本發(fā)明涉及一種脈搏波速測量裝置及方法，尤其涉及一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的裝置及方法。
背景技術(shù)：
：人口老齡化已經(jīng)成為了共同關(guān)心的問題，而高血壓以及心血管疾病已經(jīng)成為了一個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的健康問題，因此需要更好的醫(yī)療解決方案。近年來智能穿戴產(chǎn)品風(fēng)起云涌，但是很少有能夠測量血壓的穿戴式產(chǎn)品?；谛难芙】岛腿梭w血壓與脈搏波速關(guān)系密切，測量脈搏波速有很大的意義。上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)有這方面的相關(guān)研究，但是應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品極少，而穿戴式產(chǎn)品更是屈指可數(shù)。2013年楊剛等人研發(fā)出基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法，但其外部電路圖很復(fù)雜，采用的是模擬濾波器進(jìn)行濾波，模擬濾波器濾波會(huì)產(chǎn)生相移，所以測量得到的時(shí)間延遲會(huì)有較大且不可預(yù)測的誤差。此外，兩路距離(小拇指、無名指之間的距離)需要人工測量，會(huì)帶來測量誤差。日本科林公司的VP-1000測量儀和韓國的PP-1000，它們都采用壓力傳感器測脈搏波速。都存在操作者不同測量產(chǎn)生誤差也不一樣的問題。徐燕等研發(fā)人員研制了同時(shí)采用袖帶壓力傳感器和光電容積傳感器的脈搏波速度生理參數(shù)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在一只手臂上測量脈搏波速，但是由于反射波可以使脈搏波主峰產(chǎn)生移動(dòng)，所以穩(wěn)定性是一個(gè)有待解決的問題。英國ScanMedMedicalInstruments公司的SphgmoCor系統(tǒng)和法國ArtechMedical的Complior系統(tǒng)應(yīng)用比較普遍。但是，成本較高，推廣困難。Yung-KangChen所在的研究小組研究的基于雙通道的脈搏波信號(hào)測量系統(tǒng)，由于需要測量手指和腳趾的距離。操作麻煩，并且每個(gè)人的身體狀況不同，對于脈搏波峰的估算存在很大的隨機(jī)性，僅限于研究階段。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問題，具有高精度、實(shí)時(shí)性、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，便攜式、穿戴式設(shè)計(jì)的一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的裝置，包括依次連接的三路LED照射模塊、三路光接收模塊、信號(hào)處理模塊、ADC采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、零相移數(shù)字濾波器模塊、三角形校正誤差模塊和信息顯示模塊；所述三路LED照射模塊用于照射人體血管，包括至少3個(gè)光波長為500～700nm的LED，其中3個(gè)LED照射點(diǎn)分別為A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)，A點(diǎn)位于血流上游，B點(diǎn)、C點(diǎn)位于血流下游，三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形；所述三路光接收模塊接收三路LED隨脈搏搏動(dòng)而反射強(qiáng)度周期性變化的反射光，并對反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；所述信號(hào)處理模塊包括三個(gè)隔直電路模塊和三個(gè)與隔直電路模塊輸出端一一對應(yīng)連接的放大電路模塊；三個(gè)隔直電路模塊的輸入端分別與三路光接收模塊的三個(gè)輸出端連接，濾除電壓信號(hào)中的直流信號(hào)后經(jīng)放大電路模塊進(jìn)行信號(hào)放大，三個(gè)放大電路模塊的輸出端連接ADC采集模塊的輸入端；所述ADC采集模塊獲取三路放大電路模塊輸出的信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)ADC采集模塊輸出的信號(hào)，且存儲(chǔ)量達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)量時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)給零相移數(shù)字濾波器模塊；所述零相移數(shù)字濾波器模塊采用零相移數(shù)字濾波的方法對三路數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并輸出三路數(shù)據(jù)串至三角形校正誤差模塊；所述三角形校正誤差模塊根據(jù)三路數(shù)據(jù)串尋找A、B、C三點(diǎn)檢測到的脈搏波信號(hào)的主波峰最大值時(shí)刻tA、tB、tC，求A和B、A和C的時(shí)間差tBA和tCA，并根據(jù)下式計(jì)算出脈搏波速v=a(AB·tCA+AC·tBA)2-b·tCA·tBA,]]>其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB；所述信息顯示模塊用于顯示脈搏波速。作為優(yōu)選：所述ADC采集模塊為一個(gè)多路ADC或三個(gè)單路ADC，若為多路ADC時(shí)，其三個(gè)輸入端分別連接三個(gè)放大電路模塊的輸出端，若為三個(gè)單路ADC，則單路ADC與放大電路模塊一一對應(yīng)連接。一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的方法，包括以下步驟：(1)選擇人體需要測量脈搏的血管，設(shè)置三路LED照射模塊，選擇A、B、C三個(gè)照射點(diǎn)，其中A點(diǎn)位于血流上游，B點(diǎn)、C點(diǎn)位于血流下游；(2)用三路光接收模塊接收三路LED隨脈搏搏動(dòng)而反射強(qiáng)度周期性變化的反射光，并對反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；(3)將轉(zhuǎn)換后的三路電壓信號(hào)分別進(jìn)行隔直處理并放大；(4)采用ADC采集模塊對步驟(3)中的三路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)量時(shí)停止采集，發(fā)送數(shù)據(jù)給零相移數(shù)字濾波器模塊；(5)通過零相移數(shù)字濾波器模塊對三路數(shù)據(jù)濾波，輸出三路數(shù)據(jù)串至三角形校正誤差模塊；(6)三角形校正誤差模塊根據(jù)三路數(shù)據(jù)串尋找A、B、C三點(diǎn)檢測到的脈搏波信號(hào)的主波峰最大值時(shí)刻tA、tB、tC，求A和B、A和C的時(shí)間差tBA和tCA，并根據(jù)下式計(jì)算出脈搏波速v=a(AB·tCA+AC·tBA)2-b·tCA·tBA,]]>其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB。該式具體的推導(dǎo)結(jié)合附圖3所示其公式推導(dǎo)過程為：圖中A為血流上游采集點(diǎn)，B、C為血流下游采集點(diǎn)，血流先流到A處，再經(jīng)過A流向B、C。AC和AB邊以及角θ為自己設(shè)定的已知量。x軸的正向?yàn)檠鞣较?，C和B在x軸上的投影線段AE和AF分別為A到C、A到B真實(shí)的血流距離。AC和AB與x軸的夾角分別為θ1和θ2。因?yàn)闇y量范圍較小，所以可以認(rèn)為該過程中血流是勻速的，假設(shè)其速度為v。則有以下假設(shè)：KC＝cosθ，KS＝sinθ；①根據(jù)勾股定理有：AE＝AC·cosθ1⑤AF＝AB·cosθ2⑥v·tCA＝AEv·tBA＝AF⑤/⑥，將K帶入得:K=cosθ1cosθ2;]]>θ＝θ1+θ2；(θ為常量)；得到：Kcos(θ-θ1)＝cosθ1；K(cosθ·cosθ1+sinθ·sinθ1)＝cosθ1；將①、②帶入方程K·KS·sinθ1＝(1-K·KC)cosθ1；由(sinθ1)2+(cosθ1)2＝1；(K·KS)2[1-(cosθ1)2]＝(1-K·KC)2(cosθ1)2；cosθ1=K·KS1+K2-2K·KC;]]>v·tCA＝AE＝AC·cosθ1；v=AC·cosθ1tCA;]]>v=ACtCA·K·KS1+K2-2K·KC;]]>將K還原帶入上述公式化解得到:v=AC·AB·sinθ(AB·tCA+AC·tBA)2-2(1+cos)·AC·AB·tCA·tBA;]]>令：a＝AC·AB·sinθ；b＝2(1+cosθ)·AC·AB；(θ，AB，AC是已知量)v=a(AB·tCA+AC·tBA)2-b·tCA·tBA;]]>從上述的公式推導(dǎo)過程以及推導(dǎo)結(jié)果來看，測量的結(jié)果與θ1和θ2無關(guān)，只與已知量AB、AC、θ以及測量得到的tBA和tCA有關(guān)。所以可以得到的結(jié)論是在進(jìn)行測量操作時(shí)θ1和θ2可以在很大的范圍內(nèi)變化，但是不會(huì)有測量距離的誤差。作為優(yōu)選：步驟(5)具體操作為：(51)求取數(shù)字濾波器初始值；(52)為了消除邊緣效應(yīng)，在其數(shù)據(jù)串兩邊插入消抖的數(shù)據(jù)點(diǎn)；(53)對濾波器進(jìn)行向前和向后濾波，其濾波過后相位移動(dòng)是零。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1.本發(fā)明可以在很小的體表面積范圍內(nèi)測量脈搏波速，避免了壓力傳感器給被測者帶來的不適，且本發(fā)明裝置一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了以往多個(gè)裝置的工作，電路簡單，數(shù)字處理的方法可靠性較強(qiáng)，也便于功能擴(kuò)展。2.由于測量面積小，自身結(jié)構(gòu)簡單、功能集中、電路簡單，開發(fā)的技術(shù)要求不高，很容易集成在智能手環(huán)或是智能手機(jī)中，相比于現(xiàn)在市場上的相關(guān)產(chǎn)品，其成本低；基于該平臺(tái)，可以在多方面進(jìn)行算法的開發(fā)，應(yīng)用范圍廣泛，例如用于血壓、心率、情緒、血氧等的測量。3.采用三路信號(hào)采集、處理的方式，其中，采用零相移數(shù)字濾波的方法對三路數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，既可以解決雜波對主要波峰的相位影響，又不會(huì)因?yàn)闉V波而產(chǎn)生相移；用三角形校正誤差法計(jì)算波速，測量時(shí)擺放點(diǎn)可以在很大的偏移范圍內(nèi)擺動(dòng)而不影響測量結(jié)果，適用于穿戴式產(chǎn)品，測量操作方便，便于推廣。另外，由于三路LED照射模塊包括至少3個(gè)LED，當(dāng)LED為三個(gè)時(shí)，三角形只有一個(gè)，只要確定ABC三點(diǎn)，即可通過上述結(jié)構(gòu)和方法完成測量。但當(dāng)LED為四個(gè)、五個(gè)或N個(gè)時(shí)，照射點(diǎn)也為四個(gè)、五個(gè)或N個(gè)，此時(shí)，可以將多邊形分割為多個(gè)三角形，但只要保證三角形中，其中一個(gè)照射點(diǎn)位于血管上游、另外兩個(gè)位于血管下游即可，通過切割成多個(gè)三角形后，可以選擇其中一個(gè)三角形照射點(diǎn)來測量，也可以測量多個(gè)三角形的照射點(diǎn)，得到的參考結(jié)果越多，測量的數(shù)據(jù)就越精確。當(dāng)然，三角形誤差校正法是幾何誤差校正法中的一種，即除了三角形誤差校正法以外，還可以是其他N邊形(N>3)，可以確定N邊形的各邊的長度和角度實(shí)現(xiàn)幾何誤差校正。本發(fā)明中，微處理器可以是單片機(jī)、FPGA、DSP、CPLD、PLC等可編程邏輯器件。ADC采集模塊可以是一個(gè)或多個(gè)ADC在進(jìn)行采集，可以是微處理器內(nèi)部集成的，也可以是外部單獨(dú)搭建的ADC。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以是微處理器內(nèi)部集成的，也可以是外擴(kuò)的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)空間大小要結(jié)合自己具體的設(shè)計(jì)參數(shù)要求。放大電路是具有三路放大作用的放大電路。顯示模塊包括數(shù)碼管、LCD、OLED等可用于顯示的模塊。附圖說明圖1為本發(fā)明原理圖；圖2為本發(fā)明一路信號(hào)處理示意圖；圖3為三角形校正距離誤差示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1：參見圖1到圖3，預(yù)設(shè)三路LED照射模塊包括3個(gè)LED，照射點(diǎn)分別為A、B、C點(diǎn)，建立本發(fā)明的一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的裝置。其測量方法為：(1)選擇人體需要測量脈搏的血管，設(shè)置三路LED照射模塊，其中A點(diǎn)位于血流上游，B點(diǎn)、C點(diǎn)位于血流下游，本實(shí)施例測量手腕動(dòng)脈血管，三路LED照射模塊順著手腕橈動(dòng)脈血流方向放置；(2)用三路光接收模塊接收三路LED隨脈搏搏動(dòng)而反射強(qiáng)度周期性變化的反射光，并對反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；三路光接收模塊的接收頭與三路LED一一對應(yīng)設(shè)置，用以接收光信號(hào)；(3)將轉(zhuǎn)換后的三路電壓信號(hào)隔直處理去除直流信號(hào)，隔直后的信號(hào)極小，所以要對信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)根據(jù)自己需求選擇，本發(fā)明中是放大501倍。由于系統(tǒng)是單電源供電且隔直后的信號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)可能有一部分是負(fù)極性的，所以要對放大信號(hào)進(jìn)行電平抬高的處理，直接對隔直后的信號(hào)放大會(huì)在放大后出現(xiàn)信號(hào)失真，這是在實(shí)際應(yīng)用不允許的；(4)采用ADC采集模塊對步驟(3)中的三路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)量時(shí)停止采集，發(fā)送數(shù)據(jù)給零相移數(shù)字濾波器模塊；采集的數(shù)據(jù)量，與ADC采集速率有關(guān)。即采集的所有數(shù)據(jù)所用的時(shí)間可以小于心跳一個(gè)完整周期的時(shí)間，但要在保證一定能夠采集到主波峰最大值，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)可自行調(diào)整采樣次數(shù)；(5)通過零相移數(shù)字濾波器模塊對三路數(shù)據(jù)濾波，輸出三路數(shù)據(jù)串至三角形校正誤差模塊；當(dāng)使用模擬濾波器進(jìn)行系統(tǒng)濾波時(shí)，波形會(huì)產(chǎn)生相移誤差，經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)證明，相位移動(dòng)與脈搏波幅度有關(guān)，因此模擬濾波器因?yàn)槊}搏波幅值不斷變化誤差隨機(jī)性大，不可控。本發(fā)明為了彌補(bǔ)模擬濾波器的會(huì)產(chǎn)生相位移動(dòng)這一缺陷，采用了零相移數(shù)字濾波器，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。這樣既可以解決雜波對主要波峰的相位影響，又不會(huì)因?yàn)闉V波而產(chǎn)生相移。ADC采集的數(shù)據(jù)量越大，測量得到的主波峰最大值時(shí)刻的時(shí)間間隔越準(zhǔn)確，測量的脈搏波速越準(zhǔn)確，當(dāng)然這會(huì)加大計(jì)算量，實(shí)際中是可以根據(jù)需求自行選擇的；該步驟中所述濾波為零相移低通濾波器算法，具體操作為：(51)求取數(shù)字濾波器初始值(52)為了消除邊緣效應(yīng)，在其數(shù)據(jù)串兩邊插入消抖的數(shù)據(jù)點(diǎn)。(53)對濾波器進(jìn)行向前和向后濾波，其濾波過后相位移動(dòng)是零。(6)濾波后的數(shù)據(jù)，三角形校正誤差模塊根據(jù)三路數(shù)據(jù)串尋找A、B、C三點(diǎn)檢測到的脈搏波信號(hào)的主波峰最大值時(shí)刻tA、tB、tC，求A和B、A和C的時(shí)間差tBA和tCA，并根據(jù)下式計(jì)算出脈搏波速v=a(AB·tCA+AC·tBA)2-b·tCA·tBA,]]>其中θ＝∠BAC，a＝AC·AB·sinθ，b＝2(1+cosθ)·AC·AB。上述實(shí)施的結(jié)果如下表所示：表1：靜止測量數(shù)據(jù)次數(shù)第1次第2次第3次第4次第5次波速m/s8.28.08.48.48.1表2：運(yùn)動(dòng)后測量數(shù)據(jù)次數(shù)第1次第2次第3次第4次第5次波速m/s11.111.511.011.411.2表1和表2分別是測量靜止和運(yùn)動(dòng)后的脈搏波速，各測量了5組數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)來看有一定的跳動(dòng)，但是總體還是比較平穩(wěn)，誤差在可控的范圍內(nèi)，可以對數(shù)字濾波做更多的優(yōu)化提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。實(shí)施例2：預(yù)設(shè)三路LED照射模塊包括4個(gè)LED，照射點(diǎn)分別為A、B、C、D點(diǎn)，建立本發(fā)明的一種基于光反射法在小范圍內(nèi)測量脈搏波速的裝置，其中A位于上游，其余位于下游，本發(fā)明可分割為以A為起點(diǎn)的2個(gè)三角形，ABC和ACD，此時(shí)通過上述方法可得到2個(gè)波速數(shù)據(jù)。當(dāng)前第1頁1 2 3