非接触式生理信号监测装置

技术特征：
1.一种非接触式生理信号监测装置，其特征在于，包括：生理信号检测装置、人脸检测装置、微处理器、用于追踪定位的机械结构、用于数据显示的上位机；其中：（一）所述生理信号检测装置，包括：激光发射模块、光信号检测转换模块；其中：所述激光发射模块，是一激光发射器，用于发射激光；所述光信号检测转换模块，包括光电转换电路、自动增益电路、锁相放大电路、可编程滤波电路；其中：（1）所述光电转换电路，主要针对 0ua 至5.43ua 的光电二极管电流产生 0.1v 至 4.9v的输出电压；（2）所述自动增益电路，采用pga281芯片，用于提供最低为0.125倍增益，最高可达176倍；（3）所述锁相放大电路，是一种可以从干扰极大的环境中分离出特定载波频率信号的放大器；（4）所述可编程滤波电路，采用max262构建的滤波器；max262内部有两个独立的程控滤波器；其中，低通、高通、带通、带阻、全通，以及中心频率和q值都可以通过处理器调节；所述两个可编程滤波电路中，一个可编程滤波电路设计为截止频率为0.2hz的低通滤波电路，与ad630芯片构成锁相放大器，用于提取脑血氧信号；另一个可编程滤波电路设计为频率范围为0.2hz-2hz的带通滤波器，用于提取心率信号和脑血管张力信号；（二）所述人脸检测装置，包括红外摄像头，红外摄像头用于夜间捕捉、采集人脸信息；（三）所述微处理器，采用stm32f4，部署信号处理算法以及人脸检测算法；微处理器调用人脸检测算法，进行人脸判别，并控制滑轨和云台，调整激光发射角度，对准人脑前额进行照射；微处理器采集到原始信号后，调用信号处理算法进行计算，再通过蓝牙将计算值发送至上位机；（三）所述微处理器，采用stm32f4，微处理器根据红外摄像头捕捉、采集到的人脸信息，判别人脸位置和朝向，并控制滑轨和云台，调整激光发射角度，对准人脑前额进行照射；微处理器采集到原始信号，并进行后续的生理参数计算，包括：脑血氧饱和度、心率、脑部血管张力等常见生理参数的计算；这些算法原先部署在微处理器中，计算时调用这些算法；再通过蓝牙将计算值发送至上位机；（四）所述用于追踪定位的机械结构，包括：用舵机搭建的云台、弧形滑轨、电动机；弧形滑轨的两端固定在对应于人头部位置的床铺的两侧，弧形轨道环绕人头部位置，云台可沿着弧形轨道移动；云台通过电机驱动，并控制在弧形滑轨上移动；所述激光发射模块、光信号检测转换模块和红外摄像头部署在云台上；部署在云台上的红外摄像头，获取人脸信息后，微处理器驱动电机，将部署在云台上的激光发射器发射激光的照射位置锁定在被试者的额头；这样即使被试者头部移动，激光也能精准地照射在相关部位，进行精确地测量；（五）所述上位机，通过蓝牙与微处理器进行数据交互；上位机对原始信号进行初步分析、实时显示生理信号的波形、控制仪器的相关动作；硬件系统将采集处理好的数字生理电信号通过串口通信模块回传至pc端的上位机，上位机将接收的数据实时绘制原始数据波形图，并将数据存入数据缓冲区进行数据转存。2.根据权利要求1所述的非接触式生理信号监测装置，其特征在于，所述激光发射模块
中，其驱动电路包括两个三极管q1与q2，以及六个外围电阻r40、r41、r42、r43、r44、r45；两个三极管q1与q2的外围电路一样；对于由q1、r40、r41、r42组成的电路，具体如下，电阻r40接到三极管q1的基极上，电阻r42接在三极管q1的集电极上，r41接在三极管发射极和基极之间；当三极管q1基极为高电平时，三极管导通，激光点亮；当三极管q1基极为低电平时，三极管截止，激光熄灭；对于由q2、r43、r44、r45组成的电路，与q1、r40、r41、r42组成的电路连接关系和作用一样。3.根据权利要求1所述的非接触式生理信号监测装置，其特征在于，所述光电转换电路，包括一个配置为互阻抗放大器的单电源运算放大器，该放大器的带宽大于 1mhz，用于放大光电二极管的光依赖电流；电流模型ipd和电容cj并联，构成光电二极管的仿真模型；电容c1和电阻r1并联跨接在运算放大器的反向输入端和输出端，构成反馈网络；电阻r2和r3构成一个分压电路，将电压源v1的电压进行分压，给运算放大器的同相输入端提供一个低偏置电压；电路中由电阻r4和电容c3组成一个无源滤波器，用于滤除高频噪声。4.根据权利要求1所述的非接触式生理信号监测装置，其特征在于，所述锁相放大电路采用ad630芯片和低通滤波电路实现。5.根据权利要求1所述的非接触式生理信号监测装置，其特征在于，所述光信号检测转换模块内部的具体流程为：光电二极管将光信号转换为对应的电流，结合光电转换电路，将电流信号转换为电压信号；电压信号进入自动增益电路进行放大；信号经过自动增益电路放大后，分为两部分：一部分进入锁相放大器，进行脑血氧原始信号提取；另一部分经过带通滤波器，进行心率原始信号和脑血管张力原始信号的提取；微处理器对原始信号进行数模转换，再通过调用生理参数算法进行计算，获得结果。6.根据权利要求1所述的非接触式生理信号监测装置，其特征在于，所述上位机包含：串口号搜索、波特率设置、停止位设置、数据位设置、校验位设置；上位机有一个接收区和一个发送区；上位机通过蓝牙串口与微处理器通信，点击“打开”按键，通信开启，接收区把接收到的数据进行波形绘制；点击“关闭”按键，通信结束；上位机把接收到的数据保存到一个txt文件中；点击“清空”按键，接收区的波形将会被清空；点击“发送”按键，发送区的指令将会传送到微处理器。

技术总结
本实用新型属于生理信号检测技术领域，具体为一种非接触式生理信号监测装置。本实用新型包括生理信号检测装置、人脸检测装置、追踪定位结构、上位机；生理信号检测装置包括激光发射模块、光信号检测转换模块；人脸检测装置包括一个红外摄像头；追踪定位结构包括滑轨和用舵机搭建的云台；激光发射模块、光信号检测转换模块、红外摄像头部署在云台上；通过红外摄像头对人脸进行实时追踪，微处理器控制云台调整激光发射角度，对准人脑前额进行照射，光信号检测处理模块检测反射光，微处理器根据检测到的反射光信号，通过调用部署的算法解算出脑部血氧、心率、脑血管张力等；通过蓝牙将数据传输到上位机。传输到上位机。传输到上位机。


技术研发人员：黄旭德 陈炜 陈晨 王在浩
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2022/5/20