心率血氧检测方法及装置、可穿戴设备与流程

1.本发明属于检测技术领域，特别涉及一种心率血氧检测方法及装置、可穿戴设备。


背景技术：

2.近年来，随着人们对健康的关注度日益提高，实时监测人体心率血氧的需求也逐渐增多。结合目前消费电子产品的蓬勃发展，将实时监测人体心率血氧的传感器集成进随身佩戴的电子产品中已经成为大势所趋，其中常见的可佩戴电子产品包括手机，手环，手表，耳机，眼镜等。这些消费电子产品都有着一个体积小的共同点，这就意味着可留给我们集成心率血氧探测器的空间体积较小，从而给心率血氧传感器的制备提出了一定挑战。
3.同时随着运动行业的兴起，运动已经成为人们生命中不可或缺的一部分。而人体的心率和血氧情况将随着人的运动状态随之改变，例如在运动过程中，心率将存在增大情况，而血氧含量略微降低，所以在运动过程中实时监控人体心率和血氧情况具有较大的实际意义，尤其是对于患有心脏病或心血管疾病的患者，更能起到提前预警的效果。
4.然而目前搭载在手环或手表上的心率血氧传感器始终无法避免由于佩戴存在不同的松紧程度而导致的测量精度不准的问题，同时在人体运动过程中，由于手环和手表的不同程度晃动，导致测量过程中引入误差，所以将心率血氧探测器集成在稳定性更高的耳机或眼镜上将更有利于提高测量精度，但是耳机和眼镜上可供搭载心率血氧探测器的空间相对于手机和手环来说更小，所以进一步对心率血氧探测器的制备提出了挑战。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种心率血氧检测方法及传感器、可穿戴设备，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
6.本技术实施例提供一种心率血氧检测方法，所述方法包括：设置光源发射器，所述光源发射器的数量为至少两个；数量为两个时，两个所述光源发射器发射的光线分别发射的光线分别为红光和红外光；所述光源发射器发射的光传播至光接收器，所述光接收器与所述光源发射器一一对应，所述光源发射器和所述光接收器上均集成有超透镜，所述光接收器将收集到的光信号转换为电信号；所述电信号输出至处理模块，所述处理模块获取所述光接收器接收到的信号强度，获取足量信号强度后，利用算法软件计算并得到对应值。
7.在一可实施方式中，所述超透镜的数量为一个或四个。
8.在一可实施方式中，所述光源发射器发射的光线为660nm的红光和860nm的红外光。
9.在一可实施方式中，检测心率包括以下步骤：a1、运行算法软件并以100-300hz的频率采集ppg信号；a2、判断采集的信号数量是否足够；若采集的信号数量不足，则继续进行信号采集；a3、利用算法软件对采集的ppg信号进行平滑处理，并计算单位时间内ppg信号周
期数，以计算得到心率值。
10.在一可实施方式中，检测血氧包括以下步骤：b1、运行算法软件并以100-300hz的频率采集ppg信号；b2、判断采集的信号数量是否足够；若采集的信号数量不足，则继续进行信号采集；b3、利用算法软件对采集的ppg信号进行平滑处理，并计算得到r值；b4、多次重复进行b1-b3，分别得到对应r值，取所有r值的平均值，以计算得到血氧饱和度值。
11.本技术实施例还提供一种心率血氧检测装置，包括光源发射器、光接收器和读取电路；所述光源发射器的数量为至少两个；数量为两个时，两个所述光源发射器发射的光线分别为660nm的红光和860nm的红外光，所述光源发射器发射的光传播至光接收器，所述光接收器上集成有超透镜；所述读取电路与所述光接收器电连接，所述读取电路接收所述光接收器传输的电信号。
12.在一可实施方式中，用于制备所述光源发射器的衬底材料为近红外波段和可见光波段均透明的介质材料；介质材料选用二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷中的任意一种。
13.本技术实施例还提供一种可穿戴设备，包括上述任一可实施方式中的心率血氧检测装置。
14.本技术实施例提供的一种心率血氧检测方法及装置、可穿戴设备，该心率血氧检测装置具有微型化、低能耗和高稳定性的特性，有利于将该心率血氧检测装置安装于体积较小的可穿戴设备中。且本技术实现了led光束在人体血管内的聚焦和高效率led反透射光束的收集，相比于采用传统心率血氧传感器，集成超透镜可极大减小设备体积，提高发射光的聚焦效率和反射光的收集效率，方便集成进小型可穿戴设备。
附图说明
15.图1是本技术实施例中心率血氧探测器的结构示意图；图2是本技术实施例中超透镜数量为四个时心率血氧探测器的结构示意图；图3是本技术实施例中心率血氧探测器的光路示意图；图4是本技术实施例中光束发射模块的结构示意图；图5是本技术实施例中光束接收模块的结构示意图；图6是本技术实施例中超透镜数量为一个时心率血氧探测器的结构示意图。
具体实施方式
16.为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
17.本技术发明人研究发现，目前市面上对于心率和血氧探测器的原理大都是基于光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，ppg）进行探测，其主要原理为：利用发射器
和接收器组成光路，通过探测人体组织（例如肌肉，骨骼，静脉，动脉等）对于不同波长光的不同吸收量，从而实时计算出此时人体的心率，血氧含量情况。
18.正常情况下人体组织中骨骼，皮肤和肌肉对入射光的吸收量为恒定值，构成输出电信号中的直流分量，而由于心脏收缩引起的血管内血液容积的变化，将改变光吸收量，从而在直流分量上产生波动，即构成电信号中的交流分量。例如人体中还原血红蛋白（hb）对660nm的红光吸收率较高而对860nm的红外光吸收率较低，而氧合血红蛋白（hbo2）则相反，对红外光吸收率较高，而对红光吸收率较低，利用这种吸收率的差异，可以测量人体血管中的hb和hbo2含量，从而计算人体血氧饱和度值，同时依据hb对红光吸收率的周期性变化情况，通过对ppg信号的提取和分析，可以较为准确的检测人体心率。
19.一般接收器用于接收经手指反射或透射的光信号，从而表征人体对不同波段光的吸收率。由于血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的散射作用，导致接收器中接收到的光信号较弱，通常都是依靠提高光源发射强度或增加接收器个数来增强可探测到的光信号，但这种做法也将增加设备功耗和体积。
20.此外，其他波段的光散射信号也将对心率和血氧的探测造成干扰，目前通常可通过过滤电路，对光信号转换的电信号进行滤波处理，如果可以在其源头采用光学滤波的方式，过滤杂散光的干扰，也将对电路优化产生极大的帮助。
21.其中，心率的检测原理如下：正常人体中，一个脉搏信号周期的波形可以对应一次心脏跳动的过程，所以通过ppg原理探测的波形图为一个周期性变化的波形，从其每秒钟含有几个波形周期中可以准确提取人体心率。例如在f秒的时间内，ppg信号出现n个周期，则单位时间内，ppg信号的周期数为n/f，继而计算得到此刻人体心率为60n/f。
22.其中，血氧的检测原理如下：探测人体血氧饱和度即探测人体氧合血红蛋白容量占全部可结合血红蛋白的比例。基于ppg的血氧饱和度的探测方法本质上是依据氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红光和红外光的吸收系数的不同，从而根据探测到的两种不同波长下信号强度的比值，准确估算人体血氧饱和度。其中血氧饱和度的计算公式可以表示为：。
23.其中，其中和为两个波长下探测到的第i个周期信号的幅值，而a，b，c，为依据不同使用用户标定得到的不同常数。从而根据上述公式，可以精确的将ppg所探测到的光信号转换为人体血氧饱和度。
24.在一可实施方式中，基于上述心率和血氧的检测原理，本技术提供的心率血氧检测方法，如图1所示，方法包括：s1、设置光源发射器，光源发射器的数量为至少两个。光源发射器发射的光传播至光接收器，光接收器与光源发射器一一对应，光源发射器和光接收器上均集成有超透镜。关于光源发射器、光接收器和超透镜的具体结构参考后面的描述。
25.s2、运行算法软件并以100-300hz的频率采集ppg信号，判断采集的信号数量是否足够；若采集的信号数量不足，则继续进行信号采集。
26.s3、利用算法软件对采集的ppg信号进行平滑处理；
检测心率时：计算单位时间内ppg信号周期数，以计算得到心率值；检测血氧时：计算r值，且需要多次重复进行s2，得到对应的r值后，取所有r值的平均值，以计算得到血氧饱和度值。
27.在一可实施方式中，心率血氧检测装置采用如下制备方法制得。
28.其中，心率血氧检测装置包括：两个光源发射器，两个光接收器，超透镜、读取电路和软件处理模块。
29.两个光源发射器发射的光线分别为660nm的红光和860nm的红外光，即两个光源发射器分别为红光光源发射器12和红外光光源发射器14。
30.红光光源发射器12和红外光光源发射器14均可以采用市面上较为常见的小型led光源，结合不同的可穿戴设备，为小型led光源超透镜设计不同的焦距。
31.两个光接收器分别对应接收两个光源发射器的光束，分别为红光光接收器16和红外光光接收器18。
32.光源发射器和光接收器上均集成有超透镜，超透镜的数量可为一个或四个。
33.在一可实施方式中，参照图2，超透镜的数量为四个，红光光源发射器12、红外光光源发射器14、红光光接收器16和红外光光接收器18上分别对应集成有第一超透镜11、第二超透镜13、第三超透镜15和第四超透镜17。
34.可穿戴设备可以为耳机、手表等，以耳机为例，该类产品与人体皮肤贴附较为紧密，涉及焦距较小，可设计焦距为8-12mm，依据超透镜相位计算公式设计超透镜相位分布：其中x，y为超透镜超原子坐标，为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，，。
35.同理，在红光光接收器16和红外光光接收器18上面，依据其接收光的不同波长和超透镜焦距，以及依据光路所设计的光束反射角，确定光接收器的超透镜相位分布情况。本实施例以耳机为例，在耳机产品结构中，光接收器与光源发射器间的间隙较小，约3-5mm，结合此时所设计的超透镜焦距8-12mm，可估算所设计光路中的光束发射与反射角约为10
°
，从而依据上述参数结合上述公式，准确计算超透镜各个位置处的相位分布情况，从而得到各个位置超原子的尺寸情况，作为超透镜制备的数据支撑。
36.依据上述所得到的超透镜各个位置超原子尺寸，选择光源发射器的衬底材料二氧化硅（sio2）作为基底材料，若光源发射器衬底材料为其他不透光材料，则需要先将其衬底去除，再利用化学气相沉积法为其重新成长一层透明基底，其材料可选择二氧化硅，二氧化钛、氮化硅、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚二甲基硅氧烷等常见的透明基底材料，厚度约为1mm（该尺寸依据耳机内尺寸的实际情况还可以进一步减小），再通过等离子体增强化学气相沉积法在其下表面生长一层硅（si）膜，再采用光刻技术，根据上述超原子尺寸，在si膜上制备符合我们尺寸设计超原子。
37.同样，光接收器也采用同样的处理方法，在其感光片上利用化学气相沉积法生长一层衬底材料，再在衬底材料上制备符合预期设计的超原子，得到符合我们设计的第一超透镜11、第二超透镜13、第三超透镜15和第四超透镜17。
38.其中，第一超透镜11和红光光源发射器12构成第一光发射模块21，第二超透镜13和红外光光源发射器14构成第二光发射模块22，第三超透镜15和红光光接收器16构成第一光接收模块23，第四超透镜17和红外光光接收器18构成第二光接收模块24。
39.从而制备出可将光束聚焦于人体血管内的第一光发射模块21、第二光发射模块22和将经过血液反射的反射光高效收集的第一光接收模块23、第二光接收模块24，其光束发射和收集的简要光路结构图如图3所示。
40.图4为所使用的光源发射器的传统结构，其中包括led光源发射器的金属阴极电极31，电子传输层32，发光层33，空穴传输层34， ito薄膜（氧化铟锡薄膜）35，超透镜基底36，同时在led光源发射器上面制备或集成超透镜37。
41.图5为所使用的光接收器的传统结构，其中主要包括光接收器读取电路41，光接收器cmos芯片42，光接收器超透镜基底43，同时在光接收器基底上生长或集成超透镜。
42.同时结构示意图中的读取电路19包含各种信号处理的集成单板，可将光接收器中接收到的电信号响应处理，并输出。
43.软件处理模块20包含处理ppg信号的算法，依据上述原理公式，编写计算心率和血氧的算法程序，或者直接采用较为成熟的商用心率血氧计算程序处理读取电路19所输出的ppg信号，从而得到人体的具体心率血氧参数。该处理软件一般集成在与耳机蓝牙连接的手机中，经其处理的信号通过手机app进行显示。
44.在一可实施方式中，参照图6，超透镜的数量为一个，该超透镜为宽带超透镜61，且宽带超透镜61覆盖红光光源发射器12、红外光光源发射器14、红光光接收器16和红外光光接收器18所在区域。
45.该实施方式相较于超透镜数量为四个的实施方式而言，简化了超透镜的制备过程，简化了整体心率血氧探测器的制备工艺。
46.以下提供两种制备方案：（1）将宽带超透镜61划分为4个区域，每个区域按照红光和红外光的发射和收集焦距设计超透镜，同样选用sio2作为基底，利用等离子体增强化学气相沉积技术在其上方生长si膜，再利用光刻或电子刻蚀技术在si膜上制备符合设计要求的超透镜。
47.（2）在超透镜数量为四个的实施方式上进行改进，将原本的聚焦超透镜的相位重构单元拆分为两部分，波长无关的基础相位单元和波长有关的补偿相位单元，通过这两种相对独立的相位调制单元，设计出在660nm和860nm波段的聚焦宽带超透镜，同样选用sio2作为基底，利用等离子体增强化学气相沉积技术在其上方生长si膜，再利用光刻或电子刻蚀技术在si膜上制备符合设计要求的超透镜。
48.当这种超透镜制备成功后，利用半导体加工工艺，将之集成在两个光发射器和光接收器上方，从而完成心率血氧探测器的制备，这里光发射器和光接收器也可采用市面较为常见的小型led光源和小型光电传感器。
49.其后的读取电路19包含各种信号处理的集成单板，可将光接收器中接收到的电信号响应处理，并输出处理。
50.软件处理模块20包含处理ppg信号的算法，依据上述原理公式，编写计算心率和血氧的算法程序，或者直接采用较为成熟的商用心率血氧计算程序处理读取电路19所输出的ppg信号，从而得到人体的具体心率血氧参数。该处理软件一般集成在与耳机蓝牙连接的手
机中，经其处理的信号通过手机app进行显示。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
53.以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。