CN102525546B - 基于光电位移传感器的心音采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电位移传感器的心音采集装置,将心音产生的震动位移通过光电位移传感器转换为数字信号。该装置包括激光光源（1）、无线震动标尺（2）、光电位移传感器（3）、固定平台（4）、震动薄膜（5）、外壳（6）；该装置用激光光源产生的激光照射在震动标尺上，当薄膜震动感受到有心音信号时，震动薄膜会随着心音信号的强弱变化而发生震动，从而带动震动标尺发生上下位移变化，移传感器接收到标尺的变化幅度，从而输出相应的数字信号。最后光电位移传感器传出的数据是通过无线模块发送到接收端。其主要优点在于：1）能耗低：2）便携性强；3）更加适合物联网的应用，为远程智能心音监测提供了方便。

Description

基于光电位移传感器的心音采集装置

技术领域

本发明涉及一种利用光电位移传感器实现心音采集的装置。

背景技术

随着我国人口老年人比例的不断上升，如何提高对老年人的照顾和健康特征监测的水平已经成为当下必须要解决的问题。以往对老年人的健康特征监测只有在专业的机构以及条件较好的医院才能够实现，但这些监测方式大都需要较多的人力投入，一旦入住的病人或老人数量过大时将很难达到预期的服务质量。因此如何通过科学技术来让更多的老人以及需要进行健康监测的人群得到相应的健康监测是非常有意义的。

心音信号是人体中一种重要的生理信号，电子听诊器通过心音传感器来采集心音，然后将数字信号通过无线的方式发送到个人计算机（PC）上应用软件显示心音信号波形并进行分析处理。目前，利用电子听诊器检测心音的普遍方法是用心音传感器采集信号，并经过电路放大处理后在液晶显示器上显示出波形，或者将心音信号通过声卡存储到计算机中，利用计算机中的音频播放软件播放心音并实时显示心音的包络波形。

这类方法，相对而言需要的器件多，成本高，携带不方便，不利于随时随地用来检测心音，而且用电子听诊器检测的心音实时显示在屏幕上时，其波形或包络波形图比较复杂。随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，更多的人需要对自己的心脏健康状况进行监测和观察，而这是以往的心音采集方法所无法达到的。因此，在日益成熟的物联网平台上开发一种用于对人体心音信号进行可视监测的系统，就能解决上述问题。本发明主要涉及一种利用光电位移传感器来进行心音信号采集的技术。

发明内容

技术问题：本发明基于电子科学技术和软件开发的相关技术，设计了一种基于光电位移传感器的心音信号采集装置。

对于本发明而言，最关键的技术问题主要有如下几个：

1）如何将由心音产生的震动信号转换成数字信号。

2）如何更有效的将震动膜片的震动幅度转成电信号。

3）如何将数字信号转换成能够让用户看得懂的信号形式，例如图形界面或是数值形式。

技术方案： 本发明基于光电位移传感器开发的心音采集装置主要包括心音采集前置装置、无线传输介质和软件。心音采集装置主要是基于光电位移传感器，其实现的技术方案是，将由心音产生带动震动标尺产生的震动位移通过光电位移传感器转换为数字信号。

该装置包括激光光源、无线震动标尺、光电位移传感器、固定平台、震动薄膜、外壳；在外壳内的中部水平设置固定平台，在固定平台下设有震动薄膜，在震动薄膜的中间固定有无线震动标尺，无线震动标尺的上部穿过固定平台中间的孔；在固定平台上设有激光光源和光电位移传感器，激光光源的光发射面与光电位移传感器的光接收面分别面向无线震动标尺的反射面，激光光源的光发射面、无线震动标尺的反射面、光电位移传感器的光接收面的连线形成小于180度的夹角，使激光光源发射的激光照在无线震动标尺上并能准确反射到光电位移传感器上，让光电位移传感器能顺利扑捉到无线震动标尺上激光照射处的刻度标尺变化。

所述的无线震动标尺是一种印刷有不规则网状图案的轻质材料。

其工作过程如下：

由激光光源产生的激光照射在无线震动标尺上，当薄膜震动感受到有心音信号时，震动薄膜会随着心音信号的强弱变化而发生震动，从而带动无线震动标尺发生上下位移变化，照射在无线震动标尺的激光将无线震动标尺发生的这种上下变化送到光电位移传感器，实现位移变化到电信号的转换，并且通过内部的图像处理芯片对无线震动标尺的位移量进行分析，输出与心音信号成线性比例关系的数据，完成对心音信号的提取。最后光电位移传感器传出的数据是通过无线发送模块（含电源）发送到接收端。

有益效果：利用光电位移传感器实现的心音采集装置能够应用于物联网中，实现智能心音监测。其能耗低、体积小的特点方便使用者的长时间携带。为健康特征的监测提供的参考，也推动了物联网在健康特征监测领域的应用和发展。

附图说明

 图1 光电心音采集装置结构示意图，其中有：激光光源1、无线震动标尺2、光电位移传感器3、固定平台4、震动薄膜5、外壳6、无线发送模块7。

具体实施方式

本发明旨在设计出节能便携的心音信号采集装置，其前端传感器采用了光电位移传感器。信号采集端是通过将光电位移传感器ADNS-7050、激光发生引擎ADNV-6340、无线发送模块nRF2401等通过附图1的方式进行连接和组织。其中：

“1”是激光光源，其作用是用来产生激光光源，在安装的过程中应注意与震动标尺成一定的角度，而且要保证光电位移传感器能够最大限度的接收到光；

“2”是震动标尺，其作用是与震动薄膜相连接，标记震动薄膜所产生的位移量，其材料的选择主要是轻质的材料并在表面印刷上不规则的图案，通过实验验证，该方法更有利于光电位移传感器3的识别。

“3”是光电位移传感器，其作用是接收由震动标尺反射过来的激光，通过内部的图像处理芯片对震动标尺的位移量进行分析，并且输出相应的位移数据；

“4”是固定平台，其作用是作为激光光源、光电位移传感器的电路板，并且将其固定住；

 “5”是震动薄膜，其作用是接收心音产生的震动，带动震动标尺产生震动，

其自身固定在外壳6上；

“6”是外壳，其作用是作为整个光电心音采装置的保护壳；

“7”是无线模块（含电源），无线模块作用是将光电位移传感器传出的数据通过无线方式发送到接收端，其中电源的作用是为激光光源、光电位移传感器以及无线模块提供电源。

具体连接方式如下：

该装置包括激光光源1、无线震动标尺2、光电位移传感器3、固定平台4、震动薄膜5、外壳6；在外壳6内的中部水平设置固定平台4，在固定平台4下设有震动薄膜5，在震动薄膜5的中间固定有无线震动标尺2，无线震动标尺2的上部穿过固定平台4中间的孔；在固定平台4上设有激光光源1和光电位移传感器3，激光光源1的光发射面与光电位移传感器3的光接收面分别面向无线震动标尺2的反射面，激光光源1的光发射面、无线震动标尺2的反射面、光电位移传感器3的光接收面的连线形成小于180度的夹角，使激光光源1发射的激光照在无线震动标尺2上并能准确反射到光电位移传感器3上，让光电位移传感器3能顺利扑捉到无线震动标尺2上激光照射处的刻度标尺变化。

所述的无线震动标尺2是一种印刷有不规则网状图案的轻质材料。

其工作过程如下：

由激光光源1产生的激光照射在无线震动标尺2上，当薄膜震动5感受到有心音信号时，震动薄膜5会随着心音信号的强弱变化而发生震动，从而带动震动标尺2发生上下位移变化，照射在无线震动标尺2的激光将无线震动标尺2发生的这种上下变化送到光电位移传感器3，实现位移变化到电信号的转换，并且通过内部的图像处理芯片对震动标尺的位移量进行分析，输出与心音信号成线性比例关系的数据，完成对心音信号的提取。最后光电位移传感器传出的数据是通过无线发送模块7（含电源）发送到接收端。

无线发送的方式是与无线传感器网络的终端节点连接，无线传感器网络的终端节点的硬件系统是基于ARM的系统，而软件系统采用Linux操作系统。这样在实施的过程中，将前端采集器传输过来的信号通过终端节点保存到文件heart.txt文件中。最后通过FTP的方式传输到远程PC上进行处理。

为了实现远程信号的传输，首先要在ARM开发板上安装FTP的服务器，以及USB驱动，因为心音采集器的信号是通过USB口传输到ARM板中。对/dev/input/mice进行操作，将对应的数据读出，经过处理后将其保存到/home/plg/heart.txt文件中。

在PC端主要通过Java来进行应用程序的编写和实现。PC端的应用程序主要作用是将heart.txt文件进行处理，并且通过直观的形式将心音信号显示出来。这里首先运用Java中的文件操作来进行文件的读取，主要是通过FileReader类将文件打开，然后运用BufferedReader类分行读取heart.txt文件中的数据。

由于当下的光电位移传感器的精度很高，足以满足设计的要求。光电位移传感器选用精度较高的激光位移传感器，其型号为：ADNS-7050。能够有效的采集到位移数据。ADNS-7050传感器芯片主要由微控制器来控制，主要采用SPI的方式进行控制和数据的传输。传感器的光源主要采用ADNV-6340型号的激光发生器。因为ADNS-7050内部进行了节能优化，所以ADNV-6340是由ADNS-7050来进行控制，这样实现了节能的效果。

传输的实现方法是，采用体积和能耗都较小的nRF2401芯片，能够满足数据

发送和接收的要求，在无线接收端通过USB口和ARM开发板进行连接，并对无线接收端进行供电。无线接收端接收到的数据主要有ARM开发板进行保存，其保存的形式主要是TXT的格式，其实现的原理是由应用程序读取无线接收端的数据，并将其保存到TXT文件中。最后PC端通过FTP的方式将TXT文件下载到PC机上进行处理。

计算心率的方法是，对一段TXT格式的心音信号先进行二次采样，每间隔3点取一个数据，以降低数据的计算量，然后计算该信号的能量谱，对获取的心音能量谱用经验模式分层方法提取其包络，以包络线均值为阈值，对大于阈值的信号点分别视为第一心音、第二心音的起点和终点，将上述信息反馈到原始心音信号中，可准确分割出一个周期的心音信号，最后通过取3个周期的心音信号和采样频率求平均心跳周期，可计算出心率。

Claims (1)

1.一种基于光电位移传感器的心音采集装置，其特征是：该装置包括激光光源（1）、无线震动标尺（2）、光电位移传感器（3）、固定平台（4）、震动薄膜（5）、外壳（6）；在外壳（6）内的中部水平设置固定平台（4），在固定平台（4）下设有震动薄膜（5），在震动薄膜（5）的中间固定有无线震动标尺（2），无线震动标尺（2）的上部穿过固定平台（4）中间的孔；在固定平台（4）上设有激光光源（1）和光电位移传感器（3），激光光源（1）的光发射面与光电位移传感器（3）的光接收面分别面向无线震动标尺（2）的反射面，激光光源（1）的光发射面、无线震动标尺（2）的反射面、光电位移传感器（3）的光接收面的连线形成小于180度的夹角，使激光光源（1）发射的激光照在无线震动标尺（2）上并能准确反射到光电位移传感器（3）上，让光电位移传感器（3）能顺利扑捉到无线震动标尺（2）上激光照射处的刻度标尺变化；所述的无线震动标尺（2）是一种印刷有不规则网状图案的轻质材料。

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