柔性生理信息监测装置的制作方法

本公开涉及医疗检测技术领域，尤其涉及一种柔性生理信息监测装置。

背景技术

对人体生理信息的检测(例如血氧饱和度的检测)是医疗中的重要环节。血氧饱和度是人体最重要的生理体征参数之一，在临床医学、医疗监护、医学研究等领域有极为重要的参考价值。目前检测血氧饱和度的主要手段是利用指夹式血氧检测仪，检测部位一般为手指、耳垂等部位。

随着人们对自身健康的关注度提高，可穿戴医疗设备有更加广泛的需求基础，健康医疗设备成为必需的消费品。非侵入式血氧传感器逐渐受到愈来愈多人的关注。目前的血氧传感器均是基于近红外光谱成像技术，在实际应用的过程中，普遍需要在人体运动时长时、动态地监测血氧、脉搏等参数。但是，由于目前血氧传感器检测部位受限，故对极端环境下血氧的信息无法得到，例如，飞行员在飞行过程中，迫切需要对身体特征参数进行实时动态测量，但目前的血氧监测装置无法获得飞行员在飞行过程中的血氧信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种柔性生理信息监测装置。

根据本公开的一方面，提供了一种柔性生理信息监测装置，所述装置包括：光源组件、光电检测组件、处理组件和衬底；

所述光源组件用于向被检测对象发射光波；

所述光电检测组件用于对所述光波经所述被检测对象反射后的光信号进行光电转换，获取第一检测信号；

所述处理组件用于对所述第一检测信号进行信号处理，获取检测数据；

所述衬底由柔性材料制成，用于承载所述光源组件、所述光电检测组件和所述处理组件；

其中，所述光电检测组件包括围绕所述光源组件布置的多个检测部件，所述多个检测部件与所述光电检测组件之间的距离为第一距离，所述第一距离是使得所述光信号的光强与所述光波的光强的比值大于或等于第一阈值的距离。

在一种可能的实现方式中，所述光源组件包括至少两个发光部件，所述至少两个发光部件分别发射不同中心波长或不同频谱的光波，

其中，所述处理组件还用于控制所述光源组件的至少两个发光部件在发光周期内按照预定顺序发光，

其中，所述光电检测组件的响应区间覆盖所述至少两个发光部件所发射光波的中心波长或在所述至少两个发光部件所发射光波的频谱范围内。

在一种可能的实现方式中，所述检测数据包括被检测对象的血氧饱和度，所述处理组件对所述第一检测信号进行信号处理，获取检测数据包括：

对所述多个检测部件的多个第一检测信号进行模数转换，并进行求和处理，获取数字检测信号；

对所述数字检测信号进行差分运算，获取每个发光周期的血氧饱和度；

根据每个发光周期的血氧饱和度，确定第一时间段内的血氧饱和度。

在一种可能的实现方式中，对所述数字检测信号进行差分运算，获取每个发光周期的血氧饱和度包括：

根据发光周期对与所述不同中心波长或不同频谱的光波对应的数字检测信号分别进行差分运算，以获取数字检测信号的幅值与血红蛋白浓度之间的关系；

根据所述数字检测信号的幅值与血红蛋白浓度之间的关系，获取每个发光周期的血氧饱和度。

在一种可能的实现方式中，根据每个发光周期的血氧饱和度，确定第一时间段内的血氧饱和度包括：将第一时间段内的所有发光周期的血氧饱和度的算数平均值确定为所述被检测对象的血氧饱和度。

在一种可能的实现方式中，所述第一距离是通过蒙特卡洛模拟方法确定的。

在一种可能的实现方式中，所述光电检测组件包括多个检测部件，所述多个检测部件均位于以所述光源组件的位置为圆心，以所述第一距离为半径的圆上。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：封装层，由柔性材料制成，用于封装所述光源组件、所述光电检测组件和所述处理组件，并与所述柔性衬底接合。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：收发组件，用于将所述检测数据发送至终端，并接收所述终端的指令。

在一种可能的实现方式中，所述装置包括柔性血氧监测装置，所述柔性血氧监测装置被集成于可穿戴装置中，以确定所述被检测对象的血氧饱和度。

根据本公开的各方面的柔性生理信息监测装置能够通过光电检测组件获得光源组件发射的光波经身体反射后得到的检测信号，在经过处理组件进行信号处理后获取检测数据，通过对检测数据的分析和处理，可实时获取被测对象的生理信息，例如血氧饱和度等。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的柔性生理信息监测装置的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的柔性生理信息监测装置的侧面剖视图；

图3是根据一示例性实施例示出的处理组件对第一检测信号进行信号处理的流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的集成于头盔中的柔性血氧监测装置的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1是一示例性实施例示出的柔性生理信息监测装置的示意图。如图1所示，根据本公开实施例的生理信息监测装置包括光源组件11、光电检测组件12、处理组件13和衬底14。

光源组件11用于向被检测对象发射光波；

光电检测组件12用于对光波经被检测对象反射后的光信号进行光电转换，获取第一检测信号；

处理组件13用于对第一检测信号进行信号处理，获取检测数据；

衬底14由柔性材料制成，用于承载光源组件11、光电检测组件12和处理组件13；

其中，光电检测组件12包括围绕光源组件11布置的多个检测部件，多个检测部件与光电检测组件11之间的距离为第一距离，第一距离是使得反射的光信号的光强与光源组件11发射的光波的光强的比值大于或等于第一阈值的距离。

根据本公开实施例的柔性生理信息监测装置，能够通过光电检测组件获得光源组件发射的光波经身体反射后得到的检测信号，在经过处理组件进行信号处理后获取检测数据，通过对检测数据的分析和处理，可实时获取被测对象的生理信息，例如血氧饱和度等。

举例来说，根据本公开实施例的柔性生理信息检测装置可以包括柔性血氧检测装置。在相关技术中，基于光电特性的非入侵式血氧检测是以朗伯比尔(beer-lambert)定律为理论基础，利用吸光光度法测定原理来实现的。例如，可以控制两束波长不同的光源交替发光，产生的光波经过检测部位组织反射(例如额头等)后，到达光电探测组件。其中，光波的总光强等于被检测部位组织吸收的光强、透射的光强以及反射的光强的总和。光电探测组件探测到经过血红蛋白等人体内物质吸收后进行反射的光强大小，得到容积波信号。通过对容积波信号进行分析和计算，能够获得脉搏和血氧饱和度值等生理信息。

在一种可能的实现方式中，光源组件11、光电检测组件12均与处理组件13相连，在示例中，光源组件11、光电检测组件12均可采用柔性导线与处理组件13连接。

图2是根据一示例性实施例示出的柔性生理信息监测装置的侧面剖视图。如图2所示，所述柔性生理信息监测装置还包括封装层15，封装层15由柔性材料制成，用于封装光源组件11、光电检测组件12和处理组件13，并与衬底14接合。光源组件11、光电检测组件12和处理组件13设置在衬底14上。衬底14可以是双层衬底，以承载和覆盖光源组件11、光电检测组件12和处理组件13。

在一种可能的实现方式中，光源组件11包括至少两个发光部件，所述至少两个发光部件分别发射不同中心波长或不同频谱的光波。发光部件可以是发光二极管(led)、激光器(ld)等能够产生不同波长的光波的器件。在示例中，光源组件11包括发光部件111和发光部件112，发光部件111和发光部件112被集成为一个整体，并可发射不同中心波长或不同频谱的光波，例如，发光部件111可发射中心波长为620nm的光波，发光部件112发射的光波的中心波长可在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的等吸收点附近，例如发光部件112发射的光波的中心波长为850nm。

在一种可能的实现方式中，处理组件13还用于控制光源组件11的至少两个发光部件在发光周期内按照预定顺序发光。在示例中，发光部件111和发光部件112在1ms的发光周期内依次发出中心波长为620nm的光波和中心波长为850nm的光波。发光周期还可更短，更短的发光周期使得两个发光部件更接近于同时发光，光电检测组件也更接近于同时检测到反射光信号。

在本公开的实施例中，光电检测组件12的响应区间覆盖所述至少两个发光部件所发射光波的中心波长或在所述至少两个发光部件所发射光波的频谱范围内。在示例中，光电检测组件12的所有检测部件均可使用响应波长为400nm-1100nm的硅基光电探测器。所述光波经被检测对象的反射后，由布置在光源组件11周围的光电检测组件12接收。

在一种可能的实现方式中，光电检测组件12包括多个检测部件，所述多个检测部件围绕光源组件11布置，每个光电检测部件与光源组件11之间的距离均为第一距离，所述第一距离是通过蒙特卡洛模拟方法确定的距离，光源组件11与检测部件之间的距离为所述第一距离时，经被检测对象反射的光信号的光强与光源组件11发出的光波的光强的比值大于第一阈值，即，在光源组件11发出的光波的光强一定的情况下，检测部件接收到的光信号的光强能够满足检测需要。

在一种可能的实现方式中，蒙特卡洛模拟方法是模拟光子在生物组织中传输的有效数学方法之一，是模拟光子在生物组织内部随机行走的统计计算方法。为有效地反应生物组织的真实特性，可采用多层生物组织模型来模拟光传输的情况。光束垂直入射生物组织表面，在空气和组织上下表面发生镜面反射和透射，例如，在第i层与第i+1层界面处发生透射与镜面反射，且光子在生物组织内部会被吸收和散射。在示例中，可设定光子在生物组织内部随机行走的步长，并可模拟出光子随机行走的大致路径，从而可获取接收到反射光波的光强最强的位置。在示例中，与光源组件11之间的距离8mm-1cm之间时，反射光波的光强最强。

在示例中，所述第一距离可以是1cm，该距离是通过蒙特卡洛模拟方法确定的使反射光信号的光强与光源组件11发出的光波的光强之比达到最大值的光强。本公开对第一距离的具体取值不作限制。

在一种可能的实现方式中，多个检测部件可均位于以所述光源组件11的位置为圆心，以所述第一距离为半径的圆上。在示例中，光电检测组件12包括4个检测部件(检测部件121、检测部件122、检测部件123和检测部件124)，4个检测部件均位于以光源组件11的位置为圆心，以1cm为半径的圆上，并且，4个检测部件形成矩形的4个顶点，光源组件11位于所述矩形的对角线上。应当理解，本领域技术人员可以根据实际需要设定检测部件的数量及其设置位置，本公开对此不作限制。

在本公开的实施例中，处理组件13可对多个检测部件的多个第一检测信号进行信号处理，并进行存储和传输。

图3是根据一示例性实施例示出的处理组件13对第一检测信号进行信号处理的流程图。在本公开的实施例中，检测数据可以是被检测对象的血氧饱和度，处理组件13对所述第一检测信号进行信号处理，获取检测数据包括：

在步骤s31中，对所述多个检测部件的多个第一检测信号进行模数转换，并进行求和处理，获取数字检测信号；

在步骤s32中，对所述数字检测信号进行差分运算，获取每个发光周期的血氧饱和度；

在步骤s33中，根据每个发光周期的血氧饱和度，确定第一时间段内的血氧饱和度。

在一种可能的实现方式中，在步骤s31中，第一检测信号可以是电压信号，对所述电压信号进行模数转换后可直接获取数字检测信号。第一检测信号还可以是电流信号，可将所述电流信号转换成电压信号后，再进行模数转换，以获取数字检测信号。此外，还可对所述电压信号进行滤波后，再进行模数转换。

在一种可能的实现方式中，光源组件11可包括两个发光部件，所述两个发光部件在发光周期内依次发出不同中心波长或不同频谱的光波，光电检测组件12可包括多个检测部件，所述多个检测部件在发光周期内依次检测到不同中心波长或不同频谱的反射光波，处理组件13可将多个检测部件检测到的第一检测信号进行模数转换后再进行求和处理，以获取发光周期内不同中心波长或不同频谱的光波的数字检测信号。

例如，在发光周期内，发光部件111首先发射中心波长为λ1的光波，经反射后，多个检测部件检测到反射光波，并分别形成第一检测信号，处理组件13对所有第一检测信号进行模数转换后，再进行求和处理，以获取与中心波长为λ1的光波对应的数字检测信号。同理，在发光周期内，在发光部件111发光结束后，发光部件112发出中心波长为λ2的光波，处理组件13按照上述处理方法获取与中心波长为λ2的光波对应的数字检测信号。

在一种可能的实现方式中，步骤s32可包括：

在步骤s321中，根据发光周期对与所述不同中心波长或不同频谱的光波对应的数字检测信号分别进行差分运算，以获取数字检测信号的幅值与血红蛋白浓度之间的关系；

在步骤s322中，根据所述数字检测信号的幅值与血红蛋白浓度之间的关系，获取每个发光周期的血氧饱和度。

在一种可能的实现方式中，在步骤s321中，可对数字检测信号进行差分运算。在示例中，第k个发光周期tk的数字检测信号幅值为r(tk)，第k+1个发光周期tk+1的数字检测信号幅值为r(tk+1)，对以上两个数字检测信号幅值取自然对数后，根据以下等式(1)进行差分运算：

其中，a(tk+1)＝lnr(tk+1)，a(tk)＝lnr(tk)，tk为第k个发光周期开始的时刻，tk+1为第k+1个发光周期开始的时刻，μa为吸收系数，即光子在单位路径内被吸收的概率，c为光速。

在一种可能的实现方式中，在测量血氧饱和度时，可仅考虑氧合血红蛋白(hbo2)以及脱氧血红蛋白(hb)的含量，血红蛋白浓度可包括氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度chb。因此等式(1)可写作以下等式(2)：

其中，δak＝a(tk+1)-a(tk)，δtk＝tk+1-tk，为氧合血红蛋白的吸光系数，εhb为脱氧血红蛋白的吸光系数。

在一种可能的实现方式中，根据以上等式(2)，根据发光周期对与所述不同中心波长或不同频谱的光波对应的数字检测信号分别进行差分运算，可获取中心波长或不同频谱的光波对应的数字检测信号的幅值与血红蛋白浓度之间的关系。

在一种可能的实现方式中，基于以上等式(2)，对中心波长为λ1的光波对应的数字检测信号进行差分运算，可获得中心波长为λ1的光波对应的数字检测信号与血红蛋白浓度之间的关系式(3)：

在一种可能的实现方式中，基于以上等式(2)，对中心波长为λ2的光波对应的数字检测信号进行差分运算，可获得中心波长为λ2的光波对应的数字检测信号与血红蛋白浓度之间的关系式(4)：

在一种可能的实现方式中，血氧饱和度可由以下等式(5)来表示：

其中，spo2为血氧饱和度。

因此，在步骤s322中，可根据等式(3)和等式(4)来获取第k个发光周期的血氧饱和度spo2(k)，spo2(k)可根据以下等式(6)来表示：

其中，

在一种可能的实现方式中，当中心波长λ2为在氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的等吸收点时，等式(6)可近似表示为以下等式(7)：

根据步骤s32所述的差分运算，可在对第k+1个发光周期和第k个发光周期的数字检测信号进行差分运算时，去处信号中的均匀噪声，从而将有效地生理信息的检测数据从噪声中提取出来，并去除了光电检测组件11与被检测对象之间的相对运动噪声的干扰。

在一种可能的实现方式中，在步骤s33中，可将第一时间段内的所有发光周期的血氧饱和度的算数平均值确定为所述被检测对象的血氧饱和度。计算第一时间段内的所有发光周期的血氧饱和度的算数平均值可排除单次测量可能失准的影响，提高第一时间段内的血氧饱和度的测量精度。在示例中，第一时间段包括n个发光周期，即，k的取值范围为1、2、…、n，可根据以下等式(8)来确定n个spo2(k)的算数平均值，作为第一时间段内的血氧饱和度

在一种可能的实现方式中，第一时间段可以是心动周期。在示例中，被检测对象的心率为60次/分钟，即每秒钟心脏跳动一次，则心动周期为1秒。发光周期可以是1ms，则第一时间段可包括1000个发光周期，即n＝1000。在示例中，第一时间段内的血氧饱和度可以是spo2(1)、spo2(2)、…、spo2(1000)的算数平均值。

在一种可能的实现方式中，第一时间段可以包含多个心动周期。在确定第一时间段内的血氧饱和度时，可计算每个心动周期的血氧饱和度，再计算每个心动周期的血氧饱和度的算数平均值，也可直接计算第一时间段内所有发光周期的血氧饱和度的算数平均值。

在示例中，被检测对象的心动周期可以是1秒，发光周期可以是1ms，第一时间段可包含3个心动周期。心动周期的血氧饱和度可以是该心动周期内的1000个发光周期的血氧饱和度的算数平均值，第一时间段内的血氧饱和度可以是3个心动周期的血氧饱和度的算数平均值。第一时间段内的血氧饱和度还可以是第一时间段内的3000个发光周期的血氧饱和度的算数平均值。以上两种计算第一时间段内的发光周期的血氧饱和度的算数平均值的方法是等效的。本公开对计算算数平均值的方法不做限制。

在一种可能的实现方式中，处理组件13可以是单片机、cpu、mpu、fpga等任何能进行信号处理的处理器件，处理组件13可以通过专用硬件电路实现，也可以通过通用处理部件结合可执行逻辑指令实现，以执行处理组件13的处理过程。

根据本公开的实施例，所述柔性生理信息监测装置还包括电源组件，电源组件可为处理组件13、光源组件11提供电力，如果光电检测组件12需要供电，电源组件还可为光电检测组件12提供电力。

在一种可能的实现方式中，柔性生理信息监测装置还可包括收发装置，该收发装置可以采用蓝牙、红外、无线保真(wifi)等方式与终端(例如智能手机等)建立通信连接，从而实现光通量检测装置与终端之间的通信。

收发装置可将检测数据发送至终端，以供终端进行记录、处理和分析。同时，收发装置还可接收终端的指令，使处理组件13执行所述指令。

在本公开的实施例中，所述柔性生理信息监测装置还可包括存储组件，可用于存储检测数据，并在需要时批量导出检测数据的存储记录。此外，电源组件、收发组件和存储组件可通过柔性导线与处理组件13连接，也可集成在处理组件13中。

根据本公开的实施例，用于承载光源组件11、光电检测组件12和处理组件13的衬底14由柔性材料制成，可贴附于皮肤上，也可集成于可穿戴装置中，在示例中，所述柔性生理信息监测装置可被用作柔性血氧监测装置，柔性血氧监测装置可贴附于皮肤上，也可集成于可穿戴装置中，可根据检测数据确定血氧饱和度，并且对被测对象的干扰较小，可长时间使用。

图4是根据一示例性实施例示出的集成于头盔中的柔性血氧监测装置的示意图。在本公开的实施例中，柔性血氧监测装置被集成于头盔中，该头盔可以是飞行员的头盔，在飞行员驾驶飞行器的过程中监测飞行员的血氧饱和度。

在示例中，柔性血氧监测装置被固定在固定于头盔的特质内衬中，飞行员额头的大小和形状有所差异，为减小光波传输中的损耗，衬底可由具备弹性的生物兼容材料制成，以贴合飞行员的额头。在光源组件与光电检测组件所需透光处开合适大小的窗口，以使光源组件发出的光波以较低的损耗的入射至飞行员额头部位，经飞行员的额头反射后的光信号被光电监测组件接收，以获取检测信号。处理组件对光电检测组件的检测信号进行信号处理，获取检测数据，从而根据检测数据确定飞行员的血氧饱和度。

处理组件能够将由于外界环境干扰(例如，飞行员在运动时产生的噪声干扰，检测装置和人体皮肤产生相对位移而产生的噪声干扰)而淹没的周期性容积波信号提取出来，因此，所述柔性血氧监测装置在工作的状态下，能够有效去除噪声干扰，提高血氧饱和度的检测精度。此外，柔性血氧监测装置可包括收发装置，通过收发装置，飞行员的血氧饱和度信息可被发送至主控台，为评价飞行员生理参数提供参考。柔性血氧监测装置还可直接将检测数据发送给主控台，主控台可根据检测数据确定飞行员的血氧饱和度。

通过采用本公开的实施例，能够将柔性生理信息监测装置有效集成至飞行员头盔中，对飞行员在飞行过程中的血氧信息进行实时的监测，并滤除噪声干扰，获取精确的血氧饱和度信息。收发组件与主控台无线连接，保证主控台实时掌握飞行员的生理信息，从而为飞行员的生理指标做出相应的评价。该生理信息检测装置对飞行员干扰很小，可在飞行员飞行中长时间连续进行脉搏波血氧饱和度监测，使得主控台能够实时获得飞行员的生理信息。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普主控台通技术人员能理解本文披露的各实施例。