CN105780894B - 一种人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，由数据采集坐便器、数据采集模块和云处理模块构成。其中数据采集坐便器负责数据收集，包括多个数据采集终端和坐便器，数据采集终端嵌入在坐便器水封区域的陶瓷层中并均匀分布；数据采集模块负责数据缓存、人机交互、单元调度和无线通信；云处理模块负责信号处理、信号反演、特征分析、特征比对和特征库创建。用户在数据采集模块根据提示录入个体信息，通过多人多次的个体信息和检测的数据特征进行大量数据训练可建立一个特征数据库；后续数据采集可以根据采集数据的特征比对实现人体健康诊断。本发明在生活起居中实现尿检/粪检数据的采集和分析，用于健康监测和辅助保健。

Description

一种人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器和方法

技术领域

本发明主要涉及超声波数据采集和辅助保健技术领域，具体涉及一种人体尿检/粪检数据采集和辅助保健的坐便器。

背景技术

尿液检查（尿检），包括尿常规分析、尿液中有形成分检测( 如尿红细胞、白细胞等)、蛋白成分定量测定、尿酶测定等。尿液经过离心后的沉淀（简称“尿沉渣”）的显微镜检查（简称镜检）是尿液检查的重要内容。尿液镜检能检出尿中管型、细胞、结晶、细菌等微生物、寄生虫以及其他可见的定形和非定形成分。粪便检查（粪检），分为肉眼一般形状观察、镜下检查和化学检查。粪便涂片的镜下检查是通过显微镜发现粪便中的病理成分，如各种细胞、寄生虫卵、真菌、细菌、原虫和食物残渣等有形物质。因此，在体检或者身体不适时进行尿检/粪检有助于疾病判断，但是需要专业的检测手段和医生进行判别。尿液或者粪便检查对临床诊断、判断疗效和预后有着十分重要的参考价值。

可见,尿检/粪检数据在一定程度反映了人体健康，其数据变化蕴藏了人体健康的变动。如果能够在日常起居中收集尿检/粪检数据，就可以根据尿检/粪检数据的分析结果对人体健康进行预警和及时干预，也可对治疗效果进行疗效追踪。

有鉴于此，本专利提出一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器。该装置针对坐便器水封中留存的人体排泄物，通过超声波的发射和接收对尿液浓度，排泄物中可见成分的形状、密度和分布等属性进行定性和定量分析，进而通过后续数据处理和特征比对可对人体的健康状况进行监测。该设备具有对人体无害、操作方便、无须去医院排队、使用安全等优点，可广泛用于健康监测、远程体检和辅助保健等领域。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于超声波人体尿检数据采集及辅助保健的坐便器，利用超声波的收发对坐便器水封中留存的人体排泄物进行数据采集，实现远程尿检/粪检和辅助保健。

超声波在液体传播过程中,遇到密度不同的物质，会有反射、折射和吸收等现象产生。因此，根据超声回波产生位置、强弱、衰减和频率特征可以对液体中物质的位置、形状、密度和属性进行判别。尿液和水的比重不同，根据水封中液体的密度变化及其辨识结果可以判断尿液的位置及尿量。如果采用超声波接收阵列，还可以利用空间几何原理一次性推算出多个可见成分的空间位置，具体方法如专利：一种基于几何反演阵列的目标探测方法与装置（授权公告号：CN103529442B）。可见，借助超声波的主动检测可以对尿液容量进行辨别，还可以对排泄物中定形和非定性可见成分的形状、分布、位置进行定量判断并显示出来。数据采集时，如果通过人机交互单元输入个体信息，包括年龄、性别和身体状态信息，如睡眠、食欲、精神状态、病症等，那么在深度学习阶段可以通过大量数据训练得到一个特征数据库，其中保存了检测数据的各种特征和对应的身体状态或者病理信息。后续的数据采集过程中，通过特征比对可以对个体的身体状态进行细致判断，实现人体健康的主动监测。

一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，包括数据采集坐便器、数据采集模块和云处理模块。其中数据采集坐便器和数据采集模块相连接，数据采集模块和云处理模块相连接；数据采集坐便器负责数据收集，数据采集模块负责数据缓存、人机交互、单元调度和无线通信，云处理模块负责信号处理、信号反演、特征分析、特征比对、特征训练和特征数据库创建。

一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，其中所述数据采集坐便器包括多个数据采集终端和坐便器，数据采集终端嵌入在坐便器水封区域的陶瓷层中并均匀分布。其中的数据采集终端包括收发一体的超声波探头阵列、发射处理单元、接收处理单元和电池单元，并用透声防水材料进行封装。所述收发一体的超声波探头阵列包括一个超声波发射探头和多个超声波接收探头，它们按照一定方式排列并组成超声波探头阵列；所述发射处理单元根据设置参数对从数据采集模块接收的信号进行放大和D/A转换，转换后的电信号通过发射探头转变成超声信号并发射出去；所述接收处理单元根据设置参数对接收信号进行放大、A/D转换和数据缓存；所述电池单元负责对数据采集终端进行供电，采用电池或者无线充电模块。

一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，其中所述数据采集模块包括信号发生单元、主控制器、人机交互单元、存储单元、无线通信单元和数据缓存单元。所述信号发生单元负责宽频检测信号的生成与驱动，该信号送至不同的数据采集终端；所述主控制器负责不同单元之间的调度，保证整个系统正常运行；所述存储单元负责存储云处理模块传递回来的数据；所述人机交互单元负责人机交互，用于参数设置，控制命令、个体信息的输入和错误信息(系统出错、连接出错等)的输出；所述无线通信单元负责数据采集模块与云处理模块之间数据的传输，包括把通过人机交互单元输入的个体信息送至云处理模块，把特征比对结果从云处理模块送至数据采集模块，该单元采用无线通信模式；所述数据缓存单元负责缓存超声回波信号数据和控制参数。

一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，其中所述云处理模块包括信号处理与反演单元、特征分析单元、训练单元、特征比对单元和特征数据库。所述信号处理与反演单元负责对接收的超声波信号进行预处理和延时估计，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断；所述特征分析单元负责对反射波的时/频特性进行分析；所述训练单元负责深度学习时检测数据的特征训练；所述特征比对单元负责把回波信号的时/频特性与特征数据库的特征数据进行比对，比对结果经过综合判断后通过无线通信方式送至数据采集模块，并在人机交互单元显示；所述特征数据库负责存储训练后的个体信息和各种数据特征。

本发明所提出的一种基于超声波人体尿检数据采集及辅助保健的坐便器，具有以下优点：

(1)本发明可以实现远程尿检/粪检数据采集，针对坐便器水封中留存的排泄物，通过超声波的发射和接收对尿液浓度、排泄物中可见成分的形状、密度和分布等属性进行定性和定量分析，进而通过后续数据处理和特征比对可对人体的健康状况进行监测。

(2)本发明通过深度学习可实现远程尿检和健康监测，通过人机交互单元可以收集每次尿检/粪检的个体信息，包括年龄、性别和身体状态信息，如睡眠、食欲、精神状态和病症等，在深度学习阶段通过大量数据训练后建立数据特征和对应身体状态或者病理信息的特征数据库，有助于后续数据采集后的健康诊断。

(3)本发明借助云处理模块的运算能力提高数据分析、特征提取的速度和精度。

(4)本发明借助云处理模块的无线接入机制，可实现多人多次大量检测数据和个体信息的收集，有助于创建完备的特征数据库。

(5)本发明对体检人员要求低，操作简单方便，使用安全，不需去医院排队，可用于健康状态的连续监测和辅助保健。

附图说明

图1是本发明装置的结构图；

图2是本发明数据采集坐便器的结构图；

图3是本发明数据采集坐便器的纵向截面图；

图4 是本发明数据采集终端的结构图；

图5 是本发明尿检数据采集的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1-图5为本发明的一种具体实施方式。

一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，包括数据采集坐便器、数据采集模块和云处理模块，本发明装置的结构图如图1所示。其中尿检数据采集坐便器和数据采集模块相连接，数据采集模块和云处理模块相连接；数据采集坐便器负责数据采集，数据采集模块负责数据缓存、人机交互、单元调度和无线通信，云处理模块负责信号处理、信号反演、特征分析、特征比对、特征训练和特征数据库创建。

上述数据采集坐便器如图2所示，它的纵向截面图如图3所示。为了能够获得不同位置的检测数据，多个数据采集终端被嵌入在坐便器水封区域的陶瓷层中并均匀分布。

上述数据采集终端的结构图如图3所示，具体包括收发一体的超声波探头阵列、发射处理单元、接收处理单元和电池单元，并用透声防水材料进行封装。所述收发一体的超声波探头阵列包括一个超声波发射探头和多个超声波接收探头，它们按照一定方式排列并组成超声波探头阵列；所述发射处理单元根据设置参数对从数据采集模块接收的信号进行放大和D/A转换，转换后的电信号通过发射探头转变成超声信号并发射出去；所述接收处理单元根据设置参数对接收信号进行放大、A/D转换和数据缓存；所述电池单元负责对数据采集终端进行供电，采用电池或者无线充电模块。

上述数据采集模块包括信号发生单元、主控制器、人机交互单元、存储单元、无线通信单元和数据缓存单元。所述信号发生单元负责宽频检测信号的生成与驱动，该信号送至不同的数据采集终端；所述主控制器负责不同单元之间的调度，保证整个系统正常运行；所述存储单元负责存储云处理模块传递回来的数据；所述人机交互单元负责人机交互，用于参数设置，控制命令、个体信息的输入和错误信息(系统出错、连接出错等)的输出；所述无线通信单元负责数据采集模块与云处理模块之间数据的传输，包括把通过人机交互单元输入的个体信息送至云处理模块，把特征比对结果从云处理模块送至数据采集模块，采用无线通信模式；所述数据缓存单元负责缓存超声回波信号数据和控制参数。

上述云处理模块云处理模块包括信号处理与反演单元、特征分析单元、训练单元、特征比对单元和特征数据库。所述信号处理与反演单元负责对接收的超声波信号进行预处理和延时估计，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断；所述特征分析单元负责对反射波的时/频特性进行分析；所述训练单元负责深度学习时检测数据的特征训练；所述特征比对单元负责把回波信号的时/频特性与特征数据库的特征数据进行比对，比对结果经过综合判断后通过无线通信方式送至数据采集模块，并在人机交互单元显示；所述特征数据库负责存储训练后的个体信息和各种数据特征。

人体尿检/粪检数据采集的工作流程图如图5所示。在人机交互单元启动数据采集系统后，如果选择了深度学习选项，那么用户根据界面提示录入个体信息，包括年龄、性别和身体状态信息，如睡眠、食欲、精神状态等，这些个体信息保存在存储单元后通过无线通信模块送至云处理模块，并保存在训练单元，利用这些个体信息和后续数据采集得到的特征数据可以进行特征训练，从而建构分类特征数据库。随后数据采集开启，数据采集终端的超声波发射探头发射超声波，反射的超声回波由数据采集终端的阵列接收探头获取，超声回波信号经过预处理后送至数据采集模块的数据缓存单元，然后该信号通过无线通信单元送至云处理模块，在云处理模块中对接收的超声回波信号进行信号处理，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断，对反射回波的时频特性进行特征分析。如果之前选择了深度学习选项，训练单元应用神经网络或支持向量机的算法进行特征训练，数据采集过程结束；如果之前未选择深度学习选项，则进行特征比对，比对结果通过无线通信方式送至数据采集模块并显示。具体的数据采集步骤如下：

步骤1：装置参数设置，设置的参数包括：宽频检测信号参数、无线通信单元参数、人机交互参数和检测结果显示参数等；

步骤2：设备状态的自动检测，该步骤所检测的状态包括：数据采集终端探头阵列的连接状态，无线通信单元的连接与在线状态，数据采集终端电源容量状态；

步骤3：深度学习设置，如果选择了该选项，用户根据界面提示录入个体信息，包括年龄、性别和个体身体状态信息，如睡眠、食欲、精神状态等；如果没有选择该项，则跳过此步骤，进入下一步；

步骤4：宽频检测信号的产生，数据采集系统的信号发生单元根据步骤1所设置的宽频检测信号参数产生宽频检测信号；

步骤6：超声波发射，数据采集终端的通信模块负责接收数据采集系统产生的宽频检测信号，这个接收信号在发射处理单元中进行放大和D/A转换，通过发射探头转换成超声波并发射出去；

步骤7：超声回波接收，发射的超声波遇到水封中杂质产生反射形成超声回波，部分超声回波由邻近的超声波探头接收，接收的回波信号在接收处理单元进行放大、A/D转换后保存在数据缓存单元，并发送到数据采集模块；

步骤8：信号传输，数据采集模块通过无线通信单元把收到的回波信号送至云处理模块；

步骤9：信号处理与反演，采取信号处理算法对回波信号进行预处理和延时估计，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断；

步骤10：特征分析，应用信号处理方法对回波的时/频特性进行分析；

步骤11：如果设置了深度学习，则进行特征训练，训练结果保存在特征数据库，数据采集结束；否则，进入下一步；

步骤12：特征比对，回波信号的时/频特性与特征数据库的特征数据进行比对；

步骤13：特征比对结果通过无线通信方式送至数据采集模块，保存在该模块的存储单元并在人机交互单元显示，数据采集结束。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健的坐便器，其特征在于包括数据采集坐便器、数据采集模块和云处理模块；其中数据采集坐便器和数据采集模块相连接，数据采集模块和云处理模块相连接；数据采集坐便器负责数据收集，数据采集模块负责数据缓存、人机交互、单元调度和无线通信，云处理模块负责信号处理、信号反演、特征分析、特征训练、特征比对和特征库创建；

所述数据采集坐便器包括多个数据采集终端和坐便器，数据采集终端嵌入在坐便器水封区域的陶瓷层中并均匀分布；

所述数据采集模块包括信号发生单元、主控制器、人机交互单元、存储单元、无线通信单元和数据缓存单元；所述信号发生单元负责宽频检测信号的生成与驱动，该信号送至不同的数据采集终端；所述主控制器负责不同单元之间的调度，保证整个系统正常运行；所述存储单元负责存储云处理模块传递回来的数据；所述人机交互单元负责人机交互，用于参数设置，控制命令、个体信息的输入和错误信息的输出；所述无线通信单元负责数据采集模块与云处理模块之间数据的传输，包括把深度学习时通过人机交互输入的个体信息送至云处理模块，把特征比对结果从云处理模块送至数据采集模块，采用无线通信模式；所述数据缓存单元负责缓存超声回波信号数据和控制参数；

所述云处理模块包括信号处理与反演单元、特征分析单元、训练单元、特征比对单元和特征数据库；所述信号处理与反演单元负责对接收的超声波信号进行预处理和延时估计，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断；所述特征分析单元负责对反射波的时/频特性进行分析；所述训练单元负责深度学习时检测数据的特征训练；所述特征比对单元负责把回波信号的时/频特性与特征数据库的特征数据进行比对，比对结果经过综合判断后通过无线通信方式送至数据采集模块，并在人机交互单元显示；所述特征数据库负责存储训练后的个体信息和各种数据特征。

2.一种基于超声波人体尿检/粪检数据采集及辅助保健方法，其特征在于所述方法针对坐便器水封中留存的排泄物，通过超声波的发射和邻近多个超声回波的接收，利用几何反演的方法获取回波特征信息，通过特征分析和特征比对对可见成分的形状、密度、分布属性和尿液浓度进行定性和定量分析，实现尿检/粪检数据采集和远程健康监测；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：装置参数设置，设置的参数包括：宽频检测信号参数、无线通信单元参数、人机交互参数和检测结果显示参数；

步骤2：设备状态的自动检测，该步骤所检测的状态包括：数据采集终端探头阵列的连接状态，无线通信单元的连接与在线状态，数据采集终端电源容量状态；

步骤3：深度学习设置，如果选择了该选项，用户根据界面提示录入个体信息，包括年龄、性别和个体身体状态信息；如果没有选择该项，则跳过此步骤，进入下一步；

步骤4：宽频检测信号的产生，数据采集系统的信号发生单元根据步骤1所设置的宽频检测信号参数产生宽频检测信号；

步骤5：超声波发射，数据采集终端的通信模块负责接收数据采集系统产生的宽频检测信号，这个接收信号经过放大和D/A转换后转换成超声波并发射出去；

步骤6：超声回波接收，发射的超声波遇到水封中杂质产生反射形成超声回波，部分超声回波由邻近的超声波探头接收，接收的回波信号经过放大、A/D转换后保存，并发送到数据采集模块；

步骤7：信号传输，数据采集模块通过无线通信单元把收到的回波信号送至云处理模块；

步骤8：数据处理，采取信号处理算法对回波信号进行预处理和延时估计，利用几何反演对产生反射的检测点位置、反射强度作出判断；

步骤9：特征分析，应用信号处理方法对回波的时/频特性进行分析；

步骤10：如果设置了深度学习，则进行特征训练，训练结果保存在特征数据库，数据采集结束；否则，进入下一步；

步骤11：特征比对，回波信号的时/频特性与特征数据库的特征数据进行比对；

步骤12：特征比对结果通过无线通信方式送至数据采集模块，保存在该模块的存储单元并在人机交互单元显示，数据采集结束。