本发明涉及光电和人体健康监测技术领域，具体涉及了一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置及方法。
背景技术：
人体健康和特征数据的无创检测是当前医学工程领域的前沿方向之一，光电学的方法是近几年的研究热点，其中比较有代表性的方法是光电容积脉搏波描记法ppg，该方法的优势在于低成本，安全高效，数据精度较高，因此受到了广泛的应用和研究。根据lamber—beer定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比。当恒定频率的光入射到人体的组织上时，皮肤，血液和肌肉等组织对于光的吸收是不会变化的，因此通过检测经过人体组织吸收的并且反射了的光包含了被照射人体组织的特征和变化信息。脉搏主要是由人体心脏的舒张和收缩产生的，该运动情况反映在动脉的舒张和收缩情况中。而在人体的指尖，手腕，手肘和脖颈等部位富含毛细血管，因此传统的光电式脉搏波传感器的测量部位通常就设计在指尖或手腕等位置，在心脏收缩时，毛细血管血液流量大，对光的吸收强；当心脏舒张时，毛细血管血液流量小，反射光强。通过检测反射光的强度来体现人体的脉搏波，现有的光电式脉搏波传感器大多用于检测指尖，并且使用的是光敏三极管作为感光元件，只能作为独立仪器使用。
日常生活中使用的led屏本质上是pn结二极管构成的矩阵，在led两端接上正向电压时二极管会发光；反之根据光电效应，当有光照射在pn结二极管上，携带能量的光子进入pn结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键产生电子-空穴对，也称为光生载流子，它们的存在使得反向电流明显变大，从而产生电信号。现在市场上的led屏只利用了其显示功能，没有充分利用其光电特性。本专利在led发光和显示的基础上引入光电容积脉搏波检测功能，是一种可替代现有脉搏波检测产品同时兼容显示和照明系统的新检测手段。
技术实现要素：
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置及方法。本发明的主要目的就是利用光电效应，让led二极管本身能够接收通过上述毛细血管血液反射的光信号，并且转换为电信号，进一步经过信号处理和数据分析得到人体的健康和特征信息，这套脉搏波检测方法的应用装置可以兼容于市面上已有的led屏使其具有显示和实时检测的双重功能，使用途径更便捷也更多样。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置
包括检测模块、驱动电路、硬件滤波采集模块和供电电源，硬件滤波采集模块主要由滤波放大电路和模数转换电路组成；
检测模块为多个led二极管或由多个led二极管呈阵列排布组成的led显示矩阵，led二极管包括发射led和接收led，每个接收led被邻近的发射led包围；检测模块上设置有与人体皮肤接触的检测区域；
驱动电路与检测模块连接，硬件滤波采集模块与接收led连接且不与发射led连接；检测模块、硬件滤波采集模块、驱动电路由供电电源供电。
检测模块同时拥有显示和检测功能；当检测模块处于显示功能时，发射led二极管处于普通发光状态，通过驱动电路控制led二极管的亮度和颜色，接收二极管以大于30hz的频率在驱动电路和硬件滤波采集模块之间高速切换，当硬件滤波采集模块接收到电信号发生变化时，表明有待检测物体靠近检测区域，此时led显示矩阵切换为检测功能；当检测模块处于检测功能时，检测区域内的接收led不受驱动电路控制，接收led通过光电效应将接收到的光信号转化为电信号后输入硬件滤波采集模块，检测区域内的发射led发出频率高于接收led的光。
还包括数据处理分析模块，数据处理分析模块与硬件滤波采集模块相连，硬件滤波采集模块将脉搏信号传输至数据处理分析模块后，数据处理分析模块对数据进行处理后可得人体的脉搏和心率变异性等数据。
所述的led二极管为单色led或三色led，发射led频率高于接收led。
所述检测区域设计为多种与人体皮肤外形适配的形状，如指尖或手掌的形状。
所述人体皮肤包括所有富含毛细血管的皮肤表面，如指尖、手腕、手肘或脖颈。
二、一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量方法
检测模块上的检测区域与人体皮肤接触时，检测模块处于检测状态，驱动电路控制发射led发出入射光照射至人体皮肤表面，入射光经过毛细血管4反射后的反射光照射在接收led上，接收led将接收的光信号转换为电信号后传输至滤波放大电路，滤波放大电路对电信号进行滤波和放大处理，经滤波放大电路的信号通过模数转换电路转换为脉搏波信号。
电信号的变化反应了血氧浓度的变化，因此能够体现人体的脉搏和心率变异性等信息。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明所设计的基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量方法及装置利用led本身接收毛细血管反射的光信号转化为电信号，通过硬件的信号处理可以得到清晰，特征明显的脉搏波信号，该装置兼容于市面上已有的led屏使其具有显示和实时检测的双重功能。
(2)本发明所涉及的基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置可以用于测量人体表面多点脉搏波的测量，得到脉搏、心率变异性等信息。
(3)本发明所用装置结构简单，电路紧凑成本低；是一种可替代现有脉搏波检测产品同时兼容显示和照明系统的新检测手段。
附图说明
图1是本发明基于led二极管的脉搏波测量方法原理图。
图2是本发明基于led二极管的脉搏波测量装置结构图。
图3是本发明基于led显示矩阵的脉搏波测量装置示意图。
图4是本发明的硬件滤波采集模块流程图。
图5是本发明的数据处理分析模块流程图。
图中：1.led二极管，11.发射led，12.接收led,21.入射光，22.反射光，3.人体皮肤，4.毛细血管，5.驱动电路，6.硬件滤波采集模块，7.数据处理分析模块，8.滤波放大电路，9.模数转换电路，10.供电电源，13.检测区域，14.led显示矩阵。
具体实施方式
下面将结合附图和实施案例对本发明作进一步描述和说明。
如图1，图2所示，本发明具体实施包括至少一个基于led二极管1或led显示矩阵的脉搏波测量装置，每个完整的装置包括多个led二极管1或者led显示矩阵14、驱动电路5、硬件滤波采集模块6、数据处理分析模块7和供电电源10。装置工作时，供电电源10向驱动电路5和硬件滤波采集模块6供电。led显示矩阵14接触一个或多个部位的人体皮肤3，一个或者多个接收led12被邻近的发射led11包围，将接收led12转化的电信号输入至硬件滤波采集模块6。
如图3和图4所示，led显示矩阵14同时拥有显示和检测功能。显示状态时所有led二极管1均为普通发光状态，通过驱动电路5控制led二极管1的亮度和颜色；接收二极管12以大于30hz的频率在驱动电路5和硬件滤波采集模块6之间高速切换，当待检测物体靠近检测区域13时，硬件滤波采集模块6接收到的电信号发生变化，led显示矩阵14切换为检测功能。当led显示矩阵14处于检测状态时，检测区域13内的接收led12不受驱动电路5控制，接收led12将接收到的光信号转化为电信号后输入硬件滤波采集模块6，检测区域13内的发射led11发出频率高于接收led12的光。检测区域13内发射led11和接收led12交替排布，使得每个接收led12被发射led11包围，检测区域13可以根据检测需要设计为多种形状，比如指尖或者手掌的形状。
具体实施中，硬件滤波采集模块6由滤波放大电路8和模数转换电路9构成，工作时由供电电源10供电。其中滤波放大电路8对原始信号进行滤波处理减少工频等噪声的干扰，提高信噪比，再通过运放电路放大脉搏波信号，最后由模数转换电路9采集优化的信号。
具体实施设置led二极管1可以是单色led，也可以是三色led，需要选用频率相对较高的作为发射led11,频率较低的作为接收led12。
接触的人体皮肤3包括指尖、手腕、手肘、脖颈等所有富含毛细血管4的皮肤表面，该测量方法均适用。
具体实施中，还包括数据处理分析模块7，数据处理分析模块7包含了滤波处理和峰值检测两部分，滤波处理过程中首先进行带通滤波，选取合适的滤波函数与原始信号卷积得到高通和低通分解信号，以高通分量系数作为判断条件选取低通分量，用原信号减去低通分量就可以去除工频，呼吸，基线偏移等带来的干扰。在峰值检测部分建立一个移动窗口连续滑动，在窗口内进行平均滤波和求取二阶导数最大值即可得到所有的峰值数据。根据上述处理数据分析可得人体的脉搏和心率变异性等数据，该信息可反映人体健康特征或者用于辅助指纹、掌纹识别等手段进行身份鉴别。
合适的滤波函数包括daubechies系列函数，symlets系列函数，haar函数，mexicanhat函数，morlet函数，meyer函数，biorthogonal函数，coiflet系列函数等等。
实施例1
基于多个led二极管的指尖脉搏波健康监测装置
如图1，图2所示，本装置主要用于采集指尖毛细血管的脉搏波波形变化，以此分析人体的脉搏和心率变异率等健康数据。整个系统由信号采集，信号放大优化和数据分析三部分组成。在信号采集部分中，包含了5个led二极管1，这5个led二极管1都可以通过驱动电路5进行显示功能的控制，这里设置中心led为接收led12，不接受驱动电路5的控制，其余围绕它的是发射led11由驱动电路5控制正常发光。发射led11充当光源发出的入射光21照射在人体皮肤3表面，经过毛细血管4反射后有携带血氧信息的反射光照射在接收led12上，由于光电效应接收led12将接收到的光信息转化为电信息。
这时候的电信息是杂乱的，包含了工频，呼吸等多种噪声的干扰，因此需要信号的优化和放大，在硬件滤波采集模块6中，首先通过滤波放大电路8对输入的原始信号先进行rc滤波，减小工频的影响，然后利用运放电路将原始信号放大70倍，再通过模数转换电路9采集至数据处理分析模块7中，经过硬件滤波采集模块6的信号的信噪比提高，有用信息得到了放大，能比较明显的观测到脉搏波的波动，但还是有工频，基线漂移，呼吸等干扰，因此需要接下来的数据处理分析模块7。
如图5所示，当前实施例中的数据处理分析模块7包含了滤波处理和峰值检测两个部分。
滤波处理：在滤波处理这部分内容中，首先进行带通滤波，通带设置在0.4-4hz以滤除工频和呼吸的噪声干扰；而针对基线偏移的问题，选取合适的滤波函数比如选用daubechies四阶基函数与原信号x进行卷积：
c0＝(1 sqrt(3))/(4*sqrt(2))
c1＝(3 sqrt(3))/(4*sqrt(2))
c2＝(3-sqrt(3))/(4*sqrt(2))
c3＝(1-sqrt(3))/(4*sqrt(2))
lp＝[c0,c1,c2,c3]
hp＝[c3,-c2,c1,-c0]
原信号x不断分解为高通分量
峰值检测：用原信号减去低通分量
heart_rate＝n/t*60
除此以外还可以计算获得心率变异性和与之相关的血压等人体健康特征信息，将信号采集端与终端连接就可以得到实时信息以此达到健康监控的效果。
实施例2
基于led显示矩阵的手掌多点血氧变化探测装置
如图3所示，led显示矩阵14由28*14个led二极管1排列而成，根据实际功能的需要，检测区域13设计为手掌的形状。led显示矩阵14具有检测和显示的双重功能，当矩阵14为显示功能时，28*14个led二极管1都被驱动电路5所控制正常发光，接收二极管12以大于30hz的频率在驱动电路5和硬件滤波采集模块6之间高速切换，当接收到电信号发生变化时，表明手掌靠近检测区域13此时led显示矩阵14切换为检测功能，在检测区域13内和边缘的led二极管1均用于检测。这些led二极管1中平均分布了发射led11和接收led12，并且采用了交错排列的方式使得每个接收led12都能被led11包围，工作时接收led12邻近的发射led11发出的光入射至人体皮肤3如图1，再经过毛细血管4血液反射至接收led12，由于光电效应led2将接收到的光信息转化为电信息，输入到硬件滤波采集模块4和数据处理分析模块7中，具体的信号滤波放大等优化方式和实施例1一样。
由于毛细血管4血液的流量和血氧含量对会影响反射光22的强度，接收led12收到的光信息携带了人体特征信息，转换为电信息后就表现为而具有周期，形状等个体差异性的脉搏波。而在检测区域13范围内有多个接收led12可以同时测量多个点，可以得到手掌分布密集的多点血氧变化特征信息，该信息可用于活体鉴别，辅助其他指纹、掌纹识别等手段进行身份鉴别。
以上所述，仅是本发明系统在利用多个led二极管和led显示矩阵进行指尖脉搏波检测和掌纹特征分析的实例而已，并非对本发明的方法和系统做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
1.一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置，其特征在于：包括检测模块、驱动电路(5)、硬件滤波采集模块(6)和供电电源(10)，硬件滤波采集模块(6)主要由滤波放大电路(8)和模数转换电路(9)组成；
检测模块为多个led二极管(1)或由多个led二极管(1)呈阵列排布组成的led显示矩阵(14)，led二极管(1)包括发射led(11)和接收led(12)，每个接收led(12)被邻近的发射led(11)包围；检测模块上设置有与人体皮肤(3)接触的检测区域(13)；
驱动电路(5)与检测模块连接，硬件滤波采集模块(6)与接收led连接且不与发射led(11)连接；检测模块、硬件滤波采集模块(6)、驱动电路(5)由供电电源(10)供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置，其特征在于：检测模块同时拥有显示和检测功能；当检测模块处于显示功能时，发射led二极管(1)处于普通发光状态，通过驱动电路(5)控制led二极管(1)的亮度和颜色，接收二极管(12)以大于30hz的频率在驱动电路(5)和硬件滤波采集模块(6)之间高速切换，当硬件滤波采集模块(6)接收到电信号发生变化时，表明有待检测物体靠近检测区域(13)，此时led显示矩阵(14)切换为检测功能；当检测模块处于检测功能时，检测区域(13)内的接收led(12)不受驱动电路(5)控制，接收led(12)通过光电效应将接收到的光信号转化为电信号后输入硬件滤波采集模块(6)，检测区域(13)内的发射led(11)发出频率高于接收led(12)的光。
3.根据权利要求1所述的一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置，其特征在于：所述的led二极管(1)为单色led或三色led，发射led(11)频率高于接收led(12)。
4.根据权利要求1所述的一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置，其特征在于：所述检测区域(13)设计为多种与人体皮肤(3)外形适配的形状。
5.根据权利要求1所述的一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量装置，其特征在于：所述人体皮肤(3)包括所有富含毛细血管(4)的皮肤表面，如指尖、手腕、手肘或脖颈。
6.采用权利要求1-5任一所述装置的一种基于led二极管及led显示矩阵的脉搏波测量方法，其特征在于：检测模块上的检测区域(13)与人体皮肤(3)接触时，检测模块处于检测状态，驱动电路(5)控制发射led(11)发出入射光(21)照射至人体皮肤(3)表面，入射光(21)经过毛细血管4反射后的反射光照射在接收led(12)上，接收led(12)将接收的光信号转换为电信号后传输至滤波放大电路(8)，滤波放大电路(8)对电信号进行滤波和放大处理，经滤波放大电路(8)的信号通过模数转换电路(9)转换为脉搏波信号。
技术总结