CN109646042A - 一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，所述监测装置包括：柔性基底层、压电传感器、处理模块；压电传感器与处理模块连接，压电传感器与处理模块均固定在柔性基底层上，压电传感器包括：压电心音传感器和压电肺音传感器；所述压电传感器用于采集心音信号和肺音信号传输至处理模块进行处理，心肺音监测装置通过柔性基底层佩戴在用户胸部和肺部进行心肺音监测；所述柔性基底层为弹性面料，本申请中的监测胸带舒适性好、长期动态监测、病理分析的可穿戴心音监测装置，实现对心音和肺音信号的实时监测。

Description

一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置

技术领域

本发明涉及生物医学信号检测领域，具体地，涉及一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置。

背景技术

目前心血管疾病发病率呈逐年上升趋势，并成为危害人类健康的多发病与常见病，是威胁人类生命的主要杀手。

心脏瓣膜疾病(VHD)是一种典型的心血管疾病，对患者的功能和长期生活造成严重不适和负面影响。对早期和突发心脏病的长期和动态观测，以捕捉到短暂非持续性的异常心电(心音)变化，对诊断心脏病、减少心脏病(特别是VHD)死亡率方面起到至关重要的作用。

目前尚缺乏可长期舒适穿戴的心音拾取装置，传统听诊器无法实现长期听诊；心电图(ECG)难以检测心脏瓣膜的结构异常和含有心脏杂音特征的缺陷；超声心动图(echo)、心脏磁共振图像(MRI)以及计算机断层扫描(CT)等其他诊断设备，都存在着成本高、对从医人员专业水平要求高等问题，这些设备通常只能在大城市的大型医院中见到。因此，为心脏疾病的早期发现提供经济而准确的长期动态监测方法是生物医学工程人员刻不容缓的任务。

心肺音听诊，即心肺音的听取与解释，通过拾取异常心肺音实现心脏病、呼吸系统疾病等早期诊断的一种技术。传统听诊器具有成本低、操作简单等优点，与此同时也受到三个因素的限制。首先，由于心音是由低振幅的高频(HF)和低频(LF)声音信号混合组成的，因此听诊器或是用于听诊器中的传感器非常需要具备高选择性灵敏度；其次，用听诊器记录的心肺音数据往往会受到噪声的干扰，不能准确有效地诊断心脏病；第三，心肺音的解释很大程度上取决于医生的经验、技巧以及听力，而不同医生的诊断水平存在较大差异。人为分析导致了心肺音分析过程的复杂性，这些复杂性可通过计算机辅助听诊方法来克服。

发明内容

本发明的目的在于克服现有心音或肺音检测技术的不足，提供一种舒适性好、长期动态监测、病理分析的可穿戴心肺音监测胸带，实现对心音和肺音信号的实时监测。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，简称心肺音监测装置，可以对心音和肺音进行监测，装置采用柔性弹力织物作为织物基底，声音传感器可以嵌缝制、热压等工艺到胸带、文胸、吊带、背心上等承载物上，更适合穿戴。本申请对承载物具体的形式不做限制，织物基底上固定有压电传感器和处理模块，其中处理模块粘贴在基底中线处；压电传感器通过填充层、胶环、硬质衬底等组成的固定结构缝制在织物基底，以确保拾音效果；心音或肺音信号通过处理模块传送至上位机，实时显示心音或肺音图，同时通过心音或肺音处理算法实现心率和呼吸频率计算、相关特征参数的提取等，以此判断心音或肺音是否正常，自动生成诊断报告。

优选的，所述织物基底一般采用弹性织物面料，在具体实施时也可以采用其他类型的弹性材料制成上述织物基底，本申请对织物基底的材料组成不做具体的限定。基底层是具有伸缩性、透气性、可亲肤的弹性面料，整体宽度可以为38mm，长850-1000mm，厚1-2mm，中间镂空图形为心音或肺音传感器形状，也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸不做具体的限定。

优选的，所述织物基底两端设有对应的连接端用于胸带固定，如魔术贴毛面和刺面或使用暗扣、挂扣等方式进行固定，也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸，以及连接固定方式不做具体的限定。

优选的，所述压电传感器为柔性压电传感器，柔性一面与心脏或肺部所在位置贴合，通过导电线与处理模块实现电路连接。

优选的，所述压电传感器采用压电陶瓷片作为接收心音或肺音信号的敏感元件，厚度3-6mm，直径20-26mm；通过腔体支撑压电陶瓷片，在压电陶瓷片覆盖柔性导音层，柔性导音层与皮肤接触以进行心音或肺音检测；最后为了防止汗液腐蚀，采用保护外壳将上述组件封装，也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸，以及具体的制作工艺或封装方式不做具体的限定。

优选的，所述压电传感器通过填充层、胶环、硬质衬底等组成的固定结构缝制在织物基底；填充层由宽度为30-40mm，长度为40-50mm的太空棉组成；固定6-10根长度为500mm的黑色缝纫线于胶环之上，随后采用胶粘剂将胶环与传感器外壳固定，双组份具有单组份的所有特点，同时双组份能做到即喷即粘，单组份则需要等待晾干；硬质衬底与传感器镂空形状贴合，长度为40-50mm，宽度为30-40mm；最后将系于胶环之上的缝纫线缝制在硬衬和织物基底上，在具体实施时也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸，具体的填充形式、尺寸、材料，具体的连接固定方式，以及具体的制作工艺或封装方式不做具体的限定。

优选的，处理模块主要包括外壳、金属暗扣和魔术贴组成，外壳采用医用PVC材料，模块长度30-40mm，宽度20-30mm，厚度10-15mm，采用魔术贴粘贴于胸带中间所在位置，在具体实施时也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸和固定位置不做具体的限定。

优选的，所述处理模块由电源管理、信号调理、功率放大、蓝牙模块组成。

优选的，采用纺织专用无缝压胶根据压电传感器形状镂空并于织物基底黏合作为绝缘遮挡层。

优选的，所述的可穿戴心音和肺音监测装置，采用心音传感器拾取心音或肺音信号，并通过蓝牙模块传输心音或肺音信号至上位机，最终在上位机上实时显示，同时通过处理算法实现心率和呼吸频率计算、相关特征参数的提取等，以此判断心音或肺音是否正常，自动生成诊断报告。

优选的，所述装置用于对临床心音听诊流程中的四个心音听诊区域进行听诊，分别为主动脉瓣区、肺动脉瓣区、三尖瓣区、二尖瓣区；肺音听诊流程由肺尖开始，自上而下，由前胸到侧胸或由腋窝向下，最后检查背部，并需要对两侧对称部位进行对照比较。

优选的，所述胸带连接压力传感器，在胸带佩戴过程中因拉伸而产生的拉力作用于压力传感器，在其垂直方向产生压力，根据压力的变化调整胸带佩戴松紧，使其达到合适佩戴松紧程度。

优选的，所述压电传感器可采用阵列结构以确定心音或肺音最佳监测位置，该心音或肺音检测阵列包括分布在柔性基底层上的至少5个压电传感器，同时将压电传感器与所述信号处理电路相连接。

同时通过心肺音处理模块中的LED指示灯自适应亮度来判断心肺音检测强度，最终确定心肺音胸带的最佳监测位置。

本发明提供的一种可穿戴心音和肺音监测装置有益效果在于：

1.可对心音或肺音信号进行长期动态监测，具备较好的穿戴舒适性；

2.同时可计算心率和呼吸频率、提取心音相关特征参数以判断心音是否正常，自动生成诊断报告，及时为用户提供诊断结果，提供就诊意见，对心脏瓣膜疾病(VHD)或肺部疾病的综合诊断与早期发现有重大意义；

3.根据压力传感器测得的压力值调节心音或肺音胸带的佩戴松紧，方便不同用户的使用需求；同时为了确定最佳监测位置，根据通过处理模块中的LED指示灯自适应亮度来判断心音或肺音检测强度；

4.本发明采用改进后的小波变换算法进行心音信号预处理，去噪后的心音或肺音信号特征完整，同时将心音或肺音信号在时频域进行分段，提高了分段的准确率；

5.基于蚁群算法预处理后的心音或肺音信号，噪声得到很好的滤除，且保留了信号的细节特征；

6.除此之外，心音监测胸带还可应用在临床治疗、智慧家庭、娱乐与通讯等众多领域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为本发明心肺音监测装置的侧面结构示意图；

图2为本发明心肺音监测装置的背面结构示意图；

图3为压电传感器的结构示意图；

图4为心肺音处理模块中各模块的框图；

图5为胸带的人体佩戴示意图；

图6为心音听诊区域示意图；

图7为心音预处理流程示意图；

图8为心肺音检测阵列结构示意图；

图9为心肺音传感器位置示意图；

图中：1-织物基底、2-压电传感器、3-硬质衬底、4-硬质衬底、5-填充层、6-无缝压胶、7-魔术贴毛面、8-魔术贴毛面、9-魔术贴刺面、10-柔性导音层、11-压电陶瓷片、12-腔体、13-外壳、14-主动脉瓣区、15-肺动脉瓣区、16-三尖瓣区、17-二尖瓣区。

具体实施方式

请参考图1-图8，本申请实施例以心音监测进行举例，肺音的监测同理。图1是本发明心音监测胸带的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明所述心音监测胸带包括织物基底、压电心音传感器、纺织专用无缝压胶和心音处理模块。下面分别对每个部件进行详细说明。

本申请提供了一种基于压电传感器的可穿戴心音监测装置，具体为胸带、背心、文胸衣物等可以佩戴在人体身上的部件，本申请不做具体的限制，下面以胸带的形式进行举例描述：心音监测胸带的织物基底采用柔性弹力织物。织物基底的作用在于固定心音传感器，并根据本身弹力材料的特性，对皮肤-传感器界面施加一定范围内的压力，较少相互作用的产生。本实施例中基底层采用一种弹性织物面料，整体宽度为38mm，长850-1000mm，厚1-2mm，中间镂空图形为心音传感器形状。两端设有连接端用于胸带固定，使用魔术贴、暗扣、挂扣等方式进行固定，同时可根据使用者自身胸围宽度适当调节尺寸。也可以根据实际的应用或需求制成其他尺寸，本申请对具体的形状和尺寸，以及连接固定方式不做具体的限定。

如图1所示，压电传感器通过硬质衬底、填充层、胶环组成的固定结构缝制在织物基底；填充层由宽度为30-40mm，长度为40-50mm的太空棉组成；固定6-10根长度为500mm的黑色缝纫线于胶环之上，随后采用双组份胶粘剂将胶环与传感器外壳固定；硬质衬底与传感器镂空形状贴合，长度为40-50mm，宽度为30-40mm；最后将系于胶环之上的缝纫线缝制在硬衬和织物基底上。

图3是本实施例中压电传感器的结构示意图。如图3所示，本实施例中压电传感器采用压电陶瓷片作为接收心音信号的敏感元件，厚度3-6mm，直径20-26mm；采用金属腔体起到集音与支撑压电陶瓷片的作用；与皮肤直接接触的一面为导音层，即柔性传音介质；此外选用环氧树脂作为其防腐蚀外壳。柔性一面与心脏所在位置贴合，通过导电线与心音处理模块实现电路连接。

图5为心音胸带的人体佩戴示意图，按照图5所示方式佩戴在人体上，调整胸带位置，使得心音信号的输出信号质量达到最佳状态。

图6为心音听诊区域示意图，装置用于对临床心音听诊流程中的四个心音听诊区域进行听诊，分别为主动脉瓣区、肺动脉瓣区、三尖瓣区、二尖瓣区，可采用多个压电传感器进行同步信号采集。

图8为心音检测阵列示意图，可采用多个传感器组成阵列结构以确定心音最佳监测位置，该心音检测阵列包括分布在柔性基底层上的至少5个压电传感器，同时将压电传感器与所述信号处理电路相连接。

图9为心肺音传感器位置示意图，所述图例中可在胸前(或背后)放置多个肺音传感器组成检测阵列以供肺音监测，同时可佩戴心音胸带监测心音信号，用户佩戴形式包括但不仅限于胸带，还可将传感器嵌入背心、文胸、衬衫等基底所在位置组成监测装置。

心音处理模块长度30-40mm，宽度30-40mm，厚度10-15mm，两端设有连接端用于胸带固定，使用魔术贴、暗扣、挂扣等方式进行固定。

心音处理模块由电源管理、信号调理、功率放大、蓝牙模块组成。电源管理模块主要用于系统供电、电源升降压以及开关，信号调理模块主要包括放大电路、滤波电路。用心音传感器拾取心音信号，经过滤波放大电路的滤波和放大后，为了驱动耳机以实时听诊，随后进入功率放大电路实现信号的再次放大和提升输出功率，同时在电路中增加音量调节按钮，可根据环境实时调节耳机音量；功放之后的信号接入主控的ADC模块中进行信号采集，并在本地处理单元MCU进行信号处理，随后将信号通过蓝牙或Wi-Fi模块传输心音信号至上位机，最终在上位机上实时显示，同时计算心率、提取相关特征参数分析心音是否正常，自动生成诊断报告。本申请对具体MCU处理芯片、无线通讯技术不做具体限定。

心音处理算法包括心音预处理、心音分割两部分组成。利用改进的小波变换对心音信号进行多层分解，对分解后的每阈值处理得到的层进行重构，以实现心音预处理；随后在时频域内对心音信号进行分解和重构以提取特征参数，分析信号的时频图实现第一心音(S1)和第二心音(S2)的分割。

其中心音预处理部分具体步骤如图7所示，针对原始信号做小波分解，随后确定小波分解系数的阈值计算函数，采用蚁群算法优化以选定最优阈值，最后做小波逆变换获得去噪后的心音信号。

本发明采用柔性高弹力织物胸带、背心、文胸等衣物形式作为基底层，将压电传感器缝制在基底层，使用魔术贴、暗扣、挂扣等方式进行固定。本发明利用压电传感器采集原始心肺音信号，通过信号调理电路与信号采集电路的配合实现对心肺音信号的采集。信号经过滤波放大、音频处理后，可实现实时听诊功能，同时通过蓝牙模块将信号传输至上位机，最终在上位机实时显示，同时计算心率、提取相关特征参数分析心音是否正常，自动生成诊断报告，便于让医生更快更准确地做出相应的诊断，有效提高工作效率与精准度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，所述监测装置包括：

柔性基底层、压电传感器、处理模块；压电传感器与处理模块连接，压电传感器与处理模块均固定在柔性基底层上，压电传感器包括：压电心音传感器和压电肺音传感器；所述压电传感器用于采集心音信号或肺音信号传输至处理模块进行处理，心肺音监测装置通过柔性基底层佩戴在用户胸部或肺部进行心肺音监测。

2.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述心肺音监测装置具体为心音和肺音监测可穿戴衣物，心音和肺音监测可穿戴衣物佩戴在用户胸部或肺部所在位置进行监测。

3.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述压电传感器为柔性压电传感器，压电传感器的柔性面与用户心脏或肺部所在位置贴合，压电传感器通过导电线与处理模块实现电路连接。

4.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，压电传感器通过固定结构缝制在柔性基底层上，固定结构包括：填充层、胶环、硬质衬底，硬质衬底位于压电传感器与柔性基底层之间，填充层填充在胶环与压电传感器之间，胶环与硬质衬底缝制在柔性基底层上；所述装置采用胶粘剂将胶环与压电传感器外壳固定。

5.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述压电传感器包括：柔性导音层、压电陶瓷片、腔体、外壳；采用压电陶瓷片作为心音或肺音传感器的感应元件；通过腔体支撑压电陶瓷片，在压电陶瓷片覆盖柔性导音层，柔性导音层与皮肤接触以进行心音或肺音检测；采用保护外壳将上述组件封装。

6.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，处理模块包括电源管理模块、信号调理模块、功率放大模块、蓝牙模块；电源管理模块用于供电、电源升降压以及开关；信号调理模块包括放大电路、滤波电路；压电传感器采集心音或肺音信号，经过前置放大电路进行放大，经过滤波电路滤除噪声，随后进入功率放大模块实现心音或肺音信号的再次放大和提升输出功率。

7.根据权利要求6所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，通过功率放大模块驱动耳机以实时听诊，电路中设有耳机音量调节按钮；功放之后的信号接入主控的ADC模块中进行信号采集，通过蓝牙模块传输心音或肺音信号至上位机，在上位机上实时显示，同时计算心率、提取相关特征参数分析心音是否正常或计算呼吸频率、提取相关特征参数分析肺音是否正常自动生成诊断报告。

8.根据权利要求2所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述胸带连接有压力传感器，压电传感器固定在胸带下表面与皮肤贴合，根据压力的变化调整胸带佩戴松紧；通过处理模块中的LED指示灯自适应亮度来判断心音或肺音检测强度，最终确定心音或肺音胸带的最佳监测位置。

9.根据权利要求1所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述装置用于对临床心音听诊流程中的四个心音听诊区域进行听诊，分别为主动脉瓣区、肺动脉瓣区、三尖瓣区、二尖瓣区；肺音听诊流程由肺尖开始，自上而下，由前胸到侧胸或由腋窝向下，最后检查背部，并需要对两侧对称部位进行对照比较。

10.根据权利要求5所述的基于压电传感器的可穿戴心音和肺音监测装置，其特征在于，所述压电传感器可采用阵列结构确定心音或肺音最佳监测位置，心音或肺音检测阵列包括分布在柔性基底层上的至少5个压电传感器，同时将压电传感器与处理模块相连接。