一种人体运动状态监测装置

1.一种人体运动状态监测装置，其特征如下：
以具有数据处理能力和控制能力的微处理器或数字信号处理器为中心，通过I/O接口和总线接口与其他组件相连接，组件包括：采集人体皮肤表面心电图信号的采集电极和与之相连的导联线；用于对心电图信号进行放大和滤波处理的心电图信号调理电路模块；用于将心电图模拟信号转换成数字信号的模数转换器；用于采集人体三维加速度信息的加速度传感器；用于运行程序代码的RAM；用于存储程序代码、心电图数据和加速度数据的非易失性存储器；用于对处理进程进行监视的蜂鸣器；用于显示必要信息的液晶显示屏；用于接收人体输入的按键；用于对人体发生运动状态突变、以及发生运动状态突变的位置等信息进行发布的无线通信模块；用于将系统存储的心电图数据导出以便浏览的数据通讯接口和用于对上述所有组件或模块提供电流供给以保证其正常工作的电源。
2.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，通过微处理器或数字信号处理器对加速度采集模块和心电图采集模块的协调和控制，人体的加速度信号和心电图信号按照一定的采样率被同步采集。
3.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，所述测量人体运动状态的加速度传感器为可同时采集三个正交方向的加速度信号的传感器或若干可采集单一方向加速度信号的传感器组合。
4.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，所述无线通信模块采用CDMA协议，该模块通过内嵌的GpsOne功能可实施GPS定位，并进行短信息的发布。
5.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，所述用于将系统存储的数据导出的数据通讯接口采用串行通讯接口。
6.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，其发布的报警短信息包含内容有时间、地理位置——经度、地理位置——纬度、运动状态变化描述和心律描述。
7.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，通过按键操作，可以直接启动或取消报警操作。
8.根据权利要求1所述人体运动状态监测装置，其特征在于，通过按键设置，本装置可以实现单独针对人体心电图的监测和报警。
9.根据权利要求2所述的人体运动状态监测装置，其特征在于，加速度信号的采样率大于等于10Hz，心电图的采样率大于等于250Hz。

一种人体运动状态监测装置 \n技术领域\n[0001] 本实用新型属于人体生理信息监测系统，涉及一种检测人体是否经历诸如碰撞、跌倒等类型的运动状态改变、对该种类型的运动状态改变给其带来的风险进行评估并在必要时发布报警的装置。特别是本实用新型对人体加速度信息与心电图信息进行同步采集，通过对加速度和心电图信息进行综合分析的方法实现对运动状态改变的检测，并给出了对该运动状态改变可能对人体造成危害的风险评估和必要的报警实施方式。 背景技术\n[0002] 社会上独居老人、儿童或者其他自理能力较差的个体发生一些意外情况时，往往得不到及时的处理和救护。在诸多的意外情况中，有一类意外非常具有代表性——运动状态突变。这里运动状态突变是指由于外力或自身协调问题造成的身体姿态的快速变化，针对运动状态突变的研究比较多的是对跌倒的检测。对于人体而言，运动状态的迅速改变可能会对人体产生危害，因此如何检测出这些运动状态的突然改变过程并对发生运动状态突变的个体所经受的伤害风险进行及时评估，对于快速引导救助和妥善处理到发生运动状态突变的个体而言非常重要。 \n[0003] 近来，针对跌倒跌倒的检测方法和装置的技术资料或文献公开较多。其中典型的公开技术资料有专利(申请)号：200810204106.8、专利(申请)号：200720125141.1、专利(申请)号：200720097622.6的资料。 \n[0004] 上述公开的专利资料中均给出了一种跌倒检测装置或方法的实现过程。所述技术实现手段都是通过测量人体的加速度数据，采用一定的算法分析出人体身体姿态变化趋势，当装置检测到加速度发生剧烈变化时，根据预先设定的分析模型和阈值，判定人体发生了跌倒，同时配合装置提供的报警控制组件发布报警信息。所述技术依据处理的数据仅仅为加速度采样值，数据处理完全由系统自动完成。但是，跌倒运动发生时，根据跌倒的原因和发生跌倒的人体本身所处的环境不同，跌倒表现出的运动状态非常复杂，仅凭对加速度数据变化模型分析判断人体的姿态变化无法满足准确性的要求。例如，对于人体在有支撑状态下，缓慢跌倒并在跌倒完成后凭借倚靠物保持坐姿但其已丧失意识的情况，仅通过加速度分析无法检测出跌倒；同样，对于人体快速弯腰或主动躺卧的情况可能出现假跌倒的误判。虽然，专利(申请)号：200810204106.8、专利(申请)号：200720125141.1两篇资料中均在报警控制模块中提供了人体人工干预的接口，作为降低跌倒误检或遗漏的补充技术手段，但是所有公 开技术资料中介绍的装置或方法仍然未能给出对跌倒造成的损伤或风险的评估手段或参考信息，报警接收方无法获知报警发布者的身体状态和跌倒带来的风险。 \n[0005] 事实上，造成人体发生运动状态突变的原因中还有一类是由外力引起的，这种情况中，碰撞相当具有代表性。大部分引起人体运动状态改变的碰撞都具有一定的危险性，这种危险对于上文中提及的老人、儿童和自立能力差的群体而言更加明显。针对于此类运动状态改变的检测，上述技术资料中未给出明确的实现方法和对其产生危害和风险的评估机制。 \n[0006] 医学研究表明，人体经历撞击或发生跌倒情况时，由于外界刺激或自身发生运动状态突变，在生理性的应激反应下，人体会分泌大量的肾上腺激素，这种激素的直接作用是使人体出现心率加快、血压升高、瞳孔扩张以及呼吸加快等等症状。外界刺激越强烈，人体所反映出的应激反应也越强烈，且持续时间越长。有些运动状态改变本身可能不会造成很大的危害，但是由于肾上腺激素的大量分泌，导致心率加快和血压升高却有可能产生严重后果，危害人体的健康。因此，可以借助心率、血压、呼吸等等生理信息作为辅助手段，对人体在经历运动状态突变前后的生理状态进行描述，这样将能够提高对于危害性运动状态突变——碰撞或跌倒的检测准确率，并对人体所经历的运动状态突变给其带来的影响和后果进行评估。 \n[0007] 另外，针对上文中已提及的人体在有支撑状态下，缓慢跌倒并在跌倒完成后凭借倚靠物保持坐姿但其已丧失意识的情况。这种情况下，虽然没有剧烈的运动状态突变，但由于有相当比例的个体是由于发生心脏、脑部或其他部位突然病变造成，其心电图数据都有可能发生特殊变化。如果此时能够纪录并分析发生跌倒的人体的心电图数据，将非常有助于发现这种危险的情况，提高了针对此类型运动状态变化发生的检出，还能够提供患者在发病第一时间里记录下来的心电图信息，为以后的进一步诊断和治疗提供参考依据。 发明内容\n[0008] 本实用新型的目的在于克服上述公开技术中提及的仅基于加速度测量和分析的检测跌倒方法的单一性导致的缺点，设计一种能够同步采集人体加速度和心电图两种参数，通过对这两项参数进行同步综合分析，检测出高风险的运动状态改变的装置。通过该装置，还可获得运动状态改变对人体产生的危害评估以及必要的报警控制。 [0009] 本实用新型采用如下技术方案：一种人体运动状态监测装置。参见附图1所示的系统连接框图，系统特征如下：以具有数据处理能力和控制能力的微处理器(M C U)或数字信号处理器(DSP)为中心，通过I/O接口和总线接口与其他组件相连接。组件包括：采集人体皮肤表面心电图信号的采集电极和与之相连的导联线；用于对心电图信号进行放大和滤波处理的心电图信号调理电路模块；用于将心电图模拟信号转换成数字信号的模数转换器；用于采集人体三维加速度信息的加速度传感器；用于运行程序代码的RAM(随即存取存储器)；用 于存储程序代码、心电图数据和加速度数据的非易失性存储器；用于对处理进程进行监视的蜂鸣器；用于显示必要信息的液晶显示屏；用于接收人体输入的按键；用于对人体发生运动状态突变、以及发生运动状态突变的位置等信息进行发布的无线通信模块；用于将系统存储的心电图数据导出以便浏览的数据通讯接口和用于对上述所有组件或模块提供电流供给以保证其正常工作的电源。 \n[0010] 用户首先通过键盘输入一个目标手机号码，作为报警信息的接收方，存储在装置的非易失性存储器中，该号码可以根据需要进行修改。设置完成目标手机后，装置进入监护模式：由加速度传感器、模数转换器和微处理器/DSP组成的数据采集单元采集人体在3个方向上的加速度信息并对其进行量化，然后对数字化的加速度信息进行滤波、积分和分析从而获得人体的运动状态描述；与此同时，由采集电极/导联线、心电图信号调理电路模块、模数转换器和微处理器/DSP组成的数据采集单元同步采集人体的心电图信号并对其进行量化、然后对数字化的心电图信息进行存储、滤波、R波检测和心律分析等处理，从而获得人体在运动过程中伴随的心脏变化情况。在日常活动中，人体的运动状态通常不会发生剧烈变化，通过设定合理的阈值可以发现诸如跌倒和受外力冲撞造成的运动状态的突然变化。在发现并记录运动状态变化的同时，通过心电图采集单元得到的人体心律的分析可以对运动状态突变产生的影响和恢复情况进行评估。如果通过上述综合方法分析得出人体经历了剧烈的运动状态变化，且由此引发了异常的心律变化，或者人体首先发生心律异常，且很快引起了运动状态的异常变化，则可以推断此运动状态的突然变化具有高风险性且可能已对人体产生伤害。此时装置进入延时报警等待过程：蜂鸣器间歇性鸣响提示使用者，如果使用者根据自身情况判定无危险，可以通过按键取消报警操作；如果使用者清醒且能够确定需要帮助，可以直接启动报警操作；如果使用者已丧失自主运动能力，系统能够在固定的延迟时间后自动进行报警操作。报警操作由微处理器/DSP控制无线数据通信模块完成，报警首先由微处理器发送命令启动G PS定位，获取发生运动状态突变的位置和时间信息，然后经过微处理器/DSP合成为带有跌倒描述信息的文本，通过短信的方式发送给接收方。由于本装置对发生运动状态全过程中人体的心电图信息进行了记录，当救助人员赶到现场时还可以通过系统提供的数据通讯接口调取人体的心电图历史纪录，为进一步的诊断和治疗提供有效依据。 \n[0011] 本实用新型通过采集和分析人体的加速度数据，分析人体经历的运动状态，当检测到人体发生明显的运动状态改变时，结合同步采集到的人体的心电图数据变化作为分析判断的参考依据，提高了对于可能对人体产生伤害的运动状态突变的检测准确率。当检测到人体经历了运动状态突变且判断该变化对人体产生伤害时，可通过装置配置的报警功能将发生运动状态突变的地理位置和身体状态信息发送到可实施救助的单位。同时，由于本实用新型所述装置在监测过程中存储了人体的心电图波形数据，因此还可以实现常规的心电图监测功能：只 要检测到心电图的异常变化，且该变化经历一段时间仍未见恢复，即触发报警控制。存储在非易失性存储器中的心电图数据可以为之后的救助或治疗提供参考。 附图说明\n[0012] 附图1为本实用新型所述装置的系统连接框图。 \n[0013] 附图2为本实用新型实现的事务处理流程图。 \n具体实施方式\n[0014] 下面结合附图和一种具体实施例对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。 [0015] 如附图1所示，一种人体运动状态监测装置。此装置包括采集人体皮肤表面心电图信号的采集电极和与之相连的导联线1；用于对心电图信号进行放大和滤波处理的心电图信号调理电路模块2；用于将心电图模拟信号转换成数字信号的模数转换器3；用于采集人体三维加速度信息的加速度传感器4；用于对心电图信号和加速度信号进行处理、响应用户输入并对其他各项功能进行综合管理的微处理单元或数字信号处理单元5；用于运行程序代码的RAM(随即存取存储器)6；用于存储程序代码、心电图数据和加速度数据的非易失性存储器7；用于对处理进程进行监视的蜂鸣器8；用于显示必要信息的液晶显示屏9；\n用于接收人体输入的按键10；用于对人体发生碰撞或跌倒等危险情况进行报警信息发布的无线通信模块11；用于将系统存储的心电图数据导出以便浏览的数据通讯接口12和用于对上述所有组件或模块提供电流供给以保证其正常工作的电源13。 \n[0016] 作为具体地实施例，上述系统中的各组件可以采用如下配置，当然不对其进行限定，可以选用其他具有对应功能的组件或模块实现上述系统的硬件设计。 [0017] 心电图采集电极片1采用氯化银粘贴式电极片；心电图信号调理电路模块2选用由美国Analog公司提供的AD620仪表放大器、AD8532运算放大器构成的放大和滤波解决方案电路模块；模数转换器3可选用由美国Analog公司提供的AD7798模数转换芯片；加速度传感器4采用芬兰VTI公司提供的CMA3000三轴小量程数字接口加速度传感器芯片；微处理单元或数字信号处理单元5采用法国ST公司提供的STM32F103芯片，由于其内部集成模数转换功能并配置大容量的RAM和非易失性存储器，故模数转换器3、RAM(随即存取存储器)6和非易失性存储器7可不单独配置；液晶显示屏9采用深圳信利公司提供的彩色TFT液晶屏；无线通信模块11采用美国AnyData公司提供的DTGS-800CDMA模块，该模块采用CDMA数据传输协议，由于其内嵌GpsOne协议，故可实施GPS定位和短信息的接收和发送；\n数据通讯接口12采用恩智普公司提供的兼容USB协议的接口芯片PDIUSBD12；电源13采用美国安森美公司的NCP1423芯片。 \n[0018] 如图2所示，为本实用新型实现的事物处理流程，具体说明如下： [0019] 步骤200：通过按键和液晶屏设置报警信息接收方的手机号码，并将此号码保存在装置中，启动监护例程——步骤201和键盘扫描例程——步骤213。 \n[0020] 步骤201：加速度传感器采集人体在3个坐标轴方向上的加速度信号，由于CMA3000内部集成了模数转换器并带有SPI数据输出接口，可以直接输出已量化的数据，故STM32F103芯片可通过SPI接口接收加速度数据。在STM32F103芯片内部，利用运算单元对加速度信息进行处理，通过积分计算出人体的速度和位移变化，从而得到人体的运动状态的变化。与此同时，心电图采集电极收集人体体表的心电图信号，通过导联线传入心电图信号调理模块，该模块对微弱的心电图信号进行放大和滤波处理，将心电图中的高频噪声和50Hz工频干扰抑制并将信号放大到模数转换器适用的范围，之后通过模拟IO通道传入STM32F103的模数转换设备，由STM32F103对心电图信号进行量化和进一步分析。分析包括两步：第一步，对采集到的心电图数据进行平滑滤波，去除高频噪声和基线漂移；第二步，通过心电图波形的解析计算出人体的实时心率。在系统中，保存运动状态参数(加速度、速度和位移)和心率值的队列长度取为180秒。 \n[0021] 步骤202：在3个坐标轴方向对采集到的加速度数据进行分析。分析过程包括三步：第一步，分别对采集到的3个轴向的加速度数据进行平滑滤波，减少噪声和其他低幅度的震动/抖动干扰；第二步，使用下述公式，由3个方向的加速度(a)计算出固定采样间隔时间内(t)人体在三个坐标轴方向的速度变化(Δv)和位移变化(AS)： \n[0022] ΔS＝∫atdt \n[0023] Δv＝∫adt \n[0024] 第三步，分别为三个坐标轴方向的加速度、速度变化和位移变化设置阈值。在对三个坐标轴方向的加速度进行计算和分析的同时，对采集到的心电图信号进行分析处理，处理包括两步：第一步，对采集到的心电图数据进行滤波，去除高频噪声和基线漂移；第二步，通过心电图波形的解析计算出人体的实时心率。在系统中，保存运动状态参数(加速度、速度和位移)和心率值的存储队列长度取为180秒。 \n[0025] 步骤203：根据设定的阈值判断三个坐标轴方向的加速度、速度和位移的数值是否超出阈值所设定的变化范围，如果上述三项数据中任意一项或组合发生的变化超出阈值范围，本方法认定人体的运动状态发生异常变化，进入步骤204；如果没有超出阈值设定的范围，返回到步骤201，继续采集加速度和心电图信息。 \n[0026] 步骤204：本步骤中，继续采集三个坐标轴方向的加速度数据和心电图数据，连续采集时间取60秒，在此过程中，对加速度数据和心电图数据进行的处理与步骤202所述针对加速度数据和心电图数据进行的处理相同。心电图数据写入非易失性存储器保存。 [0027] 步骤205：根据三个坐标轴方向的加速度数据计算速度和位移的变化，由此获得检测到人体发生运动状态变化后的60秒间隔内运动状态的变化趋势；根据心电图分析该时间间隔内心律的变化趋势。 \n[0028] 步骤206：参照表1所述编码规范，如果在此时间内，人体持续发生运动状态的剧烈变化或保持几乎静止状态，则认为人体的运动状态异常KA1；同时分析在该时间内心律的变化趋势，如果检测到临床上心律失常涵盖的各种症状的不同组合，则认为发生心律异常EA1。运动状态与心律的各种状态组合可参见表2状态编码组合及说明。如果人体的运动状态和心律状态组合为[KN1+EN1]时，返回到步骤201，继续对人体进行常规监测；出现所述其他的状态组合时，均进入步骤207。除此以外，还需利用步骤202中所述保存运动状态参数和心率的存储队列，分析检测到人体发生运动状态变化前的120秒时间中，心律的变化趋势，如果在此时间间隔中发现上述心律异常，则指定其状态编码为：[EA1+KA1]。 [0029] \n[0030] 表1 \n[0031] \n[0032] 表2 \n[0033] 步骤207：继续同步采集一段时间的人体加速度和心电图波形，并分析人体在此段时间里的运动状态和心律变化趋势。连续采集时间取5分钟，心电图数据写入非易失性存储器保存。 \n[0034] 步骤208：判断上述时间间隔里发生的运动状态和心率变化是否正常，如果在此时间间隔内发现人体运动状态发生异常变化或心率发生异常变化，如表2所示状态组合编码[KN2+EA2]、[KA2+EA2]或[KA2+EN2]，则进入步骤210；如果两者没有任何异常变化，如附图4所示状态组合编码[KN2+EN2]，则返回步骤201继续对人体进行常规监测。 [0035] 步骤209：根据前面的分析和判断，可以对人体发生的运动状态突变进行评估。由于进入本步骤前，已获得了人体经历的运动状态变化过程中应激期和恢复期的组合状态编码，将两个编码进行组合就可以给出人体运动状态变化的综合描述并为其指定风险等级，例如[EA1+KA1][KA2+EN2]表示：人体发生心律异常后检测到运动状态异常，后运动状态保持异常同时心律恢复正常，风险评级为G。针对各种可能的组合以及对该组合的描述和风险进行评估的情况，可以参照表3所示，风险等级最高为A，之后从高到底按照字母A到Z顺序排列。此风险评级将作为发生的运动状态变化的各种危险情况的唯一标识被存储在非易失性存储器中 \n[0036] \n[0037] 表3 \n[0038] 步骤210：微处理器/DSP通过串行通讯接口向CDMA数据传输模块发送指令，启动该模块利用CDMA内嵌GpsOne协议进行GPS定位确定发生运动状态突变的地理位置之后，进入步骤210。 \n[0039] 步骤211：微处理器/DSP将获取的GPS定位信息中的有用部分进行提取和重新编排，按照SMTP协议要求合成为文字短信息，并通过必要指令将此段信息发送到CDMA数据传输模块，进入步骤211。 \n[0040] 步骤212：CDMA数据传输模块根据指令要求将包含时间、地点和运动状态突变情况基本描述的短信息发送到步骤201中设定的报警信息接收方的手机中，完成报警。 [0041] 步骤213：按键扫描例程，在此例程中，系统能够响应用户的按键输入：在任意时刻，如果用户发觉自身出现危险状况并需要救助，都可以通过按键直接启动报警历程——步骤210-212。 \n[0042] 以上所述仅为本实用新型的一种具体实施例，并非对本实用新型的结构做任何形式上的限定。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的修改、等同变化和修饰，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。