专利名称：运动心率的实时检测和视频数据叠加系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电类，特别是涉及一种基于nRF9E5的运动心率采集和无线发送处理系统与运动状态 的视频实时采集系统，其主要目的是通过对心率和运动状态的比较分析，确定健康锻炼或运动训练所应达 到的适宜运动强度，进一步深入研究可以观察运动全过程人体心脏功能的变化，这样可以为锻炼或训练提 供一个科学的量化手段。
背景技术：
心率的检测方法，有以下几种l.通过触摸脉搏，记录一定时间内的脉搏数后得到心率，借助于光电
式脉搏传感器也可以在人体指尖测量脉搏。2.心电监护仪测量心率，这是在临床上使用最广泛的方法。3.
使用心率表测量心率，在运动过程中，心率表是学生观察自身心率的一个重要工具。
上述方法是目前国际和国内常用的测量心率的方法。通过桡动脉或指尖的脉搏得到心率的方法尽管简 单，但是如果脉搏微弱或按压的位置不准确，会严重影响测量结果的准确性，而且这种方法不适用于运动 心率的测量，对于指尖测量的方法来说，剧烈的心脏搏动，频繁的血液充盈使得光电信号很不稳定，同样
不能用于测量运动心率；心电监护仪能够提供大量的心电信息，包括实时的心电信号的波形和各种间期， 但是它只能应用于静息状态下的患者；心率表能够应用于运动心率的检测，而且能够通过手腕佩戴的心率 表显示运动心率，这也是在教学或比赛中心率表广泛使用的原因。心率表的特点是给学生或运动员自身提 供实时的心率信号，以便于他们根据心率信号调整自己的运动强度。这一特点也就决定了除学生或运动员 自身外，其他人都不能实时观察他们的心率状态。
在运动心率检测方面，目前难点主要集中在两个问题心电电极和无线通信。有些心电电极表面积比 较大，引入的噪声比较多，所以需要一个相对复杂的后期信号处理电路；有些心电传感器技术比较成熟， 电极片已经做得很小，而且信号质量比较好，因此要选用适宜的心电电极。无线通信模块发展很快，通信 协议和通信方法也很多。成熟的模块价格比较贵，而且用户二次开发的空间比较小，这对系统的整体设计 会有一些负面影响。单独的射频通信芯片应用更加广泛，它们内部集成了很多功能，功能的增强进一步加 速了应用的推广和技术的进步。国外已经有了心率遥测方面的研究，然而，遥测心率结合运动状态实时釆 集系统，可以实时了解运动状态心脏工作情况的先例却还没有发现。
实用新型内容
本实用新型是一种运动心率的实时检测和视频数据叠加系统，包括运动瞬时心率检测和实时视频叠加 两个部分，其特征是运动瞬时心率检测部分采用基于nRF9E5的无线传输模式，依照心电探测头、无线信 号转发器、无线信号接收器和单片机视频处理系统的顺序连接构成，配合PC软件实现运动瞬时心率的检 澳!l，实时视频叠加部分采用SECRT ST-424C摄像头采集运动图像，使用^D6450和单片机把心率、时间 数据叠加到视频中，再将叠加后的视频信号通过视频采集卡传送到PC，在PC上由相应的软件完成视频显 示和"l己录。
心电探测头装配有心电电极，可以采集心电信号，并含有近距离无线发射模块，将心电信号发送到无 线信号转发器。无线信号转发器接收脉冲信号，并通过定时器记录两次脉冲之间的间期，然后得到心率数 值。再通过由nRF9E5组成的无线发射模块将心率数值发送出去。PC机上的无线信号接收器接收到心率数 值后通过串行接口传送到PC机。经过数字滤波处理后，PC机将心率信号以曲线的形式显示出来。
心率传感器发送的心率信号只能到达lm的范围，而心率监测范围往往要大于lm，因此必须提高心率
3信号的发送范围。心率传感器装置在胸廓，为了不影响人体的正常运动，在体积和重量方面有严格的要求， 因此不能简单地通过提高心率传感器的功率来实现发送范围的扩大。本实用新型使用nRF9E5组成的无线 信号发射器实现这部分功能。心率信号的提取由心电电极和心电传感器两部分组成。心电电极把采集到的 心脏活动的微弱电信号传给心电传感器，心电传感器对接收到的心电信号进行放大、滤波、R波处理、脉 冲整形和调制，然后把处理后的信号发送到无线信号发射器。所述心电传感器与常规的心率记录仪相比， 做工精细，耗电量小，具有相当高的抗干扰和抗振动能力。使用时通过导电橡胶固定到胸部外侧，当人体 运动时仍可以贴紧胸廓，不易活动，也不会影响人体的运动。nRF9E5的封装大小只有5mmX5mm,这样 可以使得无线信号发射器体积仅有3cm (宽)X4cm (高)Xlcm (厚)，它可以固定在人体的腰部或大腿 外侧，不会影响人体的运动。
在运动状态实时采集系统中，首先选用思锐特SECRTST-424C摄像头采集学生的运动图像；然后使用 MPD6450和单片机把心率、时间数据叠加到视频中，再将叠加后的视频信号通过视频采集卡传送到笔记本 电脑。在笔记本电脑上由相应的软件完成视频显示和记录；视频数据采集和通讯通过PCMCIA接口，这样 整个系统实现了运动视频数据和心率数据的保存、回放和分析等功能。
本实用新型除了对心率进行实时分析外，还可以保存和回放心率数据，这样能够随时査阅以前的心率 状况，为以后的教学或训练提供参考。运动状态的视频采集和心率的视频叠加，辅助教练员跨视距观察及 练后分析运动员的训练和监测心率状况，保存训练过程中的视频后，通过计算机网络可以传送到远端的计 算机，这样即使教练员不在现场，也可以远程的看到运动员的训练情况，及时制定科学的训练方案。这样， 不仅使得教练员可以远距离甚至远程地观测运动员的训练，而且使得教练员资源能够得到合理的配置，这 样更多的运动员可以享受到专业的指导。此外，动作视频采集与保存也为练后技术分析及技术改进提供了 原始依据。
图l心率遥测和视频叠加系统框图
图2心率测量电路整体设计方案的框图
图3视频采集系统、无线信号接收器和分析系统的框图
具体实施方式
下面进一步说明心率遥测和视频叠加系统的工作方式，如图2所示，无线接收谐振回路接收心电传感 器发出的心电信号，选频之后进行心电信号的放大、滤波处理，然后通过带有回差效应的施密特触发器， 使得心电信号中的一个R波对应一个脉冲信号。脉冲信号可以使nRF9E5片内8051产生中断，开启定时 器进行计时，当再次接收到中断信号后停止计时。根据定时器的计数，就可以得到心率的数值。
当收发器准备发射数据时，它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲。当数据发送完后，数 据准备好寄存器位(DR)会通知MCU数据已经处理完毕。空闲模式有利于减小工作电流，从空闲模式到 发送模式或接收模式的启动时间比较短。在空闲模式下，nRF9E5内部的部分晶体振荡器处于工作状态。 由于nRF9E5是在每次心率信号到来时处于工作状态，其他时间是空闲状态，因此无线信号发射器的能耗 非常低。如图3所示，nPD6450和单片机把心率、时间数据叠加到视频中，再将叠加后的视频信号通过视 频采集卡传送到PC，在PC上由相应的软件完成视频显示和记录。
无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统只有一个数据终端，因此采用点对 点方式。整个系统中，无线信号发射器与接收器之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率。在 Shock Burst TM接收方式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位(AM)和数据准 备好寄存器位(DR)通知片内8051把数据读出。
权利要求1. 一种运动心率的实时检测和视频数据叠加系统，包括运动瞬时心率检测和实时视频叠加两个部分，其特征是运动瞬时心率检测部分采用基于nRF9E5的无线传输模式，依照心电探测头、无线信号转发器、无线信号接收器和单片机视频处理系统的顺序连接构成，配合PC软件实现运动瞬时心率的检测，实时视频叠加部分采用SECRT ST-424C摄像头采集运动图像，使用μPD6450和单片机把心率、时间数据叠加到视频中，再将叠加后的视频信号通过视频采集卡传送到PC，在PC上由相应的软件完成视频显示和记录。
专利摘要一种运动心率的实时检测和视频数据叠加系统，包括运动瞬时心率检测和实时视频叠加两个部分，其特征是运动瞬时心率检测部分采用基于nRF9E5的无线传输模式，依照心电探测头、无线信号转发器、无线信号接收器和单片机视频处理系统的顺序连接构成，配合PC软件实现运动瞬时心率的检测，实时视频叠加部分采用ST-424C摄像头采集运动图像，使用μPD6450和单片机把心率、时间数据叠加到视频中，再将叠加后的视频信号通过视频采集卡传送到PC，在PC上由相应的软件完成视频显示和记录，目的是通过对心率和运动状态的比较分析，确定健康锻炼或运动训练所应达到的适宜运动强度，进一步深入研究可以观察运动全过程心脏功能的变化。
文档编号A61B5/024GK201248704SQ200820127130
公开日2009年6月3日 申请日期2008年6月24日 优先权日2008年6月24日
发明者王培勇 申请人:王培勇