【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及可穿戴生理信号监测装置领域，具体是多模态生理信息监测压电式无线传感器及信号计算方法。
技术介绍
1、基于各类传感器的生理信号可穿戴监测装置是近年来物联网和医疗领域火热的选题。对于人体脉搏、血压和心率等生理指标的无线实时监测能让使用者或者医护人员清晰地了解身体情况，有利于更加智能、高效的身体管理。基于各类传感器的生理信号可穿戴监测装置是近年来物联网和医疗领域火热的选题。对于人体脉搏、血压和心率等生理指标的无线实时监测，能让使用者或者医护人员清晰地了解身体健康状态，有利于更加智能、高效的管理。
2、与其他传感器相比，压电传感器具有灵敏度高、频率响应范围广、稳定性高等优点，如今绝大多数压电传感器都是使用压电陶瓷制作的，但其非常脆弱，机械能力差。压电薄膜具有非常好的共形能力，但其压电效应较差。通过仿听诊器结构可以有效地提高压电薄膜的压电信号输出，能够对微小跳动实现灵敏地响应。但压电效应产生的电荷无法通过市面上常见的电压放大模块直接放大，使用示波器可以清晰地看到微小跳动的电压波形，由于示波器体积大，无法随身携带，因此设计多模态生理信息监测压电式无线传感器及信号计算方法是非常有必要的。但是关于微弱压电信号的调制有一定困难，在传输过程中易造成信号损失。如今的可穿戴监测领域尚不存在一种成熟的低功耗高灵敏度的压电式多模态生理信息无线监测装置。
技术实现思路
1、对于现有存在的一些问题，本专利技术的目的在于提供多模态生理信息监测压电式无线传感器及信号计算方法，以解决上述背景技
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、第一方面，本专利技术公开多模态生理信息监测压电式无线传感器，包括压敏模块、信号调制电路pcb板、控制模块电路pcb板和外壳，所述外壳内壁顶端固定设置螺柱，控制模块电路pcb板、信号调制电路pcb板依次穿过螺柱配合限位螺母固定设置，信号调制电路pcb板下方设有压敏模块，压敏模块和外壳内壁螺纹连接，压敏模块用于采集监测脉搏、血压、呼吸率和心音等多模态生理信号，压敏模块和信号调制电路pcb板通信连接，信号调制电路pcb板和控制模块电路pcb板通信连接。
4、作为本专利技术进一步的方案：所述压敏模块包括压电传感单元和压盖，压盖与外壳螺纹连接。
5、作为本专利技术进一步的方案：所述压电传感单元由压盖和听诊器振动膜组成，压电传感单元粘贴于压盖的光滑面构成所述压敏模块。
6、作为本专利技术进一步的方案：所述信号调制电路pcb板包括电荷放大电路、低通滤波电路、工频陷波电路、电压放大电路和电源电路，电荷放大电路输入端和压敏模块通电连接。
7、作为本专利技术进一步的方案：所述电荷放大电路输出端和低通滤波电路输入端连接，低通滤波电路输出端和工频陷波电路输入端连接，工频陷波电路输出端和电压放大电路输入端连接，电源电路和电荷放大电路、低通滤波电路、工频陷波电路、电压放大电路通电连接；电荷放大电路将压敏模块输出的电荷转换为电压信号并放大，低通滤波电路用于滤除截止频率之上的信号，工频陷波电路用于将陷波频率限定在50hz，电压放大电路用于将信号放大，其放大倍数由可调电阻调节，电源电路用于为上述四个电路供能。
8、作为本专利技术进一步的方案：所述控制模块电路pcb板包括电源、无线充电电路和数据传输电路，电源和无线充电电路通电连接，无线充电电路用于对电源进行充电补充能源；电压放大电路输出端和数据传输电路通电连接，压电传感单元输出的压电信号经过电荷放大、低通滤波、工频陷波、电压放大后传输至数据传输电路，压电信号通过数据传输电路发送到用户端；电源和数据传输电路、电源电路通电连接，电源用于对数据传输电路、电源电路供能。
9、作为本专利技术进一步的方案：所述外壳采用8111x树脂3d打印而成，外壳为内径37mm、壁厚1.5mm、高9.5mm的一体式结构；所述压盖的材料为8111x树脂，压盖的圆环外径为39mm，圆环内径为26mm。
10、作为本专利技术进一步的方案：所述信号调制电路pcb板材料型号为fr-4，信号调制电路pcb板的形状为直径为34mm的圆，其厚度为1mm。
11、作为本专利技术进一步的方案：所述控制模块电路pcb板材料型号为fr-4，所述控制模块电路pcb板形状为直径为34mm的圆，其厚度为1mm。
12、第二方面，本专利技术公开了多模态生理信息监测压电式无线传感器信号的计算方法，其步骤如下：
13、s1、动脉搏动
14、采集到人体的脉搏信号，脉搏信号包括腕部脉搏、主动脉搏、颈动脉脉搏和太阳穴脉搏的信号；对采集到的信号进行预处理，即对信号进行50hz的陷波滤波，去除信号中的工频干扰，使用小波变化去除信号的基线漂移，使用截止频率为10hz的巴特沃斯低通滤波器去除信号中的肌电干扰，得到脉搏波；
15、来源于颈动脉脉搏信号的两个生理时序：心跳间隔序列即心率，是一种时间函数，表示为r(t)；呼吸率时序，是一种替代呼吸信号的时间函数，表示为e(t)；变量t通常视为连续分析；
16、s2、心率
17、心跳间隔序列r(t)是指脉搏波数据中每次心跳的时间间隔差；在matlab中使用findpeaks函数找到脉搏波中的心搏点，并计算出每次心搏点的时间差；对得到的心跳间隔序列使用41点均值滤波器，去除大于2.0s、小于0.3s和与平均值相差20％的心跳间隔，得到正常心跳间隔序列，以给定的采样率对正常心跳间隔序列进行重采样，表示为rk；
18、s3、呼吸率
19、呼吸率时序e(t)是一种人体呼吸信号的替代信号，用于表示人的呼吸，对于去除工频干扰的颈动脉脉搏信号，对其进行小波变换，公式如下：
20、
21、小波分解得到的低频分量即为呼吸率时序，以给定的采样率对呼吸率时序进行重采样，表示为ek；
22、s4、睡眠质量与情绪状态
23、对于得到的rk和ek信号，在一个有512个样本的窗口内计算，该窗口分为三个重叠的256个样本的子窗口；在每个子窗口内，执行快速傅里叶变换之前对信号进行线性去趋势和使用hanning函数将信号窗口化；移动128个样本，重复上述计算，直至整个重采样后的心跳间隔序列和呼吸率时序分析完成；
24、这两个信号的离散傅里叶表示为和计算公式如下：
25、
26、
27、式中和n表示进行傅里叶变换的数据点的数量；
28、傅里叶变换可以表示为：
29、
30、式中a和b为幅度，和为傅里叶分量的相位；
31、互谱表示为γn(r，e)，计算公式如下：
32、
33、式中，*表示复共轭；在给定频率下，互谱振幅为原始信号的相应傅里叶幅度之积；互谱相位为两种原始信号的相应傅里叶分量相位的相位差；这两种信号的相干度为相位差一致性的统计测量，表示为，计算公式如下：
34、
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1.多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，包括压敏模块(1)、信号调制电路PCB板(3)、控制模块电路PCB板(4)和外壳(5)，所述外壳(5)内壁顶端固定设置螺柱(6)，控制模块电路PCB板(4)、信号调制电路PCB板(3)依次穿过螺柱(6)配合限位螺母(2)固定设置，信号调制电路PCB板(3)下方设有压敏模块(1)，压敏模块(1)和外壳(5)内壁螺纹连接，压敏模块(1)用于采集监测脉搏、血压、呼吸率和心音等多模态生理信号，压敏模块(1)和信号调制电路PCB板(3)通信连接，信号调制电路PCB板(3)和控制模块电路PCB板(4)通信连接。
2.根据权利要求1所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述压敏模块(1)包括压电传感单元(11)和压盖(12)，压盖(12)与外壳(5)螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述压电传感单元(11)由压电膜(111)和听诊器振动膜(112)组成，压电传感单元(11)粘贴于压盖(12)的光滑面构成所述压敏模块(1)。
4.根据权利要求1
5.根据权利要求4所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述电荷放大电路(31)输出端和低通滤波电路(32)输入端连接，低通滤波电路(32)输出端和工频陷波电路(33)输入端连接，工频陷波电路(33)输出端和电压放大电路(34)输入端连接，电源电路(35)和电荷放大电路(31)、低通滤波电路(32)、工频陷波电路(33)、电压放大电路(34)通电连接；电荷放大电路(31)将压敏模块(1)输出的电荷转换为电压信号并放大，低通滤波电路(32)用于滤除截止频率之上的信号，工频陷波电路(33)用于将陷波频率限定在50Hz，电压放大电路(34)用于将信号放大，其放大倍数由可调电阻调节，电源电路(35)用于为上述四个电路供能。
6.根据权利要求5所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述控制模块电路PCB板(4)包括电源(41)、无线充电电路(42)和数据传输电路(43)，电源(41)和无线充电电路(42)通电连接，无线充电电路(42)用于对电源(41)进行充电补充能源；电压放大电路(34)输出端和数据传输电路(43)通电连接，压电传感单元(11)输出的压电信号经过电荷放大、低通滤波、工频陷波、电压放大后传输至数据传输电路(43)，压电信号通过数据传输电路(43)发送到用户端；电源(41)和数据传输电路(43)、电源电路(35)通电连接，电源(41)用于对数据传输电路(43)、电源电路(35)供能。
7.根据权利要求6所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述外壳(5)采用8111X树脂3D打印而成，外壳(5)为内径37mm、壁厚1.5mm、高9.5mm的一体式结构；压盖(12)的材料为8111X树脂，压盖(12)的圆环外径为39mm，圆环内径为26mm。
8.根据权利要求7所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述信号调制电路PCB板(3)材料型号为FR-4，信号调制电路PCB板(3)的形状为直径为34mm的圆，其厚度为1mm。
9.根据权利要求8所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述控制模块电路PCB板(4)材料型号为FR-4，所述控制模块电路PCB板(4)形状为直径为34mm的圆，其厚度为1mm。
10.权利要求1-9任一所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器的信号计算方法，其步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，包括压敏模块(1)、信号调制电路pcb板(3)、控制模块电路pcb板(4)和外壳(5)，所述外壳(5)内壁顶端固定设置螺柱(6)，控制模块电路pcb板(4)、信号调制电路pcb板(3)依次穿过螺柱(6)配合限位螺母(2)固定设置，信号调制电路pcb板(3)下方设有压敏模块(1)，压敏模块(1)和外壳(5)内壁螺纹连接，压敏模块(1)用于采集监测脉搏、血压、呼吸率和心音等多模态生理信号，压敏模块(1)和信号调制电路pcb板(3)通信连接，信号调制电路pcb板(3)和控制模块电路pcb板(4)通信连接。
2.根据权利要求1所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述压敏模块(1)包括压电传感单元(11)和压盖(12)，压盖(12)与外壳(5)螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述压电传感单元(11)由压电膜(111)和听诊器振动膜(112)组成，压电传感单元(11)粘贴于压盖(12)的光滑面构成所述压敏模块(1)。
4.根据权利要求1所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述信号调制电路pcb板(3)包括电荷放大电路(31)、低通滤波电路(32)、工频陷波电路(33)、电压放大电路(34)和电源电路(35)，电荷放大电路(31)输入端和压敏模块(1)通电连接。
5.根据权利要求4所述的多模态生理信息监测压电式无线传感器，其特征在于，所述电荷放大电路(31)输出端和低通滤波电路(32)输入端连接，低通滤波电路(32)输出端和工频陷波电路(33)输入端连接，工频陷波电路(33)输出端和电压放大电路(34)输入端连接，电源电路(35)和电荷放大电路(31)、低通滤波电路(32)、工频陷波电路(33)、电压放大电路(34)通电连接；电荷放大电路(31)将压敏模块(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，高鸣源，廖一钒，李若婉，
申请(专利权)人：上海市伤骨科研究所，
类型：发明
国别省市：
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