一种气压实时追踪的指套装置及气压追踪方法

1.本发明涉及生物信号检测技术领域，特别是涉及一种气压实时追踪的指套装置及气压追踪方法。


背景技术：

2.目前，在医学上对生理信号进行无创检测时常用到的装置主要为头带、胸带、袖带或者腕带，使用者在使用时会受到较强的压迫感，使用感较差，并且尚未有可以自适应调节气压的指套出现，此外，有创的生理信号检测方式需要进行导管插管，会给使用者带来极大的感染风险。因此，如何设计一种可以实现气压实时追踪的指套，对于无创生理信号实时监测领域来说是一个亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种气压实时追踪的指套装置及气压追踪方法，能够自适应调节指套气压。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种气压实时追踪的指套装置，所述装置包括：气囊、指套外壳、控制器、充气单元、放气单元、气压传感器；所述气囊位于所述指套外壳内侧；
6.所述充气单元，与所述气囊连通，用于为所述气囊充气；
7.所述放气单元，与所述气囊连接，用于释放所述气囊内的气体；
8.所述气囊，用于通过其内部充入的气体实现对手指的加压；
9.所述气压传感器，用于实时采集所述气囊的压力信号，并将所述压力信号发送至所述控制器；
10.所述控制器，分别与所述充气单元及所述放气单元控制连接，用于根据所述压力信号与设定压力阈值的大小关系控制所述充气单元的开闭以及所述放气单元的开闭。
11.可选地，所述指套外壳的数量至少为两个；各个指套外壳的直径均不同，以适应不同尺寸的手指。
12.可选地，所述气囊包括气囊槽和气道；
13.所述气囊槽，环绕在所述指套外壳内侧，用于存储气体；
14.所述气道与所述气囊槽连通，用于为气体进入和流出所述气囊槽提供通道。
15.可选地，所述气囊槽包括第一气囊槽、第二气囊槽和第三气囊槽；
16.所述第一气囊槽、所述第二气囊槽及所述第三气囊槽相连通。
17.可选地，当所述气囊充满气体时，第一气囊槽的中心与指套横截面的中心的连线，和第二气囊槽的中心与指套横截面的中心的连线的夹角呈第一预设角度；
18.第二气囊槽的中心与所述指套横截面的中心的连线，和第三气囊槽的中心与指套横截面的中心的连线的夹角呈第二预设角度；
19.第一气囊槽的中心与所述指套横截面的中心的连线，和第三气囊槽的中心与指套
横截面的中心的连线的夹角呈第三预设角度；
20.所述第一预设角度、所述第二角度和所述第三预设角度相等。
21.可选地，所述气道包括：气道内口和外接气管；
22.所述气囊底部设有与外界连通的方孔；所述气道内口与所述气囊底部的方孔连接；
23.所述外接气管，一端连接所述气道内口，并通过所述气道内口连接所述气囊；另一端通过三通接口分别连接所述充气单元、所述放气单元及所述气压传感器；所述气压传感器用于检测所述外接气管引出的气囊内的气体的气压。
24.可选地，所述指套外壳还包括：
25.凹槽，设置在所述指套外壳内侧；
26.卡槽，固定于所述凹槽上，用于卡接所述外接气管。
27.可选地，所述装置还包括：
28.指套框架，用于放置所述指套外壳。
29.为实现上述目的，本发明还提供了一种气压实时追踪方法，所述方法基于所述气压实时追踪的指套装置，所述方法包括：
30.通过气压传感器实时采集气囊内的压力信号，并将所述压力信号发送至所述控制器；
31.所述控制器将所述压力信号与设定压力阈值比较：
32.若所述压力信号大于所述设定压力阈值，所述控制器控制所述放气单元开启，所述放气单元将所述气囊的气体放出；
33.若所述压力信号小于所述设定压力阈值，所述控制器控制所述充气单元开启，所述充气单元向所述气囊充入气体；
34.直至所述气囊的压力信号等于所述设定压力阈值。
35.可选地，所述控制器基于比例微分原理控制所述放气单元进行放气。
36.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
37.本发明提供了一种气压实时追踪的指套装置及方法，该装置包括：气囊、指套外壳、控制器、充气单元、放气单元、气压传感器；气囊位于指套外壳内侧；充气单元，与气囊连通，用于为气囊充气；放气单元，与气囊连接，用于释放气囊内的气体；气囊，用于通过其内部充入的气体实现对手指的加压；气压传感器，用于实时采集气囊的压力信号，并将压力信号发送至控制器；控制器，分别与充气单元及放气单元控制连接，用于根据压力信号与设定压力阈值的大小关系控制充气单元以及放气单元的开闭。通过气压传感器实时监测气囊内气压，通过控制器、充气单元和放气单元实时调整气囊内的气压，实现了对指套气压的实时追踪和自适应调整。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明气压实时追踪的指套装置的结构示意图；
40.图2为本发明气压实时追踪的指套装置的结构示意图
41.图3为本发明气压实时追踪的指套装置的指套框架、凹槽结构示意图；
42.图4为本发明气压实时追踪的指套装置的卡槽结构示意图。
43.符号说明：
44.气囊
‑
1，气囊槽
‑
11，第一气囊槽
‑
111、第二气囊槽
‑
112，第三气囊槽
‑
113；气道
‑
12，气道内口
‑
121，外接气管
‑
122；指套外壳
‑
2，凹槽
‑
21，卡槽
‑
22，外接气管放置通道
‑
221；控制器
‑
3，充气单元
‑
4，放气单元
‑
5，气压传感器
‑
6，指套框架
‑
7。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.本发明的目的是提供一种气压实时追踪的指套装置及追踪方法，能够自适应调节指套气压。
47.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
48.如图1所示，本发明气压实时追踪的指套装置，包括：气囊1、指套外壳2、控制器3、充气单元4、放气单元5、气压传感器6；所述气囊1位于所述指套外壳2内侧。
49.所述充气单元4，与所述气囊1连通，用于为所述气囊1充气。
50.所述放气单元5，与所述气囊1连接，用于释放所述气囊1内的气体。
51.所述气囊1，用于通过其内部充入的气体实现对手指的加压。
52.所述气压传感器6，用于实时采集所述气囊1的压力信号，并将所述压力信号发送至所述控制器3。
53.所述控制器3，分别与所述充气单元4及所述放气单元5控制连接，用于根据所述压力信号与设定压力阈值的大小关系控制所述充气单元4的开闭以及所述放气单元5的开闭。
54.具体地，在本发明的具体实施例中，所述充气单元4为充气泵，所述放气单元5为放气阀。
55.在本发明的一个具体实施例中，所述充气泵可以是气体采样泵和微型真空泵为代表的微型充气泵和/或声泵。所述放气阀是比例阀和/或电磁阀。上述技术方案的工作原理为：本发明所用微型充气泵为微型直流真空泵。其工作原理是电机做圆周运动，通过斜轴使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积的泵腔内的空气进行压缩、拉伸形成真空(负压)，在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压(吸)入泵腔，再从排气口排出。正因为抽气口处或者抽排气口可以与外界大气形成压力差。本发明所用放气阀为比例电磁阀。其基于电磁开关阀的原理：断电时，弹簧将铁心直接压在阀座上，使阀门关闭。线圈通电时，所产生电磁力克服弹簧力将铁心提起，从而打开阀门。比例电磁阀对电磁开关阀的结构作了一些改动：在任何线圈电流下，使弹簧力与电磁力之间产生平衡。线圈电流的大小或电磁力的大小将影响柱塞的行程和阀门开度，而阀门开度(流量)与线圈电
流(控制信号)之间为理想的线性关系。直动式比例电磁阀的流向为阀座下。介质从阀座下方流入，其作用力的方向与电磁力相同，而与弹簧力相反。因此，需要设置工作状态下对应于工作范围(线圈电流)的最大和最小流量值。得雷流体的比例电磁阀在断电时都是关闭的(nc，常闭型)。
56.上述技术方案有益效果为：所述微型充气泵不像大型真空泵需要润滑油和真空泵油，不会污染工作介质，而且具有体积小巧、噪音低、免维护，可以连续长时间工作。所述比例阀能连续、按比例地控制液压系统的压力和流量，实现对执行机构的位置、速度、力量的控制，并能减少压力变换时的冲击。且减少了元件数量，简化了油路。比其他类阀门的抗污染性能强，工作可靠。
57.进一步地，所述指套外壳2的数量至少为两个；各个指套外壳2的直径均不同，以适应不同尺寸的手指。如果只有单个指套，长时间测量会压迫手指，造成手指内血液阻塞，血流不通，检测信号质量会受到很大的影响。因此，采用多个不同尺寸的指套外壳交替使用，交替测量不同的手指，能够缓解上述问题。
58.优选地，如图1所示，所述气囊1包括气囊槽11(图中未示)和气道12。
59.所述气囊槽11，环绕在所述指套外壳2内侧，用于存储气体。
60.所述气道12与所述气囊槽11连通，用于为气体进入和流出所述气囊槽11提供通道。具体地，所述气道12位于气囊11的底部。
61.优选地，如图2所示，所述气囊槽11包括第一气囊槽111、第二气囊槽112和第三气囊槽113。气囊分槽的结构可以达到更好的压迫效果。
62.所述第一气囊槽111、所述第二气囊槽112及所述第三气囊槽113相连通。具体地，所述第一气囊槽111与第二气囊槽112中间位置有第一通气口，所述第二气囊槽112与所述第三气囊槽113中间位置有第二通气口。所述第二气囊槽112右侧底端留有一个方孔，用于连接外界气道。三个气囊槽可存储的气体容量相等，三个气囊槽均为乳白色材料。本实施例中，三个气囊槽预设厚度为0.15mm
±
0.05mm。
63.进一步地，当所述气囊充满气体时，第一气囊槽111的中心与指套横截面的中心的连线，和第二气囊槽112的中心与指套横截面的中心的连线的夹角呈第一预设角度。
64.第二气囊槽112的中心与所述指套横截面的中心的连线，和第三气囊槽113的中心与指套横截面的中心的连线的夹角呈第二预设角度。
65.第一气囊槽111的中心与所述指套横截面的中心的连线，和第三气囊槽113的中心与指套横截面的中心的连线的夹角呈第三预设角度。
66.所述第一预设角度、所述第二预设角度和所述第三预设角度相等。在本实施例中，当气囊内充满气时，三个气囊槽预设夹角大小为120度
±
10度。多次实验证实，基于不同的压迫角度对指套进行充气，同时在手指处测相应的生理信号，在该角度下的信号质量最佳，且受试者的主观感受压迫效果不会很强，此时三个气囊的角度关系有利于提高处于预设压力阈值下生理信号检测测的精度。
67.进一步地，所述气道12包括：气道内口121和外接气管122。
68.所述气囊1底部设有与外界连通的方孔；所述气道内口121与所述气囊1底部的方孔连接。
69.所述外接气管122，一端连接所述气道内口121，并通过所述气道内口121连接所述
气囊1；另一端通过三通接口分别连接充气单元4、放气单元5及气压传感器6；所述气压传感器6用于检测所述外接气管122引出的气囊1内的气体的气压，并基于压阻效应，将气压信号转化成电阻率变化信号。所述外接气管122为高性能聚烯烃热塑弹性tpe材料支撑的气管，所述外接气管122底部呈圆盘状，热熔后固定于气道内口处，保证了气道的气密性。
70.上述技术方案的工作原理为：当气压传感器6受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。
71.上述技术方案的有益效果为：压阻式传感器灵敏度高、线性度好；易于小型化和集成化；结构简单、工作可靠，在几十次疲劳试验后，性能保持不变；动态特性好，其响应频率为103～105hz。各行各业都使用压阻式压力传感器作为测量压力的工具。
72.进一步地，所述指套外壳2还包括：
73.凹槽21，设置在所述指套外壳2内侧，凹槽21位置如图3所示。
74.卡槽22，固定于所述凹槽21上，用于卡接所述外接气管122。其中，所述卡槽上还设有外接气管的放置通道221，所述卡槽结构示意图如图4所示。
75.更进一步地，如图3所示，所述装置还包括：
76.指套框架7，用于放置所述指套外壳2。具体地，所述指套框架7至少具有两个空心圆柱型指套外壳，指套外壳之间直接固定连接。基于多个指套外壳和不同型号的指套外壳的设计，当使用者使用指套时可以交替手指进行，且可以适用于不同年龄的用户群体。
77.为实现上述目的，本发明还提供了一种气压实时追踪方法，所述方法基于所述气压实时追踪的指套装置，所述方法包括：
78.通过气压传感器实时采集气囊内的压力信号，并将所述压力信号发送至所述控制器。
79.所述控制器将所述压力信号与设定压力阈值比较：
80.若所述压力信号大于所述设定压力阈值，所述控制器控制所述放气单元开启，所述放气单元将所述气囊的气体放出。
81.若所述压力信号小于所述设定压力阈值，所述控制器控制所述充气单元开启，所述充气单元向所述气囊充入气体。
82.直至所述气囊的压力信号等于所述设定压力阈值。
83.具体地，所述控制器基于比例微分原理控制所述放气单元进行放气。本实施例中，所述控制器是基于比例积分微分proportion integration differentiation(pid)原理控制放气阀放气。pid是以它的三种纠正算法而命名。受控变数是三种算法(比例、积分、微分)相加后的结果，即为其输出，其输入为误差值(设定值减去测量值后的结果)或是由误差值衍生的信号。若定义u(t)为控制输出，pid算法可以用公式(1)表示：
[0084][0085]
其中，k
p
为比例增益，是调适参数；k
i
为积分增益，也是调适参数；k
d
为微分增益，也是调适参数；e为误差，e＝设定值
‑
回授值；t为目前时间；τ为积分变数，数值从0到目前时间t。
[0086]
pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
[0087]
比例(p)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(steady
‑
state error)。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
[0088]
积分(i)控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(systemwith steady
‑
state error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数ti，ti越小，积分作用就越强。反之ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成pi调节器或pid调节器。
[0089]
微分(d)控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成pd或pid控制器。
[0090]
上述技术方案的有益效果为：
[0091]
所述控制器对充气泵和放气阀工作状态的控制可实现实时的气压追踪，并且基于pid控制的放气为线性放气方式，可以避免放气过快、放气不稳导致气压信息的丢失。
[0092]
在本发明的一个实施例中，所述控制器将通过ad采集获取所述指套内当前的气压值，并且基于有线通信或者无线通信将当前压力值进行存储，同时获取设定的压力阈值。
[0093]
所述有线通信方式为spi通信方式和/或i2c通信方式，所述无线通信方式为蓝牙通信和/或无线通信方式。
[0094]
上述技术方案的有益效果为：所述基于有线通信或者无线通信将当前压力值进行存储，同时获取设定的压力阈值，即可实现远程的操作指套内气压的追踪与维持，减小了时间空间成本。
[0095]
本发明产生的技术效果如下；
[0096]
1)气囊与控制器之间的连接，可以实时地追踪指套内的气压信号并根据设定阈值进行实时的自动调整，不需要人工去调节指套内的压力。
[0097]
2)卡槽的设计，保证了气道的稳定稳固性，现有用于信号监测的充气装置的气道设计不存在专门的卡槽置放，易损坏。
[0098]
3)本发明的指套气囊的设计，使得本发明的指套具备充气的功能，现有用于生理信号检测的指套并不存在充气的功能。
[0099]
4)控制器控制指套放气过程基于pid技术，可以稳定控制气囊的线性放气，提高了信号捕捉精度。
[0100]
5)控制器内的阈值获取可以通过无线方式获取，节省了空间成本。
[0101]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0102]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。