一種人體運動狀態監測裝置的製作方法

2023-04-30 09:09:51 2

專利名稱：一種人體運動狀態監測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於人體生理信息監測系統，涉及一種檢測人體是否經歷諸如碰撞、 跌倒等類型的運動狀態改變、對該種類型的運動狀態改變給其帶來的風險進行評估並在必 要時發布報警的裝置。特別是本實用新型對人體加速度信息與心電圖信息進行同步採集， 通過對加速度和心電圖信息進行綜合分析的方法實現對運動狀態改變的檢測，並給出了對 該運動狀態改變可能對人體造成危害的風險評估和必要的報警實施方式。
背景技術：
社會上獨居老人、兒童或者其他自理能力較差的個體發生一些意外情況時，往往 得不到及時的處理和救護。在諸多的意外情況中，有一類意外非常具有代表性——運動狀 態突變。這裡運動狀態突變是指由於外力或自身協調問題造成的身體姿態的快速變化，針 對運動狀態突變的研究比較多的是對跌倒的檢測。對於人體而言，運動狀態的迅速改變可 能會對人體產生危害，因此如何檢測出這些運動狀態的突然改變過程並對發生運動狀態突 變的個體所經受的傷害風險進行及時評估，對於快速引導救助和妥善處理到發生運動狀態 突變的個體而言非常重要。近來，針對跌倒跌倒的檢測方法和裝置的技術資料或文獻公開較多。其中典型的 公開技術資料有專利(申請)號=200810204106. 8、專利(申請)號200720125141. 1、專利 (申請)號=200720097622. 6的資料。上述公開的專利資料中均給出了一種跌倒檢測裝置或方法的實現過程。所述技 術實現手段都是通過測量人體的加速度數據，採用一定的算法分析出人體身體姿態變化趨 勢，當裝置檢測到加速度發生劇烈變化時，根據預先設定的分析模型和閾值，判定人體發生 了跌倒，同時配合裝置提供的報警控制組件發布報警信息。所述技術依據處理的數據僅僅 為加速度採樣值，數據處理完全由系統自動完成。但是，跌倒運動發生時，根據跌倒的原因 和發生跌倒的人體本身所處的環境不同，跌倒表現出的運動狀態非常複雜，僅憑對加速度 數據變化模型分析判斷人體的姿態變化無法滿足準確性的要求。例如，對於人體在有支撐 狀態下，緩慢跌倒並在跌倒完成後憑藉倚靠物保持坐姿但其已喪失意識的情況，僅通過加 速度分析無法檢測出跌倒；同樣，對於人體快速彎腰或主動躺臥的情況可能出現假跌倒的 誤判。雖然，專利(申請)號:200810204106. 8、專利(申請)號200720125141· 1兩篇資 料中均在報警控制模塊中提供了人體人工幹預的接口，作為降低跌倒誤檢或遺漏的補充技 術手段，但是所有公開技術資料中介紹的裝置或方法仍然未能給出對跌倒造成的損傷或 風險的評估手段或參考信息，報警接收方無法獲知報警發布者的身體狀態和跌倒帶來的風 險。事實上，造成人體發生運動狀態突變的原因中還有一類是由外力引起的，這種情 況中，碰撞相當具有代表性。大部分引起人體運動狀態改變的碰撞都具有一定的危險性，這 種危險對於上文中提及的老人、兒童和自立能力差的群體而言更加明顯。針對於此類運動 狀態改變的檢測，上述技術資料中未給出明確的實現方法和對其產生危害和風險的評估機制。醫學研究表明，人體經歷撞擊或發生跌倒情況時，由於外界刺激或自身發生運動 狀態突變，在生理性的應激反應下，人體會分泌大量的腎上腺激素，這種激素的直接作用是 使人體出現心率加快、血壓升高、瞳孔擴張以及呼吸加快等等症狀。外界刺激越強烈，人體 所反映出的應激反應也越強烈，且持續時間越長。有些運動狀態改變本身可能不會造成很 大的危害，但是由於腎上腺激素的大量分泌，導致心率加快和血壓升高卻有可能產生嚴重 後果，危害人體的健康。因此，可以藉助心率、血壓、呼吸等等生理信息作為輔助手段，對人 體在經歷運動狀態突變前後的生理狀態進行描述，這樣將能夠提高對於危害性運動狀態突 變——碰撞或跌倒的檢測準確率，並對人體所經歷的運動狀態突變給其帶來的影響和後果 進行評估。另外，針對上文中已提及的人體在有支撐狀態下，緩慢跌倒並在跌倒完成後憑藉 倚靠物保持坐姿但其已喪失意識的情況。這種情況下，雖然沒有劇烈的運動狀態突變，但由 於有相當比例的個體是由於發生心臟、腦部或其他部位突然病變造成，其心電圖數據都有 可能發生特殊變化。如果此時能夠紀錄並分析發生跌倒的人體的心電圖數據，將非常有助 於發現這種危險的情況，提高了針對此類型運動狀態變化發生的檢出，還能夠提供患者在 發病第一時間裡記錄下來的心電圖信息，為以後的進一步診斷和治療提供參考依據。
發明內容本實用新型的目的在於克服上述公開技術中提及的僅基於加速度測量和分析的 檢測跌倒方法的單一性導致的缺點，設計一種能夠同步採集人體加速度和心電圖兩種參 數，通過對這兩項參數進行同步綜合分析，檢測出高風險的運動狀態改變的裝置。通過該裝 置，還可獲得運動狀態改變對人體產生的危害評估以及必要的報警控制。本實用新型採用如下技術方案一種人體運動狀態監測裝置。參見附圖1所示的 系統連接框圖，系統特徵如下以具有數據處理能力和控制能力的微處理器(M C U)或數 字信號處理器(DSP)為中心，通過I/O接口和總線接口與其他組件相連接。組件包括採 集人體皮膚表面心電圖信號的採集電極和與之相連的導聯線；用於對心電圖信號進行放大 和濾波處理的心電圖信號調理電路模塊；用於將心電圖模擬信號轉換成數位訊號的模數轉 換器；用於採集人體三維加速度信息的加速度傳感器；用於運行程序代碼的RAM(隨即存取 存儲器)；用於存儲程序代碼、心電圖數據和加速度數據的非易失性存儲器；用於對處理 進程進行監視的蜂鳴器；用於顯示必要信息的液晶顯示屏；用於接收人體輸入的按鍵；用 於對人體發生運動狀態突變、以及發生運動狀態突變的位置等信息進行發布的無線通信模 塊；用於將系統存儲的心電圖數據導出以便瀏覽的數據通訊接口和用於對上述所有組件或 模塊提供電流供給以保證其正常工作的電源。用戶首先通過鍵盤輸入一個目標手機號碼，作為報警信息的接收方，存儲在裝置 的非易失性存儲器中，該號碼可以根據需要進行修改。設置完成目標手機後，裝置進入監 護模式由加速度傳感器、模數轉換器和微處理器/DSP組成的數據採集單元採集人體在3 個方向上的加速度信息並對其進行量化，然後對數位化的加速度信息進行濾波、積分和分 析從而獲得人體的運動狀態描述；與此同時，由採集電極/導聯線、心電圖信號調理電路模 塊、模數轉換器和微處理器/DSP組成的數據採集單元同步採集人體的心電圖信號並對其進行量化、然後對數位化的心電圖信息進行存儲、濾波、R波檢測和心律分析等處理，從而獲 得人體在運動過程中伴隨的心臟變化情況。在日常活動中，人體的運動狀態通常不會發生 劇烈變化，通過設定合理的閾值可以發現諸如跌倒和受外力衝撞造成的運動狀態的突然變 化。在發現並記錄運動狀態變化的同時，通過心電圖採集單元得到的人體心律的分析可以 對運動狀態突變產生的影響和恢復情況進行評估。如果通過上述綜合方法分析得出人體經 歷了劇烈的運動狀態變化，且由此引發了異常的心律變化，或者人體首先發生心律異常，且 很快引起了運動狀態的異常變化，則可以推斷此運動狀態的突然變化具有高風險性且可能 已對人體產生傷害。此時裝置進入延時報警等待過程蜂鳴器間歇性鳴響提示使用者，如果 使用者根據自身情況判定無危險，可以通過按鍵取消報警操作；如果使用者清醒且能夠確 定需要幫助，可以直接啟動報警操作；如果使用者已喪失自主運動能力，系統能夠在固定的 延遲時間後自動進行報警操作。報警操作由微處理器/DSP控制無線數據通信模塊完成，報 警首先由微處理器發送命令啟動G PS定位，獲取發生運動狀態突變的位置和時間信息，然 後經過微處理器/DSP合成為帶有跌倒描述信息的文本，通過簡訊的方式發送給接收方。由 於本裝置對發生運動狀態全過程中人體的心電圖信息進行了記錄，當救助人員趕到現場時 還可以通過系統提供的數據通訊接口調取人體的心電圖歷史紀錄，為進一步的診斷和治療 提供有效依據。本實用新型通過採集和分析人體的加速度數據，分析人體經歷的運動狀態，當檢 測到人體發生明顯的運動狀態改變時，結合同步採集到的人體的心電圖數據變化作為分析 判斷的參考依據，提高了對於可能對人體產生傷害的運動狀態突變的檢測準確率。當檢測 到人體經歷了運動狀態突變且判斷該變化對人體產生傷害時，可通過裝置配置的報警功能 將發生運動狀態突變的地理位置和身體狀態信息發送到可實施救助的單位。同時，由於本 實用新型所述裝置在監測過程中存儲了人體的心電圖波形數據，因此還可以實現常規的心 電圖監測功能只要檢測到心電圖的異常變化，且該變化經歷一段時間仍未見恢復，即觸 發報警控制。存儲在非易失性存儲器中的心電圖數據可以為之後的救助或治療提供參考。

附圖1為本實用新型所述裝置的系統連接框圖。附圖2為本實用新型實現的事務處理流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和一種具體實施例對本實用新型的具體實施方式
進行詳細說明。如附圖1所示，一種人體運動狀態監測裝置。此裝置包括採集人體皮膚表面心電 圖信號的採集電極和與之相連的導聯線1 ；用於對心電圖信號進行放大和濾波處理的心電 圖信號調理電路模塊2 ；用於將心電圖模擬信號轉換成數位訊號的模數轉換器3 ；用於採集 人體三維加速度信息的加速度傳感器4;用於對心電圖信號和加速度信號進行處理、響應 用戶輸入並對其他各項功能進行綜合管理的微處理單元或數位訊號處理單元5 ；用於運行 程序代碼的RAM(隨即存取存儲器)6;用於存儲程序代碼、心電圖數據和加速度數據的非易 失性存儲器7 ；用於對處理進程進行監視的蜂鳴器8 ；用於顯示必要信息的液晶顯示屏9 ； 用於接收人體輸入的按鍵10 ；用於對人體發生碰撞或跌倒等危險情況進行報警信息發布的無線通信模塊11 ；用於將系統存儲的心電圖數據導出以便瀏覽的數據通訊接口 12和用 於對上述所有組件或模塊提供電流供給以保證其正常工作的電源13。作為具體地實施例，上述系統中的各組件可以採用如下配置，當然不對其進行限 定，可以選用其他具有對應功能的組件或模塊實現上述系統的硬體設計。心電圖採集電極片1採用氯化銀粘貼式電極片；心電圖信號調理電路模塊2選用 由美國Analog公司提供的AD620儀表放大器、AD8532運算放大器構成的放大和濾波解決 方案電路模塊；模數轉換器3可選用由美國Analog公司提供的AD7798模數轉換晶片；加速 度傳感器4採用芬蘭VTI公司提供的CMA3000三軸小量程數字接口加速度傳感器晶片；微 處理單元或數位訊號處理單元5採用法國ST公司提供的STM32F103晶片，由於其內部集成 模數轉換功能並配置大容量的RAM和非易失性存儲器，故模數轉換器3、RAM(隨即存取存儲 器)6和非易失性存儲器7可不單獨配置；液晶顯示屏9採用深圳信利公司提供的彩色TFT 液晶屏；無線通信模塊11採用美國AnyData公司提供的DTGS-800CDMA模塊，該模塊採用 CDMA數據傳輸協議，由於其內嵌GpsOne協議，故可實施GPS定位和簡訊息的接收和發送； 數據通訊接口 12採用恩智普公司提供的兼容USB協議的接口晶片PDIUSBD12 ；電源13採 用美國安森美公司的NCP1423晶片。如圖2所示，為本實用新型實現的事物處理流程，具體說明如下步驟200 通過按鍵和液晶屏設置報警信息接收方的手機號碼，並將此號碼保存 在裝置中，啟動監護例程——步驟201和鍵盤掃描例程——步驟213。步驟201 加速度傳感器採集人體在3個坐標軸方向上的加速度信號，由於 CMA3000內部集成了模數轉換器並帶有SPI數據輸出接口，可以直接輸出已量化的數據，故 STM32F103晶片可通過SPI接口接收加速度數據。在STM32F103晶片內部，利用運算單元 對加速度信息進行處理，通過積分計算出人體的速度和位移變化，從而得到人體的運動狀 態的變化。與此同時，心電圖採集電極收集人體體表的心電圖信號，通過導聯線傳入心電圖 信號調理模塊，該模塊對微弱的心電圖信號進行放大和濾波處理，將心電圖中的高頻噪聲 和50Hz工頻幹擾抑制並將信號放大到模數轉換器適用的範圍，之後通過模擬IO通道傳入 STM32F103的模數轉換設備，由STM32F103對心電圖信號進行量化和進一步分析。分析包括 兩步第一步，對採集到的心電圖數據進行平滑濾波，去除高頻噪聲和基線漂移；第二步， 通過心電圖波形的解析計算出人體的實時心率。在系統中，保存運動狀態參數(加速度、速 度和位移)和心率值的隊列長度取為180秒。步驟202 在3個坐標軸方向對採集到的加速度數據進行分析。分析過程包括三 步第一步，分別對採集到的3個軸向的加速度數據進行平滑濾波，減少噪聲和其他低幅度 的震動/抖動幹擾；第二步，使用下述公式，由3個方向的加速度(a)計算出固定採樣間隔 時間內(t)人體在三個坐標軸方向的速度變化(Δν)和位移變化(AS)AS = / atdtAv = S adt第三步，分別為三個坐標軸方向的加速度、速度變化和位移變化設置閾值。在對 三個坐標軸方向的加速度進行計算和分析的同時，對採集到的心電圖信號進行分析處理， 處理包括兩步第一步，對採集到的心電圖數據進行濾波，去除高頻噪聲和基線漂移；第二 步，通過心電圖波形的解析計算出人體的實時心率。在系統中，保存運動狀態參數(加速度、速度和位移)和心率值的存儲隊列長度取為180秒。步驟203 根據設定的閾值判斷三個坐標軸方向的加速度、速度和位移的數值是 否超出閾值所設定的變化範圍，如果上述三項數據中任意一項或組合發生的變化超出閾值 範圍，本方法認定人體的運動狀態發生異常變化，進入步驟204 ；如果沒有超出閾值設定的 範圍，返回到步驟201，繼續採集加速度和心電圖信息。步驟204 本步驟中，繼續採集三個坐標軸方向的加速度數據和心電圖數據，連續 採集時間取60秒，在此過程中，對加速度數據和心電圖數據進行的處理與步驟202所述針 對加速度數據和心電圖數據進行的處理相同。心電圖數據寫入非易失性存儲器保存。步驟205 根據三個坐標軸方向的加速度數據計算速度和位移的變化，由此獲得 檢測到人體發生運動狀態變化後的60秒間隔內運動狀態的變化趨勢；根據心電圖分析該 時間間隔內心律的變化趨勢。步驟206 參照表1所述編碼規範，如果在此時間內，人體持續發生運動狀態的劇 烈變化或保持幾乎靜止狀態，則認為人體的運動狀態異常KAl ；同時分析在該時間內心律 的變化趨勢，如果檢測到臨床上心律失常涵蓋的各種症狀的不同組合，則認為發生心律異 常EA1。運動狀態與心律的各種狀態組合可參見表2狀態編碼組合及說明。如果人體的運 動狀態和心律狀態組合為[ΚΝΙ+Em]時，返回到步驟201，繼續對人體進行常規監測；出現 所述其他的狀態組合時，均進入步驟207。除此以外，還需利用步驟202中所述保存運動狀 態參數和心率的存儲隊列，分析檢測到人體發生運動狀態變化前的120秒時間中，心律的 變化趨勢，如果在此時間間隔中發現上述心律異常，則指定其狀態編碼為[EA1+KA1]。表 權利要求一種人體運動狀態監測裝置，其特徵如下以具有數據處理能力和控制能力的微處理器或數位訊號處理器為中心，通過I/O接口和總線接口與其他組件相連接，組件包括採集人體皮膚表面心電圖信號的採集電極和與之相連的導聯線；用於對心電圖信號進行放大和濾波處理的心電圖信號調理電路模塊；用於將心電圖模擬信號轉換成數位訊號的模數轉換器；用於採集人體三維加速度信息的加速度傳感器；用於運行程序代碼的RAM；用於存儲程序代碼、心電圖數據和加速度數據的非易失性存儲器；用於對處理進程進行監視的蜂鳴器；用於顯示必要信息的液晶顯示屏；用於接收人體輸入的按鍵；用於對人體發生運動狀態突變、以及發生運動狀態突變的位置等信息進行發布的無線通信模塊；用於將系統存儲的心電圖數據導出以便瀏覽的數據通訊接口和用於對上述所有組件或模塊提供電流供給以保證其正常工作的電源。
2.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，通過微處理器或數字信 號處理器對加速度採集模塊和心電圖採集模塊的協調和控制，人體的加速度信號和心電圖 信號按照一定的採樣率被同步採集。
3.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，所述測量人體運動狀態 的加速度傳感器為可同時採集三個正交方向的加速度信號的傳感器或若干可採集單一方 向加速度信號的傳感器組合。
4.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，所述無線通信模塊採用 CDMA協議，該模塊通過內嵌的GpsOne功能可實施GPS定位，並進行簡訊息的發布。
5.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，所述用於將系統存儲的 數據導出的數據通訊接口採用串行通訊接口。
6.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，其發布的報警簡訊息包 含內容有時間、地理位置——經度、地理位置——緯度、運動狀態變化描述和心律描述。
7.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，通過按鍵操作，可以直接 啟動或取消報警操作。
8.根據權利要求1所述人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，通過按鍵設置，本裝置可 以實現單獨針對人體心電圖的監測和報警。
9.根據權利要求2所述的人體運動狀態監測裝置，其特徵在於，加速度信號的採樣率 大於等於10Hz，心電圖的採樣率大於等於250Hz。
專利摘要一種人體運動狀態監測裝置。通過採集和分析人體的加速度數據，重現人體經歷的運動狀態，當檢測到人體發生明顯的運動狀態改變時，結合同步採集到的人體的心電圖數據變化作為分析判斷的參考依據，提高了對於可能對人體產生傷害的運動狀態突變的檢測準確率。當檢測到人體經歷了運動狀態突變且該變化對人體產生傷害時，可通過裝置配置的報警功能將發生運動狀態突變的位置和身體狀態信息發送到可實施救助的單位。同時，由於本實用新型所述裝置存儲了人體經歷運動狀態突變前後的心電圖波形信息，這些信息還可以為之後的救助或治療提供有效參考。
文檔編號A61B5/0402GK201691930SQ20092020857
公開日2011年1月5日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年8月28日
發明者丁平, 張鑫 申請人:張鑫;丁平