专利名称：用于计算机操作者健康的监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种人体健康的监测装置及方法，特别涉及一种通过非接触检测呼吸率或心率来监测计算机操作者健康的装置及方法。
背景技术：
随着科技水平的提高，现代办公室综合症，特别是“高科技病”渐渐成为现代职业病。计算机可以说是本世纪最伟大的发明之一，有了它，人们工作、生活、学习的方式都出现了划时代的改变，随着网络与电脑的普及，人们对于电脑的依赖越来越强，许多人终日在电脑前伏案工作，沉迷于无限沟通的互联网世界。但是它给人们带来种种方便的同时，也随之带来了烦恼，人们或多或少地担心长期从事电脑工作会对身体健康产生许多不良影响。专家认为，人们的担心并非多虑，据调查，常用计算机的人中感到眼睛疲劳的占83%，肩酸腰痛的占63. 9%，头痛和食欲不振的则占56. 1%和54. 4%，其他还出现自律神经失调、忧郁症、动脉硬化性精神病等等。
关于计算机操作者的健康监测技术，由于它对预防电脑病方面的发展前景而受到各国高度的重视，研究人员根据操作者生理信号的变化特征进行了多方面的研究。计算机操作者的健康监测方法可大致分为(I)基于可穿戴技术的生理信号监测方法；(2)基于视频技术的生理信号监测方法。
上述方法中，可穿戴技术是将生理信号检测技术和人们日常穿戴的衣物相融合， 使其在自然状态下实现生理信号的获取和无创监测，可以获取的生理信号主要包括脑心电 (ECG)、呼吸、体温、血压等。该方法对计算机操作者健康状态的判断准确性较高，但检测过程中需要穿戴植入多种传感器的衣物，并尽可能保持人体静止，在实际用于计算机操作者的健康监测时有很多的局限性，因此主要应用在实验阶段，作为实验的对照参数。
基于视频技术的生理信号监测方法是指利用操作人的眼动特性、头部运动特性等推断的被测者的健康状态。 该方法一般采用非接触式测量，对健康状态的检测精度较好，但是检测设备价格昂贵、算法复杂，也只能用于实验室研究阶段。发明内容
本发明的目的是提供一种对计算机操作者无约束、非接触的呼吸率或心率监测装置，可在不影响操作者工作的同时，实现对其健康状态的监测和报警。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的
一种用于计算机操作者健康的监测装置，其特征在于，包括向计算机操作人员非接触辐射窄脉冲信号的微功率生物雷达前端，该微功率生物雷达前端对计算机操作者胸壁反射的呼吸或心跳的回波信号经可变延迟及相关检测输出至USB采集卡，USB采集卡的输出接入计算机中的用于结果显示和控制的数据处理模块；所述数据处理模块包括数字滤波单元、数值提取单元和数值比较单元，其中，数字滤波单元将USB采集卡送来的呼吸或心跳数字信号自适应滤波后使呼吸或心跳信号变得干净和平滑；数值提取单元将滤波后的呼吸或心跳信号通过自相关处理和功率谱估计得到呼吸率或心率数值，数值比较单元将该呼吸率或心率数值与预先设置好的呼吸率阈值或心率阈值进行比较，并提示异常及报警。
上述装置中，所述的微功率生物雷达前端由信号源、窄脉冲成形电路、可变延迟线电路、相关检测电路、积分器和微分器构成，其中的窄脉冲成形电路产生的窄脉冲序列经过外接发射天线辐射计算机操作者，由其呼吸或心跳引起的胸壁微动将窄脉冲序列的回波信号进行调制，经外接接收天线进入相关检测和可变延迟线电路进行解调，然后通过积分器、 微分器的脉冲积累、微动检测后检测出呼吸或心跳信号进入USB采集卡，USB采集卡一方面将模拟的呼吸或心跳信号数字化后进入计算机中的数据处理模块完成呼吸率或心率的显示和报警；另一方面输出8位的高低电平对可变延迟线电路进行控制，实现距离的断层扫描，外接发射天线与接收天线与操作者的胸部距离不超过O. 5米。
所述的窄脉冲成形电路产生的窄脉冲序列为整形后的250PS微波脉冲序列信号。
所述积分器的时间常数为30s，微分器的时间常数为O. 5秒。
一种计算机操作者健康的监测方法，采用前述用于计算机操作者健康的监测装置实现，其特征在于，包括下述步骤
(I)首先，在数据处理模块中运行数据处理软件，对微功率生物雷达前端和USB数据采集卡进行硬件自检，当硬件准备就绪时自动创建文件名并开始采集操作者的呼吸或心跳信号；
(2)然后对呼吸通路进行低通FIR滤波或对心跳通路进行带通FIR滤波，滤波后的两路信号经过自相关和AR模型功率谱估计后提取出操作者的呼吸率或心率，其中呼吸率为每30秒提取I次；心率为每5秒提取I次；
(3)取前10分钟的呼吸率的平均值的75%作为呼吸率阈值；取前10分钟的心率平均值的75%作为心率阈值，后续的呼吸率与呼吸率阈值比较；或后续的心率的瞬时值与心率阈值进行比较，
(4)当操作者的呼吸率或心率出现连续3次大于阈值的情况，数据处理模块自动进行声音报警，提示操作者保存正在运行的程序或文本，在数分钟之内使计算机系统自动关闭软件停机。
上述方法中，所述低通FIR滤波，其截止频率为O. 5Hz。所述的带通FIR滤波，其下线截止频率为O. 6Hz，上限截止频率为2. 5Hz。
与现有的计算机操作者健康监护装置及方法相比，本发明具有以下优点
1、由于采用微功率生物雷达前端，无需任何器件或导线接触计算机操作者，从信号的发射到接收完全是无线的，可以在O. 5米内实现对计算机操作者的呼吸信号的监测， 检测过程中对其没有任何束缚，克服了接触式传感器或电极长时间监测容易增加心理负荷而影响健康状态的客观评估。
2、由于采用了距离断层扫描技术，具有很强的抗运动干扰能力。在设定了作用距离扫描脉冲后，除人体的呼吸和心跳信号之外，其他运动干扰均被有效地抑制，因此具有很高的运动干扰抑制能力。
3、呼吸率和心率检测准确。传统的有线呼吸或心电监测装置需要绑带或电极绑于计算机操作者的胸腹部，胸腹部的运 动会产生较大的基线漂移而影响呼吸率和心率检测的准确度，导致心率和呼吸率的误差为4-6次/分钟。而本发明监测装置，呼吸或心跳信号的检测不受基线漂移的影响，且呼吸率或心率的检测采用自相关处理、自适应检测和功率谱相融合，呼吸率或心率的检测误差为1-2次/分钟。
4、安装和使用灵活。计算机操作者的健康监测装置的硬件部分采用USB电源供电，并可夹在计算机屏幕或放立于桌面上；软件部分安装简介、方便，使用时只需将程序打开并进行小型化显示，不影响计算机的正常运行。
5、本发明计算机操作者健康监测方法，通过非接触检测操作者的呼吸信号和心跳信号，采用可变延迟线、自适应滤波、自相关分析和功率谱估计等处理，能够有效地抑制检测者的其他运动干扰，准确地监测计算机操作者的呼吸率或心率，并与预设的阈值比较进行报警提示或自动关闭计算机，强制让计算机操作者休息。
以下结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明装置的功能结构框图。
图2为图1中的微功率生物雷达前端的电路原理图。
图3为图1中的数据处理模块中的数据处理流程图。
图4为一名计算机操作者的呼吸信号和功率谱。其中(a)图为呼吸波形；(b)图为频谱分析。
具体实施方式
如图1所示，一种用于计算机操作者健康的监测装置，包括向计算机操作人员非接触辐射窄脉冲信号的微功率生物雷达前端，该微功率生物雷达前端对计算机操作者胸壁反射的呼吸或心跳的回波信号经可变延迟及相关检测输出至USB采集卡，USB采集卡将呼吸和心跳信号 数字化后接入计算机中的用于结果显示和控制的数据处理模块进行后续的软件处理；同时提供8位数字高低平控制微功率生物雷达前端中的可变延迟线，实现距离的断层扫描，并向整个硬件系统提提供+5V电源。
微功率生物雷达前端包括脉冲信号源、窄脉冲成形电路、可变延迟线电路、相关检测电路、积分器和微分器。微功率生物雷达前端产生250ps的窄脉冲序列经过外接发射天线tanl辐射计算机操作者，由呼吸或心跳引起的胸壁微动将窄脉冲序列的回波信号进行调制，经外接接收天线tan2进入相关检测和可变延迟线电路进行解调，然后通过积分器、 微分器的脉冲积累、微动检测后检测出呼吸或心跳信号进入USB采集卡。USB采集卡一方面将模拟的呼吸或心跳信号数字化后进入计算机中的数据处理模块(由自适应滤波、数值提取和数值比较构成)完成呼吸率或心率的显示和报警提示；另一方面可输出8位的高低电平对可变延迟线进行控制。微功率生物雷达前端的电源由USB提供+5V。
数据处理模块包括自适应数字滤波、数值提取(呼吸率和心率检测)以及数值比较，自适应数字滤波将有干扰的呼吸或心跳信号变得干净和平滑，数值提取通过自相关处理和功率谱估计得到呼吸率或心率的数值，最后与预先设置好的呼吸率阈值或心率阈值进行比较，当出现异常时进行保存提示和报警，持续报警I分钟后自动关闭计算机。
微功率生物雷达前端的具体电路可采用如图2所示的电路结构。其中脉冲信号源由晶体振荡器Gl、门电路D1A-D3A和RC电路R1、Cl，R2、C2组成，其输出信号为标准的TTL方波，频率为6MHz ;窄脉冲形成电路采用阶跃二极管Vl对信号源产生的方波进行整形，这种二极管在正弦信号的作用下能产生持续时间极短的脉冲串(几十ns)，窄脉冲再经过激励电感LI (nH级微带电感)整形为250ps的快脉冲。可变延迟线电路由反相器D5A和D8A、 专用集成电路DI (型号为AD9501)、RC的固定延迟器构成，可变延迟线电路由与的8位高低电平控制，其步长为O. 15ns，则测距精度可以达到22. 5mm ;相关检测电路实际上是一个窄脉冲采保电路，主要由采样二极管V3和电容C14组成，发射信号经过一定的延迟(相当于在某一距离上)后，对接收信号进行采样，假若在此距离上有一静止目标，则经过一定时间积累后，就会产生一个直流信号，如果目标是运动的，则经过积累后就会得到一个交流信号， 即多谱勒信号。采样二极管选用选择开关时间小、寄生分量小的二极管，电容选用充电时间常数大于取样脉冲的脉冲宽度、放电时间常数大于取样脉冲的周期。积分器对相关检测电路的输出信号进行积累，经过成千上万个脉冲积累后微弱的目标信号被检测出来；微分器对积分器的输出信号进行微分，如果没有运动目标，微分器的输出信号为一固定值，如果有运动目标，微分器把由于目标运动引起的积累信号的变化检测出来。其中积分器(由NUCll 和R9构成)的时间常数为30s，微分器(由C10、N2和R8构成)时间常数为O. 5秒，保证能够将操作者呼吸或心跳的微动信号检测出来。微功率生物雷达前端的输出功率小于O. 01微瓦，作用距离小于O. 5米。
如图3所示，计算机中的数据处理模块对USB采集卡输入数据的处理流程是
首先，运行数据处理软件，对微功率生物雷达前端和USB数据采集卡进行硬件自检，当硬件准备就绪时自动创建文件名并开始采集呼吸或心跳信号；然后对呼吸通路进行低通FIR (有限冲激响应)滤波(截止频率为O. 5Hz)或对心跳通路进行带通FIR滤波(下线截止频率为O. 6Hz，上限截止频率为2. 5Hz)，滤波后的两路信号经过自相关和AR (自回归) 模型功率谱估计后提取出呼吸率或心率，其中呼吸率为每30秒提取I次；心率为每5秒提取I次，取前10分钟的呼吸率或心率的平均值的75%作为阈值；后续的呼吸率或心率的瞬时值和阈值进行比较，如果连续出现3次大于阈值的情况，软件自动进行声音报警、提示操作者保存正在运行的程序或文本，I分钟后自动关闭软件和计算机，强制让计算机操作者休肩、O如图4所示，采用本发明的计算机操作者健康监测装置检测到正常状态下的呼吸信号。天线与操作者的胸部距离为O. 5米，无需任何电缆线或传感器接触身体，波形结果表明此时呼吸信号功率谱中对应的峰值频率为O. 2188Hz，此时对应呼吸率为13次/分钟。
权利要求
1.一种用于计算机操作者健康的监测装置，其特征在于，包括向计算机操作人员非接触辐射窄脉冲信号的微功率生物雷达前端，该微功率生物雷达前端对计算机操作者胸壁反射的呼吸或心跳的回波信号经可变延迟及相关检测输出至USB采集卡，USB采集卡的输出接入计算机中的用于结果显示和控制的数据处理模块；所述数据处理模块包括数字滤波单元、数值提取单元和数值比较单元，其中，数字滤波单元将USB采集卡送来的呼吸或心跳数字信号自适应滤波后使呼吸或心跳信号变得干净和平滑；数值提取单元将滤波后的呼吸或心跳信号通过自相关处理和功率谱估计得到呼吸率或心率数值，数值比较单元将该呼吸率或心率数值与预先设置好的呼吸率阈值或心率阈值进行比较，并提示异常及报警。
2.如权利要求1所述的用于计算机操作者健康的监测装置，其特征在于，所述的微功率生物雷达前端由信号源、窄脉冲成形电路、可变延迟线电路、相关检测电路、积分器和微分器构成，其中的窄脉冲成形电路产生的窄脉冲序列经过外接发射天线辐射计算机操作者，由其呼吸或心跳引起的胸壁微动将窄脉冲序列的回波信号进行调制，经外接接收天线进入相关检测和可变延迟线电路进行解调，然后通过积分器、微分器的脉冲积累、微动检测后检测出呼吸或心跳信号进入USB采集卡，USB采集卡一方面将模拟的呼吸或心跳信号数字化后进入计算机中的数据处理模块完成呼吸率或心率的显示和报警；另一方面输出8位的高低电平对可变延迟线电路进行控制，实现距离的断层扫描，外接发射天线与接收天线与操作者的胸部距离不超过O. 5米。
3.如权利要求2所述的用于计算机操作者健康的监测装置，其特征在于，所述的窄脉冲成形电路产生的窄脉冲序列为整形后的250ps微波脉冲序列信号。
4.如权利要求2所述的用于计算机操作者健康的监测装置，其特征在于，所述积分器的时间常数为30s，微分器的时间常数为O. 5秒。
5.一种计算机操作者健康的监测方法，采用权利要求1所述的用于计算机操作者健康的监测装置实现，其特征在于，包括下述步骤(I)首先，在数据处理模块中运行数据处理软件，对微功率生物雷达前端和USB数据采集卡进行硬件自检，当硬件准备就绪时自动创建文件名并开始采集操作者的呼吸或心跳信号;(2 )然后对呼吸通路进行低通FIR滤波或对心跳通路进行带通FIR滤波，滤波后的两路信号经过自相关和AR模型功率谱估计后提取出操作者的呼吸率或心率，其中呼吸率为每 30秒提取I次；心率为每5秒提取I次；(3)取前10分钟的呼吸率的平均值的75%作为呼吸率阈值；取前10分钟的心率平均值的75%作为心率阈值，后续的呼吸率与呼吸率阈值比较；或后续的心率的瞬时值与心率阈值进行比较，(4)当操作者的呼吸率或心率出现连续3次大于阈值的情况，数据处理模块自动进行声音报警，提示操作者保存正在运行的程序或文本，在数分钟之内使计算机系统自动关闭软件停机。
6.如权利要求5所述的计算机操作者健康的监测方法，其特征在于，所述低通FIR滤波，其截止频率为O. 5Hz。
7.如权利要求5所述的计算机操作者健康的监测方法，其特征在于，所述的带通FIR滤波，其下线截止频率为O. 6Hz，上限截止频率为2. 5Hz。
全文摘要
本发明公开了一种用于计算机操作者健康的监测装置及方法，其中装置包括向计算机操作人员非接触辐射窄脉冲信号的微功率生物雷达前端，对计算机操作者胸壁反射的呼吸或心跳的回波信号经可变延迟及相关检测输出至USB采集卡，其输出接入计算机中的用于结果显示和控制的数据处理模块。计算机操作者健康监测方法是通过非接触检测操作者的呼吸信号和心跳信号，采用可变延迟线、自适应滤波、自相关分析和功率谱估计等处理，能够有效地抑制检测者的其他运动干扰，准确地监测计算机操作者的呼吸率或心率，并与预设的阈值比较进行报警提示或自动关闭计算机，强制让计算机操作者休息。
文档编号A61B5/08GK102988051SQ20121053890
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者路国华, 王健琪, 杨芳, 李盛, 马腾, 张华 , 薛慧君, 王 华 申请人:中国人民解放军第四军医大学