CN110742618A - 一种吞咽智能检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种吞咽智能检测系统，包括吞咽智能检设备和终端，吞咽检测设备中包括用于检测吞咽的光纤光栅感应器和用于固定光纤光栅传感器的辅助固定设备，光纤光栅感应器的位置与脖颈处的甲状软骨和环状软骨的位置相对应，能够更好的对吞咽的动作进行检测，光纤光栅感应器与终端连接。本发明所述的吞咽智能检测系统还具有结构合理简单、成本低、能够及时有效的检测是否具有吞咽障碍、提高吞咽障碍判断的可靠性的优点。

Description

一种吞咽智能检测系统
技术领域
本发明涉及医疗检测设备领域，特别涉及吞咽障碍病人使用的一种吞咽智能检测系统。
背景技术
吞咽障碍是脑卒中病人常见的并发症，其发生率为29％--64％，严重影响病人的日常生活质量，也是失能失智老人比较常见的一种健康问题。吞咽障碍是指食物从口腔至胃、贲门的运送过程中受阻而产生咽部、胸骨后或食管部位的梗阻停滞感觉。吞咽过程通常较长，伴或不伴吞咽痛，严重时不能咽下食物。吞咽困难是一种对患者日常生活影响比较大的病症，不仅影响了患者的日常进食，在极端情况下，还可能会因为呼吸道堵塞而产生窒息死亡的情况。
目前尽管对吞咽障碍病人的筛查和检测方法较多，如饮水实验和反复唾液吞咽实验，因需要人工判断，带有一定的主观性。器械检测有下列方法：
1、钡X射线：患者可以喝一种覆盖食道的钡溶液，使它在X射线下显示更好。患者的医生可以看到患者的食道形状的变化，并可以评估肌肉活动，患者的医生可能还会让患者吞下固体食物或涂上钡的药丸，以便在吞咽时观察咽喉部肌肉，或在食道中查找液体钡溶液可能无法识别的阻塞；
2、动态吞咽研究：患者吞下不同浓度的钡涂层食物。这项测试提供了这些食物的图像，当他们通过患者的嘴，并沿着患者的喉咙。图像可能会在吞咽时协调患者的嘴和咽喉肌肉，并确定食物是否进入呼吸管；
3、内窥镜检查：通过在喉咙中插入一个内窥镜，让医生看到患者的食道。患者的医生也可能采取食管活检来寻找炎症，嗜酸性粒细胞性食管炎，囊肿或肿瘤；
4、纤维内窥镜吞咽评估：当患者尝试吞咽时，患者的医生可能会用特殊的相机和内窥镜来检查患者的喉咙；
5、食管肌肉测试：在测压中，将一根小管插入食管并连接压力记录仪，以便在吞咽时测量食道的肌肉收缩；
6、成像扫描：其中一种是CT扫描，它结合了一系列X射线视图和计算机处理来创建人体骨骼和软组织的横截面图像，另一种成像扫描方法是MRI扫描，利用磁场和无线电波创建器官和组织的详细图像；
以上的方法均有对病人来说，筛选虽然简单易行但带有一定的主观性，仪器检查费用高且需要一定的检查设施，对于养老机构老年人进行上述的仪器检查受到限制。
发明内容
本发明的目的提供一种吞咽智能检测系统，解决上述现有的费用高，检查筛选存在主观性的技术问题。
本发明提出一种吞咽智能检测系统，包括吞咽智能检设备和终端，吞咽检测设备中包括用于检测吞咽的光纤光栅感应器和用于固定光纤光栅传感器的辅助固定设备，光纤光栅感应器的位置与脖颈处的甲状软骨和环状软骨的位置相对应，光纤光栅感应器与终端连接。
在某些实施方案中，所述吞咽智能检设备中设有两个光纤光栅感应器，每个光纤光栅感应器中设有三个测量点，同一光纤光栅感应器中三个测量点的位置分别对应甲状软骨、环状软骨、及甲状软骨和环状软骨中间的位置。
在某些实施方案中，所述光纤光栅感应器包裹在硅橡胶材料制的辅助材料层内，辅助材料层的一侧用于贴合人体脖颈处，辅助材料层的另一侧和四周边框均与辅助固定设备连接。
在某些实施方案中，所述辅助固定装置中包括外布料层、内布料层、以及连接固定组件，辅助固定装置的左右两端通过连接固定组件连接，外布料层和内布料层贴合，内布料层的中间位置设有缺口，辅助材料层填补在缺口处，且辅助材料层的四周边框与内布料层连接，形成内贴合层，内贴合层的一侧与外布料层连接。
在某些实施方案中，所述外布料层上与内贴合层连接的一侧为外布料层的内侧面，外布料层的外侧面上设有控制盒，控制盒分别与光纤光栅传感器和终端连接。
在某些实施方案中，所述控制盒底部设有数据接口，控制盒内设有通信模块，数据接口与通信模块连接，数据接口通过数据线与终端形成有线连接，通信模块与光纤光栅传感器通过导线连接。
在某些实施方案中，所述通信模块中设有无线信号发射模块，通过无线信号发射模块与终端之间形成无线连接，控制盒内还设有电源模块、数模转换器、以及主控模块，
其中主控模块与数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器可连接，主控模块用于协调数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器之间的工作；
数模转换器用于将光纤光栅传感器中的电信号转换为数字信号，并将数字信号传输给主控模块。
在某些实施方案中，所述终端中设置有吞咽运动数据库，吞咽运动数据库中存储由正常人群的吞咽运动值联合波。
吞咽智能检测系统的检测方法，包括如下步骤：
根据光纤光栅传感器的位置要求在使用者的脖颈处固定住吞咽智能检测设备；
使用者进行吞咽动作，光纤光栅传感器进行信号监测采集；将监测采集的信号通过数模转换器转换成数字信号，并将数字信号通过通信模块发送给终端；
终端将数字信号号处理形成吞咽运动值联合波，然后将吞咽运动值联合波与正常人群的吞咽运动值联合波进行拟合；
拟合度大于等于70％时，表示吞咽正常，反之则表示吞咽不正常。
在某些实施方案中，终端将数字信号号处理形成吞咽运动值联合波的过程中应用了机器学习算法之主成分分析PCA，应用了机器学习算法之主成分分析PCA的求解过程具体如下：
将获取到的数字信号进行数据中心化处理；
计算协方差矩阵；
计算协方差矩阵的特征值和特征向量；
将特征值排序；
保留前N个最大的特征值对应的特征向量；
将原始特征转换到上面得到的N个特征向量构建的新空间中，形成吞咽运动值联合波。
本发明所述的一种吞咽智能检测系统的优点为：结构合理简单，成本低，能够及时有效的通过吞咽智能检测设备检查是否具有吞咽障碍，避免人为的主观判断。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式中有线连接时吞咽智能检测系统的结构示意图；
图2为本发明的一种实施方式中吞咽智能检设备的局部剖面结构示意图；
图3为本发明的一种实施方式中光纤光栅感应器结构及传光原理图；
图4为本发明的一种实施方式中正常人群的吞咽运动值联合波型；
图5为本发明的一种实施方式中正常人群的呼吸运动波型。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提出一种吞咽智能检测系统，包括吞咽智能检设备和终端9，
吞咽检测设备中包括两个并排设置的用于检测吞咽的光纤光栅感应器4和用于固定光纤光栅传感器4的辅助固定设备，每个光纤光栅感应器4中设有三个测量点，同一光纤光栅感应器4中三个测量点的位置分别对应甲状软骨、环状软骨、及甲状软骨和环状软骨中间的位置，因为一点动作不注意换算出吞咽动作，因此在多点进行感应能够有效的扩大感应的范围，使得换算出来的吞咽动作更加的准确可靠，
光纤光栅感应器4包裹在硅橡胶材料制的辅助材料层3内，辅助材料层3的一侧用于贴合人体脖颈处，辅助材料层3的另一侧和四周边框均与辅助固定设备连接，辅助固定装置中包括采用防水面料的外布料层2、采用防水面料的内布料层1、以及连接固定组件，内布料层1和外布料层2均采用防水面料便于清洁整理，同时也能够避免水渗入吞咽检测设备内，辅助固定装置的左右两端通过连接固定组件连接，外布料层2和内布料层1利用胶水贴合在一起，内布料层1的中间位置设有缺口，辅助材料层3填补在缺口处，且辅助材料层3的四周边框与内布料层1连接，形成内贴合层，内贴合层的一侧与外布料层2连接，外布料层2上与内贴合层连接的一侧为外布料层2的内侧面，内布料层1上与外布料层2连接的一侧为内布料层1的内侧面，外布料层2的外侧面上设有控制盒7，
控制盒7底部设有数据接口，控制盒7内设有电源模块、数模转换器、通信模块、以及主控模块，数据接口与通信模块连接，通信模块与光纤光栅传感器4通过导线连接，
其中主控模块与数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器4可连接，主控模块用于协调数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器4之间的工作；
数模转换器用于将光纤光栅传感器4中的电信号转换为数字信号，并将数字信号传输给主控模块；
通信模块中设有无线信号发射模块，通信模块既可以通过无线信号发射模块与设有无线接收器的终端9进行无线连接，还可以利用数据接口通过数据线8与终端9形成有线连接；
终端9中设置有吞咽运动数据库，吞咽运动数据库中存储由正常人群的吞咽运动值联合波，终端9上安装机器学习算法之主成分分析PCA和应用程序。
在本实施例中连接固定装置采用的魔术粘，魔术粘包括子扣5和母扣6，其中所述子扣5设置在外布料层2的外侧面的左端，所述母扣6设置在内布料层1的外侧面的右端。辅助固定装置不一定局限与魔术粘这种连接方式也可以使用借助于比如：搭扣、不锈钢皮带扣等连接件进行连接，此处采用魔术粘连接是因为该种方式具有成本低，根据脖子的粗细连接调节方便，同时使用者使用时舒适度会很好的优点。
本实施例中叙述的光纤光栅传感器4的工作原理如图3所示，当一宽谱光源入射进入光纤后，经过光纤光栅会有波长为λb的光返回，其他光将透过。外界的被测量引起光纤光栅温度，应力改变等都会导致反射的中心波长的变化。光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。吞咽引发的甲状软骨和环状软骨的运动会引起光纤光栅吞咽传感器的硅橡胶材料变化，从而导致光纤光栅的应力发生改变。
本实施例中叙述的光纤光栅传感器4采用光纤光栅传感器复用技术，此光纤光栅复用结构是波分复用，每个光纤光栅的工作波长互相分开，反射光经耦合器后，由波长移动解码器测出每个光栅的波长(或波长移动)，从而确定各光栅所在位置所受外界的扰动。这样，一根光纤实现了多测量点的光纤光栅传感器网络，得到多点的吞咽运动值，经计算机处理，最终得到吞咽状态，正常人群的吞咽运动值联合波型如图4所示，正常人群的呼吸运动波型如图5所示。
吞咽智能检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤1、根据光纤光栅传感器4的位置要求，在使用者的脖颈处包裹上吞咽检测设备，将吞咽检测设备上的子扣5和母扣6连接固定，使得辅助材料层3的一侧紧贴在脖颈处的皮肤上，吞咽智能检测设备不向下掉，其中位置要求指的是同一光纤光栅传感器4上的3个测量点分别对准甲状软骨、环状软骨、及甲状软骨和环状软骨中间的位置；
步骤2、使用者进行吞咽动作，两个光纤光栅传感器4上的6个测量点会同时进行吞咽动作的信号监测采集；
步骤3、将监测采集的信号通过主控模块发送给数模转换器，然后通过数模转换器转换为数字信号，并将数字信号通过主控模块发送给通信模块；
步骤4、通信模块通过数据线8或无线信号发送模块将数字信号发送给终端9；
步骤5、终端9应用机器学习算法之主成分分析PCA对两个光纤光栅传感器4上共6个测量点对应的数字信号进行主信号和伪迹分解到不同的信号成分中去，然后加以消除，找出数据中最主要的方面，用数据中最重要的方面来代替原始数据，形成监测的吞咽运动值联合波，其中应用机器学习算法之主成分分析PCA的具体的求解过程如下：
步骤5.1、将获取到的数字信号进行数据中心化处理，为计算协方差准备,其中数字信号中包含两个光纤光栅传感器4上共6个测量点的波形记录，分别对两个光纤光栅传感器4上的波形记录(信号1波形记录、信号2波形记录、以及信号3波形记录分别对应同一光纤光栅传感器4上的3个测量点的波形记录)进行数据化中心处理对应的程序代码如下：
Figure BDA0002251464180000071
步骤5.2、对两个光纤光栅传感器4经过数据中心化处理得到的矩阵进行协方差计算，得到协方差矩阵(协方差表示的是两个变量的总体的误差)；
步骤5.3、计算协方差矩阵的特征值和特征向量；
步骤5.4、将特征值排序；
步骤5.5、保留前N个最大的特征值对应的特征向量；
步骤5.6、将原始特征转换到上面得到的N个特征向量构建的新空间中(步骤5.5和步骤5.6，实现了特征压缩)，构件形成监测的吞咽运动值联合波；
步骤6、终端9调取正常人群的吞咽运动值联合波型，将得到的监测的吞咽运动值联合波与正常人群的吞咽运动值联合波进行拟合，拟合度大于等于70％时，表示吞咽正常，反之则表示吞咽不正常。
其中终端9可以采用手机、笔记本等终端设备。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吞咽智能检测系统，其特征在于，包括吞咽智能检设备和终端(9)，吞咽检测设备中包括用于检测吞咽的光纤光栅感应器(4)和用于固定光纤光栅传感器(4)的辅助固定设备，光纤光栅感应器(4)的位置与脖颈处的甲状软骨和环状软骨的位置相对应，光纤光栅感应器(4)与终端(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述吞咽智能检设备中设有两个光纤光栅感应器(4)，每个光纤光栅感应器(4)中设有三个测量点，同一光纤光栅感应器(4)中三个测量点的位置分别对应甲状软骨、环状软骨、及甲状软骨和环状软骨中间的位置。
3.根据权利要求1所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述光纤光栅感应器(4)包裹在硅橡胶材料制的辅助材料层(3)内，辅助材料层(3)的一侧用于贴合人体脖颈处，辅助材料层(3)的另一侧和四周边框均与辅助固定设备连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述辅助固定装置中包括外布料层(2)、内布料层(1)、以及连接固定组件，辅助固定装置的左右两端通过连接固定组件连接，外布料层(2)和内布料层(1)贴合，内布料层(1)的中间位置设有缺口，辅助材料层(3)填补在缺口处，且辅助材料层(3)的四周边框与内布料层(1)连接，形成内贴合层，内贴合层的一侧与外布料层(2)连接。
5.根据权利要求4所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述外布料层(2)上与内贴合层连接的一侧为外布料层(2)的内侧面，外布料层(2)的外侧面上设有控制盒(7)，控制盒(7)分别与光纤光栅传感器(4)和终端(9)连接。
6.根据权利要求5所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述控制盒(7)底部设有数据接口，控制盒(7)内设有通信模块，数据接口与通信模块连接，数据接口通过数据线(8)与终端(9)形成有线连接，通信模块与光纤光栅传感器(4)通过导线连接。
7.根据权利要求6所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述通信模块中设有无线信号发射模块，通过无线信号发射模块与终端(9)之间形成无线连接，控制盒(7)内还设有电源模块、数模转换器、以及主控模块，
其中主控模块与数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器(4)可连接，主控模块用于协调数模转换器、电源模块、通信模块、以及光纤光栅传感器(4)之间的工作；
数模转换器用于将光纤光栅传感器(4)中的电信号转换为数字信号，并将数字信号传输给主控模块。
8.根据权利要求1所述的一种吞咽智能检测系统，其中，所述终端(9)中设置有吞咽运动数据库，吞咽运动数据库中存储由正常人群的吞咽运动值联合波。
9.基于权利要求1-8所述的一种吞咽智能检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据光纤光栅传感器(4)的位置要求在使用者的脖颈处固定住吞咽智能检测设备；
使用者进行吞咽动作，光纤光栅传感器(4)进行信号监测采集；将监测采集的信号通过数模转换器转换成数字信号，并将数字信号通过通信模块发送给终端(9)；
终端(9)将数字信号号处理形成吞咽运动值联合波，然后将吞咽运动值联合波与正常人群的吞咽运动值联合波进行拟合；
拟合度大于等于70％时，表示吞咽正常，反之则表示吞咽不正常。
10.根据权利要求9所述的一种吞咽智能检测系统的检测方法，其中，终端(9)将数字信号号处理形成吞咽运动值联合波的过程中应用了机器学习算法之主成分分析PCA，应用了机器学习算法之主成分分析PCA的求解过程具体如下：
将获取到的数字信号进行数据中心化处理；
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计算协方差矩阵的特征值和特征向量；
将特征值排序；
保留前N个最大的特征值对应的特征向量；
将原始特征转换到上面得到的N个特征向量构建的新空间中，形成吞咽运动值联合波。
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