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精神壓力分析儀

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　　精神壓力分析儀人體亞健康多元生理參數

　　1.一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：包括固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，即：人體生物電傳感器陣列、MEMS人體組織生理波形傳感器陣列、血氧飽和度檢測傳感器陣列，通過固定在人體貼身部位的多組傳感器，把包含人體生理特征的信息轉換為電信號，電信號輸出端接前置放大器輸入端，前置放大器輸出端接信號濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接增益可控的電信號調理電路輸入端，增益可控的電信號調理電路輸出端接多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊輸出接微處理器系統的存儲器，微處理器系統連接數據去噪處理、數據壓縮感知、人體生理健康常規參數監測、服務請求信息與顯示模塊。

精神壓力分析儀人體亞健康多元生理參數

　　2.根據權利要求1所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，包括多個傳感器，包括：心、肺、肝、胃部位的生物電傳感器和基于MEMS的人體組織生理波形傳感器陣列；

　　采用MEMS人體組織生理波形傳感器陣列，把人體組織的次聲波、聲波和超聲波轉變為電信號，并傳輸到信號調理模塊；信號調理模塊包括：由初級運算放大器TLV2254構成的電壓跟隨器，由次級AD603兩極放大電路和同步增益控制電路組成的信號放大器。

　　3.根據權利要求2所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，還包括：心臟部位傳感器設置了心電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在胸前右側，女士固定在背部右側；肺部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部；肝部部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架左下側，公用地線采用鍍銀導電網格線固定于人體腰部和背部；

　　所述一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀的微處理系統，包括無線藍牙、模式設置和WIFI/3G/4G通信模塊，以及配置在云端服務器的WEB服務模塊；

　　所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，所述的生物電傳感器把人體生物電信號通過固定的接口進行放大，采用多通道陣列超高輸入阻抗、低噪聲的精密運算放大器TLV2254作為電壓跟隨器，電壓跟隨器放置在緊靠被測傳感器的位置，每個通道的輸出信號設置防干擾驅動保護環電路。

　　4.根據權利要求3所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀的血氧飽和度檢測傳感器陣列包括透射式和反射式脈搏血氧檢測傳感器。

　　5.根據權利要求4所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的血氧飽和度檢測傳感器陣列通過外接導聯裝置設置SCM660和SCM810兩個不同波段的發光二極管作為光電容積脈搏傳感器的光源，上下設置兩個光電接收管作為透射和反射兩種接收模式，所述的透射模式是指通過測試手指的光線透射度進行檢測脈搏血氧飽和度，所述的反射模式是指通過對固定在人體的某一皮膚位置的發光二極管和接收光電管加電，并檢測皮下血管對不同波段光線的反射率的大小，計算脈搏血氧飽和度。

　　6.根據權利要求5所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的血氧飽和度檢測傳感器陣列后續電路包括前置放大電路、信號分離電路以及信號調理電路。

　　7.根據權利要求1所述的一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，其特征在于：所述的多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，采用可控制的基壓縮感知隨機采樣A/D轉換電路。

　　說明書

　　一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀

　　技術領域

　　本實用新型涉及一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，尤其涉及可實現在移動設備上對人體血氧、血壓、呼吸、脈搏、心音(電)、肺音(電)、胃音(電)、肝音(電)等生理參數的采集，并采用HRV分析法對人體亞健康精神壓力進行綜合分析。

　　背景技術

　　隨著經濟社會的快速發展，高強度的工作和激烈的競爭給人們的生活帶來了極大的壓力，導致很多人長期處于亞健康狀態。亞健康是介于健康和疾病之間的一種生理、心理和代謝功能低下的綜合狀態，它是身體患病的臨界狀態，是許多疾病的前期征兆，如心血管疾病、十二指腸潰瘍、肝炎、癌癥等。由于其潛伏期一般長達8到10年，所以大多數人對其危害性認識不足，進而引發不可逆轉的惡性疾病。據統計，亞健康的易感人群主要集中在社會的精英層，年齡范圍在40-59歲的人群中占到了70％左右，其中在企事業管理人員、基層公務員、白領階層、知識分子和某些特殊行業的人群中發病率更高。研究表明，亞健康的致病成因與當前環境的污染、緊張的生活節奏、心理承受的壓力過大、飲食不規律、過度的使用電腦、睡眠時間減少、身體運動不足、體力透支等不良的生活習慣密切相關。這些直接導致了時下的現代疾病(如：心腦血管疾病、腫瘤等疾病)不斷增加。臨床實驗表明：這些疾病在發病前人體在相當長的時間內不會出現器質性病變，但在功能上已經發生了障礙，如胸癖氣短、頭暈目眩、失眠健忘、精神壓力增大等癥狀。防治亞健康的關鍵在于早診斷、早發現，然后在專家的指導下，通過改善飲食結構、平衡心理、動靜結合、改善生活環境、以及處理好生活和工作關系，經過循序漸進的積極治療，則身體逐步向健康方向轉化。鑒于此，本專利旨在通過設計檢測人體各種生理信息的變化裝置，自動測量人體的交感神經和副交感神經的平衡度，采用HRV分析模型，并依據心率變異性的相關因素，計算分析人體當前所承受的精神壓力，從而為人體是否處于亞健康狀態提供診斷依據。

精神壓力分析儀人體亞健康多元生理參數

　　實用新型內容

　　本實用新型的目的是提供一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀器，該裝置通過固定在人體內衣支架上的可穿戴人體多種生理信號的采集傳感器組(包括：人體生物電傳感器組、心電傳感器組、MEMS人體組織生理波形傳感器組、血氧飽和度傳感器和溫度傳感器)和三類不同信號通道的調理電路，再經過基于壓縮感知的隨機A/D轉換器輸入微處理器，微處理器把采集的信號作為原始數據，經過去噪、降噪和壓縮感知處理后，分別實現人體生理健康常規參數實時監測和發送至云端。發送至云端的數據將根據終端用戶的服務請求，通過云端Web服務模塊可以為終端用戶提供如下服務：①人體亞健康HRV精神壓力分析；②建立人體健康檔案；③人體亞健康智能專家診斷分析；④個性化亞健康生活指導；⑤多元亞健康關聯數據分析。見附圖1人體亞健康生理參數精神壓力分析儀系統結構圖。

　　本實用新型采用下述技術方案：

　　一種可穿戴的人體亞健康多元生理參數精神壓力分析儀，包括固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，即：人體生物電傳感器陣列、MEMS人體組織生理波形傳感器陣列、血氧飽和度檢測傳感器陣列，通過固定在人體貼身部位的多組傳感器把包含人體生理特征的信息轉換為電信號，再經過增益可控的寬帶生物電信號調離電路和多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，在微處理器的控制下，將采集的數據存儲在本地，同時通過WIFI/3G/4G傳輸至云端。本地數據可以實時監測和顯示人體的包括心、肺、肝、胃部位的生物電信息和人體組織器官的機械振動生理特征信息。傳輸至云端的數據，經過去噪、降噪和壓縮感知處理后，通過云端Web服務模塊為終端用戶提供如下服務：①人體亞健康HRV精神壓力分析；②建立人體健康檔案；③人體亞健康智能專家診斷分析；④個性化亞健康生活指導；⑤多元亞健康關聯數據分析。并在終端顯示器顯示。見附圖2人體亞健康生理參數精神壓力分析儀原理結構圖。

　　所述的固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，主要用于固定多個傳感器，包括心、肺、肝、胃部位的生物電信息和基于MEMS的人體組織生理波形傳感器陣列。其特征在于：心臟部位傳感器設置了心電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在胸前右側，女士固定在背部右側。肺部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部。肝部部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架左下側，公用地線采用鍍銀導電網格線固定于人體背部。

　　所述的人體生物電傳感器陣列主要把人體生物電信號通過固定的接口進行放大：采用多通道陣列超高輸入阻抗、低噪聲的精密運算放大器TLV2254作為電壓跟隨器，電壓跟隨器放置在緊靠被測傳感器的位置，以降低傳輸噪聲，每個通道的輸出信號用于驅動保護環，保護環形成等電位的低阻抗屏蔽，以保護各個輸入通路免受漏電流的影響。

　　采用MEMS人體組織生理波形傳感器陣列，把人體組織的次聲波、聲波和超聲波轉變為電信號，并傳輸到信號調理模塊。信號調理模塊包括：由初級運算放大器TLV2254構成的電壓跟隨器，由次級AD603兩極放大電路和同步增益控制電路組成的信號放大器。所述電路其特征在于把人體的器官組織由于病變后組織體密度或強度發生變化而產生的摩擦聲波、血液流動和血管壁的摩擦聲波轉變為寬頻帶電信號，且把電信號進行放大，為后極A/D轉換提供信號源。

　　所述的血氧飽和度檢測傳感器陣列，其特征在于通過外接導聯裝置設置SCM660和SCM810兩個不同波段的發光二極管作為光電容積脈搏傳感器的光源，上下設置兩個光電接收管作為透射和反射兩種監測模式。所述的透射模式是指通過測試手指的光線透射度進行監測脈搏血氧飽和度。所述的反射模式是指通過對固定在人體的某一皮膚位置的發光二極管和接收光電管加電，并檢測皮下血管對不同波段光線的反射率的大小，以計算脈搏血氧飽和度。

　　所述的血氧飽和度監測傳感器陣列包括SCM660和SCM810兩個不同波段的發光二極管作為光電容積脈搏傳感器的光源，包括上下兩個光電接收管，使得該陣列即可工作在透射模式，也可工作在反射模式。

　　所述的血氧飽和度檢測傳感器陣列后續電路包括前置放大電路、信號分離電路以及信號調理電路，其任務是將混疊在一起的雙波長透射光信號進行分離，并通過信號調理電路進行放大濾波，提高信噪比，為后續的模數轉換器提供可靠的脈搏波模擬電信號。前置放大器選用INA321儀表放大器，主要性能參數為：共模抑制比94dB，工作帶寬500KHz，輸入失調電壓0.2mV。前置放大器電壓放大倍數設計為5-10倍。前置放大器INA321輸出的信號內同時含有660nm和810nm的信號。以CD4066數控開關作為信號分離器，以發光管驅動時序信號I660和I810作為開關控制信號，將前置放大器輸出由單路混合信號變為只含有660nm光強信號的Id660以及只含有810nm光強信號的Id810。信號調理電路內含兩個通道，每個通道含有一個截止頻率為102Hz的4階巴特沃斯低通濾波器以及一個電壓放大倍數為200倍的放大器。經過信號調理電路后，輸至基于壓縮感知的A/D轉換器。

　　所述的增益可控的寬帶生物信號調離與分離模塊，采用儀表差動放大器，提高電路共模抑制比，適合測量人體任意兩點之間的電壓差，其優點在于電路具有較大的共模抑制比，以避免由于傳感器的大幅度基線漂移干擾有效信號。主電路采用有記憶的自適應放大器，其特征在于由AD603組成兩極放大電路和同步增益控制電路。所述生物電信號電極傳感器傳輸給第一級放大器，其阻抗一般大于100兆歐姆，電容值為100pF。輸入阻抗主要由這兩個前置級運算放大器的輸入阻抗決定，電阻R用于限流經輸入導聯的電流，并聯的齊納二極管和將所有超過齊納二極管的信號旁路至接地點。每個通道設有一個有源陷波器，調節可調電阻R可以將陷波頻率設置為50/60HZ。放大器具有單獨的屏蔽驅動用于保護每個輸入導聯免受外界噪聲的干擾。

　　所述的多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，采用可控制的A/D轉化電路，根據微處理器系統所事先具有的信息經驗確定有效數據采樣時機，控制系統實現隨機采集。

　　基于上述實施方案，所述的固定在人體貼身部位的多組傳感器把包含人體生理特征的信息轉換為電信號，再經過多通道增益可控的寬帶生物電信號調離電路和壓縮感知隨機A/D轉換模塊，在微處理器的控制下，將采集的數據存儲在本地，同時通過WIFI/3G/4G傳輸至云端。本地數據可以實時監測和顯示人體的包括心、肺、肝、胃部位的生物電信息和人體組織器官的機械振動生理特征信息。傳輸至云端的數據，經過去噪、降噪和壓縮感知處理后，通過云端Web服務模塊為終端用戶提供如下服務：①建立人體健康檔案；②人體亞健康HRV精神壓力分析；③人體亞健康智能專家診斷分析；④個性化亞健康生活指導；⑤多元亞健康關聯數據分析。

　　附圖說明

　　圖1：人體亞健康生理參數精神壓力分析儀系統結構圖；

　　圖2：人體亞健康生理參數精神壓力分析儀原理結構圖；

　　圖3：可穿戴傳感器內衣支架示意圖；

　　圖4：電壓跟隨器原理圖；

　　圖5：有記憶的自動增益控制放大電路；

　　注：圖3中附圖標記為：①心電傳感器，②MEMS心電傳感器，③胃部生物電傳感器，④MEMS胃部生理波傳感器，⑤肺部生物電傳感器，⑥MEMS肺部生理波傳感器，⑦肝部生物電傳感器，⑧MEMS肝部生理波傳感器，⑨女士肺部生物電傳感器，⑩MEMS女士肺部生理波傳感器，女士肝部生物電傳感器，MEMS女士肝部生理波傳感器，可調整的松緊帶，連線接口。

　　具體實施方式

　　如圖1所示，本實用新型通過固定在人體內衣支架上的三組傳感器，即：人體生物電傳感器組、MEMS人體組織生理波形傳感器組以及血氧飽和度傳感器組，分別采集人體生物電信號、人體組織生物特征機械振動波形和人體脈搏血氧飽和度，各傳感器采集的信號輸出端通過前置放大模塊、濾波電路和自動增益放大電路連接至多通道壓縮感知的A/D轉換電路的輸入端，多通道壓縮感知的A/D轉換電路的輸出端連接至微處理器系統的數據存儲器，微處理器系統(移動終端)還接有顯示模塊和模式設置模塊。

　　該實用新型為了把多個傳感器固定在人體的被測部位，特意設計了可以固定傳感器的貼身內衣支架，如圖3，該支架可以將人體生物電傳感器陣列、MEMS人體組織生理波形傳感器陣列、血氧飽和度檢測傳感器陣列固定在其上。通過固定在人體貼身部位的多組傳感器把包含人體生理特征的信息轉換為電信號，再經過增益可控的寬帶生物電信號調離電路和多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，在微處理器的控制下，將采集的數據存儲在本地，同時通過WIFI/3G/4G傳輸至云端。本地數據可以實時監測和顯示人體的包括心、肺、肝、胃部位的生物電信息和人體組織器官的機械振動生理特征信息。傳輸至云端的數據，經過去噪、降噪和壓縮感知處理后，通過云端Web服務模塊為終端用戶提供如下服務：①人體亞健康HRV精神壓力分析；②建立人體健康檔案；③人體亞健康智能專家診斷分析；④個性化亞健康生活指導；⑤多元亞健康關聯數據分析。并在終端顯示器顯示，見圖2人體亞健康生理參數精神壓力分析儀原理結構圖。

　　所述的固定在人體可穿戴貼身內衣支架上的傳感器組，主要用于固定多個傳感器，包括心、肺、肝、胃部位的生物電信息和基于MEMS的人體組織生理波形傳感器陣列。其特征在于：心臟部位傳感器設置了心電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在胸前右側，女士固定在背部右側。肺部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架上，男士固定在左胸前，女士固定在左后背部。肝部部位傳感器設置了生物電傳感器和MEMS微機電生理波檢測傳感器，兩個傳感器分別固定在貼身傳感器內衣支架左下側，公用地線采用鍍銀導電網格線固定于人體背部。見圖3：可穿戴傳感器內衣支架示意圖。

　　根據對影響人體亞健康和精神壓力參數的分析，本實用新型采用多通道信號采集電路采集的人體生物電信號，包括：心電信號(放置在胸部、背部的電極)、胃電信號(放置在左腹部的皮膚表面的電極)、肝電信號(放置在右腹部的皮膚表面的電極)、肺電信號(放置在肺部的皮膚表面的電極)；采集的MEMS人體組織生理波形傳感器包括心跳、胃腸蠕動、肝部摩擦音、肺部呼吸音；采集的血氧飽和度傳感器包括：固定在手指上或者固定在人體的某皮膚位置實現脈搏測量、血氧飽和度測量、血壓測量和血液流速測量。

　　人體生物電信號采用多通道陣列超高輸入阻抗、低噪聲的精密運算放大器TLV2254作為電壓跟隨器，跟隨器放置在緊靠被測傳感器的位置，以降低傳輸噪聲，每個通道的輸出信號用于驅動保護環，保護環形成等電位的低阻抗屏蔽，以保護各個輸入通路免受漏電流的影響。

　　由于人體生理信號較弱，為了有效采集各傳感器信號，需要對傳感器輸出信號進行調理，信號調理電路由前置放大模塊、濾波電路和自增益放大模塊。生物電信號電極傳感器傳輸給第一級放大器，其阻抗大于100兆歐姆，電容值為100pF。輸入阻抗主要由這兩個前置級運算放大器的輸入阻抗決定，電阻R用于限流經輸入導聯的電流，并聯的齊納二極管和將所有超過齊納二極管的信號旁路至接地點。本實用新型前置放大模塊由電壓跟隨器TLV2254組成，如圖4是電壓跟隨器原理圖，電壓跟隨器的輸出接放大電路輸入端，放大電路由四路低壓低功耗運算放大器TLV2254構成三級增益放大電路，每級增益可以通過編程設置為10、100、1000倍，電路的總增益可達一百萬倍。

　　該實用新型采用MEMS人體組織生理波形傳感器陣列傳，把人體組織的次聲波、聲波和超聲波轉變為電信號，并傳輸到信號調理模塊。信號調理模塊，由初級運算放大器TLV2254構成的電壓跟隨器、信號放大電路和電壓自增益控制模塊組成。該電路在于把人體的器官組織由于病變后組織體密度或強度發生變化而產生的摩擦聲波、血液流動和血管壁的摩擦聲波轉變為寬頻帶電信號，且把電信號進行放大，為后極A/D轉換提供信號源。

　　該實用新型采用血氧飽和度檢測傳感器陣列采集人體脈搏和血氧飽和度。傳感器外接導聯裝置采用SCM660和SCM810兩個不同波段的發光二極管作為光電容積脈搏傳感器的光源，設置上下兩個光電接收管作為透射和反射兩種監測模式。其中透射模式是指通過測試手指的光線透射度進行監測脈搏血氧飽和度；反射模式是指通過對固定在人體的某一皮膚位置的發光二極管和接收光電管加電，并檢測皮下血管對不同波段光線的反射率的大小，以計算脈搏血氧飽和度。

　　血氧飽和度監測傳感器陣列包括SCM660和SCM810兩個不同波段的發光二極管作為光電容積脈搏傳感器的光源，包括上下兩個光電接收管，使得該陣列即可工作在透射模式，也可工作在反射模式。血氧飽和度檢測傳感器陣列后續電路包括前置放大電路、信號分離電路以及信號調理電路，其任務是將混疊在一起的雙波長透射光信號進行分離，并通過信號調理電路進行放大濾波，提高信噪比，隨后送往基于多通道壓縮感知的A/D轉換器。

　　增益可控的寬帶生物信號調離與分離模塊，采用儀表差動放大器提高電路共模抑制比，適合測量人體任意兩點之間的電壓差，其優點在于電路具有較大的共模抑制比，以避免由于傳感器的大幅度基線漂移干擾有效信號。

　　自動增益控制電路采用有記憶的自適應放大器，由兩個AD603組成兩極放大電路和同步增益控制電路，見圖5有記憶的自動增益控制放大電路。該電路的記憶功能主要是由D/A轉換模塊和微處理器組成，微處理器根據各通道信號的益處情況，自動調整D/A模塊的輸入端，D/A的輸出端實時調整AD603增益控制電壓，從而控制各通道信號處在適合多通道壓縮感知的A/D轉換器采集的有效范圍。

　　每個通道設有一個有源陷波器，調節可調電阻R可以將陷波頻率設置為50/60HZ。

　　多通道壓縮感知隨機A/D轉換模塊，采用可控制的A/D轉化電路，根據系統所事先具有的信息經驗確定有效數據采樣時機，控制系統實現隨機采集。

精神壓力分析儀人體亞健康多元生理參數

　　多通道放大器具有單獨的屏蔽驅動，用于保護每個輸入導聯免受外界噪聲的干擾。

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