一种基于生理监测的智能枕头的制作方法

本实用新型涉及健康睡眠监测管理领域，尤其涉及一种基于生理监测的智能枕头。

背景技术：

人的三分之一时间会在睡眠中度过，睡眠的质量以及身体状况对人的健康尤为重要，及时发现体征的异常或提取发病时的生命体征参数如心电信号、脉搏信号、温度、血氧饱和度和血压等对疾病的预防和诊断有着不可替代的作用。但是，现有的生理监测仪出现有如下问题：

(1)心电信号是人体健康的一项非常重要的指标，但是，目前市面上心电的测量需要同时粘贴多个电极在上肢、下肢以及心脏附近，粘贴位置苛刻；并且电极容易脱落和受到汗液腐蚀，给被测试者带来很大的不适；另外现有的电极通过多条导线传输，不允许测试者调整身体位置，严重限制了睡眠生理监测的常态化；

(2)目前市面上测量脉搏信号都是采用在手指、手腕、耳垂等部位佩戴压电薄膜等传感器的方法来测得，这种方法需要配搭传感器在人体，如穿戴手环或者指套，会给被测者造成很大的不适，不利于患者在睡眠中的测量；

(3)目前市场上温度的测量多采用水银温度计，无法做到连续测量温度，且测量时需要被测者一直夹着温度计，对被测者造成很大的不适；

(4)传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血，再利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分压PO2计算出血氧饱和度；这种测量方法麻烦，且不能进行连续的监测。目前市面上血氧本饱和度的测量时也要把传感器夹在手指上，这种方法容易造成血液流通不畅，大大降低测量结果的准确性，且由于需要佩戴传感器，给患者造成很大的不适；

(5)目前市面上的血压测量主要采用的是听诊法血压计和示波法血压计；这两种方法都需要手动捆绑测量装置在手臂上，给患者造成很大的不适，而且一次只能得到一个血压值，不能实现血压的连续测量。

另外，现有的生理监测仪大都体积大、功耗高，不便于病人随身携带，仅适合在医院等大型场合使用，无法实现家庭监测，严重限制了睡眠生理监测的家居化和常态化。

技术实现要素：

本实用新型在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量方便、可持续测量且不会让使用者产生不适感的基于生理监测的智能枕头。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于生理监测的智能枕头，包括枕头本体、心电信号检测电极、光电脉搏传感器、温度传感器和集成电路；

所述心电信号检测电极、光电脉搏传感器和温度传感器内嵌于所述枕头本体上与人体脖颈后部相对应位置；所述集成电路内嵌于所述枕头本体的底部，并与所述心电信号检测电极、光电脉搏传感器和温度传感器电连接；

所述集成电路包括心电信号检测电路和微处理器；所述心电信号检测电路的输入端与所述心电信号检测电极电连接，并获取所述心电信号检测电极传送的心电信号，且输出模拟心电信号；所述微处理器的输入端与所述心电信号检测电路的输出端电连接，并将模拟心电信号转换为数字心电信号，且根据该数字心电信号获得心率大小。

相比于现有技术，本实用新型在枕头本体上内设置心电信号检测电极、光电脉搏传感器和温度传感器，实现人体颈脖后部处的心电、脉搏和温度的持续测量，并通过集成电路采集获得人体心率信号、脉搏信号、血压信号和血氧饱和度信号，实现了弱接触的普适化睡眠生命体征监测功能，具有无创伤性，测量方便，不会让使用者产生不适感等优点。

进一步地，所述心电信号检测电路包括心电信号处理前端、第一高通隔直流电路、第一放大电路、第一滤波调理电路和第一工频陷波电路；所述心电信号处理前端的输入端与所述心电信号检测电极电连接，并获取该心电信号；所述第一高通隔直流电路的输入端与所述心电信号处理前端的输出端连接，并用于滤除心电信号中夹杂的直流信号；所述第一放大电路的输入端与所第一高通隔直流电路的输出端电连接，所述第一放大电路用于将该心电信号放大后，传送到所述第一滤波调理电路；所述第一滤波调理电路滤除放大的心电信号中的高频信号后，传送到所述第一工频陷波电路；所述第一工频陷波电路降低该心电信号中的噪声后，传送到所述微处理器。

进一步地，所述光电脉搏传感器包括两个LED灯和一个光敏二极管；所述两个LED灯发射光信号；所述光敏二极管接收经过人体脖颈血液和组织吸收后反射的光信号，并转换成脉搏电信号后，传送到所述集成电路。

进一步地，所述集成电路还包括脉搏信号检测电路；所述脉搏信号检测电路与所述光电脉搏传感器电连接，并获取所述光电脉搏传感器传送的脉搏电信号，且输出的模拟脉搏电信号；所述微处理器的输入端与所述脉搏信号检测电路的输出端电连接，并将该模拟脉搏电信号转换为数字脉搏电信号，且根据该数字脉搏电信号获得脉搏大小、血压大小和血氧饱和度大小。

进一步地，所述脉搏信号检测电路包括第二高通隔直流电路、第二放大电路、第二滤波调理电路、第三放大电路、反向偏置电路；所述第二高通隔直流电路的输入端与所述光电脉搏信号电连接，并滤除脉搏电信号夹杂的直流信号；所述第二放大电路的输入端与所第二高通隔直流电路的输出端电连接，所述第二放大电路用于将该脉搏电信号放大后，传送到第二滤波调理电路；所述第二滤波调理电路滤除脉搏电信号中的高频信号后，传送到所述第三放大电路；所述第三放大电路用于将该脉搏电信号进行二级放大后，传送到所述反向偏置电路；所述反向偏置电路用于将该脉搏信号幅度调整后，传送到所述微处理器。

进一步地，所述温度传感器与所述数字处理器信号电连接，并将获取的温度信号传送到所述微处理器。

进一步地，所述集成电路还包括蓝牙模块；所述蓝牙模块与所述微处理器电连接，并将所述微处理器获取的心率信号、脉搏信号、血压信号、血氧饱和度信号和温度信号传送到终端。

进一步地，所述第一滤波调理电路包括第二电压比较器和第三电压比较器；

所述第二电压比较器的正电源输入端接收电源电压，并通过第一滤波电容接地；负电源输入端接收负极电源电压，并通过第七滤波电容接地；正输入端通过第四电阻和第三电阻与所述第一放大电路的输出端连接，并通过第六电容后接地；负输入端通过第三电容和第三电阻与所述第一放大电路的输出端连接；输出端与负输入端连接，并与第三电压比较器连接；

所述第三电压比较器的正电源输入端接收电源电压，并通过第十五滤波电容接地；负电源输入端接收负极电源电压，并通过第十四滤波电容接地；正输入端通过第九电阻和第十电阻与所述第二电压比较器的输出端连接，并通过第十三滤波电容接地；输出端与负输入端连接，并与所述第一工频陷波电路连接。

进一步地，所述心电信号检测电极为布纤维电极，该布纤维电极横向分布在枕头本体上，并与人体右腿驱动相互交错。

进一步地，所述光电脉搏传感器和温度传感器均设置在距离所述枕头本体的枕面0-1厘米处。

相比于现有技术，本实用新型在枕头本体上内设置心电信号检测电极、光电脉搏传感器和温度传感器，实现人体颈脖后部处的心电、脉搏和温度的持续测量，并通过集成电路采集获得人体心率信号、脉搏信号、血压信号和血氧饱和度信号，实现了弱接触的普适化睡眠生命体征监测功能，具有无创伤性，测量方便，不会让使用者产生不适感等优点。进一步地，通过蓝牙模块可将采集的人体信号传送到互联网、手机终端，实现“体温及心率异常报警”、“血压及血氧异常报警”、“睡眠时间计算”、“生理参数本地保存”和“微信远端数据分享”的功能。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1是本实用新型基于生理监测的智能枕头实施例的结构示意图；

图2是本实用新型基于生理监测的智能枕头实施例的原理框图；

图3是本实用新型光电脉搏传感器的外围电路图；

图4是本实用新型温度传感器的外围电路图；

图5是心电信号处理前端的电路图；

图6是第一高通隔直流电路、第一放大电路、第一滤波调理电路和第一工频陷波电路的电路图；

图7是脉搏信号检测电路的电路图。

具体实施方式

请同时参阅图1和图2，图1是本实用新型基于生理监测的智能枕头实施例的结构示意图，其中横线部分为心电信号检测电极分布图；图2是本实用新型基于生理监测的智能枕头实施例的原理框图。

该基于生理监测的智能枕头包括枕头本体1、心电信号检测电极2、光电脉搏传感器3、温度传感器4和集成电路5。所述心电信号检测电极2、光电脉搏传感器3和温度传感器4内嵌于所述枕头本体1上与人体脖颈后部相对应位置；所述集成电路5内嵌于所述枕头本体1的底部，并与所述心电信号检测电极2、光电脉搏传感器3和温度传感器4电连接，并将获取的心率信号、脉搏信号、温度信号、血压信号和血氧饱和度信号传送到终端。

所述心电信号检测电极2采用布纤维电极，该布纤维电极横向分布在枕头本体1上，并与人体右腿驱动相互交错，确保了无论人体睡姿如何变动，均可测出心电信号。相比于传统的凝胶电极心理负荷大，易脱落，信号稳定性差的缺点，布纤维电极具有弱接触、低心理负荷和操作便捷的特点；本实用新型的布纤维电极设置在枕头内与人体脖颈相对应位置，无需将四肢或躯体与电极进行捆绑，改进了测量部位，去除了传统测量所需的多个导联线，提高了人体睡眠的舒适度，美化解睡眠与测量的矛盾。

所述光电脉搏传感器3设置在距离所述枕头本体1的枕面0-1厘米处，根据朗伯比尔定律，运用光电容积描记(PPG)技术来获取脉搏信号。具体的，所述光电脉搏传感器3包括两个LED灯和一个光敏二极管；所述两个LED灯发射光信号；所述光敏二极管接收经过人体脖颈血液和组织吸收后反射的光信号，并转换成脉搏电信号后，描记出血管容积在心动周期内的变化，从而得到的脉搏波形，并传送到所述集成电路5。无须测试者佩戴任何设备在身上就能得到脉搏波。

请参阅图3，其是本实用新型光电脉搏传感器的外围电路图。

本实施例中，所述光电脉搏传感器3采用型号为NJL5310芯片的高精度非接触传感器，该芯片的1引脚、3引脚5引脚一并与接线端子3P1的1端口连接；2引脚与接线端子3P1的2端口连接；4引脚和6引脚通过第三十二电阻3R2与接线端子3P1的3端口连接，所述光电脉搏传感器3通过该接线端子3P1与所述集成电路5连接。

所述温度传感器4设置在距离所述枕头本体1的枕面0-1厘米处。本实施例中，所述温度传感器4采用型号为MLX90614芯片的高精度红外非接触式体温传感器4，其自带数字处理芯片，所述集成电路5只需要通过SPI通信方式对其进行数字读取即可获取高精度的体温数据。具体的，请参阅图4，其是本实用新型温度传感器的外围电路图。该MLX90614芯片的1引脚接地；2引脚接电源电压，并通过电容Cx1接地；4引脚通过电阻Rx1接电源电压，3引脚输出温度信号，并通过电阻Rx2接电源电压。

所述集成电路5包括心电信号检测电路51、脉搏信号检测电路52、微处理器53、蓝牙模块54和电源模块(图中未示)。所述心电信号检测电路51的输入端与所述心电信号检测电极2电连接，并获取所述心电信号检测电极2传送的心电信号，且输出模拟心电信号；所述微处理器53的输入端与所述心电信号检测电路51的输出端电连接，并将模拟心电信号转换为数字心电信号，且根据该数字心电信号获得心率大小。所述脉搏信号检测电路52与所述光电脉搏传感器3电连接，并获取所述光电脉搏传感器3传送的脉搏电信号，且输出的模拟脉搏电信号；所述微处理器53的输入端与所述脉搏信号检测电路52的输出端电连接，并将该模拟脉搏电信号转换为数字脉搏电信号，且根据该数字脉搏电信号获得脉搏大小、血压大小和血氧饱和度大小所述蓝牙模块54与所述微处理器53信号连接，并将获取的获取的心率信号、脉搏信号、血压信号、血氧饱和度信号和温度信号传送到终端6。所述电源模块向所述心电信号检测电路51、脉搏信号检测电路52、微处理器53和蓝牙模块54提供工作电压。

所述心电信号检测电路51包括心电信号处理前端510、第一高通隔直流电路511、第一放大电路512、第一滤波调理电路513和第一工频陷波电路514。所述心电信号处理前端510的输入端与所述心电信号检测电极电连接，并获取该心电信号。所述第一高通隔直流电路511的输入端与所述心电信号处理前端510电连接，并用于滤除心电信号中夹杂的直流信号；所述第一放大电路512的输入端与所第一高通隔直流电路511的输出端电连接，所述第一放大电路512用于将该心电信号放大后，传送到第一滤波调理电路513；所述第一滤波调理电路513滤除放大的心电信号中的高频信号后，传送到所述第一工频陷波电路514；所述第一工频陷波电路514降低心电信号中的噪声后，传送到所述微处理器53。

具体的，所述心电信号检测电路51的电路结构如下：

请参阅图5，其是是心电信号处理前端的电路图。

所述心电信号处理前端510包括由型号为AD8232的滤波芯片U1和指示电路。该芯片U1的1引脚和20引脚通过第五十一电容C51连接；2引脚通过第五十一电阻R51与心电信号检测电极2的正极连接；3引脚通过第五十二电阻R52与心电信号检测电极2的负极连接；4引脚通过第五十二电容R52与5引脚连接；5引脚还通过第五十三电阻R53与心电信号检测电极2的正极连接，通过第五十四电阻R54与心电信号检测电极2的负极连接；6引脚通过第六十电阻R60和第五十九电阻R59与20引脚连接；10引脚连接第五十八电阻R58后，与9引脚一并与第五十七电阻R57连接，之后与8引脚一并与第五十四电容C54连接，再与7引脚一并通过第五十六电阻R56、第五十五电阻R55与19引脚连接，以对获取的心电信号进行二次滤波；10引脚还通过第五十三电容R53连接第五十五R55电阻，并通过电阻R64与型号为AD8603的芯片U2和指示灯LED1连接，以指示是否有信号输出。该芯片U1的13引脚和15引脚接收负极电源电压；14引脚和16引脚接地；17引脚接收负极电源电压，并通过第五十六滤波电容C56接地，18引脚通过第六十二电阻接收负极电源电压，并通过并联的第六十三滤波电阻R63和第五十五滤波电容R55接地；19引脚还通过第六十一电阻R61、第六十电阻R60和第五十八电容C58输出心电信号。

请参阅图6，其是第一高通隔直流电路、第一放大电路、第一滤波调理电路和第一工频陷波电路的电路图；

所述第一高通隔直流电路511由第四电容C4和第二电阻R2构成，所述第四电容C4一端与所述心电信号处理前端510的输出端连接，另一端连接第二电阻R2，并输出滤除了直流信号的心电信号。

所述第一放大电路512包括芯片AD620；该芯片AD620的4引脚与所述第四电容C4连接，并接收反向电源电压，且该端通过第五滤波电容C5后接地；5引脚接地，7引脚接收电源电压，并通过第二滤波电容C2接地；1引脚和8引脚通过第一电阻R1连接，以将该心电信号放大50倍后，通过6引脚输出。

所述第一滤波调理电路513包括第一心电信号低通滤波器和第二心电信号低通滤波器。

所述第一心电信号低通滤波器包括由型号为LM358AD构成的16.1HZ的第二电压比较器U2A。所述第二电压比较器U2A的正电源输入端接收电源电压，并通过第一滤波电容C1接地；负电源输入端接收负极电源电压，并通过第七滤波电容C7接地；正输入端通过第四电阻R4和第三电阻R3与所述第一放大电路512的输出端连接，并通过第六电容C6后接地；负输入端通过第三电容C3和第三电阻R3与所述第一放大电路512的输出端连接；输出端与负输入端连接，并与所述第二心电信号低通滤波器连接。

第二心电信号低通滤波器包括由型号为LM358AD构成的16.1HZ的第三电压比较器U3A。所述第三电压比较器U3A的正电源输入端接收电源电压，并通过第五滤波电容C15接地；负电源输入端接收负极电源电压，并通过第四滤波电容C14接地；正输入端通过第九电阻R9和第十电阻R10与所述第二电压比较器U2A的输出端连接，并通过第十三滤波电容C13接地；输出端与负输入端连接，并与所述第一工频陷波电路514连接。

所述第一工频陷波电路514包括由型号为LM358AD构成的第二十电压比较器U2B和第三十电压比较器U3B；所述第二十电压比较器U2B和第三十电压比较器U3B的正电源输入端接收电源电压，并通过第八滤波电容C8接地；负电源输入端接收负极电源电压，并通过第十滤波电容C10接地。所述第二十电压比较器U2B的正输入端通过第五电阻R5和第六电阻R6与所述第一滤波调理电路513的输出端连接；负输入端与输出端与连接；输出端与第八电阻R8连接后，与第三十电压比较器U3B的正输入端连接，且与第十一电阻R11连接后接地。所述第三十电压比较器U3B的负输入端与第三十电压比较器U3B的输出端连接；所述第三十电压比较器U3B的输出端通过第十二电容C12、第六电阻R6后与所述第二十电压比较器U2B的正输入端连接；所述第三十电压比较器U3B的输出端还与第七电阻R7连接，之后通过第九电容C9与所述第二十电压比较器U2B的正输入端，通过第十六电容C16、第五电阻R5、第六电阻R6与所述第二十电压比较器U2B的正输入端，以在所述第二十电压比较器U2B的输出端获得降低了噪声的心电信号。

本实施例中，在所述第一工频电路514对所述第一滤波调理电路513传送的心电信号进行降噪处理后，还经过滤波电路515后才传送到所述微处理器53。所述滤波电路515包括由型号为LM358AD构成的第五十电压比较器5A，所述第五十电压比较器5A的正电源输入端接收电源电压；负电源输入端接收负极电源电压；正输入端通过第四十三电阻4R3与所述第一工频电路514的输出端连接，该正输入端还与第四十四电阻4R4连接，并通过第四十一电阻4R1连接正极电源电压，通过第四十二电阻4R2接地。

所述脉搏信号检测电路52包括第二高通隔直流电路521、第二放大电路522、第二滤波调理电路523、第三放大电路524和反向偏置电路525；所述第二高通隔直流电路521的输入端与所述光电脉搏信号电连接，并滤除脉搏电信号夹杂的直流信号；所述第二放大电路522的输入端与所第二高通隔直流电路521的输出端电连接，所述第二放大电路522用于将该脉搏电信号放大后，传送到第二滤波调理电路523；所述第二滤波调理电路523滤除脉搏电信号中的高频信号后，传送到所述第三放大电路524；所述第三放大电路524用于将该脉搏电信号进行二级放大后，传送到所述反向偏置电路525；所述反向偏置电路525用于将该脉搏信号幅度调整后，传送到所述微处理器53。

具体的，所述脉搏信号检测电路52的电路结构如下：

请参阅图7，其是脉搏信号检测电路的电路图。

所述第二高通隔直流电路521由第二十一极性电容3C21、第二十二极性电容3C22、第二十一电阻3R21和第二十二电阻3R22构成。所述第二放大电路522包括芯片AD620，该芯片的1引脚与8引脚通过第三十三电阻3R3连接；2引脚通过第三十五电阻3R5与第二十二极性电容3C22连接；3引脚通过第三十四电阻3R4后接地；4引脚接反向电源电压；5引脚接地；7引脚接电源电压；6引脚输出放大了332倍的低噪声心电信号。

所述第二滤波调理电路523包括第一脉搏信号低通滤波器5231和第二脉搏信号低通滤波器5232。

所述第一脉搏信号低通滤波器5231包括由型号为LM358AD构成的22.1HZ的第三十四电压比较器3U4A。所述第三十四电压比较器3U4A的正电源输入端接收电源电压；负电源输入端接收负极电源电压；正输入端依次与第二十九电阻3R29和第二十八电阻3R28连接，并通过第二十三极性电容3C23与所述第二放大电路522的输出端连接，通过第二十三滤波电阻3R23接地，该正输入端同时还通过第十二滤波电容3C12接地；负输入端通过第三十电阻3R30接地；输出端通过分别通过第三十一电阻3R31与负输入端连接，通过第十一电容3C11、第二十九电阻3R29与正输入端连接。

所述第二脉搏信号低通滤波器5232包括由型号为LM358AD构成的22.1HZ的第三十三电压比较器3U3B。所述第三十三电压比较器3U3B的正电源输入端接收电源电压；负电源输入端接收负极电源电压；正输入端通过第三十九电阻3R9和第三十八电阻3R8与所述第三十四电压比较器3U4A的输出端连接，并通过第三十二滤波电容3C2接地；负输入端通过第三十电阻3R10接地；输出端通过分别通过第十一电阻3R11与负输入端连接，通过第三十一电容3C1、第三十九电阻3R9与正输入端连接。

所述第三放大电路524包括型号为LM385AD的第三十五电压比较器3U3A。所述第三十五电压比较器3U3A的正电源输入端接收电源电压；负电源输入端接收负极电源电压；正输入端通过第三十六电阻3R16和第三十五电容3C5与所述第三十五电压比较器3U3B的输出端连接；负输入端通过第三十三电阻3R13接地；输出端通过第十一电阻3R12与负输入端连接，并将放大30倍后的脉搏信号传送到所述反向偏置电路。

所述反向偏置电路525包括型号为LM385AD的第三十六电压比较器3U4B。所述第三十六电压比较器3U4B的正电源输入端接收电源电压；负电源输入端接收负极电源电压；正输入端通过第十八电阻3R18与所述第三十五电压比较器3U3A的输出端连接，且该第三十六电压比较器3U4B的正输入端还通过第十九电阻3R19和第二十电阻3R20接收电源电压，并在连接第十九电阻3R19和第二十五电阻3R25后接地。所述第三十六电压比较器3U4B的输出端与负输入端连接，并将脉搏信号传送到所述微处理器53。

本实施例中，所述微处理器53采用型号为STM32系列的单片机。

所述微处理器53同时与所述温度传感器4连接，用户获取所述温度传感器4传送的人体体温信号。本实施例中，所述微处理器53可以根据需要按时序获取心电信号、脉搏信号或者人体体温信号。同时，所述微处理器53根据脉搏波传导时间理论，利用小波变换算法，对心电信号和脉搏波信号处理，获得血压信号和血氧饱和度信号。

所述微处理器53将获得的数据通过所述蓝牙模块发送到终端6，所述终端6通过Android APP作为接收和处理终端并接入互联网，通过调用手机的多种系统功能，实现“体温及心率异常报警”、“血压及血氧异常报警”、“睡眠时间计算”、“生理参数本地保存”和“微信远端数据分享”的功能。

所述蓝牙模块54的型号为CC2541

相比于现有技术，本实用新型在枕头本体上内设置心电信号检测电极、光电脉搏传感器和温度传感器，实现人体颈脖后部处的心电、脉搏和温度的持续测量，并通过集成电路采集获得人体心率信号、脉搏信号、血压信号和血氧饱和度信号，实现了弱接触的普适化睡眠生命体征监测功能，具有无创伤性，测量方便，不会让使用者产生不适感等优点。进一步地，通过蓝牙模块可将采集的人体信号传送到互联网、手机终端，实现“体温及心率异常报警”、“血压及血氧异常报警”、“睡眠时间计算”、“生理参数本地保存”和“微信远端数据分享”的功能。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。