本發明涉及一種監測系統及方法，特別是關于一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測系統及方法。
背景技術：
：隨著微電子技術的發展，穿戴式人體生理信號檢測技術和方法的研究也在逐漸發展。近年來，心電信號的穿戴式檢測方法主要為利用粘性心電電極，以心電信號單導聯檢測的方式粘貼在胸腔的對應位置，通過采集皮膚表面電勢差，實現單導聯穿戴式心電信號的檢測，但是粘性電極的時效性并不適合長時間連續心電測量。呼吸信號穿戴式檢測方法主要采用簡單易行的壓電或應變的方法進行呼吸檢測，其原理為利用應變片或者壓電片作為傳感單元，基于呼吸過程中胸腔體積變化產生的壓力，施加在應變片或者壓電片上，產生相應的電學信號，來反映呼吸過程，在穿戴式呼吸檢測中，通過調節應變片或壓電片與皮膚接觸的距離和面積，實現人體呼吸信號和呼吸參數的有效檢測。實際測量中要考慮應變片和壓電片的結構設計，以適應不同形體的測量要求，測量結果不夠精確。在人體生理活動中，心電信號、呼吸信號等生理信號是反映人體生理功能的重要參數和指標，其中，心率、呼吸率等指標結合環境氣壓、溫濕度等信息對特殊環境作業人員的生理狀態測試，臨床心腦血管疾病病癥的診斷和輔助康復，運動員訓練強度評估等都具有非常重要的意義。技術實現要素：針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測系統及方法，其綜合了生理指標和環境指標，使測量結果更加準確。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測系統，其特征在于它包括人體生理信息檢測模塊、環境參數檢測模塊和人體舒適度模塊；所述人體生理信息檢測模塊將測量的心率、呼吸率和血氧飽和度信息傳輸至所述人體舒適度模塊，所述環境參數檢測模塊將測量的環境溫度值和環境濕度值信息傳輸至所述人體舒適度模塊，由所述人體舒適度模塊對接收的信息進行處理和分析，并與預先設置的參數比較，得到人體的舒適度。優選地，所述人體生理信息檢測模塊由單導聯心電信號模塊、胸阻抗法呼吸信號模塊和反射式血氧模塊構成；所述單導聯心電信號模塊根據電勢差法將測量的心率信息傳輸至所述人體舒適度模塊；所述胸阻抗法呼吸信號模塊將測量的呼吸率信息傳輸至所述人體舒適度模塊；所述反射式血氧模塊根據修正朗伯-比爾定律將測量血氧飽和度信息傳輸至所述人體舒適度模塊。優選地，所述單導聯心電信號模塊內的織物電極采用鍍銀導電紡織布制成，并以純棉為基底。優選地，所述鍍銀導電紡織布采用金屬沉淀法鍍銀構成，導電紡織布含銀比例為30％，其電氣特性為5～8歐姆/平方厘米，屏蔽效能為在0.1MHz到30GHz的電磁頻率內均達到60dB。優選地，所述環境參數檢測模塊由溫度模塊和濕度模塊構成；所述溫度模塊用于將測量的環境溫度值傳輸至所述人體舒適度模塊，所述濕度模塊用于將測量的環境濕度傳輸至所述人體舒適度模塊。優選地，所述人體舒適度模塊由心率判斷模塊、呼吸率判斷模塊、血氧保護度判斷模塊、環境濕度判斷模塊、環境溫度判斷模塊和顯示處理模塊構成；所述心率判斷模塊、所述呼吸率判斷模塊、所述血氧保護度判斷模塊、所述環境濕度判斷模塊和所述環境溫度判斷模塊都與所述顯示處理模塊電連接，將相應生理參數和環境參數傳輸至所述顯示處理模塊，由所述顯示處理模塊得到生理參數總評價值PP和環境參數總評價值EP；根據生理參數總評價值PP和環境參數總評價值EP，得到人體的舒適度，如下表所示：舒適度滿足條件舒適PP＝3，EP＝2一般舒適PP＝3，EP<2不舒適PP<3，EP＝2極端不舒適PP<3，EP<2優選地，所述心率判斷模塊內預先設置心率HC舒適范圍為60～100bpm/min，如果所述心率判斷模塊采集的心率值在預先設置范圍內，則向所述顯示處理模塊發送1，否則向所述顯示處理模塊發送0；所述呼吸率判斷模塊內預先設置呼吸率RC舒適范圍為15～20bpm/min，如果所述呼吸率判斷模塊采集的呼吸率值在預先設置范圍內，則向所述顯示處理模塊發送1，否則向所述顯示處理模塊發送0；所述血氧保護度判斷模塊預先設置血氧保護度SC舒適范圍為98％～100％，如果所述血氧保護度判斷模塊采集的血氧保護度值預先設置范圍內，則向所述顯示處理模塊發送1，否則向所述顯示處理模塊發送0；所述環境濕度判斷模塊內預先設置環境濕度DC舒適范圍為40％～60％，如果所述環境濕度判斷模塊采集的環境濕度值在預先設置范圍內，則向所述顯示處理模塊發送1，否則向所述顯示處理模塊發送0；所述環境溫度判斷模塊內預先設置環境溫度TC舒適范圍為20℃～28℃，如果所述環境溫度判斷模塊采集的環境溫度值在預先設置范圍內，則向所述顯示處理模塊發送1，否則向所述顯示處理模塊發送0。一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測方法，其特征在于，它包括以下步驟：1)開啟穿戴式生理和環境監測系統，預先設置各個參數的舒適范圍，對生理和環境參數進行測量；2)利用人體表面電勢差法實現心電信號檢測；3)采用織物電極為傳感器，并設置在胸大肌下端邊緣位置處進行呼吸率測量；4)根據修正朗伯-比爾定律，預先設置人體測量點是生理均勻分布，選用660nm和940nm為測量波長，通過檢測反射光光電容積脈波交直流分量，實現血氧飽和度SpO2檢測；式中，表示氧合血紅蛋白吸光系數，ERHb表示還原血紅蛋白吸光系數，表示660nm透射光對應的交流電流值，表示660nm透射光對應的直流電流值，表示805nm透射光對應的交流電流值，表示805nm透射光對應的直流電流值；5)對環境的溫度和濕度進行測量；6)穿戴式生理和環境監測系統根據測量的信息，并與預先設定值進行比較后，輸出人體的舒適度。優選地，所述心電信號檢測的具體步驟如下：織物電極與胸腔測量點之間可等效為電容、電阻串并聯電路，電容、電阻串并聯電路由第一電容C1、第二電容C2、第一電阻R1和第二電阻R2構成；第一電容C1與第二電阻R2并聯，其一端與第一電阻R1電連接，其另一端與第二電容C2一端電連接；織物電極與胸腔測量點之間的接觸阻抗RS為：隨著心臟泵血節律的進行，織物電極與胸腔之間的接觸阻抗RS也發生對應的變化，從而得到測量點位置的心電信號，單導聯心電信號模塊內設置有測量點織物電極和參考點織物電極，通過兩個測量點織物電極和參考點織物電極獲得單導聯心電信號，然后測量1分鐘內的單導聯心電信號的個數進而獲得心率值。優選地，所述步驟3)中，呼吸率測量的具體步驟如下：(3.1)胸阻抗法呼吸信號模塊的測量方法的等效電路，該等效電路由一電源、兩電阻R3、兩織物電極與皮膚的接觸阻抗RS、一胸阻抗ΔR和一電阻R構成；電源、兩電阻R3、兩織物電極與皮膚的接觸阻抗RS、一胸阻抗ΔR和一電阻R均串聯構成電路回路；其中，電阻R為屏息時胸阻抗值，電源電壓的頻率為250KHz，定值電阻R3的阻值為100KΩ；(3.2)對織物電極加一高頻信號源；其中，高頻信號源電壓U0的峰峰值為2V，電流為10mA的高頻正弦波信號；U0＝U0mcos(ωt)；(3.3)人體阻抗的等效導納為：YX＝GX+jBX＝A∠θ；式中，A為模值，θ為相位，GX為實部，BX為虛部；(3.4)已知經過人體的電流為：I＝U0·YX；(3.5)人體響應信號為：U2＝-I·RSU2＝-U0mRSAcos(ωt+θ)；(3.6)經低通濾波、模擬數字轉換和DFT變換，獲得人體呼吸信號：UR＝-0.5U0mRSGS-j0.5U0mRSBS；(3.7)根據1分鐘內呼吸信號的周期數即可獲得呼吸率數值。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明采用織物電極實現了單導聯心電信號檢測和呼吸信號檢測，并在此基礎上實現了心率、呼吸率測量。2、本發明采用的以織物電極為測量傳感端，穿戴舒適，可多次清洗，檢測生理信號更加方便，適合日常生活中的穿戴式心電監測和呼吸監測。3、本發明采用心電信號、呼吸信號、反射式血氧信號等生理信號和環境溫、濕度等環境參數測量，與傳統穿戴式檢測相比，更全面的實現了人體生理狀態監測和評估，并且檢測參數更加全面、具體，監測結果更加科學合理。附圖說明圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明單導聯心電信號模塊測量原理的等效電路示意圖；圖3是本發明的胸阻抗法等效電路示意圖；圖4是本發明的呼吸率測量流程示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明提供一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測系統，其包括人體生理信息檢測模塊1、環境參數檢測模塊2和人體舒適度模塊3。人體生理信息檢測模塊1將測量的心率、呼吸率和血氧飽和度信息傳輸至人體舒適度模塊3，環境參數檢測模塊2將測量的環境溫度值和環境濕度值信息傳輸至人體舒適度模塊3，由人體舒適度模塊3對接收的信息進行處理和分析，并與預先設定值進行比較，得到人體的舒適度。上述實施例中，人體生理信息檢測模塊1由單導聯心電信號模塊、胸阻抗法呼吸信號模塊和反射式血氧模塊構成。單導聯心電信號模塊根據電勢差法將測量的心率信息傳輸至人體舒適度模塊3；胸阻抗法呼吸信號模塊將測量的呼吸率信息傳輸至人體舒適度模塊3；反射式血氧模塊根據修正朗伯-比爾定律將測量血氧飽和度信息傳輸至人體舒適度模塊3。上述各實施例中，單導聯心電信號模塊內的織物電極采用鍍銀導電紡織布制成，并以純棉為基底。鍍銀導電紡織布采用金屬沉淀法鍍銀構成，導電紡織布含銀比例為30％，其電氣特性為5～8歐姆/平方厘米，屏蔽效能為在0.1MHz到30GHz的電磁頻率內均達到60dB。上述各實施例中，環境參數檢測模塊2由溫度模塊和濕度模塊構成。溫度模塊用于將測量的環境溫度值傳輸至人體舒適度模塊3；濕度模塊用于將測量的環境濕度傳輸至人體舒適度模塊3。上述各實施例中，人體舒適度模塊3由心率判斷模塊、呼吸率判斷模塊、血氧保護度判斷模塊、環境濕度判斷模塊、環境溫度判斷模塊和顯示處理模塊構成。心率判斷模塊、呼吸率判斷模塊、血氧保護度判斷模塊、環境濕度判斷模塊和環境溫度判斷模塊都與顯示處理模塊電連接，將相應生理參數和環境參數傳輸至顯示處理模塊，由顯示處理模塊根據接收的生理參數和環境參數分別相加，分別得到生理參數總評價值PP和環境參數總評價值EP。根據生理參數總評價值PP和環境參數總評價值EP，得到人體的舒適度，如表1所示。表1人體舒適度評價方式舒適度滿足條件舒適PP＝3，EP＝2一般舒適PP＝3，EP<2不舒適PP<3，EP＝2極端不舒適PP<3，EP<2上述實施例中，心率判斷模塊內預先設置心率HC舒適范圍為60～100bpm/min，如果心率判斷模塊采集的心率值在預先設置范圍內，則向顯示處理模塊發送1，由顯示處理模塊得到心率舒適值；否則向顯示處理模塊發送0。呼吸率判斷模塊內預先設置呼吸率RC舒適范圍為15～20bpm/min，如果呼吸率判斷模塊采集的呼吸率值在預先設置范圍內，則向顯示處理模塊發送1，由顯示處理模塊得到呼吸率舒適值；否則向顯示處理模塊發送0。血氧保護度判斷模塊預先設置血氧保護度SC舒適范圍為98％～100％，如果血氧保護度判斷模塊采集的血氧保護度值預先設置范圍內，則向顯示處理模塊發送1，由顯示處理模塊得到血氧保護度舒適值；否則向顯示處理模塊發送0。環境濕度判斷模塊內預先設置環境濕度DC舒適范圍為40％～60％，如果環境濕度判斷模塊采集的環境濕度值在預先設置范圍內，則向顯示處理模塊發送1，由顯示處理模塊得到環境濕度舒適值；否則向顯示處理模塊發送0。環境溫度判斷模塊內預先設置環境溫度TC舒適范圍為20℃～28℃，如果環境溫度判斷模塊采集的環境溫度值在預先設置范圍內，則向顯示處理模塊發送1，由顯示處理模塊得到環境溫度舒適值；否則向顯示處理模塊發送0。基于上述系統，本發明還提供一種基于織物電極的穿戴式生理和環境監測方法，其具體步驟如下：1)開啟穿戴式生理和環境監測系統，預先設置各個參數的舒適度范圍，對生理和環境參數進行測量；2)利用人體表面電勢差法實現心電信號檢測，其測量方法如下：織物電極與胸腔測量點之間可等效為電容、電阻串并聯電路，如圖2所示，電容、電阻串并聯電路由第一電容C1、第二電容C2、第一電阻R1和第二電阻R2構成。第一電容C1與第二電阻R2并聯，其一端與第一電阻R1電連接，其另一端與第二電容C2一端電連接；織物電極與胸腔測量點之間的接觸阻抗RS為：隨著心臟泵血節律的進行，織物電極與胸腔之間的接觸阻抗RS也發生對應的變化，從而得到測量點位置的心電信號，單導聯心電信號模塊內設置有測量點織物電極和參考點織物電極，通過兩個測量點織物電極和參考點織物電極獲得單導聯心電信號，然后測量1分鐘內的單導聯心電信號的個數進而獲得心率值。3)采用織物電極為傳感器，并設置在胸大肌下端邊緣位置處進行呼吸率測量；其測量方法如下：(3.1)胸阻抗法呼吸信號模塊的測量方法的等效電路，如圖3所示，該等效電路由一電源、兩定值電阻R1、兩織物電極與皮膚的接觸阻抗RS、一胸阻抗ΔR和一定值電阻R構成；電源、兩定值電阻R1、兩織物電極與皮膚的接觸阻抗RS、一胸阻抗ΔR和一定值電阻R均串聯構成電路回路；其中，定值電阻R為屏息時胸阻抗值，電源電壓的頻率為250KHz，定值電阻R1的阻值為100KΩ；(3.2)如圖4所示，對織物電極加一高頻信號源；其中，高頻信號源電壓U0的峰峰值為2V，電流為10mA的高頻正弦波信號；U0＝U0mcos(ωt)(2)(3.3)人體阻抗的等效導納為：YX＝GX+jBX＝A∠θ(3)式中，A為模值；θ為相位；GX為實部；BX為虛部；(3.4)已知經過人體的電流為：I＝U0·YX(4)(3.5)人體響應信號為：U2＝-I·RSU2＝-U0mRSAcos(ωt+θ)(5)(3.6)經低通濾波、模擬數字轉換和DFT變換，獲得人體呼吸信號：UR＝-0.5U0mRSGS-j0.5U0mRSBS(6)(3.7)根據1分鐘內呼吸信號的周期數即可獲得呼吸率數值；4)根據修正朗伯-比爾定律，預先設置人體測量點是生理均勻分布，選用660nm和940nm為測量波長，通過檢測反射光光電容積脈波交直流分量，實現血氧飽和度SpO2檢測；式中，表示氧合血紅蛋白吸光系數，ERHb表示還原血紅蛋白吸光系數，表示660nm透射光對應的交流電流值，表示660nm透射光對應的直流電流值，表示805nm透射光對應的交流電流值，表示805nm透射光對應的直流電流值；5)對環境的溫度和濕度進行測量；6)穿戴式生理和環境監測系統根據測量的信息，并與預先設定值進行比較后，輸出人體的舒適度。上述各實施例僅用于說明本發明，各部件的結構、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。當前第1頁1 2 3