一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统的制作方法

本发明涉及可穿戴智能设备，具体为一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统。

背景技术：

1、可穿戴智能设备通常佩戴于用户腕部或胸部，设备内部集成光电容积描记光学模组、生物电阻抗电学电极、惯性测量单元以及主控芯片与电源模块，设备通过传感器采集用户皮肤表面的原始生理信号，再由主控芯片对原始信号进行数字滤波、特征提取以及心率、血氧等生理参数的解算，为保证连续监测过程中的续航能力，此类设备通常采用锂电池供电，并依赖低功耗蓝牙与手机端或云端进行数据同步；

2、与本发明最接近的现有技术方案中，光学模组与电学电极通常通过刚性支架或者点胶方式直接固定安装于设备主外壳内壁，传感器与皮肤之间的贴合压力完全依赖外壳与腕带的整体张紧力提供，在信号处理层面，此类系统通常采用固定的多传感器数据级融合架构，无论用户处于静息、步行还是剧烈运动状态，各传感器均按预设的固定频率持续采样，并将全部原始数据送入后端算法模块，通过自适应滤波、独立成分分析等盲源分离类算法对运动伪影进行事后滤除，在校准环节，此类系统多依赖用户在每次佩戴后手动触发校准流程，或者依托云端大数据模型对不同用户的历史数据进行统计建模后下发校准参数，设备本身不具备离线、小样本、个性化的自适应校准能力；

3、上述现有技术方案存在以下技术缺陷，其一，由于传感器通过刚性支架直接固定于主外壳，当用户处于剧烈运动状态时，皮肤拉扯力与机械扭矩会直接传导至传感器安装位置，导致传感器与皮肤之间的贴合压力发生非线性波动，从而在信号采集的物理层面即引入运动伪影，而后端算法采用的盲源分离类方法通常假设各噪声源相互独立，在剧烈运动导致的非线性物理形变噪声面前难以有效分离，最终导致信号完整性衰减，甚至造成真实生理特征信号被过度滤除，其二，由于现有系统采用静态固定的传感器唤醒与融合架构，无论用户实际所处的运动状态如何，各类传感器均保持恒定的高频采样，导致在静息或者低运动强度场景下产生大量不必要的功耗开销，难以兼顾续航能力与设备体积的约束，其三，由于皮肤与电极之间的界面阻抗存在显著的个体差异，且同一用户每次佩戴时电极与皮肤的接触位置、压力均存在差异，现有系统依赖云端大数据统计模型或者用户手动校准，导致设备离线可用性较差、校准周期较长，用户体验有待提升，为此，我们提出一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统。

2、本发明要解决的技术问题是：现有可穿戴生理监测设备在连续采集过程中，运动伪影导致信号完整性衰减，多模态传感器功耗与采集性能及设备体积之间难以调和，以及因佩戴位移与个体皮肤阻抗差异导致的重复校准依赖问题，从而提供一种通过机械结构解耦与边缘人工智能上下文动态感知协同的生理数据采集系统，在不显著增加设备体积与成本的前提下，同时提升信号质量、降低系统功耗并实现设备端免人工干预的个性化自适应校准。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，包括设备主外壳、生理传感器模组、惯性测量单元和主控芯片，还包括悬浮子底盘、柔性连接结构、阻尼元件和边缘人工智能处理单元，所述生理传感器模组安装于所述悬浮子底盘上，所述悬浮子底盘通过所述柔性连接结构与所述设备主外壳的内壁连接，所述柔性连接结构沿垂直于皮肤接触面方向的弹性模量高于沿平行于皮肤接触面方向的弹性模量，使传感器在保持紧密贴肤的同时能够吸收因手臂摆动、肌肉形变引起的横向剪切应力，所述阻尼元件设置于所述悬浮子底盘与所述设备主外壳之间的间隙中，用于吸收所述悬浮子底盘相对所述设备主外壳产生的振动位移，防止悬浮子底盘在剧烈运动中产生过大位移，所述边缘人工智能处理单元分别与所述惯性测量单元和所述生理传感器模组连接，用于根据所述惯性测量单元采集的运动数据识别用户当前所处的运动状态类别，并根据所述运动状态类别调整所述生理传感器模组中光学传感器和电学传感器的采样频率与数据融合权重，在此基础上，本发明进一步提供个性化基线校准模块，用于在判定用户处于静息状态时，对皮肤与电学传感器之间的界面阻抗进行周期性采样，并通过加权融合更新的方式建立用户专属的阻抗基线模型，实现设备端免人工干预的个性化自适应校准。

4、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

5、1.本发明通过悬浮子底盘、各向异性柔性连接结构与阻尼元件构成的机械结构解耦层，在物理采集阶段即从根本上切断主外壳形变与传感器贴肤压力之间的耦合路径，使传感器贴肤压力波动幅度维持在设计阈值范围内，从而在无需依赖高算力后端算法的前提下，减少因贴肤压力波动引入的运动伪影成分，提升生理信号的可用完整度；

6、2.本发明通过边缘人工智能处理单元实现的上下文感知触发机制，根据用户实时运动状态类别动态调整各传感器的采样频率与融合权重，在保证数据完整性的前提下降低系统整体功耗，兼顾续航能力与设备体积约束；

7、3.本发明通过个性化基线校准模块在佩戴初期建立用户专属的阻抗基线分布模型，实现无需云端交互、无需用户手动干预即可完成设备端个性化校准适配，缩短校准周期并提升离线可用性。

1.一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，包括设备主外壳、生理传感器模组、惯性测量单元和主控芯片，其特征在于，还包括悬浮子底盘、柔性连接结构、阻尼元件和边缘人工智能处理单元；

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述悬浮子底盘的边缘设置有多个柔性连接臂，所述柔性连接臂由各向异性柔性基板构成，所述各向异性柔性基板在垂直于皮肤接触面的法线方向上的弹性模量高于在平行于皮肤接触面的切向方向上的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述阻尼元件为硅胶阻尼器，多个所述硅胶阻尼器分布于所述悬浮子底盘的周向，用于限制所述悬浮子底盘在垂直方向和切向方向上的位移量。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述生理传感器模组包括安装于所述悬浮子底盘中心区域的光学传感器和安装于所述悬浮子底盘边缘区域并与皮肤接触面直接接触的电学传感器，所述光学传感器为光电容积描记传感器，所述电学传感器为生物电阻抗传感器。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述边缘人工智能处理单元用于对所述惯性测量单元采集的三轴加速度信号和三轴角速度信号按照预设窗长和预设重叠率进行分帧处理，提取每一帧信号的时域特征和频域特征并组合形成特征向量，将所述特征向量输入预先训练完成的分类模型，得到用户当前所处的运动状态类别。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述边缘人工智能处理单元还用于根据所述运动状态类别对应的运动干扰置信概率计算所述光学传感器的融合权重，所述光学传感器的融合权重随所述运动干扰置信概率的增大而减小，所述电学传感器的融合权重与所述光学传感器的融合权重之和为1；

7.根据权利要求1所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：还包括个性化基线校准模块，所述个性化基线校准模块与所述电学传感器和所述边缘人工智能处理单元连接，用于在判定用户处于静息状态时，对皮肤与所述电学传感器之间的界面阻抗进行周期性采样，并将当前采样值与历史基线模型值进行加权融合更新，得到更新后的个性化阻抗基线模型值。

8.根据权利要求7所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述个性化基线校准模块还用于计算相邻两次更新得到的个性化阻抗基线模型值之间的变化量，当所述变化量连续多次低于预设收敛阈值时，判定所述个性化阻抗基线模型收敛，并将收敛后所述个性化阻抗基线模型的统计分布参数存储于非易失性存储单元中。

9.根据权利要求8所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于：所述个性化基线校准模块还用于将后续采集到的界面阻抗测量值与存储的所述个性化阻抗基线模型的统计分布参数进行比对，当所述界面阻抗测量值偏离所述统计分布参数超出预设范围时，判定所述电学传感器与皮肤的接触状态异常，对信号进行补偿处理并输出提示信息；

10.根据权利要求7所述的一种可穿戴智能设备的生理数据智能采集系统，其特征在于，判定用户处于静息状态的方式为：结合所述惯性测量单元采集的运动幅度指标和心率变异性指标，当所述运动幅度指标和所述心率变异性指标均低于预设静息阈值并且维持时长超过预设时长时，判定用户处于静息状态。