压不同，对压力没有硬性要求，也完全解决了压力不够压电薄膜传感器采集不准确的弊病，特别是对腕部没有压痛感，更容易让使用者接受。

本发明的运动能量监测模块可以按压计步功能键进行总累积步数、当前起始步数、消耗的热量等参数的选择，并显示在手表屏幕。

本发明的射频传输装置是低功耗150Mbps USB无线射频传输装置，兼容Bluetooth V2.1+EDR/Bluetooth3.0/3.0+HS/4.0，支持IEEE802.11B/G/N标准,可以与其它符合该标准的无线设备互相联通,支持最新的64/128位WEP数据加密，支持WPA-PSK/WPA2-PSK,WPA/WPA2安全机制,以适应不同的工作环境,可实现无线联网和蓝牙接入，方便、安全地接入无线网络进行手表监测数据的实时传输。

本发明的卫星定位模块是GPS+BD2定位模块，GPS/BeiDou是一个完整的卫星定位接收装置，具备全方位功能，能满足定位的严格要求。体积小巧，低功耗，采用新一代MT3333低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等信号弱的地方，都能快速、准确的定位，运动计步装置与GPS装置的有效组合，可以更精确的减少手臂摇晃带来的误记数，采用定位与移动的计算模式来真实统计运动量。

本发明的红外超导体温监测模块采用红外线热电堆传感器(ANT-OTP-538U)作为非接触式温度感测，由于红外线热电堆传感器由116个热电偶串联组合而成，且传感器封盖有一光学带通滤波器，使传感器能在5-14μm的波长范围进行温度感测，因此，温度不同时入射的红外线也不同，便能在各热电偶接点产生不同的热电效应，而得到不同的电压，再经过许多热电偶的串联而输出相当的电压，代表温度的大小，如此便能倚靠红外线的幅射得知温度高低而不必与待测系统接触，其操作温度范围为-20℃～100℃，结合计算得出实时的体温，并通过预编的处理算法进行修正演算。

一种利用脉象超声TOFD采集法结合血氧浓度来测量血压值的方法，该方法包括以下步骤：

在相同的时间轴上的光波血氧检测装置所测量出桡动脉血氧周期连续变化波形，与同时通过脉象超声采集装置测量桡动脉的舒张与收缩时间区段相对应。

通过微处理器计算血氧周期连续变化波形对应于时间轴上的截面积。

由脉象超声采集装置的测量明确知道何时为收缩压及舒张压的计算时间区段。

经过微处理器预存的计算公式计算处理，得到收缩压及舒张压的值。

在本发明中，桡动脉定位装置发射2MHZ的超声中短波，将桡动脉的位置确定出来，可提高手表在需要进行脉象监测功能时的精确定位，脉象超声采集装置利用超声波的可穿透性对桡动脉的位置、大小、深浅进行测量，手指压取仿真装置采用微型直线电机进行自动探头位置调整，以改变超声波的发射位置，模拟出中医理论的“浮、中、沉”，并通过脉象超声采集装置探头的“寸、关、尺”阵列来完全模拟中医的三部九诊，脉象超声装置的发射晶片和接收晶片按一定的距离在桡动脉两侧放置，通过一收一发的工作模式，发射晶片发出纵波，利用桡动脉端部的衍射波来测量动脉的收缩与舒张，可以描绘出动脉脉动的峰谷波形图。

光波血氧检测装置发出的光进入血管组织，光再由运动的红血细胞和组织散射，反射的散射光由光电二极管检测并输出血液脉动血氧饱和度，血氧浓度的周期性连续变化波形实时采集保存，结合脉象超声装置测绘的峰谷波形图，通过时域分析把该峰顶的时间与血氧浓度的数据进行拟合，就可以通过计算得到需要的血压舒张压值，同样在一个波形谷底就是要确定的收缩压，就可以通过计算得到需要的血压收缩压值。

以上采集的数字信号由超声信号与压力信号拟合，直接显示在显示屏幕上，并可进行32位数字编码采用M5加密，通过如WIFI、蓝牙、USB等方式传输至PC或者预装有APP系统的手机通讯。

本发明的有益效果是：本发明的设备主体为智能手表，便于携带，将中医技艺融入电子产品，采集的体征数据更为精确，并可进行数据实时处理分析、显示、储存和远程求助等功能，十分方便。

附图说明

图1为本发明的系统整体框架图；

图2为本发明的整体外观示意图；

图3为本发明超声探头布置及血氧体温传感器的结构示意图；

图4为本发明的SOS求助系统射频链接原理图；

图5为本发明脉象超声TOFD采集法结合血氧浓度来测量血压值的框架图；

图6为本发明的血氧浓度采集原理图；

图7为本发明的血氧浓度模拟量波形及超声TOFD脉动峰谷波形示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

结合图1和图2所示，一种智能体征监测腕式可穿戴设备，包括设备主体，设备主体上设有显示屏幕、微处理器、供电电路和功能电路，所述的微处理器通过功能电路连接有体征监测模块、红外超导体温监测模块、APP数据交换模块、WIFI及蓝牙射频通讯模块、运动能量监测模块、SOS急救求助模块和卫星定位模块，所述的体征监测模块包括通过脉象超声采集装置、光波血氧检测装置、桡动脉定位装置、脉象超声采集装置和手指压取仿真装置。

图3为本发明的超声探头布置及血氧体温传感器结构示意图，在本发明中各传感器承担了人体体征监测的任务，其中1为超声波纵波探头，探头频率为2MHZ，主要的工作是寻找腕部桡动脉位置；2为血氧红光传感器，工作波长为950nm，通过对血红蛋白吸收后的反射余光的光谱分析，得出对应的血氧值，同时通过数据模型的演算把血氧数据拟合成血压值，3为体温红外超导传感器，在5-14μm的波长范围进行温度感测，并通过演算模型将人体体温采集到系统数据库，4为超声TOFD双晶探头，成对使用的目的是做到一发一收，组成TOFD组阵列，通过对寸、关、尺三不位的探头阵列可以完全模拟医生的手法手位，并通过微压传感器5与步进直线微电机6的组合运动，将阵列TOFD探头的体表深度进行变化，以模拟医生的浮、中、沉手法，脉象超声采集装置是将发射晶片和接收晶片按一定的距离在桡动脉两侧放置，发射晶片发出传播纵波，利用桡动脉端部的衍射波来测量动脉自身高度，在没有动脉的地方，得到的信号仅是在人体表面传播的侧向波和骨面反射的回波，但在有动脉的地方，还会接收到来自动脉上端及下端的衍射波，所以通过采集图形上的各个信号到达的时间差，即可得到动脉的深度及大小，在一个至数脉搏跳动次数内，动脉的收缩与膨胀变化会实时反映到衍射波的位置与强弱，这些收集到的信号还可经过波形数据转换，由FPGA处理，变换成数字量数据，通过与SD卡内的脉象数据库进行比对，把符合的结果反馈到输出模块，并利用数据库对符合结果的定义格式文本进行手表显示。

图4为本发明的SOS求助系统射频链接原理图，在触发手表的组合键后，系统通过与匹配的移动设备进行急救求助，并打包传输出当前的体征信息。

本发明的手表与智能手持设备间通过网络、射频等技术进行数据通讯，实时的传输监测结果到用户服务器上保存，并在手表上显示出当前脉象的状况及需要注意的提醒功能，在数据处理后如果分析出有就医需要，手表自动与相匹配的移动设备通讯，发出如就医挂号、120急救等助手功能，同时将当前的体征信息，包括脉象结论、血氧值、血压值、体温值、当前地理位置、求助时间等作为求助文本。

一种利用脉象超声TOFD采集法结合血氧浓度来测量血压值的方法，该方法包括以下步骤：

在相同的时间轴上的光波血氧检测装置所测量出桡动脉血氧周期连续变化波形，与同时通过脉象超声采集装置测量桡动脉的舒张与收缩时间区段相对应。

通过微处理器计算血氧周期连续变化波形对应于时间轴上的截面积。

由脉象超声采集装置的测量明确知道何时为收缩压及舒张压的计算时间区段。

经过微处理器预存的计算公式计算处理，得到收缩压及舒张压的值。

图6为本发明的血氧浓度采集原理图，图中7为650nm红光发射LED，8为950nm红外光发射LED，9为光波接收光电二极管，10为被监测腕部表皮，11为动脉血管，12为含氧血红蛋白(HbO2)；来自LED的光进入血管组织，由运动的红血细胞和组织的散射，反射散射光由光电二极管检测，光电二极管输出血液脉动血氧饱和度；发光二极管和光电二极管放置在腕部桡动脉皮肤表面的同一侧，位于手表的背面，血氧浓度的周期性连续变化波形实时采集保存。

图7为本发明的血氧浓度模拟量波形及超声TOFD脉动峰谷波形示意图，图中13为侧向波，14为动脉血管顶部衍射波，15为动脉血管底部衍射波，16为底骨面回波；TOFD法进行焊缝探伤时，用如图放置的一对相同的纵波晶片，分别作一次腕部纵断面的扫查，通过测量可获得侧向波、动脉上端衍射波、动脉下端衍射波及骨底面回波的传播时间，并根据已知腕部肌肉中的纵波声速C和两探头间距S，可获得动脉深度D、动脉直径尺寸H、腕部肌肉厚度T等参数，TL为侧向波传播时间，TBW为底骨面回波传播时间，T1为动脉血管顶部衍射波传播时间，T2为动脉血管底部衍射波传播时间，其具体计算公式如下所示：

TL＝S/C

T1＝√4D²+S²/C

T2＝√4(D+H)²+S²/C

TBW＝√4T²+S²/C

D＝1/2√(CT1)²-S²

H＝1/2√(CT2)²-S²-D

根据动脉直径尺寸H的变化，我们可以将连续的时间段中H最大的值时段确定为动脉血管直径最大，也就是舒张的最大，H的最小值时间段确定为动脉血管直径最小，也就是收缩的最小。把超声的波形数据与血氧浓度波形结合在同一时间段内，找到数据的重叠点，把在舒张时的值与收缩时的值进行分析。结合计算方法，就可以得出实际的血压数据。