日常无监督状态下脉搏和血氧信息的检测系统及检测方法与流程

本发明涉及人体生理信号检测技术，尤其涉及脉搏和血氧信号的检测技术。

背景技术：

近年来，随着人们生活水平的提高，生活方式及生活习惯的变化，心血管病已成为威胁人类健康的主要原因之一，根据《中国心血管病报告2017》数据显示，我国心血管病患者高达2.9亿，心血管病死亡占居民疾病死亡40％以上，居首位，高于肿瘤及其他疾病。而且心血管病患病率及死亡率仍呈上升趋势。且我国医疗领域亟待解决的问题之一为医疗资源不足，每千人执业医生数仅为2.2，与发达国家存在较大差距，随着我国步入老龄化社会医疗资源不足的问题更加突出。

心血管疾病的病理信息具有一过性的特点，很难通过一次临床筛查检出，且心血管疾病具有突发性的特点，错过最佳的治疗时机，会造成身体机能缺失或者死亡。脉搏及血氧饱和度是人体重要的生理指标，可反映人体血压、血流、血管阻力、血管弹性、血液黏性和血氧含量等一系列心血管参数的变化。有研究表明，在心血管疾病发作前期的脉搏及血氧饱和度信号中已蕴含一定病理信息，如果在日常生活状态中能对此类信息进行准确的检测，及时预警并第一时间通知其就医，可降低心血管疾病发作带来的不良后果。脉搏及血氧饱和度还可对人体脑部供血情况及疲劳状态进行检测，特别是在一些特殊工作领域的从业者，如航空、航天、运输、电力钢铁行业等。于此同时，大量的脉搏及血氧饱和度数据有利于智能医疗平台的搭建，并在身体处于异常状态时进行预警，不仅可降低身体异常带来的身体损伤和财产损失，还可弥补临床医疗在日常监护中的不足。因此，日常无监督状态下的脉搏及血氧饱和度的检测具有重要意义。

脉搏和血氧饱和度检测的准确性常常会受到一些外来干扰因素的影响，其中体动和血流灌注为主要因素。运动时脉搏传感器与被测部位容易产生间隙或发生位移，导致脉搏信号中引入过多的运动伪迹；血流灌注指数过低，脉动血流量减少，检测到的脉搏信号的交流分量幅值以及信噪比均大幅减少。血流灌注状态和运动使得有效信号被淹没，影响脉搏及血氧饱和度的准确检测。

常见的脉搏及血氧饱和度检测设备可从指部、脚趾、腕部、耳垂、耳道等部位进行检测。然而，指部采用的夹持式传感器测量会引起血流灌注的变化，且其灵活的运动特点会引入更多的运动伪迹；脚趾处进行脉搏及血氧饱和度的测量给人们的日常活动带来很大不便；腕部的运动容易在信号检测过程中引入运动伪迹；在耳垂进行检测通常采用夹持的方式，使耳垂的血流灌注发生变化，变化的血流灌注影响信号的质量，且长时间的夹持会使佩戴者出现明显的疼痛感；传感器也可放置于耳道内进行脉搏信号的检测，有研究表明，其在咀嚼说话时仍有较大干扰，以致其无法进行信号的准确检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种日常无监督状态下的脉搏和血氧信息的检测系统及检测方法。

本发明是日常无监督状态下的脉搏和血氧信息的检测系统及检测方法，本发明的日常无监督状态下的脉搏和血氧信息的检测系统，检测系统1包括传感器模块3、信号预处理模块4和单片机处理及发送模块5，传感器模块3包括脉搏传感器301和血氧传感器302，所述脉搏传感器301和血氧传感器302为反射式光电传感器，将光电发射管和光电接收管集成为一体，脉搏传感器301使用绿光传感器，血氧传感器302中两路脉搏信号分别使用红光、红外光传感器，传感器模块3用于人体耳部脉搏和血氧信号的检测；信号预处理模块4包括信号放大401、低通滤波402和高通滤波403电路，其中信号放大401用于微弱的脉搏及血氧信号的放大，低通滤波402和高通滤波403用于抑制信号中低频、高频干扰成分。单片机处理及发送模块5包括信号采样501、特征提取502、串口通信503和蓝牙504，单片机处理及发送模块5采样经过预处理模块4处理后的信号，特征提取502提取脉搏、血氧信号、血氧饱和度以及脉搏和血氧信号的极大值和极小值点等特征，串口通信503通过蓝牙504将脉搏信号、血氧信号以及其特征以无线的方式传输至显示终端。检测系统1通过封装结构2进行固定。

本发明的日常无监督状态下的脉搏和血氧信息的检测系统的检测方法，将脉搏传感器301及血氧传感器302放置于完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域后，启动信号处理及脉搏、血氧信息发送程序，按以下步骤运行：

(1)计算数据窗宽n：

当前系统采样频率为fs时，计算数据窗宽长度为n＝1.5*fs，保证长度为n的数据窗内包括一个完整周期的脉搏信号；

(2)实时检测脉搏信号：

脉搏信号包括绿光脉搏信号、血氧饱和度传感器红光、红外光脉搏信号，第i个时刻绿光脉搏信号记为p(i)，第i个时刻的血氧饱和度传感器红光、红外光脉搏信号分别记为pr(i)、pi(i)；

(3)计算当前窗宽内脉搏信号变异系数：

cp为绿光脉搏信号变异系数，cpr、cpi分别为血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的变异系数。

(4)判断绿光脉搏信号变异系数cp是否满足cp>d，其中阈值d为经验阈值，如不满足则返回步骤(2)；

(5)依据绿光脉搏信号变异系数cp判断血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号的变异系数cpr、cpi是否满足下式：

3.5*cp>cpr+cpi>1.2*cp

如不满足则返回步骤(2)；

(6)计算绿光脉搏信号、血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极大值点：

计算当前窗宽为n的绿光脉搏信号极大值点位置记为max1，当前窗宽为n的血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极大值点位置分别记为max2，max3；

(7)结合当前窗宽绿光脉搏信号极大值点位置，计算血氧饱和度红光及红外光信号极大值是否满足阈值：

如不满足则返回步骤(2)；

(8)存储脉搏信号极大值点的位置及幅值：

如当前脉搏信号及血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的极大值点为第k个，则绿光脉搏信号极大值点位置max1记为maxp(k)，幅值记为maxap(k)血氧饱和度中红光、红外光位置max2、max3分别记为maxpr(k)、maxpi(k)，幅值记为maxapr(k)、maxapi(k)；

(9)计算并存储脉搏信号极小值点：

求得绿光脉搏信号及血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的极大值后，计算其极小值，其中绿光脉搏信号极小值在maxp(k-1)、maxp(k)之间的数据求得，并将其极小值位置记为minp(k)，幅值记为minap(k)，血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极小值在maxpr(k-1)、maxpr(k)之间与maxpi(k-1)与maxpi(k)之间的数据求得，极小值位置分别记为minpr(k)、minpi(k)，幅值记为minapr(k)、minapi(k)；

(10)计算血氧饱和度：

计算当前窗宽内数据的血氧饱和度，如式：

sao2(k)＝ar²(k)+br(k)+c，式中a、b、c为常数，通过与标准仪器校准后确定。

其中r计算如下式：

vprac(k)、vprdc(k)分别为红光检测脉搏信号的交流和直流分量，vpiac(k)、vpidc(k)分别为红光检测脉搏信号的交流和直流分量，可通过血氧饱和度红光、红外光极大值、极小值得到；

(11)将maxp(k)、maxap(k)、maxpr(k)、maxapr(k)、maxpi(k)、maxapi(k)、sao2(k)、p(i)、pr(i)、pi(i)数据转化为二进制数；

(12)添加数据起始位、结束位标识：

通信协议用于数据传输，第一个数据之前添加8位二进制数00000000，并在数据最后添加8位二进制数11111111作为数据结束位标识，便于数据读取与查错，在数据起始位与数据结束位之间放入maxp(k)、maxap(k)、maxpr(k)、maxapr(k)、maxpi(k)、maxapi(k)、sao2(k)、p(i)、pr(i)、pi(i)的二进制数据作为一组完整数据用于脉搏、血氧信息发送；

(13)蓝牙将添加数据起始位、结束位标识的数据发送至显示终端。并返回步骤(2)。

本发明的有益之处是：将脉搏传感器和血氧传感器置于耳后的完骨穴和头窍阴穴与耳根骨之间的区域进行信号检测，大大减少血流灌注和运动对脉搏和血氧信号的影响，改善脉搏、血氧在静态和动态情况下信号检测不准确的不足，提高了系统信号检测及特征提取的准确性、稳定性。检测系统的封装结构使用医用硅胶设计为未封闭的耳廓型，其材质柔软且不易出现过敏的情况。使用3d扫描的方式，生成佩戴者耳廓形状数据，以3d扫描得到的数据为基础，设计适合佩戴者耳廓形状的封装结构，最后通过3d打印出可稳定贴附于佩戴者耳部的封装结构。

所述的检测系统固定在医用硅胶所制成的耳廓型封装结构2上，其材质柔软且长时间佩戴不易造成过敏。封装结构2通过3d打印技术可根据佩戴者耳廓结构进行专门定制，使其在运动及静止状态下均能稳定的贴附于佩戴者的耳部。该封装结构2可将脉搏传感器301和血氧传感器302稳定的贴附于佩戴者耳后的完骨穴和头窍阴穴与耳根骨之间区域，进行脉搏和血氧信号的检测，再通过信号预处理模块4对信号进行放大及滤波处理，单片机处理及发送模块5采样经过预处理后的信号，并分别提取脉搏、血氧信号、血氧饱和度以及脉搏和血氧信号的极大值和极小值点等特征，通过蓝牙504将脉搏、血氧信息以无线的方式传输至显示终端。

附图说明

图1是本发明检测系统整体模型图，图2是本发明检测系统的系统框图，图3是本发明检测方法的流程图。

具体实施方案

如图1所示，是本发明检测系统整体结构模型图，包括检测系统1和封装结构2两部分。封装结构2设计为耳廓型以便与人体的耳部进行最大程度的贴合，选用材料为医用硅胶，可根据不同的佩戴者耳廓形状进行专门定制，且其可以将脉搏传感器301和血氧传感器302贴附于完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域，减少血流灌注和运动对脉搏和血氧信号质量的影响，改善脉搏、血氧信号在静态和动态情况下检测准确率不足的问题，提高系统的准确性、稳定性。实现日常无监督状态下的脉搏、血氧信息的稳定可靠地检测。

如图2所示，是本发明检测系统1的系统框图，本发明提供一种日常无监督状态下脉搏和血氧信息检测的系统，该系统包括传感器模块3、信号预处理模块4和单片机处理及发送模块5。检测系统1通过医用硅胶制成的耳廓型封装结构2进行稳定固定，医用硅胶材质柔软，舒适且不易出现过敏情况。其中，传感器模块3包括脉搏传感器301和血氧传感器302，用于完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域脉搏和血氧信号的检测；信号预处理模块4包括信号放大401、低通滤波402和高通滤波403电路，其中信号放大401用于微弱的脉搏及血氧信号的放大，低通滤波402和高通滤波403用于抑制信号中低频、高频干扰成分。单片机处理及发送模块5包括信号采样501、特征提取502、串口通信503和蓝牙504，单片机处理及发送模块5采样经过预处理模块4处理后的信号，特征提取502提取脉搏、血氧信号、血氧饱和度以及脉搏和血氧信号的极大值和极小值点等特征，串口通信503通过蓝牙504将脉搏信号、血氧信息以无线的方式传输至显示终端。

所述脉搏传感器301为反射式光电脉搏传感器，其主要结构包括光电发射管和光电接收管，并将光电发射管和光电接收管集成在一侧，其中，光电发射管选用波长范围为500～560nm的绿光发射管；同时，选用工作波长为490～570nm的光电接收管，保证了传感器较高的灵敏度。此款反射式脉搏传感器采用低功耗的光电发射光和光电接收管，长时间使用不会改变传感器表面温度，适合日常生活中脉搏信号的监测。所述的血氧传感器302也是反射式光电传感器，在反射型血氧传感器中，由两只光电发射管和两只光电接收管组成。其中一只发光管发出波长范围为640～660nm的红光,另一只发光管发出波长范围为920～950nm的红外光。脉搏传感器301和血氧传感器302通过封装结构2进行固定，在耳后的完骨穴和头窍阴穴与耳根骨之间区域进行脉搏和血氧信号的检测。

如图3所示，是本发明检测方法的流程图。将脉搏传感器301及血氧传感器302放置于完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域后，启动信号处理及脉搏、血氧信息发送程序，按以下步骤运行：

(1)计算数据窗宽n：

当前系统采样频率为fs时，计算数据窗宽长度为n＝1.5*fs，保证长度为n的数据窗脉搏信号包括一个完整的周期；

(2)实时检测脉搏信号：

脉搏信号包括绿光脉搏信号、血氧饱和度传感器红光、红外光脉搏信号，第i个时刻绿光脉搏信号记为p(i)，第i个时刻的血氧饱和度传感器红光、红外光脉搏信号分别记为pr(i)、pi(i)；

(3)计算当前数据窗内脉搏信号变异系数：

cp为绿光脉搏信号变异系数，cpr、cpi分别为血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的变异系数。动态变异系数可表征当前窗内数据是否含有具有一定幅值的脉搏信号，如果不满足，则窗内无可用脉搏信号，返回步骤(2)，即不做分析重新检测数据

(4)判断绿光脉搏信号变异系数cp是否满足cp>d，其中阈值d为经验阈值，如不满足则返回步骤(2)；

(5)依据绿光脉搏信号变异系数cp判断血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号的变异系数cpr、cpi是否满足下式：

3.5*cp>cpr+cpi>1.2*cp

如不满足则返回步骤(2)；

(6)计算绿光脉搏信号、血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极大值点：

计算当前窗宽为n的绿光脉搏信号极大值点位置记为max1，当前窗宽为n的血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极大值点位置分别记为max2，max3；

(7)结合当前窗宽绿光脉搏信号极大值点位置，计算血氧饱和度红光及红外光信号极大值是否满足阈值：

式中n/5为判断阈值，此步骤是为防止当前数据窗内出现多个峰值点，导致检测三路脉搏信号极大值点不为同一周期，提高本专利方法的容错率，如不满足则返回步骤(2)；

(8)存储脉搏信号极大值点的位置及幅值：

如当前脉搏信号及血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的极大值点为第k个，则绿光脉搏信号极大值点位置max1记为maxp(k)，幅值记为maxap(k)血氧饱和度中红光、红外光位置max2、max3分别记为maxpr(k)、maxpi(k)，幅值记为maxapr(k)、maxapi(k)；

(9)计算并存储脉搏信号极小值点：

求得绿光脉搏信号及血氧饱和度红光、红外光脉搏信号的极大值后，计算其极小值，其中绿光脉搏信号极小值在maxp(k-1)、maxp(k)之间的数据求得，并将其极小值位置记为minp(k)，幅值记为minap(k)，血氧饱和度中红光、红外光脉搏信号极小值在maxpr(k-1)、maxpr(k)之间与maxpi(k-1)与maxpi(k)之间的数据求得，极小值位置分别记为minpr(k)、minpi(k)，幅值记为minapr(k)、minapi(k)；

(10)计算血氧饱和度：

计算当前窗宽内数据的血氧饱和度，如式：

sao2(k)＝ar²(k)+br(k)+c，式中a、b、c为常数，通过与标准仪器校准后确定。

其中r计算如下式：

vprac(k)、vprdc(k)分别为红光检测脉搏信号的交流和直流分量，vpiac(k)、vpidc(k)分别为红光检测脉搏信号的交流和直流分量，可通过血氧饱和度红光、红外光极大值、极小值得到；

(11)将maxp(k)、maxap(k)、maxpr(k)、maxapr(k)、maxpi(k)、maxapi(k)、sao2(k)、p(i)、pr(i)、pi(i)数据转化为二进制数；

(12)添加数据起始位、结束位标识：

通信协议用于数据传输，第一个数据之前添加8位二进制数00000000，并在数据最后添加8位二进制数11111111作为数据结束位标识，便于数据读取与查错，在数据起始位与数据结束位之间放入maxp(k)、maxap(k)、maxpr(k)、maxapr(k)、maxpi(k)、maxapi(k)、sao2(k)、p(i)、pr(i)、pi(i)的二进制数据作为一组完整数据用于脉搏、血氧信息发送；

(13)蓝牙将添加数据起始位、结束位标识的数据发送至显示终端,并返回步骤(2)。

针对日常生活工作状态下脉搏及血氧饱和度易受到运动、血流灌注的影响，本发明选取完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域进行脉搏及血氧饱和度的检测。与传统的检测方式相比，头部的运动幅度和频率小于四肢；且其离心脏更近，分布较为丰富的血管，可为脉搏及血氧饱和度信号检测提供较为稳定的血流灌注；与此同时，此检测位置主要由皮肤、软骨组成，且皮肤组织较薄，便于传感器稳定的贴附，保证脉搏及血氧饱和度的稳定检测。

脉搏是心脏的搏动沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，可通过光电传感器进行测量。血氧饱和度可利用血液对光吸收率的不同，测量氧合血红蛋白和血红蛋白占比，从而计算出血氧饱和度。脉搏及血氧饱和度测量使用的光电传感器主要分为透射式和反射式。现在常用的透射式传感器为夹持式结构，仅适合于手指、脚趾、耳垂等部位的检测，且长时间的使用会给使用者带来不适；而反射式传感器受测量位置局限性小，可置于手臂、额头、手腕、脚背等部位，且使用更加方便和舒适，适用于日常无监督状态下对脉搏和血氧进行监测。但是反射式传感器的灵敏度较高，容易受到环境干扰，因此对传感器放置位置的选取及稳定固定提出了更高的要求。本发明选择反射式传感器进行完骨穴、头窍阴穴与耳根骨之间区域脉搏及血氧信号的检测。