CN111317500A - 基于胎心胎动信号的智能穿戴系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，包括：可穿戴设备：采集穿戴者的胎心数据信号，并与用户终端通信连接；用户终端：获取所述胎心数据信号，直接对所述胎心数据信号进行处理并将处理结果传输至云计算平台，或者将所述胎心数据信号传输至云计算平台进行处理；云计算平台：存储处理结果，或者对所述胎心数据信号进行处理，并将处理结果进行存储以及返回给所述用户终端。本发明提高了胎心监护的准确性，提高准确性的同时，极大的降低了医疗成本；通过穿戴设备可以舒适便捷的进行检测，配合云平台的构建，能够获取长时间的信息。

Description

基于胎心胎动信号的智能穿戴系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统。

背景技术

自1650年法国人Marsar提出了胎儿在子宫内有胎心音存在，胎心监护就成为产科工作者研究的重要课题。

正如专利文献CN 208404632U公开的产科用超声多普勒胎心检测仪，现有技术中的胎心仪，都是基于多普勒超声波技术。虽然都期望实现高质量、高灵敏度、低功耗、低成本、对人体无伤害、操作简便的胎心仪，但是实际的产品中均存在的问题就是依靠超声波发射与接收来探测声音，以帮助用户寻找胎儿心跳。但是当胎儿心跳较微弱或者外界环境过于嘈杂时，胎儿心跳的寻找将越发困难，导致用户不能快速准确地找到胎儿胎心位置，听不到胎音。

在进行检测的时候，从探头里发射出的超声波在空气中衰减的非常厉害，所以要用耦合剂，用来减轻超声波的衰减，让更强能量的超声波进入人体，才能得到更好的图像。所以这也导致仪器的时候非常的不适。

目前常用家用的监护方式依然是比较传统的孕妇自我观察，这样的方式也极大的限制孕妇监测的有效性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统。

根据本发明提供的一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，包括：

可穿戴设备：采集穿戴者的胎心数据信号，并与用户终端通信连接；

用户终端：获取所述胎心数据信号，直接对所述胎心数据信号进行处理并将处理结果传输至云计算平台，或者将所述胎心数据信号传输至云计算平台进行处理；

云计算平台：存储处理结果，或者对所述胎心数据信号进行处理，并将处理结果进行存储以及返回给所述用户终端。

优选地，所述可穿戴设备上设置有：多个传感器；

每个所述传感器包括多个声敏单元组，所述多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道；

每个声敏单元组包括多个声敏单元。

优选地，所述可穿戴设备包括：腰带、上装或下装；

所述可穿戴设备的内侧设置有：疏汗片或胶条。

优选地，所述传感器为分层结构，包括：声耦合结构层、传感器结构层和声阻尼结构层；

所述传感器结构层设置于所述声耦合结构层与所述声阻尼结构层之间。

优选地，所述传感器结构层包括：隔声材料和多个所述声敏单元，所述隔声材料填充在所述声敏单元之间。

优选地，所述多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对所述多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

优选地，所述差分测量包括：

单个采集通道采集的信号为其中不同声敏单元组的差值。

优选地，所述单个采集通道采集到的信号为

x是采集的时域信号，上标i是单个采集通道的编号，下标t为时间序列编号；

多个传感器得到信号矩阵A(t)为：

根据采集信号

得到数值矩阵A：

A＝XX′

X为采集信号，

上标′为共轭转置符号；

分析数值矩阵A的特征向量：

AU＝UV

其中，特征向量

是特征值

的排序结果，V为特征值对角矩阵；

将特征向量分为胎心信号特征向量T、孕妇心跳信号特征向量P和噪声信号特征向量E，

设置空间导引矩阵a和b，构造能量普函数P(ε,θ)：

K₁、K₂为0到1之间的加权系数；上标′为共轭转置符号，取使P(ε,θ)取峰值的ε,θ组合；

提取胎心信号：b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)。

优选地，所述用户终端包括：

通信模块：从所述可穿戴设备获取所述胎心数据信号，将经过控制模块压缩的胎心数据传输至所述云计算平台，从所述云计算平台获取所述处理结果；

控制模块：对获取的所述胎心数据信号进行压缩；

展示模块：显示所述处理结果。

优选地，所述云计算平台包括：

信号处理模块：根据所述胎心数据信号得到胎心音，并滤除所述胎心音中的噪声；

心率提取模块：从过滤后的胎心音中提取心率数据，得到胎心率；

胎心定位模块：根据胎心音进行胎心定位。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)提高了胎心监护的准确性，提高准确性的同时，极大的降低了医疗成本

2)提升穿戴设备的舒适性，也易于维护。

3)增强了辅助智能，即能够快速的提供辅助性的分析信息，也能够给医生和护士提供监护的原始数据信息。

4)本发明能够获取、监控长时间的信息。

5)本发明利使用被动传感器，完全避免了主动发射对孕妇及胎儿的潜在危害。

6)本发明有效抑制干扰噪声，使得日常生活中的行动不会影响胎心监测的数据，不需要静卧测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为单个采集通道的结构示意图；

图3为单个采集通道的四个声敏单元组的结构示意图；

图4为传感器的剖视图；

图5为传感器结构层的示意图；

图6为胎心检测服饰的结构示意图；

图7为传感器的空间分布示意图；

图8为传感器的空间分布示意图；

图9为本发明的工作原理图；

图10为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，包括：可穿戴设备、用户终端和云计算平台三个部分。

可穿戴设备用于采集穿戴者的胎心数据信号，与用户终端通信连接。目前可穿戴设备中传感器与中央控制板块(数据存储，蓝牙模块)是区分开来的，传感器的供电也由中央控制板中的电池提供。在具体的构造的时候，数据存储模块，以及电池可以依据需要移到传感器模块中与传感器模块同时封装。目前的通讯的形式是通过蓝牙模块，但是另外一种实施形式是将蓝牙模块替换成WiFi模块。

用户终端获取所述胎心数据信号后，可以直接对所述胎心数据信号进行处理并将处理结果传输至云计算平台，或者将所述胎心数据信号传输至云计算平台进行处理。直接在用户终端进行计算可以充分利用用户终端的计算能力，从而减少网络传输带来的数据延迟问题，缓解云计算平台的运算压力，但本发明对通过用户终端进行数据处理还是各个云计算平台进行处理不做限定。

云计算平台：存储处理结果，或者对所述胎心数据信号进行处理，并将处理结果进行存储以及返回给所述用户终端。存储的处理结果可供医护人员实时获取和监控。云计算平台包括：信号处理模块、心率提取模块和胎心定位模块。信号处理模块根据胎心数据信号得到胎心音，并滤除胎心音中的噪声。心率提取模块从过滤后的胎心音中提取心率数据，得到胎心率。胎心定位模块根据胎心音进行胎心定位。云计算平台将胎心数据信号以及定位结果存储到区块链，以便于数据存储和追溯，同时也便于医护人员监控，防止数据被篡改。云计算平台还可以对利用获取的胎心数据信号不断训练神经网络模型，从而增加定位的准确性。

可穿戴设备中包括多维通道传感器构成的传感器矩阵，每个传感器包括多个声敏单元组，如图2所示，每个声敏单元组包括多个声敏单元1。如图3所示的实施例中， 16个声敏单元1分为四组，但本发明对此不做限制。多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道。

如图4所示，传感器为分层结构，包括：声耦合结构层11、传感器结构层12和声阻尼结构层13，传感器结构层12设置于声耦合结构层11与声阻尼结构层13之间。如图5所示，传感器结构层包括：隔声材料14和多个声敏单元1，隔声材料14填充在声敏单元1之间。

如图7、图8所示，多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

1)每个声敏单元会接收到信号

2)每组声敏单元接收的信号为

假设单个采集通道有M组。不失一般性，我们这里选择M＝2。

3)每个采集通道的采集的信号为

完成一个差分测量。

4)单个采集通道得到信号

x是采集的时域信号。i是单个采集通道的编号。t时间序列编号。

5)复合传感器矩阵得到的信号为

6)根据采集信号

可以得到相关数值矩阵

A＝XX′

7)分析对称A矩阵的特征向量。

AU＝UV

特征值进行排列，数值最大的几个代表了几个主要声音信号的来源，一般情况下，孕妇心跳声、胎儿心跳声、以及环境噪声将产生数值最大的几个特征值。其中

是特征值的排序结果。其对于的特征向量，也构成了相应的信号、噪声空间。

8)主要三个信号源，胎心，孕妇心跳、以及环境噪声，他们之间是不相关信号。可以将特征向量列向量分为胎心信号特征向量、孕妇心跳信号特征向量、和噪声信号特征向量；

9)设置空间导引矩阵a和b,构造能量谱函数

使得上式P取峰值的ε,θ组合，给出了胎心信号的空间传播相对方向。

10)使用得到的空间导引矩阵信息，进行处理，有下式：

b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)

11)这里提取了胎心信号而减弱了两类干扰信息

12)步骤(1)到(11)为自组织多入多出SMIMO(self-organization multiple-input multiple-output)采集处理方法。该方法会在采样时间段内重复使用多次。多次的结果会累积，以实现提高信噪比的目的。使用SMIMO的流程方法在图10中显示。

因为SMIMO的采用，孕妇可以在复杂噪声环境下使用发明的胎心测量设备。比如，工作中，和别人对话交流中，在外采购等等日常生活活动。这些活动中产生的以及面临的复杂噪声环境，对于一般测量设备而言是难解决。而SMIMO解决了在复杂环境中提取胎心信息的难题。

如图6所示，基于上述多维通道传感器的胎心检测传感器矩阵，本发明还提供一种胎心检测服饰，服饰可以是腰带、腹带，可以是内衣，腰带，胸衣等等孕妇可以使用的穿戴服饰(上衣或下衣)或装备。各个传感在软材料上按指定的分布排列。本实施例中分为上衣和下衣。上衣上设置了一个传感器，用于检测孕妇信号，下衣上设置了三个传感器，其位置环绕孕妇的腹部，用于检测胎心信号。在可穿戴设备为腰带的情况下，其结构可以包括：环形的腰带主体，腰带主体的内侧设置有可更换的疏汗片、胶条，传感器通过卡扣扣合在靠近腹部的内侧。

通过复合采集矩阵采集的信号，将用于基于胎心率的计算。完成多传感器的自组织功能，减弱背景噪声，减弱非胎心信号能量，如图8所示，输出结果是胎心率，胎心方位。实现这个目标使用了基于旋转噪声空间的信号处理技术。同时会实现多个传感器群的自组织。传感器的复合矩阵的自组织是通过算法实现的。这里的自组织一个典型的例子是靠近胎儿的几个传感器信号将集中用于提取胎儿胎心信息，而靠近母体心脏位置的多个传感器信号将集中用于提取母体心跳等信息，该信息将用来减弱相关的非胎心信号能量。而选择哪些传感器作为一个测量群，将由算法自动完成。无需人工选择。另一方面，这种自组织阵列，也使得孕妇佩戴多个传感器时，无需准确定位，传感器会自动适应。同时，对于胎儿的位置，也会自适应。不会因为胎儿移动了位置而无法捕捉到胎心信息。并且，因为人体态特征的变化带来的影响，也因为该技术的使用而可以实现广泛适应。

自组织是指无需监督(人工干预、选择)的完成使用多采集通道信号的部分通道数据，以实现最大信噪比输出的目的。并不是使用所有通道信号就是最优的，冗余采集的目的是不会遗漏信号，但同时也采集了大量低信噪比、信息量较低的信号。通过无需监督(人工干预、选择)的子组织，实现仅使用部分采集信号，以达到提高信噪比，扩大信息量的目的。该算法的输入信号是采集得到的N个单采集通道的信号

设计自组织加权矩阵

其中0≤w_n≤1。

因为邻近计算系统结构的采用，孕妇作为用户可以快速得到关系的胎心信息，以及基于智能算法的聚类分析结果。同时复杂的解释和案例分析，可以交由远端的医生协助完成，降低误诊风险。在这个过程中，个人信息安全可以得到保障。而得到信息的时间缩短了。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，包括：

可穿戴设备：采集穿戴者的胎心数据信号，并与用户终端通信连接；

用户终端：获取所述胎心数据信号，直接对所述胎心数据信号进行处理并将处理结果传输至云计算平台，或者将所述胎心数据信号传输至云计算平台进行处理；

云计算平台：存储处理结果，或者对所述胎心数据信号进行处理，并将处理结果进行存储以及返回给所述用户终端。

2.根据权利要求1所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述可穿戴设备上设置有：多个传感器；

每个所述传感器包括多个声敏单元组，所述多个声敏单元组采用差分测量，构成单个采集通道；

每个声敏单元组包括多个声敏单元。

3.根据权利要求1所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述可穿戴设备包括：腰带、上装或下装；

所述可穿戴设备的内侧设置有：疏汗片或胶条。

4.根据权利要求2所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述传感器为分层结构，包括：声耦合结构层、传感器结构层和声阻尼结构层；

所述传感器结构层设置于所述声耦合结构层与所述声阻尼结构层之间。

5.根据权利要求4所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述传感器结构层包括：隔声材料和多个所述声敏单元，所述隔声材料填充在所述声敏单元之间。

6.根据权利要求5所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述多个传感器在空间上复合布局，在对采集到的信号进行后处理时，对所述多个传感器进行自组织分组，分别用于测量和降噪。

7.根据权利要求2所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述差分测量包括：

单个采集通道采集的信号为其中不同声敏单元组的差值。

8.根据权利要求2所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，

所述单个采集通道采集到的信号为

x是采集的时域信号，上标i是单个采集通道的编号，下标t为时间序列编号；

多个传感器得到信号矩阵A(t)为：

根据采集信号

得到数值矩阵A：

A＝XX′

X为采集信号，

上标′为共轭转置符号；

分析数值矩阵A的特征向量：

AU＝UV

其中，特征向量

是特征值

的排序结果，V为特征值对角矩阵；

将特征向量分为胎心信号特征向量T、孕妇心跳信号特征向量P和噪声信号特征向量E，

设置空间导引矩阵a和b，构造能量普函数P(ε,θ)：

K₁、K₂为0到1之间的加权系数；上标′为共轭转置符号，取使P(ε,θ)取峰值的ε,θ组合；

提取胎心信号：b′(θ)a′(ε)Aa(ε)b(θ)。

9.根据权利要求1所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述用户终端包括：

通信模块：从所述可穿戴设备获取所述胎心数据信号，将经过控制模块压缩的胎心数据传输至所述云计算平台，从所述云计算平台获取所述处理结果；

控制模块：对获取的所述胎心数据信号进行压缩；

展示模块：显示所述处理结果。

10.根据权利要求1所述的基于胎心胎动信号的智能穿戴系统，其特征在于，所述云计算平台包括：

信号处理模块：根据所述胎心数据信号得到胎心音，并滤除所述胎心音中的噪声；

心率提取模块：从过滤后的胎心音中提取心率数据，得到胎心率；

胎心定位模块：根据胎心音进行胎心定位。

Images