專利名稱：運動心率的實時檢測和視頻數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電類，特別是涉及一種基于nRF9E5的運動心率采集和無線發(fā)送處理系統(tǒng)與運動狀態(tài) 的視頻實時采集系統(tǒng)，其主要目的是通過對心率和運動狀態(tài)的比較分析，確定健康鍛煉或運動訓練所應(yīng)達 到的適宜運動強度，進一步深入研究可以觀察運動全過程人體心臟功能的變化，這樣可以為鍛煉或訓練提 供一個科學的量化手段。
背景技術(shù)：
心率的檢測方法，有以下幾種l.通過觸摸脈搏，記錄一定時間內(nèi)的脈搏數(shù)后得到心率，借助于光電
式脈搏傳感器也可以在人體指尖測量脈搏。2.心電監(jiān)護儀測量心率，這是在臨床上使用最廣泛的方法。3.
使用心率表測量心率，在運動過程中，心率表是學生觀察自身心率的一個重要工具。
上述方法是目前國際和國內(nèi)常用的測量心率的方法。通過橈動脈或指尖的脈搏得到心率的方法盡管簡 單，但是如果脈搏微弱或按壓的位置不準確，會嚴重影響測量結(jié)果的準確性，而且這種方法不適用于運動 心率的測量，對于指尖測量的方法來說，劇烈的心臟搏動，頻繁的血液充盈使得光電信號很不穩(wěn)定，同樣
不能用于測量運動心率；心電監(jiān)護儀能夠提供大量的心電信息，包括實時的心電信號的波形和各種間期， 但是它只能應(yīng)用于靜息狀態(tài)下的患者；心率表能夠應(yīng)用于運動心率的檢測，而且能夠通過手腕佩戴的心率 表顯示運動心率，這也是在教學或比賽中心率表廣泛使用的原因。心率表的特點是給學生或運動員自身提 供實時的心率信號，以便于他們根據(jù)心率信號調(diào)整自己的運動強度。這一特點也就決定了除學生或運動員 自身外，其他人都不能實時觀察他們的心率狀態(tài)。
在運動心率檢測方面，目前難點主要集中在兩個問題心電電極和無線通信。有些心電電極表面積比 較大，引入的噪聲比較多，所以需要一個相對復雜的后期信號處理電路；有些心電傳感器技術(shù)比較成熟， 電極片已經(jīng)做得很小，而且信號質(zhì)量比較好，因此要選用適宜的心電電極。無線通信模塊發(fā)展很快，通信 協(xié)議和通信方法也很多。成熟的模塊價格比較貴，而且用戶二次開發(fā)的空間比較小，這對系統(tǒng)的整體設(shè)計 會有一些負面影響。單獨的射頻通信芯片應(yīng)用更加廣泛，它們內(nèi)部集成了很多功能，功能的增強進一步加 速了應(yīng)用的推廣和技術(shù)的進步。國外已經(jīng)有了心率遙測方面的研究，然而，遙測心率結(jié)合運動狀態(tài)實時釆 集系統(tǒng)，可以實時了解運動狀態(tài)心臟工作情況的先例卻還沒有發(fā)現(xiàn)。

實用新型內(nèi)容
本實用新型是一種運動心率的實時檢測和視頻數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)，包括運動瞬時心率檢測和實時視頻疊加 兩個部分，其特征是運動瞬時心率檢測部分采用基于nRF9E5的無線傳輸模式，依照心電探測頭、無線信 號轉(zhuǎn)發(fā)器、無線信號接收器和單片機視頻處理系統(tǒng)的順序連接構(gòu)成，配合PC軟件實現(xiàn)運動瞬時心率的檢 澳!l，實時視頻疊加部分采用SECRT ST-424C攝像頭采集運動圖像，使用^D6450和單片機把心率、時間 數(shù)據(jù)疊加到視頻中，再將疊加后的視頻信號通過視頻采集卡傳送到PC，在PC上由相應(yīng)的軟件完成視頻顯 示和"l己錄。
心電探測頭裝配有心電電極，可以采集心電信號，并含有近距離無線發(fā)射模塊，將心電信號發(fā)送到無 線信號轉(zhuǎn)發(fā)器。無線信號轉(zhuǎn)發(fā)器接收脈沖信號，并通過定時器記錄兩次脈沖之間的間期，然后得到心率數(shù) 值。再通過由nRF9E5組成的無線發(fā)射模塊將心率數(shù)值發(fā)送出去。PC機上的無線信號接收器接收到心率數(shù) 值后通過串行接口傳送到PC機。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，PC機將心率信號以曲線的形式顯示出來。
心率傳感器發(fā)送的心率信號只能到達lm的范圍，而心率監(jiān)測范圍往往要大于lm，因此必須提高心率
3信號的發(fā)送范圍。心率傳感器裝置在胸廓，為了不影響人體的正常運動，在體積和重量方面有嚴格的要求， 因此不能簡單地通過提高心率傳感器的功率來實現(xiàn)發(fā)送范圍的擴大。本實用新型使用nRF9E5組成的無線 信號發(fā)射器實現(xiàn)這部分功能。心率信號的提取由心電電極和心電傳感器兩部分組成。心電電極把采集到的 心臟活動的微弱電信號傳給心電傳感器，心電傳感器對接收到的心電信號進行放大、濾波、R波處理、脈 沖整形和調(diào)制，然后把處理后的信號發(fā)送到無線信號發(fā)射器。所述心電傳感器與常規(guī)的心率記錄儀相比， 做工精細，耗電量小，具有相當高的抗干擾和抗振動能力。使用時通過導電橡膠固定到胸部外側(cè)，當人體 運動時仍可以貼緊胸廓，不易活動，也不會影響人體的運動。nRF9E5的封裝大小只有5mmX5mm,這樣 可以使得無線信號發(fā)射器體積僅有3cm (寬)X4cm (高)Xlcm (厚)，它可以固定在人體的腰部或大腿 外側(cè)，不會影響人體的運動。
在運動狀態(tài)實時采集系統(tǒng)中，首先選用思銳特SECRTST-424C攝像頭采集學生的運動圖像；然后使用 MPD6450和單片機把心率、時間數(shù)據(jù)疊加到視頻中，再將疊加后的視頻信號通過視頻采集卡傳送到筆記本 電腦。在筆記本電腦上由相應(yīng)的軟件完成視頻顯示和記錄；視頻數(shù)據(jù)采集和通訊通過PCMCIA接口，這樣 整個系統(tǒng)實現(xiàn)了運動視頻數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)的保存、回放和分析等功能。
本實用新型除了對心率進行實時分析外，還可以保存和回放心率數(shù)據(jù)，這樣能夠隨時査閱以前的心率 狀況，為以后的教學或訓練提供參考。運動狀態(tài)的視頻采集和心率的視頻疊加，輔助教練員跨視距觀察及 練后分析運動員的訓練和監(jiān)測心率狀況，保存訓練過程中的視頻后，通過計算機網(wǎng)絡(luò)可以傳送到遠端的計 算機，這樣即使教練員不在現(xiàn)場，也可以遠程的看到運動員的訓練情況，及時制定科學的訓練方案。這樣， 不僅使得教練員可以遠距離甚至遠程地觀測運動員的訓練，而且使得教練員資源能夠得到合理的配置，這 樣更多的運動員可以享受到專業(yè)的指導。此外，動作視頻采集與保存也為練后技術(shù)分析及技術(shù)改進提供了 原始依據(jù)。


圖l心率遙測和視頻疊加系統(tǒng)框圖
圖2心率測量電路整體設(shè)計方案的框圖
圖3視頻采集系統(tǒng)、無線信號接收器和分析系統(tǒng)的框圖
具體實施方式
下面進一步說明心率遙測和視頻疊加系統(tǒng)的工作方式，如圖2所示，無線接收諧振回路接收心電傳感 器發(fā)出的心電信號，選頻之后進行心電信號的放大、濾波處理，然后通過帶有回差效應(yīng)的施密特觸發(fā)器， 使得心電信號中的一個R波對應(yīng)一個脈沖信號。脈沖信號可以使nRF9E5片內(nèi)8051產(chǎn)生中斷，開啟定時 器進行計時，當再次接收到中斷信號后停止計時。根據(jù)定時器的計數(shù)，就可以得到心率的數(shù)值。
當收發(fā)器準備發(fā)射數(shù)據(jù)時，它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。當數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù) 據(jù)準備好寄存器位(DR)會通知MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢?？臻e模式有利于減小工作電流，從空閑模式到 發(fā)送模式或接收模式的啟動時間比較短。在空閑模式下，nRF9E5內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。 由于nRF9E5是在每次心率信號到來時處于工作狀態(tài)，其他時間是空閑狀態(tài)，因此無線信號發(fā)射器的能耗 非常低。如圖3所示，nPD6450和單片機把心率、時間數(shù)據(jù)疊加到視頻中，再將疊加后的視頻信號通過視 頻采集卡傳送到PC，在PC上由相應(yīng)的軟件完成視頻顯示和記錄。
無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點對點，點對多點和多點對多點三種。本系統(tǒng)只有一個數(shù)據(jù)終端，因此采用點對 點方式。整個系統(tǒng)中，無線信號發(fā)射器與接收器之間的無線通信采用433MHz的頻段作為載波頻率。在 Shock Burst TM接收方式下，當收到一個有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時，地址匹配寄存器位(AM)和數(shù)據(jù)準 備好寄存器位(DR)通知片內(nèi)8051把數(shù)據(jù)讀出。
權(quán)利要求1. 一種運動心率的實時檢測和視頻數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)，包括運動瞬時心率檢測和實時視頻疊加兩個部分，其特征是運動瞬時心率檢測部分采用基于nRF9E5的無線傳輸模式，依照心電探測頭、無線信號轉(zhuǎn)發(fā)器、無線信號接收器和單片機視頻處理系統(tǒng)的順序連接構(gòu)成，配合PC軟件實現(xiàn)運動瞬時心率的檢測，實時視頻疊加部分采用SECRT ST-424C攝像頭采集運動圖像，使用μPD6450和單片機把心率、時間數(shù)據(jù)疊加到視頻中，再將疊加后的視頻信號通過視頻采集卡傳送到PC，在PC上由相應(yīng)的軟件完成視頻顯示和記錄。
專利摘要一種運動心率的實時檢測和視頻數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)，包括運動瞬時心率檢測和實時視頻疊加兩個部分，其特征是運動瞬時心率檢測部分采用基于nRF9E5的無線傳輸模式，依照心電探測頭、無線信號轉(zhuǎn)發(fā)器、無線信號接收器和單片機視頻處理系統(tǒng)的順序連接構(gòu)成，配合PC軟件實現(xiàn)運動瞬時心率的檢測，實時視頻疊加部分采用ST-424C攝像頭采集運動圖像，使用μPD6450和單片機把心率、時間數(shù)據(jù)疊加到視頻中，再將疊加后的視頻信號通過視頻采集卡傳送到PC，在PC上由相應(yīng)的軟件完成視頻顯示和記錄，目的是通過對心率和運動狀態(tài)的比較分析，確定健康鍛煉或運動訓練所應(yīng)達到的適宜運動強度，進一步深入研究可以觀察運動全過程心臟功能的變化。
文檔編號A61B5/024GK201248704SQ200820127130
公開日2009年6月3日 申請日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者王培勇 申請人:王培勇