CN104287700A - 一种利用智能手机音频口的脉搏波检测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统与方法，使得所有智能手机都能够扩展脉搏波检测分析功能，该系统包括智能手机、脉搏波检测仪、脉搏波分析系统，所述的脉搏波分析系统安装在智能手机系统内，智能手机与脉搏波检测仪通过智能手机上的耳机口连接；该系统通过智能手机上的脉搏波分析软件控制智能手机音频口的左右声道发出供电信号、载波信号，并通过音频口的麦克端接收检测仪输出的已调制脉搏波信号，音频模块完成A/D转换，脉搏波分析系统将其解调为数字脉搏波信号，可在智能手机上完成脉搏波波形的实时显示、实时分析，分析结果本地存储及云端存储。

Description

一种利用智能手机音频口的脉搏波检测系统与方法
技术领域
本发明涉及一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统与方法，属于电子医疗仪器领域。 
背景技术
脉搏波由心脏开始向循环系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也受到流经各级动脉及分支中各种生理因素如血管阻力、血管壁弹性、血液黏度的影响，脉搏波中包含了丰富的心血管系统生理病理信息。因此，及时准确地检测并分析脉搏波信号对于预测心血管系统疾病的发生及诊治过程中科学合理的指导都有着重要的意义。 
智能手机是一个非常优秀的音频信号采集系统，它成本低、性能优越、兼容性好、通用性和灵活性强、软件(安卓或IOS)升级方便。因此设计一款基于智能手机音频口的脉搏波实时检测系统，可以大大降低整个信号采集系统的成本，组成一个低成本高性能的计算机生物医学信号的采集处理系统。所开发的设备具有便携性，成本低等特点，适用于远程医疗及家庭保健行业。 
发明内容
本发明的目的在于提供了一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统与方法，使得所有智能手机都能够扩展脉搏波检测分析功能，能够及时准确地检测并分析脉搏波信号，对于预测心血管系统疾病的发生及诊治过程中科学合理的指导都有着重要的意义。 
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种利用智能手机音频口 检测脉搏波的系统与方法，其中，一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统，该系统包括智能手机(1)、脉搏波检测仪(2)、脉搏波分析系统(3)，所述的脉搏波分析系统(3)安装在智能手机(1)系统内，智能手机(1)与脉搏波检测仪(2)通过智能手机(1)上的耳机口连接。 
所述的脉搏波检测仪(2)用于检测脉搏波信号，脉搏波检测仪(2)包括手机供电模块(4)、电池供电模块(5)、四芯耳机插头(6)、调制模块(7)、脉搏波传感器(8)、光电转换放大模块(9)、增益调节模块(10)。 
所述的脉搏波分析系统(3)用于控制脉搏波检测仪及智能手机完成脉搏波的检测及分析，脉搏波分析系统(3)包括AudioTrack控制模块(11)、AudioRecord控制模块(12)、信号解调模块(13)、实时分析模块(14)、显示模块(15)、用户检测信息管理模块(16)。 
使用者在智能手机安装脉搏波分析系统(3)，将脉搏波检测仪(2)插入智能手机(1)的耳机口。 
手机供电模块(4)包括升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)，所述升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)依次连接，并通过脉搏波分析系统(3)的控制在智能手机的一个声道输出正弦信号，经四芯耳机作为电源输入，手机供电模块(4)将该信号经升压、整流、滤波、稳压，为传感器、运放芯片元器件供电。 
电池供电模块(5)包括充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)，所述的充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)依次连接，当所使用的智能手机无法为脉搏波检测仪(2)提供稳定供电时，可以使用脉搏波检测仪(2)的锂电池(52)供电，锂电池 经过稳压，可为传感器、运放芯片元器件供电；当锂电池电量低时可通过USB转四芯耳机连接线连接脉搏波检测仪(2)，充电电路指示灯红灯亮开始充电，绿灯亮锂电池充满电。 
AudioTrack控制模块(11)控制智能手机的音频左右声道输出供电信号和载波信号，将数字音频信号转换为模拟正弦信号经音频口输出到脉搏波检测仪(2)；脉搏波检测仪(2)的手机供电模块(4)接收供电信号，调制模块(7)接收载波信号。 
AudioRecord控制模块(12)控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪(2)采集到的已调制模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到音频缓存区。 
信号解调模块(13)读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并向实时分析模块(14)和显示模块(15)发出控制信号；实时分析模块(14)接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块(15)完成脉搏波波形在智能手机(2)上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告。 
用户检测信息管理模块(16)可控制用户个人信息的录入，姓名、年龄、性别、身高、体重进行编辑修改，可查看用户检测的历史记录，可将脉搏波检测数据及结果上传到云后台，进行更详细的分析。 
该系统通过智能手机上的脉搏波分析系统控制智能手机音频口的左右声 道发出供电信号、载波信号，并通过音频口的麦克接收检测仪输出的已调制脉搏波信号，智能手机的音频模块完成D/A、A/D转换，脉搏波分析系统将采集的音频信号解调为数字脉搏波信号，经过数字滤波去噪处理后在智能手机上完成实时显示、存储、计算； 
具体步骤如下， 
S1 在智能手机中安装脉搏波分析系统，并启动； 
S2 将脉搏波检测仪插入智能手机的耳机口，将要检测的部位贴靠在传感器上； 
S3 分析系统检测到检测仪的插入，可开始检测；触发检测按键，AudioTrack控制模块开始工作，控制智能手机音频口输出一路供电信号，一路载波信号； 
S4 检测仪的手机供电模块接收供电信号，将模拟正弦信号经升压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路后为传感器和运放芯片器件供电； 
S5 检测仪的调制电路接收载波信号，将模拟正弦信号经比较电路变换为开关信号，控制红外发光传感器的工作； 
S6 光电转换放大模块通过红外接收传感器将接收到的光信号转换为电信号，该电信号为已调制脉搏波信号，放大电路将已调制脉搏波信号进行放大； 
S7 增益调节模块对已调制信号进行基线的调节，使信号的幅值在智能手机麦克的接收范围，将信号通过四芯耳机的麦克端传入到智能手机中； 
S8 AudioRecord控制模块控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪采集到的模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到音频缓存区； 
S9 信号解调模块读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并向 实时分析模块和显示模块发出控制信号；实时分析模块接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块完成脉搏波波形在智能手机上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告； 
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。 
本发明的脉搏波检测系统是利用智能手机上的脉搏波分析系统和脉搏波检测仪来采集分析脉搏波信号。常规的通过脉搏波传感器采集脉搏波信号经过单片机AD采集并预处理后通过蓝牙、zigbee、串口等方式传输到PC或手机，在PC上完成信号的处理、分析、存储。本发明将传感器采集的脉搏波信号直接传递到手机中，省去了单片机的预处理过程和通过蓝牙、zigbee、串口等方式传输到手机过程，节约了硬件成本。智能手机的音频采集单元具有16位分辨率比大多数单片机的性能高，且不需要用户额外的购买。智能手机系统本身的优秀处理能力提高了脉搏波信号分析的实时性，准确性。本发明通过智能手机的音频口可为检测仪提供供电信号及载波信号，智能手机为检测仪供电能够有效提高了仪器的便携性和工作时间，智能手机发出载波信号避免了使用复杂的载波发生电路及可能出现的信号干扰。通过本发明的系统和方法将极大的方便家庭及个人医疗保健领域的使用。 
附图说明
图1为利用智能手机音频口检测脉搏波的系统结构图。 
图2为利用智能手机音频口检测脉搏波的系统控制结构图。 
图3为手机供电模块内部结构图。 
图4为电池供电模块内部结构图。 
图中：1、智能手机，2、脉搏波检测仪，3、脉搏波分析系统，4、手机供电模块，5、电池供电模块，6、四芯耳机插头，7、调制模块，8、脉搏波传感器，9、光电转换放大模块，10、增益调节模块，11、AudioTrack控制模块，12、AudioRecord控制模块，13、信号解调模块，14、实时分析模块，15、显示模块，16、用户检测信息管理模块，41、升压电路，42、整流电路，43、滤波电路a，44、稳压电路a，51、充电电路，52、锂电池，53、滤波电路b，54、稳压电路b。 
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的系统做进一步的阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的结构组成和工作方式，但不能以此来限制本发明的保护范围。 
一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统与方法，该系统包括智能手机(1)、脉搏波检测仪(2)、脉搏波分析系统(3)，所述的脉搏波分析系统(3安装在智能手机(1)系统内，智能手机(1)与脉搏波检测仪(2)通过智能手机(1)上的耳机口连接； 
所述的脉搏波检测仪2用于检测脉搏波信号，脉搏波检测仪2包括手机供电模块(4)、电池供电模块(5)、四芯耳机插头(6)、调制模块(7)、脉搏波传感器(8)、光电转换放大模块(9)、增益调节模块(10)。 
所述的脉搏波分析系统3用于控制脉搏波检测仪及智能手机完成脉搏波的 检测及分析，脉搏波分析系统3包括AudioTrack控制模块(11)、AudioRecord控制模块(12)、信号解调模块(13)、实时分析模块(14)、显示模块(15)、用户检测信息管理模块(16)。 
使用者在智能手机安装脉搏波分析系统(3)，将脉搏波检测仪(2)插入智能手机(1)的耳机口。 
手机供电模块(4)包括升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)，所述升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)依次连接，并通过脉搏波分析系统(3)的控制在智能手机的一个声道输出20kHz左右的正弦信号，经四芯耳机作为电源输入，手机供电模块(4)将该信号经升压、整流、滤波、稳压，为传感器、运放芯片元器件供电。 
电池供电模块(5)包括充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)，所述的充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)依次连接，当所使用的智能手机无法为脉搏波检测仪(2)提供稳定供电时，可以使用脉搏波检测仪(2)的锂电池(52)供电，锂电池经过稳压，可为传感器、运放芯片元器件供电。当锂电池电量低时可通过USB转四芯耳机连接线连接脉搏波检测仪(2)，充电电路指示灯红灯亮开始充电，绿灯亮锂电池充满电。 
AudioTrack控制模块(11)控制智能手机的音频左右声道输出供电信号和载波信号，供电信号为20kHz—22kHz的音频信号，载波信号为100Hz—10kHz的音频信号，将数字音频信号转换为模拟正弦信号经音频口输出到脉搏波检测仪(2)。脉搏波检测仪(2)的手机供电模块(4)接收供电 信号，调制模块(7)接收载波信号。 
audioTrack＝newAudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC, 
EncoderCore.getPowerSupplySamplerate(), 
AudioFormat.CHANNEL_OUT_MONO, 
AudioFormat.ENCODING_PCM_8BIT, 
pwMinBufferSize*2, 
AudioTrack.MODE_STATIC)； 
AudioRecord控制模块(12)控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪(2)采集到的已调制模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到缓存区。 
audioRecord＝newAudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,frequency, 
channelConfiguration,audioEncoding,recBufSize)； 
信号解调模块(13)读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并向实时分析模块(14)和显示模块(15)发出控制信号；实时分析模块(14)接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块(15)完成脉搏波波形在智能手机(2)上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告； 
用户检测信息管理模块(16)可控制用户个人信息的录入，姓名、年龄、性别、身高、体重进行编辑修改，可查看用户检测的历史记录，可将脉搏波检测数据及结果上传到云后台，进行更详细的分析。 
该系统通过智能手机上的脉搏波分析系统控制智能手机音频口的左右声道发出供电信号、载波信号，并通过音频口的麦克接收检测仪输出的已调制脉搏波信号，智能手机的音频模块完成D/A、A/D转换，脉搏波分析系统将 采集的音频信号解调为数字脉搏波信号，经过数字滤波去噪处理后在智能手机上完成实时显示、存储、计算。 
具体步骤如下： 
S1 在智能手机中安装脉搏波分析系统，并启动； 
S2 将脉搏波检测仪插入智能手机的耳机口，将要检测的部位(如食指)贴靠在传感器上； 
S3 分析系统检测到检测仪的插入，可开始检测。触发检测按键，AudioTrack控制模块开始工作，控制智能手机音频口输出一路供电信号，一路载波信号； 
S4 检测仪的手机供电模块接收供电信号，将21kHz左右的模拟正弦信号经升压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路后为传感器和运放芯片等器件供电； 
S5 检测仪的调制电路接收载波信号，将1kHz左右的模拟正弦信号经比较电路变换为1kHz左右的开关信号，控制红外发光传感器的工作； 
S6 光电转换放大模块通过红外接收传感器将接收到光信号转换为电信号，该电信号为1kHz左右的已调制脉搏波信号，放大电路将已调制脉搏波信号进行放大； 
S7 增益调节模块对已调制信号进行基线的调节，使信号的幅值在智能手机麦克的接收范围，将信号通过4芯耳机的麦克端传入到智能手机中； 
S8 AudioRecord控制模块控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪采集到的已调制模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到音频缓存区。 
S9 信号解调模块读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并 向实时分析模块和显示模块发出控制信号；实时分析模块接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块完成脉搏波波形在智能手机上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告； 
上述的内置于智能手机1的脉搏波分析系统通过手机音频口发出载波信号，使得硬件电路不需要添加复杂的载波发生电路，同时通过音频口接收经过调制的脉搏波信号，控制智能手机的音频采集模块实现脉搏波的采集，并在智能手机上完成脉搏波分析和显示，减少了硬件电路需要专门的单片机。 
在智能手机上启动脉搏波分析软件，触发检测按键，开始检测是否是脉搏波检测仪通过耳机孔插入智能手机，供电电路是否开始工作。 
系统的载波发送模块控制左右声道发出载波信号，将数字正弦信号经过音频单元转为模拟正弦信号，同过耳机将信号输出到脉搏波检测仪。 
实施例 
将手指紧贴检测传感器探头部位，比较器电路将正弦信号转换为矩形脉冲，传感器开始工作将血液容积变化信息转为电信号，经过脉冲调制电路将低频脉搏波信号调制到载波之上，最后进行增益调节，将信号通过麦克口传出到智能手机。 
已调制脉搏波接收解调模块控制智能手机麦克口接收经过调制的脉搏波模拟信号，转换为数字信号并解调处实际的脉搏波信号，该信号经过数字滤 波去噪处理在手机屏幕上实时显示，并在后台完成信号的存储和分析。 
采集完毕后报告管理模块在手机屏幕上显示检测结果并提供上传及历史查询功能，结果可用于预测心血管系统疾病的发生及诊治过程中的指导。 

Claims (2)

1.一种利用智能手机音频口检测脉搏波的系统，其特征在于：该系统包括智能手机(1)、脉搏波检测仪(2)、脉搏波分析系统(3)，所述的脉搏波分析系统(3)安装在智能手机(1)系统内，智能手机(1)与脉搏波检测仪(2)通过智能手机(1)上的耳机口连接；
所述的脉搏波检测仪(2)用于检测脉搏波信号，脉搏波检测仪(2)包括手机供电模块(4)、电池供电模块(5)、四芯耳机插头(6)、调制模块(7)、脉搏波传感器(8)、光电转换放大模块(9)、增益调节模块(10)；
所述的脉搏波分析系统(3)用于控制脉搏波检测仪及智能手机完成脉搏波的检测及分析，脉搏波分析系统(3)包括AudioTrack控制模块(11)、AudioRecord控制模块(12)、信号解调模块(13)、实时分析模块(14)、显示模块(15)、用户检测信息管理模块(16)；
使用者在智能手机安装脉搏波分析系统(3)，将脉搏波检测仪(2)插入智能手机(1)的耳机口；
手机供电模块(4)包括升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)，所述升压电路(41)、整流电路(42)、滤波电路a(43)、稳压电路a(44)依次连接，并通过脉搏波分析系统(3)的控制在智能手机的一个声道输出正弦信号，经四芯耳机作为电源输入，手机供电模块(4)将该信号经升压、整流、滤波、稳压，为传感器、运放芯片元器件供电；
电池供电模块(5)包括充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)，所述的充电电路(51)、锂电池(52)、滤波电路b(53)、稳压电路b(54)依次连接，当所使用的智能手机无法为脉搏波检测仪(2)提供稳定供电时，可以使用脉搏波检测仪(2)的锂电池(52)供电，锂电池经过稳压，可为传感器、运放芯片元器件供电；当锂电池电量低时可通过USB转四芯耳机连接线连接脉搏波检测仪(2)，充电电路指示灯红灯亮开始充电，绿灯亮锂电池充满电；
AudioTrack控制模块(11)控制智能手机的音频左右声道输出供电信号和载波信号，将数字音频信号转换为模拟正弦信号经音频口输出到脉搏波检测仪(2)；脉搏波检测仪(2)的手机供电模块(4)接收供电信号，调制模块(7)接收载波信号；
AudioRecord控制模块(12)控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪(2)采集到的已调制模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到音频缓存区；
信号解调模块(13)读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并向实时分析模块(14)和显示模块(15)发出控制信号；实时分析模块(14)接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块(15)完成脉搏波波形在智能手机(2)上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告；
用户检测信息管理模块(16)可控制用户个人信息的录入，姓名、年龄、性别、身高、体重进行编辑修改，可查看用户检测的历史记录，可将脉搏波检测数据及结果上传到云后台，进行更详细的分析。
2.一种利用智能手机音频口检测脉搏波的方法，其特征在于：该系统通过智能手机上的脉搏波分析系统控制智能手机音频口的左右声道发出供电信号、载波信号，并通过音频口的麦克接收检测仪输出的已调制脉搏波信号，智能手机的音频模块完成D/A、A/D转换，脉搏波分析系统将采集的音频信号解调为数字脉搏波信号，经过数字滤波去噪处理后在智能手机上完成实时显示、存储、计算；
具体步骤如下，
S1在智能手机中安装脉搏波分析系统，并启动；
S2将脉搏波检测仪插入智能手机的耳机口，将要检测的部位贴靠在传感器上；
S3分析系统检测到检测仪的插入，可开始检测；触发检测按键，AudioTrack控制模块开始工作，控制智能手机音频口输出一路供电信号，一路载波信号；
S4检测仪的手机供电模块接收供电信号，将模拟正弦信号经升压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路后为传感器和运放芯片器件供电；
S5检测仪的调制电路接收载波信号，将模拟正弦信号经比较电路变换为开关信号，控制红外发光传感器的工作；
S6光电转换放大模块通过红外接收传感器将接收到的光信号转换为电信号，该电信号为已调制脉搏波信号，放大电路将已调制脉搏波信号进行放大；
S7增益调节模块对已调制信号进行基线的调节，使信号的幅值在智能手机麦克的接收范围，将信号通过四芯耳机的麦克端传入到智能手机中；
S8AudioRecord控制模块控制智能手机的音频麦克口，将脉搏波检测仪采集到的模拟信号，经脉冲编码调制变换为数字音频信号，并保存到音频缓存区；
S9信号解调模块读取音频缓存区的信号，将其解调为数字脉搏波信号，并向实时分析模块和显示模块发出控制信号；实时分析模块接收数字脉搏波信号，通过对脉搏波信号的分析，可得到心率、心输出量、波形特征量、基线漂移量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量、外周阻力、心搏指数；显示模块完成脉搏波波形在智能手机上的实时显示，并用雷达图实时显示基线漂移量、波形变异量、脉搏主频能量比、干扰频率能量比、单波数据点特征变异量、周期变异量，当检测结束时显示脉搏波检测结果分析报告。
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