CN109745017A - 一种动物生理信息及状态实时监测系统、装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种动物生理信息及状态实时监测系统、装置及方法，实时监测装置包括监测装置外壳，传感器前端，电路解析模块以及监测平台，其中所述的监测装置外壳采用镂空的结构；所述的传感器前端包括压电片、温度传感器、加速度传感器和高度计；所述的电路解析模块为包括各传感器的电路模块、微处理器和通信模块；所述的监测平台负责计算动物的生理状态和进行健康状况分类；所述的监测方法包括心率、呼吸、温度、步频和姿势的生理参数提取以及通过贝叶斯概率进行健康状况分类，该方法能够实现实时可靠地进行动物生理状态监测。

Description

一种动物生理信息及状态实时监测系统、装置及方法

技术领域

本发明涉及动物生理参数监测技术领域，尤其涉及一种监测动物生理状态的系统、装置及方法。

背景技术

对于动物健康状态的判断目前常用传统的人工判断方法，如听诊法，观察法；此类方法若在缺少兽医的指导下，将会使得动物的病情不能及时被发现，从而延误最佳治疗时期。

目前专家学者提出采用心电和脉搏波监测方法应用于动物身上，由于动物皮毛多的特点，使得该方法的电极无法接触皮肤，现有技术中提出采用长椎体结构的电极，并通过袖带固定方式紧密接触动物皮肤，该方式能在一定程度上获得生理参数信息，但是此椎体结构的电极将会严重压迫动物的身体组织；现有技术中还提出一种植入动物组织的侵入式监测方法，但该方法不可避免的给动物带来创伤。

因此基于以上现有技术存在的问题，亟待研发一种实时、无扰、无创的生理状态监测系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种动物生理信息及状态实时监测装置及方法，以缓解目前监测方法中严重压迫动物身体组织，给动物带来创伤或者实时性差，动物病情发现晚，错过最佳治疗时机等技术问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种动物生理信息及状态实时监测装置，包括传感器前端，电路解析模块以及监测平台，其中，

传感器前端包括压电片、温度传感器、加速度传感器和高度计；压电片用于获取动物的心率和呼吸；温度传感器用于获取动物的体表温度；加速度传感器用于获取动物的运动状态；高度计用于获取动物高度的变化；

传感器前端可放置于一个中间镂空的圆柱体结构的外壳中，外壳结构的材料为柔性材料，镂空的空间可为监测装置提供足够的空间，所述的空间利用方式是在圆柱体的上表面对压电片进行固定，其中固定的方式采用特定的胶水进行较好的粘合；温度传感器以同样的方式固定于所述上表面；其余的传感器和电路解析模块固定于所述圆柱体的下表面；

电路解析模块，包括第一电路模块、第二电路模块、第三电路模块、微处理器和通信模块；第一电路模块与压电片采用电连接方式，用于接收压电片获取的振动信号并转换成电压信号；第二电路模块和温度传感器通过电连接方式，用于将温度转化成电压信号；第三电路模块和加速度传感器、高度计采用电连接方式，分别获取三轴的加速度值和高度值并转化为电压信号；微处理器接收第一电路模块的信号，并采用小波变换对信号进行解混，进而提取出动物的心率和呼吸；微处理器接收第二电路模块的信号，提取出动物的体表温度；微处理器接收第三电路模块的信号，根据气压值和三轴加速度，计算出动物的步频和高度变化；通信模块与微处理器采用电连接方式，将微处理器的处理结果发送到监测平台；

监测平台包括一台或一组服务器，用于接收电路解析模块处理后的数据并通过贝叶斯网络处理得出动物健康状况状态。

本发明公开了一种监测动物生理状态的方法，具体为生理状态的信号处理方法；所述生理状态的信号处理方法包括心率参数提取方法、呼吸参数的提取方法、体温参数提取方法、运动状态下步频提取方法、姿势提取方法以及融合上述参数的健康状况分类方法。

其中的心率参数提取方法，具体为将所述处理器从压电片接收到的振动信号采用合适的滤波器滤出包含心率的信号成分，依据此信号成分进行心跳峰值特征点提取；

其中的呼吸参数提取方法，具体是从上述振动信号减去心率信号成分获得呼吸信号，并进行峰值特征点提取；

其中体温参数提取方法，具体是处理器从温度传感器接收到的电压值，依据电压反演出实际体温；

其中运动状态下步频提取方法，具体是在处理器从加速度传感器和高度计接收的三轴加速度值进行融合，获得动物运动下的步幅信号，从此信号解析出步频；

其中的姿势提取方法，具体是依据处理器从加速度传感器和高度计接收的高度值和三轴加速度值融合，获得动物的姿势；

其中的健康状况分类方法，具体是融合上述的参数值采用贝叶斯概率方法实现动物健康状况预测和预警通知。

(三)有益效果

本发明提出的一种监测动物生理状态的装置具有小型、无创、无扰的优势；本发明提出的监测动物生理状态的方法通过获取心率、呼吸、体温、步频和姿势的综合信息，以及通过该综合信息预测动物的健康状态相比于传统的监测方法或者是单一参数评估的方式更准确可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的一种动物生理状态监测系统的结构框图。

图2是本发明实施例的一种动物生理状态监测系统的外壳示意图。

图3是本发明一个实施例的振动信号获取图例。

图4是本发明一个实施例的心率和呼吸计算流程图。

图5是本发明一个实施例的心率信号图例。

图6是本发明一个实施例的呼吸信号图例。

图7是本发明一个实施例的步频计算流程图。

图8是本发明一个实施例的姿势计算流程图。

图9是本发明一个实施例的健康状况状态分类流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种动物生理信息及状态实时监测装置及方法，通过前端传感器获取动物生理信息及状态参数，通过监测平台融合参数值采用贝叶斯概率方法实现动物健康状况预测和预警通知，以下将结合具体实施例对该发明进行具体阐述。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种动物生理信息及状态实时监测装置，图1是依据本发明一个实施例监测动物生理状态的系统框图，包括：监测装置的外壳100、传感器前端101、电路解析模块102、监测平台103，监护者104；

传感器前端101，具体包括压电片1011、温度传感器1012、加速度传感器1013、高度计1014。其中的压电片1011是依据身体振动产生电荷变化的原理感受动物心脏的搏动和呼吸胸廓运动；其中的温度传感器1012用于感受动物的体表温度信息；其中的加速度传感器1013用于获取动物的运动状态，进而依据三轴加速度值提取其步频；其中的高度计1014用于获取动物身体局部高度变化，从而判断动物的站立和躺卧状态。

电路解析模块102，包括第一电路模块1021、第二电路模块1022、第三电路模块1023、微处理器1024、通信模块1025；其中的第一电路模块和压电片1011采用电连接方式，压电片1011感受振动并转换为电荷信号，通过第一电路模块的电荷放大电路和高精度数模转换实现振动信号转化为电压信号供处理器1024接收处理；其中第二电路模块和温度传感器1012通过电连接的方式，实现温度转化为电压信号供处理器1024接收处理；其中第三电路模块和加速度传感器1013、高度计1014采用电连接方式，分别获取三轴加速度值和高度值，转化为电压信号供处理器1024接收处理；其中微处理器1024采用总线方式连接第一电路模块1021、第二电路模块1022、第三电路模块1023，总线具体实施中可以使用IIC、SPI等通信方式，微处理器1024接收并处理来自电路模块的数据信息；其中通信模块1025负责将处理结果实时传输到监测平台103；

监测平台103，具体包括一台或一组服务器；其中监测平台接收，存储，处理和展示动物生理状态参数，动物生理状态参数包括：心率1031，呼吸1032，体温1033，步频1034，姿势1035，健康状况分类1036；其中健康状况分类1036具体分为关节炎，传染性贫血、高血压病周期性麻痹、绞痛、正常状况、情绪异常等。

监护者104，包括兽医1041和养护者1042，动物监测状态由养护者1042选择以信息共享的方式选择合适的兽医1041，同时兽医1041将监测结果实时反馈给系统和养护者1042。

在一些实施例中，监测装置的外壳100，如图2所示，采用一个中间镂空的圆柱体结构，结构的材料为柔性材料，镂空的空间可为监测装置提供足够的空间，所述的空间利用方式是在圆柱体的上表面对压电片1011进行固定，其中固定的方式采用特定的胶水进行较好的粘合；温度传感器1012以同样的方式固定于所述上表面；其余的传感器和电路解析模块102固定于所述圆柱体的下表面。

在一些实施例中，压电片1011，主要的受力方向为垂直于所在平面的纵向压力；其中压电片的形状可为圆形、方形等。

在一些实施例中，温度传感器1012，选择数字温度传感器为例；(其它类型具体是热电偶、热敏电阻、数字温度传感器等)

在一些实施例中，加速度传感器1013，选择mpu6050为例；(具体可以是mpu6050，mpu9250)

在一些实施例中，高度计1014，选择气压传感器为例；(具体是气压传感器、毫米波雷达、红外激光、超声波等)

在本发明的示例性实施例中，提供了一种动物生理信息及状态实时监测方法，其中图3为本发明实施例中以马匹为例的心率和呼吸振动信号，其中马匹的振动信号依据压电片1011获取，如图例3所示，波形中包含了马匹的心率和呼吸振动信号，其中休息状态的成年马匹的心脏搏动为每分钟20到40次，呼吸的频率为每分钟10到20次，两者的频率处在高频和低频部分，为此需要信号解混。

图4是本发明一个实施例的心率和呼吸计算流程图；其中振动信号201的解混采用小波变换202；如：其中W_f为小波变换系数值，f(t)为一段振动信号201，ψ(t)为小波函数；小波变换202采用morlet小波函数分解出一组小波系数值W_f，并构建时频能量谱203，将能量小于阈值TH的小波系数置零，并选择某频带范围内的小波系数重构出心率信号204；由原始振动信号201和心率信号204的差值可获取呼吸信号207；其中心率1031的监测具体是从解混的心率信号204提取逐个心跳包络的最高峰值，依据此特征值计算心率值；其中呼吸1032的监测具体是从解混的呼吸信号207采用提取逐个呼吸峰值，依据此特征值大小即可计算呼吸值。

图5为解混的心率信号204效果，具体是采用上述的小波变换202处理后的结果，如图5所示，图形中显示有1600点采样点，从波形中可以明显的看出在采样点200，600，1000和1400附近的位置为动物心脏搏动带来的较高振幅，其中相互两个最高振幅之间的间隔即是两次心跳搏动的间隔。

图6为解混的呼吸信号207效果，具体是采用上述小波变换处理后的结果，该图形以1600点采样点为例说明，呼吸的峰值位于采样点300，900和1500附近位置，其中的峰值即是动物呼吸导致胸廓起伏产生的波峰。

本发明实施例的体温1033提取方法，具体是处理器接收到的温度传感器电压值，依据电压反演出实际体温。

图7是本发明一个实施例的步频1034计算流程图，具体是获取的三轴加速度值ax，ay，az，得到步伐的综合加速度信号依据此加速度信号波形提取步频信息。

图8是本发明实施例的姿势1035计算流程图，具体是依据处理器接收的气压值和三轴加速度值判断，其中气压值反映马匹身上某一个部位高度的变化情况，加速度值可以反映马匹当前的状态，休息或者运动状态，为此两者结合可以监测出马匹姿势的变化，具体是躺下、站立、间歇性奔跑，间歇性起身翻滚。

图9是本发明实施例健康状况分类流程图，具体是依据上述的参数值心率1031、呼吸1032、体温1033、步频1034、姿势1035，分为训练阶段和预测两部分，设心率1031为x1、呼吸1032为x2、体温1033为x3、步频1034为x4、姿势1035为x5，表示为向量形式X＝(x1，x2，x3，x4，x5)；健康状况1为w1，健康状况2为w2，健康状况n为wn，表示为向量形式W＝(w1，w2...wn)；通过有标签的数据样本库训练获得概率分布P(X|W)，P(W)，P(X)；预测阶段，实时获取的生理参数值作为输入数据依据概率公式P(W|X)＝P(X|W)P(W)/P(X)实现各输入生理参数下健康状况概率估计，也即是各健康状况得出概率值P(w1|X)，P(w2|X)...P(wn|X)；其次将结果通知兽医1041，经过兽医的评估确实为患病状态则自动将此生理参数值(心率1031、呼吸1032、体温1033、步频1034、姿势1035)、健康状况类别当做一个样本加入样本数据库，并依据此样本数据库更新概率分布P(X|W)，P(W)，P(X)，下一次健康状况分类采用新的概率分布实现预测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种动物生理信息及状态实时监测装置，包括传感器前端，电路解析模块以及监测平台，其中，

所述的传感器前端，配置为固定于动物身体上，用于获取动物生理信息及状态参数；

所述的电路解析模块与传感器前端采用电连接方式，将传感器信号转为电信号进行处理后并发送；

所述的监测平台包括一台或一组服务器，用于接收电路解析模块处理后的数据并通过贝叶斯网络处理得出动物健康状况状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的传感器前端和电路解析模块放置于外壳中，该外壳采用一个中间镂空的圆柱体结构，且材料为柔性材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的传感器前端包括压电片、温度传感器、加速度传感器和高度计，其中，

所述的压电片用于获取动物的心率和呼吸；

所述的温度传感器用于获取动物的体表温度；

所述的加速度传感器用于获取动物的运动状态；

所述的高度计用于获取动物高度的变化。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的电路解析模块包括第一电路模块、第二电路模块、第三电路模块、微处理器和通信模块，其中，

所述的第一电路模块与压电片采用电连接方式，用于接收压电片获取的振动信号并转换成电压信号；

所述的第二电路模块和温度传感器通过电连接的方式，用于将温度转化为电压信号；

所述的第三电路模块和加速度传感器、高度计分别采用电连接方式，分别获取三轴的加速度值和高度值并转化为电压信号；

所述的微处理器用于接收并处理所述第一电路模块、第二电路模块和第三电路模块传输的电压信号；

所述的通信模块用于将微处理器处理过的数据发送到监测平台。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的通信模块是无线传输装置。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的监测平台用于与所述通信模块，和/或终端设备进行通信。

7.一种动物生理信息及状态实时监测系统，包括：

权利要求1-6任一所述的动物生理信息及状态实时监测装置；

终端设备，用于接收监测平台的处理数据。

8.一种应用权利要求1-6任一所述的装置对动物生理信息及状态实时监测方法，其特征在于包括：

传感器前端的传感器获取动物生理信息及状态参数；

电路模块将传感器信号转换为电压信号；

微处理器对电压信号进行解混、峰值提取、速度计算和高度计算处理，然后通过传输模块发送到监测平台；

监测平台接收数据，融合动物的生理信息和状态数据对动物的健康状况进行训练和预测，进而对动物的健康状况进行分类。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的健康状况进行分类包括：融合动物的心率、呼吸、体温、步频和姿势的参数值，采用贝叶斯概率方法对动物健康状况分类。

10.据权利要求8所述的方法，其中，所述的健康状况分类方法，其特征在于，依据参数值心率、呼吸、体温、步频和姿势，分为训练阶段和预测阶段两部分。

11.据权利要求10的方法，其中，所述的训练阶段包括：

确定向量形式X＝(x1，x2，x3，x4，x5)，其中，心率为x1、呼吸为x2、体温为x3、步频为x4、姿势为x5，表示为：

健康状况根据上述参数表示为向量形式W＝(w1，w2...wn)；

根据向量表达式生成有标签的数据样本，并将样本存储到数据样本库中；

通过有标签的数据样本库训练获得概率分布P(X|W)，P(W)，P(X)。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述的预测阶段，其特征在于，采用实时获取的生理参数值作为输入数据，依据概率公式P(W|X)＝P(X|W)P(W)/P(X)实现各输入生理参数下健康状况概率估计，也即是各健康状况得出概率值P(w1|X)，P(w2|X)...P(wn|X)。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述的预测阶段，其特征在于，将预测的结果通知兽医，在得到兽医的评估确实为患病状态的反馈后，自动将此生理参数值，健康状况类别当做一个样本加入样本数据库，并依据此样本数据库更新概率分布P(X|W)，P(W)，P(X)，下一次健康状况分类采用新的概率分布实现预测。