基于光聲效應的心率測量方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子測量領域，具體地指一種基于光聲效應的測量方法及裝置。
【背景技術】
[0002]目前，心率是醫學上廣泛采用的人體健康狀況的評價參數，傳統的心率測量方式為聽診器測量，然而這種方式非常不方便且誤差較大。隨后出現了通過測量脈搏壓力變化進而測量心率的壓電式心率測量儀，但壓電式的測量儀是接觸式的，操作麻煩，靈敏度得不到保證。
[0003]心率表的測量原理常見的有兩種，一種是心動電流測量法，還有一種是光電透射測量法。兩種測量方法均存在一定的缺陷。心動電流測量法的儀器需接觸皮膚并將測量裝置佩戴在胸腔，使用十分不方便。光電透射測量法由于信號極為微弱而非常容易受到外界干擾而造成測量數據不準確。而且光在組織中傳輸時，組織存在強散射效應。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是要提供一種基于光聲效應的心率測量方法及裝置。
[0005]為實現上述目的，本發明所提供的基于光聲效應的心率測量方法，包括以下步驟:
[0006]I)向生物體發射正弦連續波近紅外光光源，并接受生物體被近紅外光激發而輻射的聲波；
[0007]2)由于光聲效應，入射的近紅外光會產生聲波信號，聲波探測器接收聲波信號，利用壓電效應把聲波信號轉換成電信號；
[0008]3)對電信號進行多點采樣，計算得出心率數據。
[0009]為實現上述方法而設計的基于光聲效應的心率測量裝置，包括中空多環陣列探測傳感器、信號放大器、隔直與濾波器、可編程增益放大器、微型控制器、近紅外模塊、IXD顯示屏、輔助傳感器模塊和Buzzer蜂鳴器；所述中空多環陣列探測傳感器、信號放大器、隔直與濾波器、可編程增益放大器、微型控制器和近紅外模塊按照信號的輸入至輸出的流向依順次相連，所述微型控制器的信號輸出端與LCD顯示屏的信號輸入端相連，所述輔助傳感器模塊的信號輸出端與微型控制器的信號輸入端相連，所述微型控制器的的信號輸出端與Buzzer蜂鳴器的信號輸入端相連。
[0010]與現有技術相比，本發明具有性能穩定、結構簡單、便于攜帶、操作方便、能實現心率的實時監測等優點，可廣泛應用于各種心率測量場合。
【附圖說明】
[0011]圖1為本方法流程圖。
[0012]圖2為本測量裝置的原理結構示意圖。
[0013]圖3為一種心率測量表結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0015]基于光聲效應的心率測量方法，包括以下步驟:
[0016]I)向生物體發射正弦連續波近紅外光光源，并接受生物體被近紅外光激發而輻射的聲波。探測器用的是近紅外發光二極管和聲波探測器即中空多環陣列探測傳感器，當近紅外光穿過手腕，光吸收顆粒吸收了強度調制的光能，其吸收的光能轉化成熱能，在顆粒內部產生周期性的溫度變化，使這部分物質及其鄰近介質熱脹冷縮而產生壓力的周期性變化，從而產生聲波，其頻率與光調制頻率相同。中空多環陣列探測傳感器可以接收到聲波信號，利用壓電效應把聲波信號轉換成電信號，接收到的電信號有強有弱，強弱變化就是頻率，也就是心率，經過一系列信號處理后可通過顯示屏顯示測得的心率值。在所述向生物體發射近紅外光光源，并接收所述生物體對所述近紅外光的放射光信號之后，根據所述近紅外光激發而輻射的聲波的強度，調節近紅外光光源的發射強度，提高測量裝置的準確性與自適應性。可以采用一個正弦連續波信號來驅動半導體激光管發射近紅外的光源，這樣對比持續點亮的光源來說可以大大的節省了本技術系統的耗電。
[0017]2)由于光聲效應，入射的近紅外光會產生聲波信號，聲波探測器接收聲波信號，利用壓電效應把聲波信號轉換成電信號。對聲波信號進行轉換處理，包括轉換，比較，濾波，放大，整形等一系列的處理，并獲得對應的電信號。處理后的信號經過微處理器的數據處理，利用中空多環陣列探測傳感器把聲波信號轉換為電信號。(刪除部分)
[0018]3)對電信號進行多點采樣，經過一系列信號處理后，結合相應算法，計算獲得相應的心率數據。例如，將此電信號與近紅外光同頻率的標準正弦電信號比較就可以得到聲波電信號的強弱變化即頻率，這就是心率數值。
[0019]向生物體發射近紅外光光源，由于近紅外光對生物體血液內攜氧血紅細胞和去氧血紅細胞的流動產生的光聲效應，以及對血液的其他液體成分產生了光聲效應，接收該近紅外光被激發的超聲波信號，并對該超聲波信號進行轉換處理(采樣、比較、濾波、放大)，獲得血液對應的強弱變化的電信號S，再對該電信號S進行多點采樣，并根據內部算法計算得出相關的心率數據。其中，內部算法由微型控制器分析輔助模塊提供的輔助信號而獲得。本測量方法能適應不同的膚色、不同部位以及不同運動狀態下的心率測量。其中，在向生物體發射近紅外光光源，并接收所述生物體對所述近紅外光的超聲波信號之后，根據激發的超聲波信號的強度，結合生物體不同的檢測部位、不同的膚色，微型控制器模塊通過調節該發光二極管的發光強度，選擇該檢測部位最適合的光源發射強度，從而提高裝置的自適應性。
[0020]基于光聲效應的心率測量裝置，包括中空多環陣列探測傳感器201、信號放大器202、隔直與濾波器203、可編程增益放大器204、微型控制器205、近紅外模塊206、IXD顯示屏207、輔助傳感器模塊208和Buzzer蜂鳴器209 ;所述中空多環陣列探測傳感器201、信號放大器202、隔直與濾波器203、可編程增益放大器204、微型控制器205和近紅外模塊206按照信號的輸入至輸出的流向依順次相連，所述微型控制器205的信號輸出端與LCD顯示屏207的信號輸入端相連，所述輔助傳感器模塊208的信號輸出端與微型控制器205的信號輸入端相連，所述微型控制器205的的信號輸出端與Buzzer蜂鳴器209的信號輸入端相連。所述輔助傳感器模塊208為加速度傳感器、溫度傳感器、和/或壓力傳感器。
[0021]中空多環陣列探測傳感器201用于接收聲波信號，并通過壓電效應將攜帶心率信息的聲波信號轉換為電信號；
[0022]隔直與濾波器203為低通濾波器；可編程增益放大器204把電信號放大；近紅外模塊206發射近紅外光；輔助傳感器模塊與Buzzer蜂鳴器用于為微型控制器205提供輔助信號例如溫度、聲音、運動模式等，以便于微型控制器205判斷當前運動模式和當前需使用算法等輔助功能山⑶顯示屏207顯示心率等數據；微型控制器205用于計算心率。
[0023]中空多環陣列傳感器201接收到超聲波，利用壓電效應把聲波信號轉換成電信號，接收到的電信號有強有弱，強弱變化就是頻率，也就是心率。由于近紅外光對生物體血液內攜氧血紅細胞和去氧血紅細胞的流動產生的光聲效應，以及對血液的其他液體成分產生了光聲效應，其中，在向生物體發射近紅外光光源，并接收所述生物體對所述近紅外光的超聲波信號之后，根據激發的超聲波信號的強度，結合生物體不同的檢測部位、不同的膚色，微型控制器205通過調節該半導體激光管的發光強度，選擇該檢測部位最適合的光源發射強度，從而提高裝置的自適應性。微型控制器模塊205可以采用一個正弦連續波來驅動半導體激光管302發射近紅外的光源，這樣對比持續點亮的光源來說可以大大的節省了本技術系統的耗電，而且更能提高近紅外光的穿透性。微型控制器205用于處理后的提供輔助數據，輔助內部算法，提升獲得相應的心率數據可靠性。輔助傳感器模塊208用于為微型控制器205提供輔助信號，以便于微型控制器205判斷當前運動模式和當前需使用算法等輔助功能。輔助傳感器模塊206包括以下一種或任意多種組合:加速度傳感器、溫度傳感器以及壓力傳感器等。如采用加速度傳感器時，微型控制器205通過加速度傳感器發送的加速度輔助數據，判斷當前的運動模式為:靜止、行走、跑步等，進而選擇相應的內部算法，提高測量裝置的自適應性。
[0024]圖3為一種心率測量表，在手表式外殼內設有顯示屏303、控制按鈕、控制器、電池305和測量盒，超聲波檢測與心率測量電路304、聲學絕緣層、粘結板308、半導體激光管302、傅立葉透鏡301、透光保護膜一體化封裝于測量盒內，構成一體化的同軸共焦結構。手表式外殼裝有佩戴于被檢測人員手腕上的表帶，光聲激發源和光路透鏡系統產生聚焦的激光束，穿過中空多環陣列傳感器306，射向手腕內的血管307，實現連續動態聚焦掃描的光聲超聲波心率信號的探測，通過超聲波檢測與心率測量電路計算和提供手腕深度方向多個位點的心率結果。
【主權項】
1.一種基于光聲效應的心率測量方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)向生物體發射正弦連續波近紅外光光源，并接受生物體被近紅外光激發而輻射的聲波； 2)由于光聲效應，入射的近紅外光會產生聲波信號，聲波探測器接收聲波信號，利用壓電效應把聲波信號轉換成電信號； 3)對電信號進行多點采樣，將此電信號與近紅外光同頻率的標準正弦電信號比較就可以得到聲波電信號的強弱變化即頻率，這就是心率數值。
2.一種為實現權利要求1所述方法而設計的基于光聲效應的心率測量裝置，其特征在于:包括中空多環陣列探測傳感器(201)、信號放大器(202)、隔直與濾波器(203)、可編程增益放大器(204)、微型控制器(205)、近紅外模塊(206)、IXD顯示屏(207)、輔助傳感器模塊(208)和Buzzer蜂鳴器(209);所述中空多環陣列探測傳感器(201)、信號放大器(202)、隔直與濾波器(203)、可編程增益放大器(204)、微型控制器(205)和近紅外模塊(206)按照信號的輸入至輸出的流向依順次相連，所述微型控制器(205)的信號輸出端與LCD顯示屏(207)的信號輸入端相連，所述輔助傳感器模塊(208)的信號輸出端與微型控制器(205)的信號輸入端相連，所述微型控制器(205)的的信號輸出端與Buzzer蜂鳴器(209)的信號輸入端相連。
3.根據權利要求2所述的基于光聲效應的心率測量裝置，其特征在于:所述輔助傳感器模塊(208)為加速度傳感器、溫度傳感器、和/或壓力傳感器。
【專利摘要】本發明公開了一種基于光聲效應的心率測量方法及裝置，所述測量方法包括以下步驟：向生物體發射正弦連續波近紅外光光源，并接受生物體被近紅外光激發而輻射的聲波等；所述裝置包括中空多環陣列探測傳感器、信號放大器、隔直與濾波器、可編程增益放大器、微型控制器、近紅外模塊、LCD顯示屏、輔助傳感器模塊和Buzzer蜂鳴器等，本發明具有性能穩定、結構簡單、便于攜帶、操作方便、能實現心率的實時監測等優點，可廣泛應用于各種心率測量場合。
【IPC分類】A61B5-0245, A61B5-00
【公開號】CN104840190
【申請號】CN201510246579
【發明人】舒正華, 劉國棟, 謝志華
【申請人】江西科技師范大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日