可采集心电数据的方向盘、生命体征监测系统及方法
阅读说明：本技术 可采集心电数据的方向盘、生命体征监测系统及方法 (Steering wheel capable of collecting electrocardiogram data, and vital sign monitoring system and method ) 是由 陈建刚 秦伟 魏高峰 叶长青 杨敬涵 姜梦圆 张皓 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种可采集心电数据的方向盘,以及基于该方向盘的生命体征监测系统及方法,用于实时准确地监测驾驶员的生命体征及健康状态。本发明的可采集心电数据的方向盘包括方向盘骨架和两块不相连的导电皮革；导电皮革位于所述方向盘骨架的表面；方向盘骨架与导电皮革之间不导电。本发明的生命体征监测系统,包括上述可采集心电数据的方向盘,还包括身份识别装置和信息处理装置；其中,导电皮革与信息处理装置之间电连接；身份识别装置与信息处理装置之间通讯连接。(The invention provides a steering wheel capable of acquiring electrocardio data, and a vital sign monitoring system and a vital sign monitoring method based on the steering wheel, which are used for accurately monitoring vital signs and health states of a driver in real time. The steering wheel capable of acquiring the electrocardiogram data comprises a steering wheel framework and two unconnected conductive leathers; the conductive leather is positioned on the surface of the steering wheel framework; the steering wheel framework and the conductive leather are not conductive. The vital sign monitoring system comprises the steering wheel capable of acquiring the electrocardio data, an identity recognition device and an information processing device; wherein, the conductive leather is electrically connected with the information processing device; the identity recognition device is in communication connection with the information processing device.)
技术领域
本发明属于生命体征监测技术领域，特别涉及一种可采集心电数据的方向盘、生命体征监测系统及方法。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们生活水平不断提高，私家车拥有量与日俱增，城市交通的压力也越来越大，安全驾驶逐渐成为严峻的问题。车辆是除地铁以外的主要城市交通工具，随着驾驶员在车内的时间也越来越长且长时间处于静息状态，有利于稳定采集生理信息。
现有技术有将心电采集装置与车辆方向盘集成用于心电采集的报道，但存在以下问题：1、用于心电采集的金属电极片位于方向盘的固定位置，且电极片面积小，实际使用过程中不能完整采集驾驶阶段的生理信息；2、心电分析技术都是基于短时间内采集到的心电数据，获得的心率值准确度低，不能准确诊察出隐藏的心电病；3、心电数据的无差别采集，导致基于方向盘电极片采集的心电数据无法与个人匹配，降低了个人安全预警准确度。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种可采集心电数据的方向盘、生命体征监测系统及方法，用于实时准确地监测驾驶员的生命体征及健康状态。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
在第一个方面，本发明提供了一种可采集心电数据的方向盘，包括方向盘骨架和两块不相连的导电皮革；所述导电皮革位于所述方向盘骨架的表面；所述方向盘骨架与所述导电皮革之间不导电。
进一步地，两块不相连的所述导电皮革在所述方向盘骨架上呈对称分布。
进一步地，所述导电皮革的总面积与所述方向盘骨架表面积之比为0.2～0.9:1，即所述导电皮革覆盖所述方向盘骨架表面积的20～90％。
进一步地，所述方向盘骨架与所述导电皮革之间设置有绝缘层。优选地，所述绝缘层的材质为绝缘的高分子材料，例如选自聚二甲基硅氧烷、酚醛树脂或聚氨酯中的一种或多种的组合。
在第二个方面，本发明提供了一种生命体征监测系统，包括上述可采集心电数据的方向盘、身份识别装置和信息处理装置；其中，
所述方向盘的导电皮革与所述信息处理装置之间电连接；
所述身份识别装置与所述信息处理装置之间通讯连接。
进一步地，所述身份识别装置与所述信息处理装置之间通过无线或有线方式通讯连接。
进一步地，所述身份识别装置为图像采集装置或具有身份信息的连接装置。优选地，所述具有身份信息的连接装置可以为绑定驾驶员身份信息的智能手机或平板电脑。优选地，所述图像采集摄像头与车内后视镜大致在同一水平线，这样有利于采集驾驶员完整的面部信息。
进一步地，所述信息处理装置包括心电数据处理模块，所述心电数据处理模块用于对心电数据进行信号放大、滤波和信号转换。优选地，所述心电数据处理模块包括BMD101芯片或CN121芯片。
进一步地，所述信息处理装置还包括通讯模块，所述通讯模块选自蓝牙模块、WiFi模块、蜂窝网络模块(例如3G、4G或5G模块)中的一种或几种。
在第三个方面，本发明提供了一种生命体征监测方法，用于监测驾驶员的生命体征，包括以下步骤：
步骤S1：使用上述生命体征监测系统的身份识别装置确认驾驶员的身份信息；
步骤S2使用上述生命体征监测系统的可采集心电数据的方向盘采集驾驶员的心电数据；
步骤S3使用上述生命体征监测系统的信息处理装置对采集到的心电数据进行处理，以监测驾驶员的生命体征。
进一步地，步骤S2还包括控制采集时间段，所述采集时间段为累积的心电采集的有效时间。优选地，所述采集时间段为0～36小时。
进一步地，步骤S3中对采集到的心电数据进行处理包括对心电数据进行信号放大、滤波和信号转换。优选地，其中滤波采用小波变换的滤波方法：首先进行基线漂移的去除，工频干扰等噪声的处理，然后进行离散小波变换，其中小波基选取紧支集正交小波，即Daubechies(dbN)小波，并采用Mallat算法实现小波阈值去噪。
进一步地，步骤S3还包括以下步骤：
步骤S31：所述信息处理装置将心电数据上传至云端服务器和/或用户终端；
步骤S32：云端服务器和/或用户终端根据所述心电数据确定驾驶员的健康状态。
在第四个方面，本发明提供了一种执行器，用于执行上述生命体征数据监测方法。
进一步地，执行器可以为由MCU、电容和电阻搭建的器件。其中，MCU可以是德州仪器的MSP430或者其他常用MCU。
进一步地，执行器7还可以为微细加工手段制造出来的芯片。
在第五方面，本发明提供的生命体征监测系统还包括上述执行器和车载中控组件，所述车载中控组件分别与所述信息处理装置和所述执行器电连接，所述执行器与所述信息处理装置电连接。
进一步地，车载中控组件包括供能装置，例如蓄电池。所述供能装置分别与所述可采集心电数据的方向盘、所述身份识别装置、所述信息处理装置和所述执行器电连接，并为其供电。
在第六个方面，本发明提供了上述生命体征监测系统用于监测驾驶员健康状况的用途。本发明的生命体征监测系统可应用到汽车领域内，通过生命体征监测系统内的方向盘完成心电采集，身份识别装置完成身份确认，信息处理装置完成心电数据处理，执行器完成生命体征数据监测步骤，车载中控组件中的供能装置为生命体征监测系统提供能量。基于采集的心电数据，实时地获得并监测驾驶员的健康状况，从而及时有效地避免事故的发生。
有益效果：
本发明采用导电皮革作为心电采集的电极片，可以大面积包裹在方向盘表面，增大了心电采集的面积和有效采集时间。采集的心电数据与特定驾驶员匹配，且进行累积式采集，有利于提高驾驶员健康状况诊断正确率。采用摄像头和/或智能设备(智能手机或平板电脑)两种途径绑定身份信息，增加了身份识别的准确性与有效性，例如在夜间驾驶的低光照情况下以及信号较弱的地区同样可以有效地识别用户的身份信息。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的可采集心电数据的方向盘的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例的可采集心电数据的方向盘的绝缘层的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例的生命体征监测系统的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例的生命体征监测方法的流程图；
图5是本发明另一个较佳实施例的生命体征监测方法的流程图；
图6是本发明另一个较佳实施例的生命体征监测系统的结构示意图；
图7是本发明又一个较佳实施例的生命体征监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，根据本发明的第一个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供了一种可采集心电数据的方向盘1，包括方向盘骨架3和两块不相连的导电皮革2；导电皮革2位于方向盘骨架3的表面；方向盘骨架3与导电皮革2之间不导电。
优选地，本发明使用导电皮革2作为心电采集部件，其质感与传统的皮革质感相同，驾驶员在驾驶时双手不会产生异物感，因此不会影响驾驶体验。导电皮革2作为一种经特殊工艺制造的皮革，现有技术中已有不少公开，例如文献《Skin Conformal andAntibacterial PPy-Leather Electrode for ECG Monitoring》(Advanced ElectronicMaterials，2020，6(8)：2000259)。
优选地，两块不相连的导电皮革2在方向盘骨架3上呈对称分布。
优选地，导电皮革2面积与方向盘骨架3表面积之比为0.2-0.9:1，例如比例可以是0.2-0.3:1、0.3-0.4:1、0.4-0.5:1、0.6-0.7:1、0.7-0.8:1或0.8-0.9:1。同样优选地，导电皮革2也可以像传统皮革那样大面积地覆盖在方向盘骨架3的表面，以提高心电采集的面积，增加了有效采集时间，且不会影响驾驶。方向盘制造商可根据实际需求选择导电皮革2与方向盘骨架3的表面积之比。例如，在为赛车制造方向盘时，导电皮革2与方向盘骨架3表面积之比可选为0.8-0.9:1；而在为长途客车制造方向盘时，导电皮革2面积与方向盘骨架3表面积之比可选为0.2-0.3:1。
如图2所示，在一个较佳实施例中，方向盘骨架3与导电皮革2之间设置有绝缘层4。优选地，绝缘层材质4为绝缘高分子材料。方向盘制造商可根据实际需求，选择绝缘高分子材料类型，例如可以选自聚二甲基硅氧烷、酚醛树脂或聚氨酯等绝缘高分子材料中的一种或多种的组合。
如图3所示，根据本发明的第二个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供了一种生命体征监测系统，包括可采集心电数据的方向盘1、身份识别装置5和信息处理装置6。方向盘1的导电皮革2与信息处理装置6之间通过导线电连接，身份识别装置5与信息处理装置6之间通讯连接，例如通过无线或有线的方式连接，研发或生产人员可根据实际需求选择身份识别装置5与信息处理装置6连接的方式。例如，无线连接方式可以是蓝牙、WiFi、3G、4G或5G中的一种；有线连接方式则是身份识别装置5与信息处理装置6通过导线电连接。
优选地，身份识别装置5先识别驾驶员身份，身份确认后再通过方向盘1的导电皮革2采集心电数据，通过身份识别装置5将方向盘1采集的心电数据与个人绑定，防止方向盘1无差别地采集心电数据，导致分析出的心电数据不能与个人健康状况匹配的问题。
优选地，身份识别装置5为图像采集装置或具有身份信息的连接装置。
具体地，图像采集装置可以为图像采集摄像头，例如现代公司生产的型号为HY7131R的图像采集摄像头。更优选地，图像采集摄像头与车内的后视镜在同一条水平线，有利于采集驾驶员完整的面部信息。在实际使用过程中，驾驶员坐在驾驶座位时，图像采集摄像头采集驾驶员的面部信息，根据面部识别算法完成身份识别。面部识别算法采用基于特征脸的主成分分析法(PCA)。算法步骤为根据一组人脸训练样本构造主元子空间，监测时，将采集摄像头采集到的图像投影到主元子空间上，得到一组投影系数，再和预先储存的驾驶员人脸图像模式比较，从而完成身份识别。
具体地，具有身份信息的连接装置可以为绑定驾驶员身份信息的智能手机或平板电脑，例如iPad。驾驶员通过绑定身份信息的手机或iPad通过无线连接方式与信息处理装置6连接，在完成连接的同时，确定驾驶员的身份信息。
优选地，信息处理装置6包括心电数据处理模块，用于对导电皮革2采集的心电数据信号进行放大、滤波和信号转换处理。数据处理装置6可以为市场上常规售卖的BMD101或CN121芯片等。
优选地，信息处理装置6还包括通讯模块，通讯模块选自蓝牙模块、WiFi模块、3G模块、4G模块或5G模块中的一种。
如图4和图5所示，根据本发明的第三个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供了一种生命体征数据监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：使用身份识别装置5确认驾驶员的身份信息；例如，驾驶员使用手机或者iPad中预存的身份信息完成身份确认，或者是通过图像采集摄像头再进行人脸识别完成身份确认。
步骤S2：使用可采集心电数据的方向盘1采集驾驶员的心电数据；例如，驾驶员双手分别紧握在两块导电皮革2的表面，从而将心电数据传导给导电皮革2并被采集。
步骤S3：使用信息处理装置6对采集到的心电数据进行处理，以监测驾驶员的生命体征。例如，导电皮革2采集的心电数据通过导线传输给息处理装置6的心电数据处理模块进行处理，包括将心电数据进行放大，滤波去除杂波信号，再转换为数字心电数据，提取数字心电数据中的有效值，经过计算得到心率值，并将有效值进行绘图处理得到心电图。
优选地，在步骤S2中，采集驾驶员的心电数据还包括控制采集时间段，采集时间段为累积的心电采集的有效时间。由于驾驶员在驾驶过程中手会时常离开方向盘，转动方向盘，或者是中途下车休息，导致无法采集正常的心电数据，此过程即为心电采集的无效时间，不累积计入采集时间段。只有手紧握方向盘时采集心电数据的有效时间才累积计入采集时间段。更优选地，采集时间段为0～36小时。驾驶员可根据需求设置时间段，例如可以是0-4小时、0-8小时、0-12小时、0-16小时、0-20小时、0-24小时、0-28小时、0-32小时或0-36小时中的一种。例如，驾驶员需要分析动态心电数据，可以将时间段设置为0-24小时。
优选地，在步骤S3中，心电数据处理模块采用BMD101芯片或CN121芯片。
优选地，在步骤S3中，滤波采用小波变换的滤波方法：首先进行基线漂移的去除，工频干扰等噪声的处理，然后进行离散小波变换，其中小波基选取紧支集正交小波，即Daubechies(dbN)小波，采用Mallat算法实现小波阈值去噪。
优选地，步骤S3还包括步骤S31：通过通讯模块将心电数据上传至云端服务器和/或用户终端。例如，信息处理装置6通过3G、4G或5G模块将心电数据无线传输给云端服务器进行保存，云端服务器的访问者可以根据传来的数值提供增值服务或相关建议。例如，通过蓝牙将心电数据传输给用户的手机端或PC端保存，方便用户查看和就医；通过有线方式将心电数据传输给载中控屏，便于用户查看。
优选地，步骤S3还包括步骤S32：确定驾驶员健康状态。例如，根据心电数据，得到的心率值，判断这个心率值是否低于用户正常范围的下限阈值或高于用户正常范围的上限阈值。用户的正常范围是提前设置好的，可通过医院监测得到；通过分析心电图，发现用户是否存在心脏病，判断是否有心脏骤停的风险。是否存在心脏病的判断方法为小波变换和PCA-ICA相结合的决策树方法，分为两步：第一步为心电数据的特征提基取，使用小波变换的系数作为初始特征向量，然后使用PCA-ICA相结合的方法，完成特征的优化，加入RR间期形成完整的特征向量；第二步为利用算法训练模型，完成心律失常的分类，利用决策树作为系统的分类器，通过使用ID3算法建立一棵反映整个系统分类的树，从而实现心脏病的诊断。
根据本发明第四个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供了一种执行器7，用于执行上述生命体征数据监测方法。例如，执行器7可以为由MCU、电容和电阻搭建的器件。其中，MCU可以是德州仪器推出的MSP430或者其他常用MCU。又例如，执行器7还可以为微细加工手段制造出来的芯片。
如图6所示，根据本发明第五个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供的生命体征监测系统除了还包括上述执行器7和车载中控组件4，车载中控组件4分别与信息处理装置6和执行器7电连接，执行器7与信息处理装置6电连接。
优选地，车载中控组件4通过导线与信息处理装置6电连接，车载中控组件4通过导线与执行器7电连接，执行器7与信息处理装置6通过导线电连接。
优选地，车载中控组件4包括供能装置，例如蓄电池。供能装置分别与可采集心电数据的方向盘1、身份识别装置5、信息处理装置6和执行器7电连接。
根据本发明的第六个方面，在一个较佳实施例中，本发明提供了上述生命体征监测系统用于监测驾驶员健康状况的用途。
优选地，本发明的生命体征监测系统可应用到汽车领域内，通过生命体征监测系统内的方向盘1完成心电采集，通过身份识别装置5完成身份确认，信息处理装置6完成心电数据处理，执行器7完成生命体征数据监测步骤，车载中控组件4中的供能装置为生命体征监测系统提供能量。基于采集的心电数据，获得驾驶员健康状况，生命体征监测系统可用于监测驾驶员健康状况。
实施例1
如图7所示，在一个具体的优选实施例中，本发明的可采集心电数据的方向盘1包括导电皮革2位于方向盘骨架3。导电皮革2在方向盘骨架3的表面且呈对称分布，且覆盖方向盘骨架3表面积的90％，导电皮革2与方向盘骨架3之间有聚二甲基硅氧烷膜，防止导电皮革2与方向盘骨架3电连接，导致无法正常采集心电数据。导电皮革2与信息处理装置6通过导线连接，信息处理装置6包括信息处理电路、BMD101芯片和蓝牙模块组成，信息处理电路为在PCB板上焊接有电容和电阻等电子元器件的板卡。执行器7为德州仪器推出的MSP430，其焊接在信息处理电路上。使用现代公司生产的型号为HY7131R的图像采集摄像头作为身份识别装置5，且与车内的后视镜在同一条水平线，图像采集摄像头与信息处理电路通过导线连接。车载中控组件4为汽车内中控集成电路板和蓄电池，中控集成电路板通过导线与执行器7电连接，中控集成电路板通过导线与信息处理电路电连接，蓄电池为中控集成电路板、信息处理电路和执行器7提电能。
在一个经典的使用场景中，驾驶员在汽车内启动汽车，车载中控组件4内的蓄电池为中控集成电路板、信息处理电路和执行器7提供电能，通过导线和信息处理电路为图像采集摄像头提供电能。驾驶员坐在驾驶座位后，图像采集摄像头开始采集驾驶员的面部图像，将采集摄像头采集到的图像投影到主元子空间上，得到一组投影系数，再和预先储存的驾驶员人脸图像模式比较，从而完成身份识别。或者，驾驶员打开手机或iPad，使用内置的蓝牙与信息处理装置6内的蓝牙模块完成连接，由于手机或iPad拥有驾驶员绑定的身份信息，因此，完成连接时，确认了驾驶员的身份信息。例如，驾驶员为A，通过身份识别确认后，采集的心电数据和基于心电数据分析的结果与A匹配。驾驶员手握方向盘1，导电皮革2采集的心电数据经过导线传输给信息处理装置6，信息处理装置6内的信息处理电路和BMD101芯片依次处理心电数据，处理后的心电数据通过蓝牙传输给用户的手机端或PC端保存，方便用户查看和就医；通过有线方式将处理后的心电数据传输给车载中控屏，便于用户查看。
手机端、PC端和汽车的内置软件具有人工智能算法对心电数据进一步处理，首先进行基线漂移的去除，工频干扰等噪声的处理，然后进行离散小波变换，其中小波基选取紧支集正交小波，即Daubechies(dbN)小波，采用Mallat算法实现小波阈值去噪。
对经过滤波处理的信号进行R波提取，每分钟RR间期的个数作为心率值。R波提取的具体步骤为：第一步，求取滤波后心电数据在各点的导数；第二步，找出dSn/dt＞0而dSn+1/dt＜0的点，将这些点处的导数值形成新的集合D0＝{D1,D2,...,DK}，对应的心电值为R0＝{R1,R2,...,RK}，以及这些心电值在原数据集合S中的对应位置LOC＝{n1,n2,...,nK}，作为R值的备选，其中K为D0、R0中元素的个数；第三步，找出集合D0中各采样点处的导数值，设置一个阈值a1，则有判定条件：if Dk＞a1，则这些数据处对应的心电值将成为新的R值备选集合R0new，记录这些数据在原数据中对应的位置集合LOCnew。此处N为采样点总个数；第四步，对R0new进行进一步的筛选，依据下列条件：最终形成真正的R值集合Rt＝{Rt1,Rt2,...,RtM}以及这些数据在原数据S中对应的位置LOCt。心率值(XINLV)计算公式：
再基于小波变换、PCA-ICA相结合的决策树方法，判断心脏病，具体为：第一步为心电数据的特征提基取，使用小波变换的系数作为初始特征向量，然后使用PCA-ICA相结合的方法，完成特征的优化，加入RR间期形成完整的特征向量；第二步为利用算法训练模型，完成心律失常的分类，利用决策树作为系统的分类器，通过使用ID3算法建立一棵反映整个系统分类的树，从而实现心脏病的诊断，判断驾驶员的健康状态。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。