CN1692874A - 指环式生理信息监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指环式生理信息监测装置，可从使用者手指处获取生理信号，并根据该生理信号确定和显示生理信息，如心率和血压。该装置包括主体、手指支撑带、测量单元、显示单元和处理单元。处理单元位于主体内，与显示单元和测量单元电连接，用于确定生理信息和对测量单元和显示单元进行控制。测量单元位于手指支撑带的内表面，使用时与手指肚侧接触。显示单元位于主体上表面，显示所获得的生理信息。本发明还可包括指套，用来测量生理信号并可减少其中的运动噪声。该生理信息监测装置的血压测量不需使用袖带，可以连续长时间地同步测量血压、心率和血流信号，监测结果准确，佩戴方便。利用无线传输功能还可以在远程终端上显示确定出的生理信息。

Description

指环式生理信息监测装置

技术领域

本发明涉及一种独立集成式生理信息监测装置，尤其涉及一种独立集成的指环式生理信息监测装置。

技术背景

世界人口日趋老龄化。统计数据显示，预计到2050年，60岁或以上人口的数量将达到20亿。慢性疾病是影响老年人健康的主要问题，心脏病、高血压和糖尿病在老年人中的发病率通常都高于年轻人。老年人所患疾病趋于慢性化且症状不明显。据估计，每年全球有16,600,000人死于心血管疾病，未经治疗的高血压是对生命有严重威胁的心血管疾病的一个主要风险因素，因而高血压是影响公众健康的重要问题。但不幸的是大多数高血压患者都没有明显症状。通常当症状变得明显的时候，病症已经到了非常严重的地步。目前在美国约有5千万高血压人口，在中国约有1亿高血压人口。由于患有慢性疾病的人口增长迅速，生理信息监测装置就显得尤为重要。

现在，有许多不同的生理信息监测装置。其中一种是心率监测仪，被广泛应用于家庭和运动员训练中。目前的心率监测仪通常是根据心电信号或光电容积描记信号来确定心率。通过在胸部检测心电信号来确定心率的监测仪在美国专利6,553,247和6,553,251中有详细说明。这种监测仪使用起来并不方便，因为它需要使用者使用一条带有电极的带子缠在胸部，同时用一个分离开的装置显示心率。此种测量会导致不适，而且需要使用者较多的干预。

一种基于光电容积描记信号或心电信号的生理信息监测装置是以手表的形式出现的，如美国专利4,407,295和4,230,127所公开的那样，这种方式的装置可以较方便地操作。在使用时，使用者要把一个手指放在测量单元上，这样无法实现长时间连续监测。同时，在测量时使用者的活动自由也被限制住了。解决这个问题的一个方法是将传感器固定到手指上并检测光电容积描记信号，然后把信号传给手表。美国专利4,305,401和4,338,950描述了这样的设计。但因为其需要用一根缆线将两个分开的装置连接起来，因而其设计体积较大，不方便长时间测量和运动员使用。

另一种基于光电容积描记法的监测装置被设计为一个独立的指环，它可以连续地戴在手上且无需缆线连接，美国专利6,608,562 B1，5,964,701和6,402,690 B1描述了这样的设计。但是，其显示和/或计算关键生理信息仍需一个分离的单元。尽管美国专利5,539,706和中国专利93,247,546都描述了集成了显示装置的独立装置，它们的装置体积较大，而不是以一种舒适可佩戴的指环式装置的形式出现。

公众日益认识到高血压是一种严重危害健康的疾病，这促进了针对个人使用的血压测量技术的发展。自我测量血压可以减少诊断和治疗高血压所需的门诊访问次数。不同的血压测量装置所使用的技术可以分为两类：侵入式测量装置和非侵入式测量装置。在非侵入式测量装置中，基于脉搏波传输时间的方法较为适用于自我测量和家庭使用。脉搏波传输时间是指心脏收缩和脉搏波到达身体末端位置的时间差。心脏收缩的时间可以用一个特征点(如心电信号波形中每一个心动周期中的R型波的顶点)来表示。脉搏波到达身体末端位置的时间可以用光电容积描记信号中每一个心动周期中的特征点来表示。一旦得到了脉搏波传输时间，相应的血压值就可以通过预先在校准时建立的回归方程得到。这种确定血压的方法是非侵入式的，无需使用可充放气的袖带，并且可以得到对应于每一次心脏搏动的血压值。美国专利4,869,262、5,316,008和20010012916公开了基于脉搏波传输时间的血压测量装置。尽管这些装置是便携式的，但它们通常设计为手表或手持设备的形式。而指环式设计可以方便佩戴、易于使用、应用场合广，并且使血压测量更为方便。

利用光电容积描记法检测信号的装置包括一个测量单元，它有一个发光装置，如发光二极管，把光射入到测量位置的表面，如手指，耳垂或前额，和一个光接收装置，如光电三极管，检测从测量位置反射或透射的光。由于动脉搏动导致血管中血流量的变化，因此光的吸收、反射和散射也相应改变。由光接收装置检测到的光强也发生相应变化，该光强信号被转换成电信号后可进行进一步的处理和分析。在非静态状态下从身体的末端位置检测光电容积描记信号时所遇到的问题包括：1)由于测量位置处血流循环的突然改变以及测量单元相对测量位置表面的运动而产生运动噪声；2)驱动发光装置所需要的强电流导致较高的功率消耗。

发明内容

考虑到上述不足，本发明的一个目的是提供一种独立集成的指环式生理信号监测装置，可佩戴在手指上，不仅可以获取生理信号，还可以确定并显示从生理信号中得到的生理信息。

本发明的另一个目的是提供一种独立集成的指环式生理信号监测装置，通过手指支撑带的设计、测量单元的设计、可调节位置的测量单元和测量单元位于指肚的侧面的位置等设计和/或主体处理单元中的错误检测模块和信号发生电路控制模块来降低功率消耗和运动噪声的影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种指环式生理信号监测装置，包括：主体，包括具有上表面和与之相对的下表面的外壳；手指支撑带：其两端分别与所述主体相对的两侧连接，并与所述主体的下表面构成连续的或非连续的指环状结构；例如，手指支撑带可以是由具有一定弹性的两片弯曲成弧形的材料构成，每片材料分别与主体的一侧相连接；测量单元，用于从被监测者手指处检测信号；其特征在于，进一步包括一处理单元和一显示单元，所述处理单元位于所述主体内，与所述测量单元和所述显示单元电连接，对所述测量单元的测量信号进行处理而获取被监测者的生理信息，并对所述测量单元和所述显示单元进行控制；所述显示单元位于所述主体的上表面，用来显示所述处理单元获取的被监测者的生理信息。

所述测量单元可包括位于所述手指支撑带内的第一测量单元，所述第一测量单元使用时与被监测者的手指侧面相接触；还可包括与所述手指支撑带分离的第二测量单元；进一步，还可包括一第三测量单元。该第三测量单元可包括位于所述主体上表面的第一电极、位于所述主体下表面，使用时与手指皮肤接触的第二电极和一位于与所述支撑带分离的第三电极，所述处理单元对所述第一电极、第二电极和第三电极所得到的生物电信号进行处理和分析。

所述的第一和第二测量单元可包括：a)发光装置，用于发射光到被监测者的手指；b)光接收装置，用于接收从使用者手指反射或透射回来的光，并把所述的反射光或透射光转化为电信号；c)分隔部件，用来防止所述的发光装置发出的光直接射到所述的光接收装置。

所述显示单元可以显示数字、文字或图形，优选为既可显示数字也可显示文字，同时还可以显示图形。并且，所述显示单元可从所述主体上分离，在此情况下，所述通用控制模块通过无线方式控制所述显示单元。

所述处理单元包括：模拟信号处理电路，处理来自所述测量单元的电信号，产生已处理电信号；信号发生电路，用于产生控制所述测量单元的电信号；中央处理单元，控制所述模拟信号处理电路、所述信号发生电路、所述显示单元，并且根据经所述模拟信号处理电路处理的电信号确定生理信息。所述测量单元的发光装置和光接收装置分别与所述信号发生电路和所述模拟信号处理电路电连接。

所述主体进一步还可包括用于设置操作模式的用户输入装置。

所述用户输入装置优选是对接触敏感的装置，可包括按钮或触摸键和/或可转动转盘。

所述的外壳还可包括用于连接所述外壳与所述手指支撑带的连接部分。所述连接部分可以用于辅助所述手指支撑带从所述主体中分离出来，还可用来调整所述手指支撑带的松紧，以便在手指的接触表面固定所述测量单元。

所述分隔部件由柔软可压缩的和/或可阻挡光的材料制成，并且所述材料可以具有一定的粘性。

所述中央处理单元包括：存储数据和应用软件模块的存储单元和执行存储在存储单元中模块的微处理器单元。

所述存储单元所存储的模块包括：生理信息确定模块；错误检测模块；信号发生电路的控制模块；模拟信号处理电路的控制模块；和通用控制模块。

所述生理信息确定模块包括：根据由所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号确定心率的模块；根据由所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号确定血压的模块；和根据由所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号提取信号特征及确定其特征值的模块。

所述错误检测模块包括：运动噪声检测模块，用于检测从所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号中的运动噪声，并根据检测结果修正所述生理信息确定模块、所述信号发生电路的控制模块和所述模拟信号处理电路的控制模块；噪声检测模块，用于检测从所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号中的其他噪声，以及根据检测结果修正所述生理信息确定模块、所述信号发生电路的控制模块和所述模拟信号处理电路的控制模块的操作。

所述信号发生电路的控制模块包括：控制开/关所述发光装置的转换模块；控制输入给所述发光装置的电流强度的电流控制模块。

所述模拟信号处理电路控制模块包括用于开/关所述模拟信号处理电路的模块。

所述通用控制模块包括：控制所述显示单元的显示模块，和根据用户输入装置的输入输出相应的控制信号的模块。

所述手指支撑带由弹性材料或对光有阻挡作用的材料或对光有阻挡作用的弹性材料制成。

所述第一测量单元与所述手指支撑带之间的相对位置可以沿所述手指支撑带调整，以使所述第一光接收装置获得最佳的脉搏信号。

所述第二测量单元进一步包括指套。在这种情况下，所述指套由弹性材料或对光有阻挡作用的材料或对光有阻挡作用的弹性材料制成。此外，所述指套的尺寸是可以调节的。

所述第一电极、第二电极和第三电极和所述模拟信号处理电路电连接。所述模拟信号处理电路可进一步根据所述第一电极、第二电极和第三电极所得到的生物电信号输出处理后的电信号。

本发明的生理监测装置使用方便、舒适、便于佩戴，可以长时间连续监测生理信息，信号质量好，监测结果准确。

附图说明

图1是依据本发明的第一实施例的指环式生理信息监测装置的使用状态图；

图2是图1所示的指环式生理信息监测装置的功能方框图；

图3是图1所示的指环式生理信息监测装置的俯视图；

图4是图1所示的指环式生理信息监测装置的主视图；

图5是图1所示的指环式生理信息监测装置的侧视图；

图6是沿图3所示的A-A方向的截面图；

图7是测量单元4的一个实施例的局部放大图，是图4中B向的视图；

图8是依据本发明第一实施例的指环式生理信号监测装置的主体2的结构方框图；

图9是处理单元和它与测量单元、显示单元和控制装置连接的电路图；

图10是中央处理单元的功能方框图；

图11是显示单元上的心率显示的示意图；

图12是本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置的使用状态图；

图13是图12所示的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的俯视图；

图14是图12所示的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的主视图，是沿图13的C方向的视图；

图15是图12所示的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的侧视图；

图16是图13所示的第一指套测量单元沿图13的D方向的截面图；

图17是依据本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置在双测量模式下工作的电路图；

图18是依据本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置在单测量模式下工作的电路图；

图19是依据本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的俯视图；

图20是依据本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的主视图，是沿图19的E方向的视图；

图21是依据本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的侧视图；

图22是第二指套测量单元沿F方向的截面图；

图23是第二指套测量单元沿图21的G方向的截面图；

图24是依据本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的电路图；

图25是依据本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在单测量单元模式下工作的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细地描述，附图仅仅用于说明，不是对本发明的限制。

图1是本发明的第一实施例的指环式生理信息监测装置的使用状态图，用于测量和显示生理信息。图2、图3、图4和图5分别是图1所示的指环式生理信息监测装置(以下简称指环)的功能方框图、俯视图、主视图和侧视图。图6是沿图3所示的A-A方向的截面图。如图所示，该装置包括主体2、附于主体2下表面的手指支撑带3、位于手指支撑带3内表面的第一测量单元4、位于主体2上表面的显示单元1、连接主体2和测量单元4的电连接5、位于主体2内的处理单元7以及电源单元24。位于主体2下表面的手指支撑带3优选由对光有阻挡作用的弹性材料制成。手指支撑带的长度可以伸长或缩短以便调节手指支撑带3的松紧。该功能通过主体2的连接部分9的机械装置实现，或可通过支撑带3本身的弹性实现。对光的屏蔽特性可以使第一测量单元4不受外界环境光的影响。连接部分9的机械装置可以通过主体2上的一个小的扣带来实现，通过拉长或缩短其上的手指支撑带来调节手指支撑带的长度。

图7是第一测量单元4的一个实施例的局部放大图。如图6和图7所示，第一测量单元4包括第一发光装置10，用于将光射入到使用者的手指中；第一光接收装置11，接收由使用者的手指反射或透射的光并且根据所接收到的光强产生一个电信号；位于发光装置10和光接收装置11之间的第一分隔部件12；第一传感器基座13，用来固定发光装置10、光接收装置11和分隔部件12。

当光从一个发光装置射入到手指中时，一部分光从手指反射回来，一部分被手指的组织吸收，另一部分透过手指，上述过程是同时发生的。接收光装置接受从手指反射或透射的光。血管内的血流量变化会改变被吸收、反射和透射的光，因此而改变接收光装置所接收的光强。接收光装置所产生的信号包含使用者生理状况的信息。

第一发光装置10可以是发光二极管，其波长范围为可见光或红外光，第一光接收装置11可以是光电三极管或光电二极管。第一测量单元4位于手指支撑带3上，与指肚的侧面接触，它的位置可沿着手指支撑带3调整以便使第一光接收装置11得到最佳的信号。第一分隔部件12可选用软质、可压缩的材料以减小对手指的压力。该材料也要对光具有阻挡作用，这样只有最少量的周围光线可以到达光接收装置11，同时也避免了光线直接由发光装置10到达光接收装置11。优选地，该材料具有一定的粘性以使第一测量单元4与手指之间的位置相对固定。尽管图7只示出了一个第一发光装置10和一个第一光接收装置11，但是在第一测量单元中显然也可以使用多个发光装置和光接收装置。

图8是依据本发明第一实施例的指环式生理信号监测装置的主体2的结构方框图，示出了主体2的主要构件。如图8所示，主体2包括用户输入装置6、处理单元7和外壳8。用户输入装置6包括至少一个按钮(如图3所示)，或者是触摸式按键，或者是可转动的转盘或其他对接触敏感的装置，该用户输入装置使使用者可以自行配置处理单元7的操作，进而控制开始或停止测量和/或进行测量模式设置。处理单元7具有协调信号获取、信号处理、基于获取的信号进行生理信息确定并控制对所确定的信息的显示等功能，将在下文中具体说明。外壳8罩住处理单元7和电源单元24(见图6)并支撑整个指环；外壳8包括连接部分9，它把手指支撑带3固定到外壳8的底部。连接部分9的另一个功能是辅助调节手指支撑带3的松紧。使用者可以调节支撑带的松紧以便把第一测量单元4牢固地固定到手指上，同时不应太紧以至引起手指的不适。该设计使指环可适用于不同粗细的手指。连接部分9还可通过松开其扣带而与使手指支撑带3同主体2分离，该设计使元件更换较为方便。外壳8上有两个镂空的孔，用于放置显示单元1和用户输入装置6。

图9是示意性地表示处理单元7和第一测量单元4、显示单元1和用户输入装置6相连接的电路图。如图9所示，处理单元7包括信号发生电路14、模拟信号处理电路15、中央处理单元16。第一发光装置10和第一光接收装置11通过电连接部分5分别与信号发生电路14和模拟信号处理电路15电连接。电连接部分5优选采用柔性的导电材料制成。信号发生电路14在中央处理单元16的控制下产生驱动第一测量单元4的第一发光装置10的电信号。模拟信号处理电路15通过滤波电路和放大电路处理从第一测量单元4的第一光接收装置11接收到的电信号。滤波电路包括至少一个常规的音频带通滤波器，放大电路包括至少一个具有放大功能的常规电路。输出信号是一个经滤波(去噪)和放大的模拟信号。中央处理单元16是整个监测装置的核心控制部件，控制信号发生电路14和模拟信号处理电路15的操作，并对由模拟信号处理电路15获得的信号进行计算和处理，以获取被监测者的生理信息，并控制显示单元1显示最终得到的信息。

图10是中央处理单元16的一个优选实施例的功能方框图。如图10所示，中央处理单元16包括一个存储单元17，其中存储了多种用于执行生理信息监测的多个功能模块；还包括一个调用和控制这些功能模块执行相应模块程序的微处理器18。

下面对中央处理单元16进行更详细的说明。根据本发明的一个优选实施例，生理信息确定模块19包括：1)心率确定模块，根据从模拟信号处理电路15接收到的信号确定被监测者的心率；2)血压确定模块，根据从模拟信号处理电路15接收到的信号确定被监测者的血压；3)特征提取模块，根据从模拟信号处理电路15接收到的信号提取特征并确定其特征值。

错误检测模块20包括：1)检测从模拟信号处理电路15接收到的信号中的运动噪声；2)检测由模拟信号处理电路15接收到的信号中的其他噪声。生理信息确定模块19的操作可通过从这两个错误检测模块得到的参数结果而做出相应改变。

信号发生电路控制模块21包括：1)开关模块，用于控制发光装置的开关，在本实施例中，其控制对第一发光装置10的开关；2)电流控制模块，控制输入到发光装置的电流，在本实施例中，其控制输入到第一发光装置10的电流。

在本实施例中，中央处理单元16调用信号发生电路控制模块21，通过信号发生电路14发出相应的信号，来控制第一发光装置10的开关。模拟信号处理电路的控制模块22包括只在测量时开启模拟信号处理电路15以降低功率消耗的开关模块。通用控制模块23优选地包括：1)控制显示单元1的显示模块；2)对由用户输入装置6输入的信号做出响应的输入模块。通过执行上述模块的功能，中央处理单元16可以控制位于主体2上表面的显示单元1来显示被监测者的生理信息，例如根据从模拟信号处理电路15得到的信号确定的心率和血压。本发明的核心是指环的设计。具体的生理参数确定方法可以采用各种现有的生理参数计算和确定方法。此处只给出如下示例。

为了确定心率，先检测由传感器单元或电极获取的信号中每一个心动周期的特征点。一个脉搏波中有一个对应点。心率的确定可以方便地通过确定一段已知时间内的脉搏波个数(平均心率)或确定每两个特征点之间的时间间隔的倒数(瞬时心率)来实现。例如，相关心率算法的参考文献可参见：(J.G.Webster，“Medical Instrumentation-Application and Design(医疗仪器测量)，第三版”，John Wiley & Sons，第264-267页，1998)。

血压至少可通过脉搏波传输时间来确定。该方法和相应的算法可参见下述专利：

1、2003年5月20日提交的03131395.7号中国专利申请，“基于桡动脉脉搏信息的血压测量装置及方法”，发明人为张元亭、滕晓菲、郑振耀。

2、2003年8月22日提交的03153805.3号中国专利申请，“采用温度补偿的基于光电容积描记信号的血压测量方法”，发明人为张元亭、叶龙、滕晓菲。

3、2004年3月26日提交的200410029796.X号中国专利申请，“非侵入式血压测量装置及方法”，发明人为张元亭、陈舜恒、叶龙、滕晓菲、黄绮雯。

特征提取的方法可包括但不限于不规律信号检测，可参考相关文献：W.J.Tompkins和J.G.Webster，“Design of Microcomputer-Based MedicalInstrumentation”(基于微机的医疗仪器测量的设计)Prentice-Hall，第395-399页，1981。

QRS波和心率变化率的确定方法可参考相关文献：

1、G.M.Friesen等人的“A comparison of the noise sensitivity of nine QRSdetection algorithms”(九种QRS检测算法的噪声灵敏度比较)IEEETransactions on Biomedical Engineering，第37卷，第1期，第85-98页1990年1月；

2、A.Ruha，S.Sallinen和S.Nissila，“A real-time microprocessor QRSdetector system with a 1-ms timing accuracy for the measurement of ambulatoryHRV”(具有1-ms流动HRV测量定时精度的实时微处理器QRS检测器系统)IEEE Transactions on Biomedical Engineering，第44卷，第3期，1997，第159-167页；

3、B.W.Hyndman和C.Zeelenberg，“Spectral analysis of heart ratevariability revisited：comparison of the methods”(心率可变性的频谱分析再论：方法的比较)见Proc.Computers in Cardiology，1993年9月第719-722页)；。

脉冲血氧饱和度的确定可参见相关文献：J.G.Webster，“Design of PulseOximeters”(脉搏血氧计的设计)Institute of Physics Pub.，1997年。

相关运动噪声检测和去除的方法同样可参见以下文献：

1、K.W.Chan，Y.T.Zhang，“Adaptive reduction of motion artifact fromphotoplethysmographic recordings using a variable step-size LMS filter”(采用可变步长的LMS滤波器对光体积描记图记录的运动后生现象的自适应减小)IEEE Proc.Sensors，2002，第2卷，第1343-1346页；

2、H.Asada等人，“Mobile monitoring with wearablephotoplethysmographic biosensors”(可佩戴式光体积描记图生物传感器的移动监测)IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，第22卷，第3期，2003，第28-40页；

3、N.V.Thakor，Y.-S.Zhu，“Applications of adaptive filtering to ECGanalysis：noise cancellation and arrhythmia detection”(自适应滤波在ECG分析中的应用：噪声消除和心律不齐的检测)IEEE Transactions on BiomedicalEngineering，第38卷，第8期，1991，第785-794页。

在生物信号中发现的噪声可包括但不限于：工频干扰和电磁干扰。相关噪声检测和去除的算法可参考如下文献：

1、P.S.Hamilton，“A comparison of adaptive and nonadaptive filters forreduction of power line interference in the ECG”(用于减小ECG中电源线干扰的自适应和非自适应滤波器的比较)IEEE Transactions on BiomedicalEngineering，第43卷，第1期，1996，第105-109页；

2、M.Ferdjallah，R.E.Barr，“Adaptive digital notch filter design on the unitcircle for the removal of powerline noise from biomedical signals”(用于从生物医学信号中去除电源线噪声的单元循环的自适应数字陷波滤波器设计)IEEE Transactions on Biomedical Engineering，第41卷，第6期，1994，第529-536页；

3、S.A.Mascara和H.H.Asada，“Photoplethysmograph fingernail sensorsfor measuring finger forces without haptic obstruction”(用于无触觉障碍地测量指力量的光体积描记图指甲传感器)IEEE Transactions on Robotics andAutomation，第17卷，第5期，2001第698-708页；

4、Y.Mendelson和B.D.Ochs，“Noninvasive pulse oximetry utilizingskin reflectance photoplethysmography”(利用皮肤反射系数的光体积描记图的非侵入式脉搏波血氧计)IEEE Tansactions on Biomedical Engineering，第35卷，第10期，1988，第798-805页。

输出电流、显示和用户输入的控制可以通过公知的子程序实现。发光装置的开关是通过中央处理单元的数字输出开关命令实现的，由一个在中央处理单元中运行的计时子程序或算法实现。相关参考文献如下：

1、M.James，“Microcontroller cookbook”(微控制器食谱)Newnes，2001；

2、J.W.Stewart，“The 805l microcontroller：hardware，software andinterfacing”(8051微控制器：硬件，软件和接口)Prentice Hall，1999；

3、M.Predko，“Handbook of microcontrollers”(微控制器手册)McGraw-Hill，1999。

图11是指环上显示单元的心率显示示意图。如图11所示，显示单元1包括数字及文字显示部分25和图形显示部分26。应该理解，尽管图11示出的显示单元既可显示图形，又可显示数字和文字，但这只是示例而已，显然也可以采用只显示图形或只显示数字和文字的显示单元。

使用者可通过佩戴指环进行生理信息的自我测量。如图1所示，在使用时，把手指插入指环的手指支撑带3中，从上滑下去直至指环套至手指根部。第一测量单元4与指肚的侧面相接触，利用光电容积描记法从手指上检测脉搏信号。之后，该信号在处理单元7中被处理和分析。经确定的信息(如心率)传给显示单元1。由于用户输入装置6位于指环的上表面，使用者可以自行设置测量模式并开始或停止测量。在不同测量模式下，发光装置由不同强度的电流驱动，且开关频率不一样。例如，在运动测量模式下，可以通过高频开关频率和大的电流强度来减少运动噪声的影响，因此在使用者运动的情况下尤其适用。当然，这会引起较大的功率消耗。在其它时间，使用者可选用普通的测量模式，从而用较低的开关频率和/或较小的电流强度来减小功率消耗，该指环可用于长时间的生理信息监测以及运动员训练时的生理信息监测。

图12是本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置的使用状态示意图。图13、图14和图15分别是图12所示指环的在双测量单元模式下工作的俯视图、主视图和侧视图。其中图14是图13中的C方向的视图。图16是第一指套单元27沿图13中D方向的截面图。

本发明的第二实施例与第一实施例相类似，但增加了指套单元(第二测量单元)。为简洁起见，省略了对与第一实施例中相同部件的描述。

在本发明的第二实施例中，进一步包括一个戴在指尖的第一指套单元27。如图16所示，指套单元27由第一指套28、第一指套测量单元29以及指套单元27和主体2之间的电连接30组成。第一指套28由对光有阻挡作用的弹性材料制成，其松紧可以调整以便适用于不同的手指粗细。对光的屏蔽特性可以屏蔽外界环境光线。电连接30用来连接第一指套单元27和主体2。第一指套测量单元29包括第二发光装置31、第二光接收装置32、第二分隔部件33和第二传感器基座34。第二发光装置31把光射入到使用者的指尖中；第二光接收装置32接收由使用者的指尖反射或透射回来的光，并根据所接收到的光强产生一个电信号；第二分隔部件33位于第二发光装置31和第二光接收装置32之间；第二传感器基座34用于固定第二发光装置31、第二光接收装置32和第二分隔部件33。

第二发光装置31可以是发光二极管，其波长范围为可见光或红外光，第二光接收装置32可以是光电三极管或光电二极管。第一指套测量单元29位于手指指尖的指肚。通过第一指套单元电连接30，第二发光装置31和第二光接收装置32分别与信号发生电路14和模拟信号处理电路15电连接。第二分隔部件33应选用软的，可压缩的材料以减小加在指尖上的外加压力。该材料也要对光具有阻挡作用，这样只有最小量的周围光线可以到达第二光接收装置32，同时也避免了光线直接由第二发光装置31到达第二光接收装置32。优选地，该材料具有一定的粘性以固定指套测量单元29与手指之间的位置。

图17示出了本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的电路连接示意图。

如图17所示，在双测量单元工作模式下，手指支撑带3包括第一测量单元4。这样，模拟信号处理电路15要对由第一光接收装置11和第二光接收装置32得到的信号进行同步处理。类似地，信号发生电路14要产生电信号同步驱动第一发光装置10和第二发光装置31。也就是说，在这种工作模式下，中央处理单元6的信号发生电路控制模块21不但能控制第一发光装置10的开关及输入给它的电流，还能控制第二发光装置31的开关及输入给它的电流。通过信号发生电路14，中央处理单元16执行信号发生电路控制模块21的功能，控制第一发光装置10和第二发光装置31的开关。

图18示出了本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置在仅有指套单元工作的单测量单元工作模式下的电路连接示意图。

如图18所示，在单测量单元工作模式下，手指支撑带3无需包括第一测量单元4，即手指支撑带3只用于手指支撑。这样，模拟信号处理电路15只要对由第二光接收装置32得到的信号进行处理，而信号发生电路14只需产生驱动第二发光装置31的电信号。

本发明的第二实施例的指环式生理信息监测装置在使用时，如图12所示，指套单元27中的指套测量单元29与手指指尖的指肚相接触，利用光电容积描记法从指尖上检测脉搏信号。该信号也在处理单元7中进行处理和分析，之后处理单元7把所确定的信息，如每分钟的心跳次数——心率，传给显示单元1。在这种测量方式中，指环可以在单测量单元模式或双测量单元模式下工作。如图17和图18所示，位于手指支撑带3上的第一测量单元4在双测量单元模式下工作，而在单测量单元模式下不工作。当然，第一测量单元也可以在单测量模式下工作，而使指套中的测量单元不工作，此时与第一实施例的工作方式相同。单测量单元模式只从指尖或指根采集生理信号，其中在指根采集生理信号的情况在实施例一已详细描述。双测量单元模式从手指根部和指尖同步采集两个生理信号，这样可以加强对运动噪声的检测和去除。

图19、图20和图21分别是本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的俯视图、前视图和侧视图。

如图所示，本发明的第三实施例与第一和第二实施例类似，但以第二指套单元35代替了佩戴在使用者指尖上的第一指套单元27。第二指套单元35除了具有与第二实施例中第二发光装置31和第二光接收装置32功能类似的第三发光装置39和第三光接收装置40外，还包括安装于指套内的第三电极43。并且，在主体2的上表面还设置有第一电极44，在主体2下表面还设置有第二电极45。其中下表面电极45与佩戴指环的手指皮肤相接触。为简洁起见，省略了对与第一和第二实施例中相同部分的重复描述。

图22和图23是包括第三发光装置39、光接收装置40和第三电极43的第二指套单元35的截面图。

如图22和图23所示，戴在指尖的第二指套单元35包括第二指套36和第二指套测量单元37。第二指套36由对光有阻挡作用的弹性材料制成，因此可以屏蔽周围环境中的外界光线。第二指套测量单元37包括第三发光装置39、第三光接收装置40、第三分隔部件41、第三传感器基座42以及用于从使用者的指尖处检测生物电信号的第三电极43。

第三发光装置39把光射入到使用者的指尖中；第三光接收装置40接收由使用者的指尖反射或透射的光并且根据所接收到的光强产生一个电信号；第三分隔部件41位于第三发光装置39和第三光接收装置40之间；传感器基座42用于固定第三发光装置39、第三光接收装置40和第三分隔部件41。

尽管图22和图23只示出了一个第三发光装置39和第三光接收装置40，但是显然也可以使用多个第三发光装置39和第三光接收装置40。

第三发光装置39可以是发光二极管，其波长范围为可见光或红外光，第三光接收装置40可以是光电三极管或光电二极管。第一电极44、第二电极45和第三电极43为导电材料。第二指套测量单元37位于手指指尖的指肚。第三分隔部件41应选用软的、可压缩的材料以减小指尖上的压力。该材料也要对光具有阻挡作用，这样只有最少量的周围光线可以到达光接收装置32，同时也避免了光线直接由发光装置39到达光接收装置40。最好选择有一定的粘性或粗糙度的材料，以将指套测量单元37与手指之间的相对位置固定。电连接38用来连接第二指套单元35和主体2。

第三发光装置39通过第二指套单元电连接38与信号发生电路14相连接，而第三光接收装置40和第三电极43与模拟信号处理电路15电连接。第一电极44和第二电极45分别通过电连接46和电连接47与模拟信号处理电路15电连接。

图24是本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在双测量单元模式下工作的电路连接示意图。

在血压测量方式的双测量单元工作模式下，手指支撑带3包括一个第一测量单元4。在这种方案中，模拟信号处理电路15要对由第一光接收装置11、第三光接收装置40、以及由第一电极44、第二电极45和及第三电极43得到的三路信号，分别在三个的模拟通道中同时进行处理。模拟通道由放大、滤波等模拟信号处理电路组成，三路信号分别同时的进入三个模拟通道进行处理，三路信号之间互不影响。类似地，信号发生电路14要产生电信号同步驱动第一发光装置10和第二发光装置39。该血压测量方法不需要使用袖带，可以连续地同步测量血压、心率和血流信号。

图25是本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在单测量单元模式下工作的电路连接示意图。

在单测量单元工作模式下，手指支撑带3无需包括第一测量单元4，它只用于手指支撑。这样，模拟信号处理电路15只要对由第三光接收装置40以及由第一电极44、第二电极45和第三电极43得到的两路信号，分别在两个模拟通道中同时进行处理，而信号发生电路14只要产生电信号驱动第三发光装置39。模拟通道由放大、滤波等模拟信号处理电路组成，两路信号分别同时地进入两个模拟通道进行处理，两路信号之间互不影响。

在本发明的第三实施例中，处理单元7的模拟信号处理电路15处理由第一电极44、第二电极45和第三电极43接收到的电信号。同时，模拟信号处理电路15处理由第一光接收装置11和/或第三光接收装置40得到的电信号。

本发明的第三实施例的指环式生理信息监测装置在使用时，第二指套单元35中的第二指套测量单元37与手指指尖的指肚相接触，利用光电容积描记法从指尖上检测脉搏信号。通过佩戴指环，主体2下表面的电极45与佩戴指环处的手指皮肤相接触，加强型指套内的第三电极43与同一个手指的指尖相接触。同时，把另一只手的手指放在主体2的上表面上的第一电极44上作为第三接触点。通过这三个传导电极可以获得心电信号。心电信号和光电容积描记信号在处理单元7中进行处理和分析，之后处理单元7把确定出的信息，如每分钟的心跳次数—心率，传给显示单元1。

指环可以在单测量单元模式或双测量单元模式下工作。位于手指支撑带3上的第一测量单元4在双测量单元模式下工作，而在单测量单元模式下不工作。单测量单元模式只从指尖采集生理信号，双测量单元模式同步从手指根部和指尖采集两个生理信号，这样可以加强对运动噪声的检测和去除。

以上说明对本发明的优选实施例进行了详细的描述，但本领域的技术人员应该意识到，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，各种改进、添加和替换都是可能的，并都在本发明的权利要求所限定的保护范围内。

Claims (30)

1.一种指环式生理信息监测装置，包括：

主体，包括具有上表面和与之相对的下表面的外壳；

手指支撑带，其两端分别与所述主体相对的两侧连接，并与所述主体的下表面构成连续或非连续的环状结构；

测量单元，用于从被监测者手指处检测信号；

其特征在于，进一步包括处理单元和显示单元，所述处理单元位于所述主体内，与所述测量单元和所述显示单元电连接，对所述测量单元的测量信号进行处理以获取被监测者的生理信息，并控制所述测量单元和所述显示单元的操作；所述显示单元位于所述主体的上表面，用来显示所述处理单元获取的被监测者的生理信息。

2.根据权利要求1所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述测量单元包括：

位于所述手指支撑带内的第一测量单元；和/或

与所述手指支撑带分离的第二测量单元，

其中，所述第一测量单元和第二测量单元为采用光电容积描记法进行测量的测量单元。

3.根据权利要求2所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，进一步包括第三测量单元，该第三测量单元包括位于所述主体上表面的第一电极、位于所述主体下表面，使用时与被监测者的手指皮肤接触的第二电极和与所述手指支撑带分离的第三电极，所述处理单元对所述第一电极、第二电极和第三电极所检测到的生物电信号进行预处理和分析。

4.根据权利要求2所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述的第一测量单元和第二测量单元包括：

发光装置，用于发射光到被监测者的手指；

光接收装置，用于接收从使用者手指反射或透射的光，并把所述的反射光或透射光转化为电信号；

分隔部件，用于防止所述发光装置发出的光直接射到所述的光接收装置。

5.根据权利要求4所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述分隔部件由柔软可压缩的材料制成，或由可阻挡光的材料制成，或由柔软可压缩和可阻挡光的材料制成。

6.根据权利要求5所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述分隔部件具有粘性。

7.根据权利要求1所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述手指支撑带由弹性材料或对光有阻挡作用的材料或对光有阻挡作用的弹性材料制成。

8.根据权利要求1到7任一项所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述显示单元可以显示数字、文字和/或图形。

9.根据权利要求1到7任一项所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述处理单元包括：

模拟信号处理电路，处理来自所述测量单元的电信号，产生已处理电信号；

信号发生电路，用于产生控制所述测量单元的电信号；

中央处理单元，控制所述模拟信号处理电路、所述信号发生电路、所述显示单元的操作，和根据所述模拟信号处理电路处理后的电信号获得所述生理信息。

10.根据权利要求9所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述生理信息选自以下的一组信息：心率、血压、光电容积描记信号及心电信号。

11.根据权利要求9所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述中央处理单元包括：

存储单元，用于存储各种数据和处理模块；

微处理器单元，执行存储在所述存储单元中的模块，进行数据运算和控制处理。

12.根据权利要求11所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述存储单元所存储的处理模块包括：

生理信息确定模块，用于根据所述测量单元的测量信号确定被监测者的生理信息；

错误检测模块，用于判断所述测量单元的检测是否有错误；

信号发生电路的控制模块，用于控制所述信号发生电路的信号发送；

模拟信号处理电路的控制模块，用于控制所述模拟信号处理电路的操作；和

通用控制模块，用于控制显示单元，和响应用户的输入发出相应的控制命令。

13.根据权利要求12所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述生理信息确定模块包括：

根据由所述模拟信号处理电路处理后的电信号确定心率的模块；

根据由所述模拟信号处理电路处理后的电信号确定血压的模块；和

根据由所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号提取信号特征并确定信号特征值的模块。

14.根据权利要求13所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述确定血压的模块采用的血压确定方法包括基于利用脉搏波传输时间的方法和/或基于光电容积描记信号特征时间来确定血压的方法，所述特征时间包括光电容积信号的上升时间和/或下降时间。

15.根据权利要求12所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述错误检测模块包括：

运动噪声检测模块，用于检测从所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号中的运动噪声，并根据检测结果修正所述生理信息确定模块、所述信号发生电路的控制模块和所述模拟信号处理电路的控制模块的操作；和

噪声检测模块，用于检测从所述模拟信号处理电路获得的已处理电信号中的其他噪声，并根据检测结果修正所述生理信息确定模块、所述信号发生电路的控制模块和所述模拟信号处理电路的控制模块的操作。

16.根据权利要求12所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述信号发生电路的控制模块包括：

用于控制开/关所述发光装置的转换模块；和

用于控制输入至所述发光装置的电流强度的电流控制模块。

17.根据权利要求12所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述模拟信号处理电路控制模块包括用于开/关所述模拟信号处理电路的模块。

18.根据权利要求12所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述通用控制模块包括：

控制所述显示单元的显示模块；和

响应所述用户输入装置的输入模块。

19.根据权利要求18所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述显示单元可从所述主体上分离，所述通用控制模块与所述显示单元通过无线方式传送数据和命令信息。

20.根据权利要求19所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述无线方式包括射频、电磁波、红外线和光通讯。

21.根据权利要求1到7任一项所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述主体进一步包括用于设置所述指环式生理信息监测装置操作模式的用户输入装置。

22.根据权利要求21所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述的用户输入装置是对接触敏感的装置，包括按钮和/或触摸键和/或可转动转盘。

23.根据权利要求21所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述外壳部分进一步包括至少一个开口，用于露出所述用户输入装置及显示单元。

24.根据权利要求1到7任一项所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述的外壳包括用于连接所述外壳与所述手指支撑带的连接部分。

25.根据权利要求24所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述连接部分包括调节装置，用于调整所述手指支撑带的松紧，以便将所述测量单元固定在手指表面上。

26.根据权利要求24所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述连接部分可辅助所述手指支撑带与所述主体分离。

27.根据权利要求24所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述第一测量单元与所述手指支撑带之间的相对位置可以沿所述手指支撑带调整，以使所述第一光接收装置获得最佳的脉搏信号。

28.根据权利要求2至7任一项所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述第二测量单元进一步包括指套。

29.根据权利要求28所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述指套由弹性材料、或对光有阻挡作用的材料、或对光有阻挡作用的弹性材料制成。

30.根据权利要求29所述的指环式生理信息监测装置，其特征在于，所述指套的松紧是可以调节的。

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