CN105662455A - 一种手持式语音播报心音检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式语音播报心音检测装置，通过采集心音信号，自动分析其心率和心音综合指数，并且采用语音播报分析结果，为用户自助检测心音提供一种新的平台。本装置具有语音播报、心率测量、心音综合指数测量、发送心音检测报告、存储异常心音的功能。本发明提出了心音综合指数，它是一种反应心音在时域和频域综合特性的量化指标，再通过检测心率，本装置能更加全面的检测心音的状态，为用户提供准确的检测结果。本发明的手持式结构和语音播报交互方式，能够给用户使用带来方便，提高用户体验。本发明为用户自助检测心音提供一种新的平台，能够广泛应用于生活、科研以及教学活动中。

Description

一种手持式语音播报心音检测装置

技术领域

本发明涉及一种手持式语音播报心音检测装置。

背景技术

心脏病是现代社会中人类生命威胁最大的疾病之一，随着人们生活节奏的加快以及压力的增加，我国心血管病发病率持续上升，每年有几十万人心脏性猝死。这些病人如果能够获得及时的抢救与护理，是可以避免死亡的。而且心血管疾病具有突发性强、发病时间短暂、致死率高以及发作无规律等特点。所以日常的心脏检测和护理显的尤为重要。

心音信号是人体重要的生理信号之一，它包含了心脏各个部分功能状态的大量生理病理信息，对心音信号的采集和分析研究对提高心血管疾病的诊断能力和确诊率具有重要意义。本发明能够达到便携、自助测量、及时反馈结果，为用户使用带来方便，提高用户体验。本发明为用户自助检测心音提供一种新的平台，能够广泛应用于生活、科研以及教学活动中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种手持式语音播报心音检测装置，通过采集心音信号，自动分析其心率和心音综合指数，并且采用语音播报分析结果，为用户自助检测心音提供一种新的平台。

本发明采用的技术方案为：一种手持式语音播报心音检测装置，在结构方面如附图1，包含心音传感器1、语音播报口2、手持柄3、电源开关4、启动键5、短信发送键6。其中心音传感器1为圆形，位于装置的最前端，便于贴在胸腔位置采集心音；手持柄3位于心音传感器后面，手持柄为圆柱形，便于手握；语音播报口2位于手持柄的靠近采集头位置，以便在使用时不被手指遮住；电源开关4、启动键5、短信发送键6位于手持柄的尾部或底端，便于在手持时使用大拇指进行按键操作。

本发明在功能上方面，具有语音播报、心率测量、心音综合指数测量、自动/手动发送异常心音报告，存储异常心音的功能。如附图2的系统功能结构图，共有心音传感器、语音播报器、短信发送模块、存储器、微处理器(MCU)这五个部分组成，心音通过采集器的放大、滤波、数字化(ADC)进入MCU，MCU通过心率和心音综合指数计算方法得出结果，在通过语音播报器将结果播报反馈回用户，如果结果判断为异常心音，则将异常心音存储到存储器中，并可以通过短信发送模块将本次的检测报告发送到指定手机。

本发明所述的心音综合指数是一种反应人的心音时域和频域综合特性的量化指数,包括：心率、心率齐整偏差、频域能量谱密度共3种时域、频域评价指标。

本发明还公开了一种心音综合指数的检测方法，其具体步骤如下：

步骤1:将心音信号ADC后的数字心音信号a(n)进行半降序排列，从而得到前50％数据是有序的序列b(m)m＝0,1,2,......N，n＝0,1,2,......N。然后计算阈值L：L＝b([αT₀])。其中T₀为采集时间，α为比例系数，本装置取α＝0.3s^-1，[]代表取整运算。

步骤2:以K₀为预设峰值跨度，以a(0)为起点，在跨度内找到寻找最大值，如果该最大值大于阈值L，则该最大值为峰值，否则向后移动半个跨度，如此循环，直至寻找到第一个和第二个峰值a(x)、a(y)。K₀＝C·f_s其中为f_s采样频率,C＝0.5s。计算心率次/分钟，f_s为采样频率，η为单位换算系数，(当f_s单位是赫兹，Q单位为1时，η＝60)。

步骤3：重复步骤2寻找全部峰值并计算出实测峰值跨度序列{K′_i},i＝1,2,......M,M为峰值的数目减1。

步骤4：计算心率齐整偏差：i＝1,2,......M,i＝1,2,......M且i≠j。其中Max()为最大值函数，获取指定序列的最大值；{|K′_i-K′_j|}指由K′_i和K′_j相减后取绝对值所得的序列。

步骤5：对信号a(n)作FFT变换，并计算其在频域上的能量谱密度。

步骤6：计算能量谱集中指标ε＝E₁/E₂。E₁是能量谱密度在0～200Hz上的积分，E₂是能量谱密度在0～700Hz上的积分，由于心音的频谱主要集中在700Hz以下，此处为了节省计算资源，使用E₂代表总能量。

步骤7:计算心率指数z₁和心率的关系具体实施例中的表1：心率和心率指数的关系。

同时满足心率在50至110次每分钟范围内，心率超出此范围时，该心率指标已经不正常，没有量化的意义，不再计算该指标。

步骤8:计算心率齐整指标z₂：ΔT是步骤4中的心率齐整偏差，T为心音周期，使用T＝60/v，要求心率偏差不能超过20％，所以μ取0.2，超过则为心率不齐，不再计算该指标。

步骤9:计算频域能量谱分布指标z₃：ε为能量谱集中指标，根据已有研究结果表明，正常心音的能量主要集中在第一心音(40Hz～60Hz)和第二心音(60Hz～100Hz)，所以这里要求至少80％的能量集中在0～200Hz的范围内，所以取φ＝0.8，否则心音不正常，不再量化计算该指标。

步骤10：计算心音综合指数Z＝100·∑η_iz_i，i＝1,2,3。且满足条件50＜v＜110、ΔT≤μT₀、ε≥φ，因为心率会随着人的年龄、情绪、运动状态等因素变化而变化，为了减少这些不稳定因素对心音综合指数的影响，取系数{η_i}为{0.3,0.3,0.4}。如果v、ΔT、ε任何一个超出以上步骤所述范围，则心音综合指数的量化值已不具有衡量的意义，因而没有计算的必要性，此时Z＝0。

本发明所述的语音播报功能模块通过语音播报的方式将心音综合指数和心率告知用户，检测结果播报完整文案为：“您的心率为{v的值}，{文案一}，您的心音综合指数得分{Z的值}，{文案二}，{文案三}。”其中v、Z的值为心音综合指数的检测方法中计算所得，文案一和文案二如表2所示,在测量结果异常时(即Z＝0的情况)，发出告警提示文案三：“警告：您的心音异常，请及时就医或重新测量。”，否则，文案三为空，无警告输出。整个使用过程中的所有操作提示也是通过语音播报给用户，这种交互方式，能够达到操作简易，方便老人等弱势群体自助完成测量的目的。

表2：结果播报文案和综合指数关系

本发明所涉及技术和方法如未加以说明，则表示与现状相同。

附图说明

图1是一种手持式语音播报心音检测装置结构示意图，其中包含心音传感器1、语音播报口2、手持柄3、电源开关4、启动键5、短信发送键6。

图2是一种手持式语音播报心音检测装置系统框图，包含心音采集器、语音播报器、短信发送模块、存储器、微处理器(MCU)这五个部分。

图3是一种手持式语音播报心音检测装置运行过程流图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述。

如附图1结构示意图所示，其中心音传感器1为圆形，位于装置的最前端，便于贴在胸腔位置采集心音；手持柄3位于心音传感器后面，手持柄为圆柱形，便于手握；语音播报口2位于手持柄的靠近采集头位置，以便在使用时不被手指遮住；电源开关4、启动键5、短信发送键6位于手持柄的尾部或底端，便于在手持时使用大拇指进行按键操作。

心音传感器1由圆形采集头加上具有放大、滤波功能的电路组成；语音播报口2下放置着以语音合成芯片为核心的语音播报模块；手持柄3由圆柱形的塑料材料制成，内部装着微处理器(MCU)、语音播报模快、短信发送模块、选择存储模块。

如附图2的系统框图所示，本装置共具有心音采集、语音播报、短信发送、选择存储四个功能模块和微处理器(MCU)一个控制中心。

选优地，选择SYN6288语音合成芯片作为本装置的语音合成芯片，本芯片能过和MCU通过串口通信，以既定的通信协议帧结构把需要播报的结果或提示音按字节发送，通过解码数模转换后扬声器播放。

优选地，选择MSP430F149作为本装置的微处理器(MCU)，主要原因是具有硬件乘法器、12位ADC、支持1.8～3.6V电压供电、常用的UART、SPI、I2C接口都支持。硬件乘法器能帮助我们更加快速实现FFT等复杂的乘法计算；12位ADC能方便的实现采集后的心音转化为数字信号；支持3.6V电压供电，能让我们实现锂电池和USB双供电。

本实例中，本装置的具体运行过程流图如附图3所示，包括：

步骤1:开机后根据语音提示准备好后按下开始键，开始采集心音；

步骤2:采集心音，手持本装置放到胸口的心脏部位，保持安静；

步骤3:等待心音预处理、心率以及心音综合指数的计算；

步骤4:语音播报检测到的心率和心音综合指数。如结果不正常则会建议进一步检查或者重新测量回到步骤1；

步骤5:发送本次检测报告到指定GSM手机(在测量结果异常或者使用者按下短信发送按钮的情况下)。

步骤6:测量结束后关机。

本实例中，所述的心音综合指数是一种反应人的心音时域和频域综合特性的量化指数,包括：心率、心率齐整偏差、频域能量谱密度共3种时域、频域评价指标。心音综合指数的具体检测方法如下：(所有参数取值已在说明书说明)

步骤1:将心音信号ADC后的数字心音信号a(n)进行半降序排列，从而得到前50％数据是有序的序列b(m)m＝0,1,2,......N，n＝0,1,2,......N。然后计算阈值L：L＝b([αT₀])。其中T₀为采集时间，α为比例系数，本装置取α＝0.3s^-1，[]代表取整运算。

步骤2:以K₀为预设峰值跨度，以a(0)为起点，在跨度内找到寻找最大值，如果该最大值大于阈值L，则该最大值为峰值，否则向后移动半个跨度，如此循环，直至寻找到第一个和第二个峰值a(x)、a(y)。K₀＝C·f_s其中为f_s采样频率,C＝0.5s。计算心率次/分钟，f_s为采样频率，η为单位换算系数，(当f_s单位是赫兹，Q单位为1时，η＝60)。

步骤3：重复步骤2寻找全部峰值并计算出实测峰值跨度序列{K′_i},i＝1,2,......M,M为峰值的数目减1。

步骤4：计算心率齐整偏差：i＝1,2,......M,i＝1,2,......M且i≠j。其中Max()为最大值函数，获取指定序列的最大值；{|K′_i-K′_j|}指由K′_i和K′_j相减后取绝对值所得的序列。

步骤5：对信号a(n)作FFT变换，并计算其在频域上的能量谱密度。

步骤6：计算能量谱集中指标ε＝E₁/E₂。E₁是能量谱密度在0～200Hz上的积分，E₂是能量谱密度在0～700Hz上的积分，由于心音的频谱主要集中在700Hz以下，此处为了节省计算资源，使用E₂代表总能量。

步骤7:计算心率指数z₁和心率的关系如下表1。

表1:心率和心率指数的关系

同时满足心率在50至110次每分钟范围内，心率超出此范围时，该心率指标已经不正常，没有量化的意义，不再计算该指标。

步骤8:计算心率齐整指标z₂：ΔT是步骤4中的心率齐整偏差，T为心音周期，使用T＝60/v，要求心率偏差不能超过20％，所以μ取0.2，超过则为心率不齐，不再计算该指标。

步骤9:计算频域能量谱分布指标z₃：ε为能量谱集中指标，根据已有研究结果表明，正常心音的能量主要集中在第一心音(40Hz～60Hz)和第二心音(60Hz～100Hz)，所以这里要求至少80％的能量集中在0～200Hz的范围内，所以取φ＝0.8，否则心音不正常，不再量化计算该指标。

步骤10：计算心音综合指数Z＝100·∑η_iz_i，i＝1,2,3。且满足条件50＜v＜110、ΔT≤μT₀、ε≥φ，因为心率会随着人的年龄、情绪、运动状态等因素变化而变化，为了减少这些不稳定因素对心音综合指数的影响，取系数{η_i}为{0.3,0.3,0.4}。如果v、ΔT、ε任何一个超出以上步骤所述范围，则心音综合指数的量化值已不具有衡量的意义，因而没有计算的必要性，此时Z＝0。

本发明提出了一种手持式语音播报心音检测装置，主要特点是手持式、采用语音播报进行交互、能够及时测量出心率和心音综合指数。首先解决了已存心音检测系统的庞大不能携带、不能自助测量、不能及时反馈结果的问题；其次解决了，如今智能终端盛行，但对于独居老人等弱势群体的使用不便问题；同时具有准确、省时、便携，USB和充电锂电池双供电特性，给使用带来方便。

本发明中采用的心音检测方法：心音综合指数和心率的检测方法，这里提出了心音综合指数，为衡量心音状态提供了新的指标，同时再加上心率指标能更加全面的体现心脏的状态，使本装置更加智能，最后给出更加准确合理的测量结果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种手持式语音播报心音检测装置，其特征在于：采用手持式的便携结构，对采集的心音进行心音综合指数分析，并以语音播报的形式将分析结果告知用户。

2.根据权利要求1所述的手持式语音播报心音检测装置，其特征在于：它包括心音传感器、手持柄以及电源开关、启动键、短信发送键、语音播报口；所述心音传感器为圆形，位于装置的最前端，便于贴在胸腔位置采集心音；所述手持柄位于所述心音传感器后面，所述手持柄为圆柱形，便于手握；所述语音播报口位于所述手持柄的靠近采集头位置，以便在使用时不被手指遮住；所述电源开关、启动键、短信发送键位于所述手持柄的尾部或底端，便于在手持时使用大拇指进行按键操作。

3.根据权利要求2所述的手持式语音播报心音检测装置，其特征在于：装置内还设有语音播报器、短信发送模块、采集器、存储器和微处理器MCU，所述语音播报口相连于所述语音播报器，所述短信发送键相连于所述短信发送模块，心音通过所述采集器的放大、滤波、数字化ADC进入所述微处理器MCU，所述微处理器MCU通过心率和心音综合指数计算方法得出结果，在通过所述语音播报器将结果通过所述语音播报口播报反馈回用户，如果结果判断为异常心音，则将异常心音存储到所述存储器中，并通过所述短信发送模块将本次的检测报告发送到指定手机。

4.根据权利要求3所述的手持式语音播报心音检测装置，其特征在于：所述心音传感器由圆形采集头加上具有放大、滤波功能的电路组成；所述语音播报口下放置着以语音合成芯片为核心的语音播报模块；所述手持柄由圆柱形的塑料材料制成，内部装着所述微处理器MCU、语音播报模快、短信发送模块、存储器。

5.根据权利要求4所述的手持式语音播报心音检测装置，其特征在于：所述语音播报模块能过和微处理器MCU通过串口通信，以既定的通信协议帧结构把需要播报的结果或提示音按字节发送，通过解码数模转换后扬声器播放。

6.一种心音综合指数的检测方法，其特征在于：语音播报、心率测量、心音综合指数测量、自动发送异常心音报告，存储异常心音待进一步检查使用。

7.根据权利要求6所述的心音综合指数检测方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1:将心音信号ADC后的数字心音信号a(n)进行半降序排列，从而得到前50％数据是有序的序列b(m)m＝0,1,2,......N，n＝0,1,2,......N；然后计算阈值L：L＝b([αT₀])；其中T₀为采集时间，α为比例系数，本装置取α＝0.3s^-1，[]代表取整运算；

步骤2:以K₀为预设峰值跨度，以a(0)为起点，在跨度内找到寻找最大值，如果该最大值大于阈值L，则该最大值为峰值，否则向后移动半个跨度，如此循环，直至寻找到第一个和第二个峰值a(x)、a(y)；K₀＝C·f_s其中为f_s采样频率,C＝0.5s；计算心率次/分钟，f_s为采样频率，η为单位换算系数，当f_s单位是赫兹，Q单位为1时，η＝60；

步骤3：重复步骤2寻找全部峰值并计算出实测峰值跨度序列{K_i′},i＝1,2,......M,M为峰值的数目减1；

步骤4：计算心率齐整偏差：i＝1,2,......M,i＝1,2,......M且i≠j；其中Max()为最大值函数，获取指定序列的最大值；{|K_i′-K_j′|}指由K_i′和K_j′相减后取绝对值所得的序列；

步骤5：对信号a(n)作FFT变换，并计算其在频域上的能量谱密度；

步骤6：计算能量谱集中指标ε＝E₁/E₂；E₁是能量谱密度在0～200Hz上的积分，E₂是能量谱密度在0～700Hz上的积分，由于心音的频谱主要集中在700Hz以下，此处为了节省计算资源，使用E₂代表总能量；

步骤7:计算心率指数z₁和心率的关系，同时满足心率在50至110次每分钟范围内，心率超出此范围时，该心率指标已经不正常，没有量化的意义，不再计算该指标；

步骤8:计算心率齐整指标z₂：ΔT≤μT；ΔT是步骤4中的心率齐整偏差，T为心音周期，使用T＝60/v，要求心率偏差不能超过20％，所以μ取0.2，超过则为心率不齐，不再计算该指标；

步骤9:计算频域能量谱分布指标z₃：ε≥φ；ε为能量谱集中指标，正常心音的能量集中在第一心音(40Hz～60Hz)和第二心音(60Hz～100Hz)，所以要求至少80％的能量集中在0～200Hz的范围内，所以取φ＝0.8，否则心音不正常，不再量化计算该指标；

步骤10：计算心音综合指数Z＝100·∑η_iz_i，i＝1,2,3；且满足条件50＜v＜110、ΔT≤μT₀、ε≥φ，因为心率会随着人的年龄、情绪、运动状态因素变化而变化，为了减少这些不稳定因素对心音综合指数的影响，取系数{η_i}为{0.3,0.3,0.4}；如果v、ΔT、ε任何一个超出以上步骤所述范围，则心音综合指数的量化值已不具有衡量的意义，因而没有计算的必要性，此时Z＝0。

8.根据权利要求7所述的心音综合指数检测方法，其特征在于：心音综合指数是一种反应人的心音时域和频域综合特性的量化指数，包括：心率、心率齐整偏差、频域能量谱密度共3种时域、频域评价指标。

9.根据权利要求7所述的心音综合指数检测方法，其特征在于：语音播报是将心音综合指数和心率告知用户，检测结果播报为：“您的心率为{v的值}，过低不正常、偏低、正常、偏高、或过高不正常，您的心音综合指数得分{Z的值}，不正常、合格、中等、良好、或优秀，告警提示”；其中v、Z的值为心音综合指数的检测方法中计算所得，在测量结果异常时，即Z＝0的情况，发出告警提示：“警告：您的心音异常，请及时就医或重新测量”，否则，为空，无警告输出；整个使用过程中的所有操作提示是通过语音播报给用户。