一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置及脉率检测装置与流程

本实用新型属于检测仪器领域，具体涉及一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置及脉率检测装置。

背景技术：

脉率检测装置是用来测量一个人脉搏心率跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此在现代医学上具有重要的作用，很大程度上能反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理在医疗诊断、运动训练、养老保健等领域有重要作用。目前市面上检测脉率的仪器种类繁多，但是能实现精确测量的脉搏测量装置不多，且人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，脉搏波信号与噪声信号的频带混杂难以分辨，普通的检测装置无法将运动噪声抵消。脉搏波信号检测过程中，运动干扰的一个最为重要的来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰。

保证脉率信号检测装置准确性的关键在于提供一个用于去除噪声的基准噪声信号，从而通过滤波等手段对信号进行去噪。但当前的脉率检测装置无法单独提取噪声信号，从而导致无法从脉搏波与噪声的混合信号中提取出有效的脉搏波信号。现有技术中的部分装置试图仅仅通过自适应滤波方法抵消噪声，却因无法获得较好的噪声参考信号而无法获得期望的效果。

因此为了解决上述问题，设计一种能够单独提取运动噪声的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置还是很有必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的信号检测装置无法单独提取运动噪声的技术问题，并提供一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，使其能够单独提取运动噪声信号，从而具有较强的抗运动干扰能力。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置，其包括反射式脉率检测模组以及紧贴布置于反射式脉率检测模组下方的运动干扰检测模组；所述的运动干扰检测模组包括窄带全反膜和柔性基底，所述的窄带全反膜无间隙贴合于柔性基底上；所述的反射式脉率检测模组中包括第一LED发光管、第二LED发光管和光电接收管，所述的第一LED发光管和第二LED发光管对称分布于光电接收管两侧，用于分别向下方的运动干扰检测模组发射光束，光束的反射光进入光电接收管中；所述的第一LED发光管采用发射波长在所述窄带全反膜的全反射波长范围内的LED发光管，所述的第二LED发光管采用发射波长在所述窄带全反膜的零反射波长范围内的LED发光管。

本实用新型中，窄带全反膜是指在某一波段内能够将该波段的光进行全反射的薄膜，即高反膜。本实用新型中的窄带全反膜应当具有全反射波长范围和零反射波长范围。全反射波长范围就是指这类膜能够实现100％完全反射的波段；而零反射波长范围是指这类膜不能反射的波段，这些波段的光能够完全透射穿过膜层。当然，事实上受到工艺限制，全反膜一般无法达到100％的完全反射和完全透射的理想状态，但此处应当理解为尽量接近该理想状态。

脉搏波信号检测过程中，运动干扰的一个最为重要的来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰，而用于检测的光在经过与皮肤之间存在的空隙时，会引入噪音干扰。本实用新型中，虽然在装置中应当保持运动干扰检测模组紧贴布置于反射式脉率检测模组下方，但是实际的使用过程中，依然会不可避免地由于装置的挤压变形使检测光路中出现上述空气干扰。因此，本实用新型的脉率信号检测装置，通过布设两个不同波长的LED发光管，与窄带全反膜的反射特性配合后，能够在光电接收管中获得两个信号，其中一个信号是从LED 发光管发射后，经过空气层后直接被窄带全反膜完全反射的光信号，为纯噪音干扰；另一个信号是LED发光管发射后经过空气层后，经过空气层、窄带全反膜、柔性基底后，再从皮肤进入人体组织内部，最后反射回光电接收管，该信号中包含了空气层带来的噪音干扰，也包含了脉搏信息。这两个信号获得后，即可用于后续的数据处理，计算出待测者的脉搏信息。

作为优选，所述的窄带全反膜采用红光全反射膜，即能够完全反射红光波段的全反射膜，该膜对于绿光波段无法反射。进一步的，所述的第一LED发光管为红光LED。进一步的，第二LED发光管为绿光LED。

红绿光是一种较为优选的光学检测波段组合，当然，实际也可以根据需要，对第一LED发光管和第二LED发光管以及窄带全反膜的组合方式进行调整。

作为优选，所述的柔性基底采用柔性亲肤材料制成。进一步的，柔性亲肤材料优选为聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane)。

所述的反射式脉率检测模组应包含能够支持发光管、接收管实现光电检测功能的必要组件。作为优选，所述的反射式脉率检测模组采用TI-AFE44xx集成模拟前端，即德州仪器(TI)的AFE44xx系列全面集成型模拟前端。第一LED发光管、第二LED发光管和光电接收管可搭载与该模拟前端上，实现光电信号的发射、接收和检测。

作为优选，所述的第一LED发光管、第二LED发光管均采用聚光型LED，以减少光散失。

作为优选，所述的窄带全反膜镀制于柔性基底上，以可靠地实现两者的无缝贴合。

本实用新型的另一目的在于提供一种基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率检测装置，该装置中集成有上述任一方案所述的信号检测装置。该检测装置中可以预制能够进行噪声滤波的处理模块，信号检测装置检测到的两个信号可以分别输入处理模块的滤波器中，实现对混合信号中的噪声去除。滤波器可采用现有技术中的任意方案，只要能够实现噪声滤波功能即可。

本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本实用新型设计了反射式脉率检测模组与柔性运动干扰检测模组的分离式结构，使用光学方法单独提取运动噪声，不同于其他装置只能提取噪声与脉搏波的混杂信号，为噪声滤波提供了较好的参考信号，从而增强了该装置的抗运动干扰能力。

(2)本实用新型装置基于光电容积脉搏波监测的方法而设计，具有非侵入式的特点。基于该信号检测装置的脉搏检测装置佩戴舒适无负担，应用前景广阔。

附图说明

图1为基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为一实施例中的基于光学方法的抗运动干扰反射式脉率信号检测装置结构示意图，该装置用于获取检测叠加有运动噪声的脉率信号，以及纯的运动噪声信号。该装置包括反射式脉率检测模组1以及运动干扰检测模组2两大部分，其中运动干扰检测模组2紧贴布置于反射式脉率检测模组1下方。原则上两者之间应当紧密衔接，但事实上在使用过程中因移动和形变，会在两者之间引入空气层，而空气层会对光噪声散射，从而产生运动噪声。

该运动干扰检测模组2由窄带全反膜2.1和柔性基底2.2组成，窄带全反膜2.1直接镀于柔性基底2.2上，两者之间不存在间隙。在装置的使用过程中，柔性基底2.2应当紧紧贴附于人体表皮7，以免两者之间留有空隙，引入新的噪音。被测部位可以是指端、耳垂、鼻端等皮肤较薄的位置。因此，柔性基底2.2应当尽量采用柔性亲肤材料制成，在本实施例中其采用PDMS材料。窄带全反膜2.1 可以使某种特定波长的光(记为波长一，一般为一个较窄的波段)完全反射，无法穿透膜层进入人体组织内部，用于提取受测部位与传感器端相对位移而产生的运动噪声，但其他波长的光(记为波长二，一般也为一个较窄的波段)完全透过，可以检测到血液搏动产生的脉搏波信息。而在反射式脉率检测模组1中包括第一 LED发光管1.1、第二LED发光管1.2和光电接收管1.3。当然，反射式脉率检测模组1中还应当包含一些必要的组件，以实现光电检测功能。本实施例中，反射式脉率检测模组1采用TI-AFE44xx集成模拟前端，第一LED发光管1.1、第二LED发光管1.2和光电接收管1.3集成于该前端上。第一LED发光管1.1和第二LED发光管1.2对称分布于光电接收管1.3两侧，两者与光电接收管1.3的间距为0.2～0.4cm。第一LED发光管1.1和第二LED发光管1.2均采用聚光型 LED，可分别向下方的运动干扰检测模组2发射光束，两者发射的光束的反射光均进入光电接收管1.3中，但两者的光路路径有所不同。第一LED发光管1.1采用发射波长在窄带全反膜2.1的全反射波长范围内的LED发光管，即第一LED 发光管1.1的发光波长与波长一相同，其发射的光在穿过空气层后直接被窄带全反膜2.1完全反射进入光电接收管1.3。第二LED发光管1.2采用发射波长在窄带全反膜2.1的零反射波长范围内的LED发光管，即第二LED发光管1.2的发光波长在波长二的范围内，其发射的光在穿过空气层后，可以被完全透射穿过窄带全反膜2.1和柔性基底2.2，进而从人体表皮7进入组织内部，当这部分光被反射重新进入光电接收管1.3时，其不仅携带了空气层引入的噪声信号，也具有血液搏动产生的脉搏波信号。

在一实施例中，窄带全反膜2.1采用650nm红光全反射膜，即波长一为650nm 红光，能够对650nm的波长光进行完全反射；而波长二为540nm绿光，该波长的光无法反射。此时，第一LED发光管1.1采用红光LED，能够发射650nm红光，该光信号可用于检测运动干扰信号；第二LED发光管1.2采用绿光LED，能够发射540nm绿光，该光信号可用于检测脉搏波与噪声的混合信号。

上述光电容积脉搏波检测的原理是朗伯比尔定律，通过实时描记被测部位的光吸量来获取外周微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化。光吸收量可以通过式(1)表示

Q1＝A1

Q2＝B2+A2 (1)

其中Q1表示第一LED发光管发射的光的总吸收量，即光电接收管检测到的波长一的光信号；Q2表示第二LED发光管发射的光的总吸收量，即光电接收管检测到的波长二的光信号。B2表示血液脉动成分的吸收量，即真实的脉搏波波形信号；A1表示空气对波长一的光的吸收量，A2表示空气对波长二的光的吸收量。运动干扰的一个重要来源即受测部位与传感器端的相对位移，即空气引入的干扰，因此A1可以作为噪声参考信号；该位移对于波长一和波长二相同，A1与 A2也就具有较强的相关性。可以通过设置一个滤波器，将Q1(A1)作为滤波器的参考输入u(n)，将Q2作为滤波器的基本输入d(n)，采用递归最小二乘算法，最小均方误差算法和归一化均方误差算法等自适应滤波算法进行去噪处理，最终获得e(n)，即脉搏波真实信号。模拟实验表明，该装置测得的信号经过滤波能够较好地反映出真实的脉搏波信号。

上述脉率信号检测装置可以作为一个单独的设备，用于采集两种信号，然后再将两种信号进行后续的离线数据处理，实现对检测对象的脉搏波检测。但在另一较佳实施例中，可进一步将该信号检测装置集成至整体的检测装置中，将反射式脉率检测模组1获得的两种信号传输至一个内置滤波器的微处理器中，该处理器可辅以显示屏进行实时显示。由此，可以方便快捷地对人体脉搏波进行实施测定上。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。