健康监测床垫及无负荷心冲击和呼吸监测系统的制作方法

1.本发明涉及人体健康监测技术领域，尤其涉及健康监测床垫及无负荷心冲击和呼吸监测系统。


背景技术：

2.随着人们生活水平的提高，对健康的关注度越来越高，一种能够实时监测人体生命体征(如心率、呼吸率)和常见疾病(如心房颤动、呼吸暂停)的智能床垫越来越受用户的青睐。另外，对于患者和老年人来说，卧床时和睡眠时突发疾病无法呼救或呼救不及时，导致起夜摔倒、突发状况无法得到及时护理这些情况很容易发生，由于发现时间晚，后果将会比较严重。
3.现有临床发病状态监测多采用心电监护仪等外置手段，监测患者心率、呼吸速率、血压、血氧、脉搏、体温等生命体征或实时测量，以排除患者在某一时段呈现的特殊生理参数被错过的可能性，但都需要采用接触式测量或实时监测，患者连接心电电极等线缆，长时间进行会导致患者产生不适，尤其是一般测量或实时监测的过程中对人体有静卧、平躺的要求，不利于长时间测量或监测。而对于养老康复过程中的体征监测，则更不适合长期佩戴电极等外置设备监测。
4.因此，针对上述情况，如何改进现有的智能床垫或其工作方法，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提供一种结构简单的智能健康监测床垫，可对人体压力信号进行精确的监测。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.健康监测床垫，包括床垫本体、压电传感器模块、信号采集板，所述信号采集板设于床垫本体外部，所述床垫本体内设有内腔，所述传感器模块包括信号接线口及铺设于床垫本体上的传感带，所述传感带位于内腔内，所述传感带和信号接线口为两组，且所述传感带和信号接线口一一对应设置，所述信号接线口与传感带相连接，所述信号采集板上安装有两个子信号线，两个所述子信号线分别与两个信号接线口相连接，所述内腔内安装有两个调节隐藏机构。
8.优选地，所述调节隐藏机构包括安装在内腔内壁的橡胶棒，所述橡胶棒上套设有套环，所述橡胶棒的上端设有多个凹槽，所述套环安装有橡胶塞，所述橡胶塞插入其中一个凹槽内，所述传感带和信号接线口均与套环固定连接。
9.优选地，所述内腔左右贯穿床垫本体，且所述内腔的两端通过拉链封口设置。
10.优选地，所述信号采集板上连接有电源线，所述电源线的另一端为usb接头、电插头中的一种或组合。
11.优选地，所述床垫本体的底部安装有支撑板，所述支撑板上固定连接有两个竖块，
两个所述竖块之间转动连接有可以复位的安装杆，所述安装杆与支撑板之间安装有两个扭簧，所述安装杆上安装有安装板，所述安装板的上端固定连接有竖板，所述竖板上安装有壳体，所述壳体与竖板之间设有上下缓冲机构，所述信号采集板安装在壳体内。
12.优选地，所述缓冲机构包括固定在竖板上的两个上固定块和两个下固定块，两个所述下固定块分别位于两个上固定块的下方，相对设置的所述上固定块和下固定块之间固定连接有导向杆，两个所述导向杆的外部共同套设有移动板，所述壳体安装在移动板上，所述移动板与上固定块、下固定块之间均固定连接有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧套在导向杆的外部。
13.优选地，所述缓冲机构包括固定在竖板上的两个上固定块和两个下固定块，两个所述下固定块分别位于两个上固定块的下方，相对设置的所述上固定块和下固定块之间固定连接有导向杆，两个所述导向杆的外部共同套设有移动板，所述壳体与移动板的上端相抵，所述壳体的底部固定连接有两个连接块，所述移动板上下贯穿设有两个连接孔，两个所述连接块分别贯穿两个连接孔设置，且所述移动板的底部安装有两个限位机构。
14.优选地，所述限位机构包括固定在移动板底部的矩形框，所述矩形框内滑动连接有插杆，所述连接块的侧壁设有侧槽，所述插杆插入侧槽内，所述插杆的另一端固定连接有拉块，所述拉块与矩形框之间固定连接有拉力弹簧，所述拉力弹簧套在插杆的外部。
15.本发明还公开了健康监测床垫的无负荷心冲击和呼吸监测系统，包括智能终端，所述智能终端与信号采集板通过串口进行通讯。
16.优选地，所述信号采集板的睡眠质量数据采集，具体包括：通过测量身体作用于床垫的动态压力检测心率、呼吸和体动；压力传感器捕捉此微弱动态压力，便可滤波得到心冲击bcg信号，信号处理时将静态压力滤波去除，将剩余的动态压力进行滤波，获得心跳和呼吸时机体产生的动态压力变化。
17.本发明的有益效果为：
18.1、通过信号采集板、信号接线口、传感带、电源线、与床垫本体的结合，结构设置合理，实用性好；每组传感器模块相互独立，互补影响，且可以对子信号线进行隐藏，使得床垫本体更加美观，同时设置凹槽和橡胶塞，可以调节传感带的位置，可以适用于不同身高的使用者；具体地，针对单人使用的床垫，只需设置一组传感器模块即可；而对于双人使用的床垫，则需在床垫上对称设置两组传感器模块；通过传感器模块与用户的一一对应检测，可有效实现用户的针对性监控，保证数据的准确性。
19.2、通过本发明可对人体压力信号进行精确的采集和心率呼吸率的计算，实测得知本实用系统心率监测系统与ppg传感模块显示的每分钟心跳只有正负5以内的差距，准确率可达96.3％，该结果表明本系统的数据真实可靠。
20.综上所述，本发明通过设置电阻式压力传感器，实现了人体压力信号的监测，且供电方式多变，可对人体压力信号进行精确的采集和心率呼吸率的计算，实测得知本实用系统心率监测系统与ppg传感模块显示的每分钟心跳只有正负5以内的差距，准确率可达96.3％，该结果表明本系统的数据真实可靠。
附图说明
21.图1为实施例1提出的健康监测床垫的结构示意图；
22.图2为实施例1提出的健康监测床垫a处的结构示意图
23.图3为实施例2提出的健康监测床垫的示意图；
24.图4为实施例3提出的健康监测床垫的结构示意图；
25.图5为实施例3提出的健康监测床垫b处的结构示意图；
26.图6为智能健康监测床垫系统设计的示意图；
27.图7为智能健康监测床垫中传感器带的位置示意图；
28.图8为基于压电传感器的无负荷心冲击和呼吸监测系统的算法流程图；
29.图9为智能健康监测床垫信号采集板放大转换电路的示意图。
30.图中：1床垫本体、2信号采集板、3信号接线口、4传感带、5子信号线、6橡胶棒、7电源线、8凹槽、9支撑板、10竖块、11扭簧、12竖板、13上固定块、14下固定块、15移动板、16缓冲弹簧、17壳体、18连接孔、19连接块、20侧槽、21插杆、22矩形框、23拉力弹簧、24拉块、25安装杆、26安装板、27内腔、28拉链、29套环、30橡胶塞。
具体实施方式
31.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。
32.实施例1
33.参照图1-2，包括床垫本体1、压电传感器模块、信号采集板2，信号采集板2设于床垫本体1外部，床垫本体1内设有内腔27，内腔27左右贯穿床垫本体1，且内腔27的两端通过拉链28封口设置。
34.传感器模块包括信号接线口3及铺设于床垫本体1上的传感带4，传感带4位于内腔27内，传感带4和信号接线口3为两组，且传感带4和信号接线口3一一对应设置，信号接线口3与传感带4相连接，信号采集板2上安装有两个子信号线5，两个子信号线5分别与两个信号接线口3相连接；其中，信号采集板2上连接有电源线7，电源线7的另一端为usb接头、电插头中的一种或组合。
35.调节隐藏机构包括安装在内腔27内壁的橡胶棒6，橡胶棒6上套设有套环29，橡胶棒6的上端设有多个凹槽8，套环29安装有橡胶塞30，橡胶塞30插入其中一个凹槽8内，传感带4和信号接线口3均与套环29固定连接，内腔27内安装有两个调节隐藏机构。
36.本实施例中，通过信号采集板2、信号接线口3、传感带4、电源线7、与床垫本体1的结合，结构设置合理，实用性好；每组传感器模块相互独立，互补影响，且可以对子信号线5进行隐藏，使得床垫本体1更加美观，同时设置凹槽8和橡胶塞30，可以调节传感带4的位置，可以适用于不同身高的使用者；具体地，针对单人使用的床垫，只需设置一组传感器模块即可；而对于双人使用的床垫，则需在床垫上对称设置两组传感器模块；通过传感器模块与用户的一一对应检测，可有效实现用户的针对性监控，保证数据的准确性。
37.实施例2
38.参照图3，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中床垫本体1的底部安装有支撑板9，支撑板9上固定连接有两个竖块10，两个竖块10之间转动连接有可以复位的安装杆25，安装杆25与支撑板9之间安装有两个扭簧11，安装杆25上安装有安装板26。
39.安装板26的上端固定连接有竖板12，竖板12上安装有壳体17，壳体17与竖板12之
间设有上下缓冲机构，缓冲机构包括固定在竖板12上的两个上固定块13和两个下固定块14，两个下固定块14分别位于两个上固定块13的下方，相对设置的上固定块13和下固定块14之间固定连接有导向杆，两个导向杆的外部共同套设有移动板15。
40.壳体17安装在移动板15上，移动板15与上固定块13、下固定块14之间均固定连接有缓冲弹簧16，缓冲弹簧16套在导向杆的外部，信号采集板2安装在壳体17内，从而可以对信号采集板2进行保护。
41.本实施例中，当使用者无意中碰撞到或压到壳体17时，当碰撞到壳体17时，此时壳体17带动移动板15、竖板12和安装板26转动，从而可以对壳体17进行缓冲，实现对信号采集板2的保护，使其不易损坏，在扭簧11的作用下，可以实现安装板26复位；若是压到壳体17上时，壳体17会挤压缓冲弹簧16向下移动，实现对壳体17的保护，即实现对信号采集板2的保护，通过扭簧11的作用下，使得下移的壳体17多向移动，使其可以根据压力或碰撞力的方向而改变(以安装杆25为轴转动)，从而可以对壳体17和信号采集板2更加有效的保护。
42.实施例3
43.参照图4-5，本实施例与实施例1和2不同的是，本实施例中缓冲机构包括固定在竖板12上的两个上固定块13和两个下固定块14，两个下固定块14分别位于两个上固定块13的下方，相对设置的上固定块13和下固定块14之间固定连接有导向杆，两个导向杆的外部共同套设有移动板15；在两个导向杆的配合下，使得移动板15移动更加稳定。
44.壳体17与移动板15的上端相抵，壳体17的底部固定连接有两个连接块19，移动板15上下贯穿设有两个连接孔18，两个连接块19分别贯穿两个连接孔18设置，且移动板15的底部安装有两个限位机构，限位机构包括固定在移动板15底部的矩形框22，矩形框22内滑动连接有插杆21，连接块19的侧壁设有侧槽20，插杆21插入侧槽20内，插杆21的另一端固定连接有拉块24，拉块24与矩形框22之间固定连接有拉力弹簧23，拉力弹簧23套在插杆21的外部。
45.本实施例中，若是信号采集板2出现故障时，工作人员可以手动拉动拉块24，从而可以实现插杆21脱离侧槽20，此时连接块19不再被限位，如此可以将壳体17和信号采集板2拆下，方便对其进行检修；相反操作即可实现安装，安装拆卸操作简单且快捷，为工作人员带来便利。
46.本发明还公开了健康监测床垫的无负荷心冲击和呼吸监测系统，包括智能终端，智能终端与信号采集板2通过串口进行通讯；信号采集板2的睡眠质量数据采集，具体包括：通过测量身体作用于床垫的动态压力检测心率、呼吸和体动；压力传感器捕捉此微弱动态压力，便可滤波得到心冲击bcg信号，信号处理时将静态压力滤波去除，将剩余的动态压力进行滤波，获得心跳和呼吸时机体产生的动态压力变化。
47.如图6所示，系统整体设计分为信号采集、滤波处理、心跳呼吸提取三个部分；工作时，传感带4将采集人体压力信号依次沿子信号线5、信号接线口3或者依次沿子信号线5、信号接线口3、发送至信号采集板2，再由信号采集板2将监测者的人体生理信号及人体压力信号向外发送，从而组成了硬件方案的基础。
48.使用的压电陶瓷传感器，按照图7的间隔和横纵向位置组成传感器阵列；通过测量身体作用于床垫的动态压力检测心率、呼吸和体动。由于人体左心室泵血时会在体表产生先由头部到脚部，再由脚部到头部的微小运动。压力传感器捕捉此微弱动态压力，便可滤波
得到心冲击bcg信号。信号处理时将静态压力滤波去除，将剩余的动态压力进行滤波，获得心跳和呼吸时机体产生的动态压力变化(波形)，算法如图8所示。
49.如图1所示，传感带4沿床垫横向铺设，且传感带4铺设于床垫本体1与人体胸膈对应的位置处，可有效地检测人体平躺时的心率、呼吸率等生理信号；同时，信号采集板2及信号接线口3设于床垫本体1的侧壁上，可方便接入电源，安装方便。
50.另外，信号采集板2上设有用于连接电源的电源线7，且智能健康监测床垫还包括移动电源或充电插头，移动电源或充电插头通过电源线7与信号采集板2连接。具体地，当电源线7与移动电源连接时，则可直接通过移动电源对信号采集板2供电，移动电源可以为充电宝；当电源线7与充电插头连接时，则可通过充电插头连接市电后对信号采集板2进行供电。
51.综上，本发明通过在床垫内设置电阻式压力传感器，实现了人体压力信号的监测；同时，本发明通过子信号线5将信号采集板2及信号接线口3移位至床垫本体1的侧壁，安装方便且方便接入电源；另外，本发明通过usb接头，可灵活地建立移动电源或充电插头与信号采集板2的连接，切换供电方式。
52.本发明的信号采集板2的外围电路由放大转换电路、数据采集电路、数据传输电路和电源四部分组成；其中放大电路将输入的电荷量转换为电压量，并对电压信号进行放大；由于心冲击信号非常微弱，会使得电荷的变化量很微弱，很容易被噪声所覆盖；因此转换模块必须采用低偏置电流的高阻抗电荷放大器作为前置放大，并采用高灵敏设计，以适应心冲击等微弱信号的放大。
53.此外，压电薄膜输出的电荷量本身就很小，一般会低于pc值，且输出阻抗很高，达109ω以上，因此前置运放须选择高输入阻抗、低偏置电流的放大器，如ad820、tlc2274等。在转换为电压后进行放大，并进行低通滤波和滤除高频噪声后送ad采样。
54.如图9为放大转换电路图，所示电路的灵敏度为：其中q为压电传感器产生的电荷量。由式可知，灵敏度只与反馈电容c成反比，与其他参数无关。由于薄膜压电传感器提取的心冲击(bcg)、呼吸、体动的叠加信号的幅值范围很大，因此灵敏度需要选择一个综合的数值。灵敏度过高，心动信号有利于提取，但是呼吸信号会因为放大器饱和而无法正常提取；灵敏度过低，虽然放大器饱和的情况会有效地避免，但是心动信号会被覆盖。因此需要根据薄膜压电传感器的尺寸来确定c值，本实验当中选择100pf。电阻r形成负反馈，可以防止反馈电容c长时间充电导致集成运放饱和。
55.本发明还提出了无负荷心冲击和呼吸监测系统，算法如图8。压电陶瓷传感器垫输出的是体动、呼吸和心冲击三种叠加的信号，以及电路噪声和干扰信号。原始信号必须进行处理后，才能分离出所需要的信号。
56.(1)原始信号受到电路原生噪声的影响比较大，其频率会大大的覆盖心冲击微弱信号。除了体动信号之外，噪声频率都比较高，在50hz以上。因此通过低通滤波即可去除噪声。
57.(2)在体动期间不进行心率和呼吸率的计算。由于体动信号的频率很高，也毫无规律，会使得放大器饱和，此时心冲击信号和呼吸信号无法输出，无法提取心冲击和呼吸波形。
58.(3)bcg信号的频率范围[5,20]hz，呼吸信号的频率范围[0.01,0.5]，选择fir带通滤波器(无递归，无迭代)提取出心冲击(bcg)波形和呼吸波形。并通过心冲击信号的零点二值化和呼吸信号的均值二值化，对单位时间内有效心动和呼吸的峰顶点进行计数，即可得到心率和呼吸率。
[0059]
因此，通过本发明可对人体压力信号进行精确的采集和心率呼吸率的计算，实测得知本实用系统心率监测系统与ppg传感模块显示的每分钟心跳只有正负5以内的差距，准确率可达96.3％，该结果表明本系统的数据真实可靠。
[0060]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。