CN113491538A - 可穿戴超声监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴超声监测装置，包括：可穿戴探头，其包括穿戴配件和设置在所述穿戴配件上的超声换能器；以及控制器，其包括电源、超声发射接收电路、信号处理模块、数据存储模块、显示设备。本发明可以实时监测人体在日常生活中的血压，血流和心跳，对于监控和诊断高血压，心脏和心血管疾病有重要的临床意义。本发明中，通过多个阵元换能器进行监测，提取对准血管的阵元的数据进行处理作为检测结果输出，能避免在佩戴过程中探头与人体之间的位移导致检测结果不准确的现象；本发明的可穿戴超声监测装置结构简单，可操作性高，佩戴舒适，长时间佩戴也不会对患者造成负担。
Description
技术领域
本发明涉及医用超声监测领域，特别涉及一种可穿戴超声监测装置。
背景技术
随着社会经济的发展，快节奏的生活方式以及老龄化的加速，中国心血管病危险因素流行趋势明显。心血管病死亡占城乡居民总死亡原因首位，被称为“人类健康的第一杀手”。血流，血压，心跳等信息是反映血管以及心脏状态的重要指标，可以通过这些指标判断人体的健康状态，这些指标的连续监控有重要的临床意义。
目前这些指标的监控，仍需要去医院通过专业的设备和医生才能进行。目前仍无可以随身携带的可穿戴式超声血管监测设备。且设备笨重，使用步骤复杂，不能进行长时间及实时的监控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可穿戴超声监测装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可穿戴超声监测装置，包括：
可穿戴探头，其包括穿戴配件和设置在所述穿戴配件上的超声换能器；
以及控制器，其包括电源、超声发射接收电路、信号处理模块、数据存储模块、显示设备，
其中，所述超声发射接收电路用于为所述超声换能器提供激励发出超声波，以及接收携带组织信息的回波信号；所述超声换能器将所述超声发射接收电路发射的电激励信号转换为超声振动信号，发射给组织，并将组织返回的超声信号转换为电信号，传回至所述超声发射接收电路；
所述信号处理模块用于对所述超声发射接收电路接收的回波信号进行处理，计算得到佩戴者的血压、心跳、血流速度信息。
优选的是，所述超声换能器中包括有N个阵元，N≥2。
优选的是，所述显示设备提供用户交互界面，并显示该可穿戴超声监测装置的状态信息以及所述信号处理模块计算得到的血压、心跳、血流速度信息。
优选的是，其中，所述信号处理模块通过回波信号得到血流的多普勒频移，然后计算出血流速度。
优选的是，其中，测量计算血压的方法为通过超声测试血管直径随时间的变化曲线得到，计算公式为：
其中，P(t)表示t时刻的血压，pd为舒张压，α为血管硬度系数，A(t)为t时刻测试到的血管横截面面积，Ad为血管舒张时的横截面面积；α通过测试的舒张压和收缩压计算获得；
其中，
d表示t时刻血管的直径。
α具体计算方法为：
其中Ad和As分别为心脏舒张和收缩时血管的横截面积，Pd和Ps分别为，心脏舒张压和收缩压；
优选的是，所述信号处理模块从N个阵元的回波信号中筛选血压测量最准确的一组数据，计算得到血压值并作为输出，具体方法为：
所述信号处理模块对N个阵元的回波信号分别进行处理得到N条血管舒张-收缩过程曲线，计算每条血管舒张-收缩过程曲线中收缩压和舒张压的差值的绝对值ΔPi，i＝1,2,...N，从N个ΔPi中选择最大值所对应的血管舒张-收缩过程曲线作为血压测量最准确的一组数据，再根据该组数据计算出血压值并作为输出。
优选的是，通过血管的舒张-收缩过程曲线计算得到心跳的数据，具体方法为：计算血管舒张-收缩过程曲线的周期，用1分钟除以周期时间，即得到被测者一分钟的心跳次数。周期时间可以通过读出两个舒张或者两个收缩期时间间距得到。
优选的是，所述信号处理模块从N个阵元中，选择与血管对准的一个阵元的回波信号进行处理以计算得到检测结果，其中，选择与血管对准的阵元的方法为：
所述信号处理模块将N个阵元的回波信号的峰峰值进行比较，选择峰峰值最大的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号。
优选的是，选择与血管对准的阵元的方法中，记最大的峰峰值为Tmax，若峰峰值在Tmax-E至Tmax内有回波信号Kj，则对所有的回波信号Kj以及最大的峰峰值对应的回波信号KTmax再求包络，对脉冲长度进行比较，选出拖尾最短的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号，其中E为预先设定的一个阈值，E为常数。
优选的是，所述穿戴配件包括探头本体、开设在所述探头本体外周的环形固定凹槽、设置在所述探头本体底部的环形柔性边缘以及设置在所述探头本体上的电缆接口；
所述超声换能器设置在所述探头本体的底部且处于所述环形柔性边缘的中间；
所述电缆接口内设置有电缆，所述电缆的第一端与所述超声换能器连接，所述电缆的第二端与所述控制器连接。
本发明的有益效果是：
本发明的可穿戴超声监测装置，可以实时监测人体在日常生活中的血压，血流和心跳，对于监控和诊断高血压，心脏和心血管疾病有重要的临床意义。
本发明中，通过多个阵元换能器进行监测，提取对准血管的阵元的数据进行处理作为检测结果输出，能避免在佩戴过程中探头与人体之间的位移导致检测结果不准确的现象；
本发明的可穿戴探头可以让耦合液较好的保持在人体和换能器之间，结构简单，易于实施，长时间佩戴监测结果也不会出现明显衰减；
本发明的可穿戴超声监测装置结构简单，可操作性高，佩戴舒适，长时间佩戴也不会对患者造成负担；同时结合了心跳，血压和血流的监测，可以有效的监控被测人的生理状况，对日常活动中可能对健康状况有影响的情况做出预警，也能够对偶尔发生的症状进行监测，且佩戴舒适，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的可穿戴超声监测装置的原理框图；
图2为本发明的一种实施例中的血管舒张-收缩过程曲线的片段示意图；
图3为本发明的一种实施例中的超声换能器与被测血管的位置关系示意图；
图4为本发明的可穿戴探头的结构示意图。
附图标记说明：
1—可穿戴探头；2—控制器；3—电缆；10—超声换能器；11—穿戴配件；20—电源；21—超声发射接收电路；22—信号处理模块；23—数据存储模块；24—显示设备；100—探头本体；101—环形固定凹槽；102—环形柔性边缘；103—电缆接口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施例的一种可穿戴超声监测装置，包括：
可穿戴探头1，其包括穿戴配件11和设置在穿戴配件11上的超声换能器10；
以及控制器2，其包括电源20、超声发射接收电路21、信号处理模块22、数据存储模块23、显示设备24，
其中，超声发射接收电路21用于为超声换能器10提供激励发出超声波，以及接收携带组织信息的回波信号；超声换能器10将超声发射接收电路21发射的电激励信号转换为超声振动信号，发射给组织，并将组织返回的超声信号转换为电信号，传回至超声发射接收电路21；
信号处理模块22用于对超声发射接收电路21接收的回波信号进行处理，计算得到佩戴者的血压、心跳、血流速度信息。
其中，电源20，为整个装置供电。
其中，数据存储模块23用于存储信号处理模块22的处理结果，并可将该处理结果传输给其它设备以供分析。
其中，显示设备24提供用户交互界面，并显示该可穿戴超声监测装置的状态信息以及信号处理模块22计算得到的血压、心跳、血流速度信息。在优选的实施例中，显示设备24还可对装置的状态进行提示，例如，可穿戴探头1是否佩戴得当，以及对电量信息进行提醒等。
其中，穿戴配件11用以将超声换能器10固定在被测部位，并提供适当的声学耦合，以保证超声信号稳妥的传输进组织。可穿戴探头1和控制器2之间优选通过同轴电缆3相互连接，因为如使用无线的方式，可穿戴探头1的重量可能会较重(200g以内)。在日常使用时可穿戴探头1需要紧贴在被测位置，而控制器2可以夹在腰间或者放在口袋里。
其中，超声换能器10中包括有N个阵元，N≥2。阵元个数应在30个以内，如果超过可能导致电缆3线较粗，探头过重影响佩戴的舒适性，较优的可以选择10个阵元左右的换能器。
其中，信号处理模块22通过回波信号得到血流的多普勒频移，然后计算出血流速度。该方法为行业内的常规方法，此处不再赘述其原理。
其中，测量计算血压的方法为通过超声测试血管直径随时间的变化曲线得到，计算公式为：
其中，P(t)表示t时刻的血压，pd为舒张压，α为血管硬度系数，A(t)为t时刻测试到的血管横截面面积，Ad为血管舒张时的横截面面积；α通过测试的舒张压和收缩压计算获得，具体计算方法为；
其中，近似认为血管为正圆形，所以
d表示t时刻血管的直径。
α具体计算方法为：
其中Ad和As分别为心脏舒张和收缩时血管的横截面积，Pd和Ps分别为，心脏舒张压和收缩压。
本发明中，超声换能器10中包括多个阵元，阵元相对血管的位置不同，测量结果的准确性不同，所以需要从多个阵元中筛选出最为准确的数据进行处理分析。本实施例中，信号处理模块22从N个阵元的回波信号中筛选血压测量最准确的一组数据，计算得到血压值并作为输出，具体方法为：
信号处理模块22对N个阵元的回波信号分别进行处理得到N条血管舒张-收缩过程曲线，计算每条血管舒张-收缩过程曲线中收缩压和舒张压的差值的绝对值ΔPi，i＝1,2,...N，从N个ΔPi中选择最大值所对应的血管舒张-收缩过程曲线作为血压测量最准确的一组数据，再根据该组数据计算出血压值并作为输出。参照图2，为测量准确的血管舒张-收缩过程曲线的片段示意图。
其中，血管的舒张和收缩过程曲线对应心跳，通过血管的舒张-收缩过程曲线计算得到心跳的数据，具体方法为：计算血管舒张-收缩过程曲线的周期，用1分钟除以周期时间，即得到被测者一分钟的心跳次数。周期可以通过读出两个舒张或者两个收缩期时间间距得到。
在测量中，阵元与血管的中间位置对准才能得到准确的测试数据，为了保证测试的准确性，本发明使用的多个换能器进行排列，确保其中总有换能器能够得到准确的数据，然后通过算法筛选出，对准了血管的阵元的数据。具体的，本实施例中，采取了直线排列的方式，其使用时与被测血管位置关系示意图如图3。超声换能器10在穿戴时需要与被测血管形成一定的夹角，独立工作的阵元会持续对血管进行测试，而没对准血管中部的阵元的测试波形会出现明显的拖尾，幅度也会明显降低。据此可以筛选出对准血管的阵元的数据。
在一种优选的实施例中，选择与血管对准的阵元的方法为：
信号处理模块22将N个阵元的回波信号的峰峰值进行比较，选择峰峰值最大的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号。
在一种进一步优选的实施例中，选择与血管对准的阵元的方法中，如果存在几个与最大的峰峰值很接近的结果，则可按以下方法进一步筛选：记最大的峰峰值为Tmax，若峰峰值在Tmax-E至Tmax内有回波信号Kj，则对所有的回波信号Kj以及最大的峰峰值对应的回波信号KTmax再求包络，对脉冲长度进行比较，选出拖尾最短的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号，其中E为预先设定的一个阈值，E为常数。一般情况，峰峰值的筛选已经能够得到满意的结果。
如图3中所示，中间的阵元是对准的，只要对该阵元的数据进行处理即可，其它的阵元数据排除后不做处理。这样，由于在佩戴过程中由于人体活动，或者其它情况产生的超声换能器10与血管之间的位移，可以通过这种方法进行处理，只要通过算法找出对准的阵元即可。此处阵元之间的排列关系可以有很多种方式，可以曲线排列，三角，矩阵式等，此处使用直线阵，制作简单，且能达到较好的使用效果，此处较优的选择直线排列。
参照图4，在一种实施例中，穿戴配件11包括探头本体100、开设在探头本体100外周的环形固定凹槽101、设置在探头本体100底部的环形柔性边缘102以及设置在探头本体100上的电缆接口103；超声换能器10设置在探头本体100的底部且处于环形柔性边缘102的中间；电缆接口103内设置有电缆3，电缆3的第一端与超声换能器10连接，电缆3的第二端与控制器2连接。
环形柔性边缘102可以是硅橡胶，塑料等材料，这部分结构是用来使超声换能器10和组织间涂抹的耦合剂不会因为长时间的佩戴而流走。在优选的实施例中，超声换能器10的端面超出环形柔性边缘102一些，一般超出1～3mm左右，以保证超声换能器10与组织的紧密贴合。
环形固定凹槽101用于连接固定带，从而通过固定带佩戴在使用者的身体上。例如，通过柔性固定环套在环形固定凹槽101上，然后通过胶带或弹性绳固定在被测部位。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种可穿戴超声监测装置，其特征在于，包括：
可穿戴探头，其包括穿戴配件和设置在所述穿戴配件上的超声换能器；
以及控制器，其包括电源、超声发射接收电路、信号处理模块、数据存储模块、显示设备，
其中，所述超声发射接收电路用于为所述超声换能器提供激励发出超声波，以及接收携带组织信息的回波信号；所述超声换能器将所述超声发射接收电路发射的电激励信号转换为超声振动信号，发射给组织，并将组织返回的超声信号转换为电信号，传回至所述超声发射接收电路；
所述信号处理模块用于对所述超声发射接收电路接收的回波信号进行处理，计算得到佩戴者的血压、心跳、血流速度信息。
2.根据权利要求1所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，所述超声换能器中包括有N个阵元，N≥2。
3.根据权利要求1所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，所述显示设备提供用户交互界面，并显示该可穿戴超声监测装置的状态信息以及所述信号处理模块计算得到的血压、心跳、血流速度信息。
4.根据权利要求2所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，其中，所述信号处理模块通过回波信号得到血流的多普勒频移，然后计算出血流速度。
5.根据权利要求2所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，其中，测量计算血压的方法为通过超声测试血管直径随时间的变化曲线得到，计算公式为：
其中，P(t)表示t时刻的血压，pd为舒张压，α为血管硬度系数，A(t)为t时刻测试到的血管横截面面积，Ad为血管舒张时的横截面面积；α通过测试的舒张压和收缩压计算获得。
其中，
d表示t时刻血管的直径。
其中，α具体计算方法为：
其中的Ad和As分别为心脏舒张和收缩时血管的横截面积，Pd和Ps分别为，心脏舒张压和收缩压。
6.根据权利要求5所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，所述信号处理模块从N个阵元的回波信号中筛选血压测量最准确的一组数据，计算得到血压值并作为输出，具体方法为：
所述信号处理模块对N个阵元的回波信号分别进行处理得到N条血管舒张-收缩过程曲线，计算每条血管舒张-收缩过程曲线中收缩压和舒张压的差值的绝对值ΔPi，i＝1,2,...N，从N个ΔPi中选择最大值所对应的血管舒张-收缩过程曲线作为血压测量最准确的一组数据，再根据该组数据计算出血压值并作为输出。
7.根据权利要求6所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，通过血管的舒张-收缩过程曲线计算得到心跳的数据，具体方法为：
计算血管舒张-收缩过程曲线的周期，用1分钟除以周期时间，即得到被测者一分钟的心跳次数，周期时间通过读出两个舒张或者两个收缩期时间间距得到。
8.根据权利要求2所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，所述信号处理模块从N个阵元中，选择与血管对准的一个阵元的回波信号进行处理以计算得到检测结果，其中，选择与血管对准的阵元的方法为：
所述信号处理模块将N个阵元的回波信号的峰峰值进行比较，选择峰峰值最大的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号。
9.根据权利要求8所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，选择与血管对准的阵元的方法中，记最大的峰峰值为Tmax，若峰峰值在Tmax-E至Tmax内有回波信号Kj，则对所有的回波信号Kj以及最大的峰峰值对应的回波信号KTmax再求包络，对脉冲长度进行比较，选出拖尾最短的一个回波信号作为与血管对准的阵元的回波信号，其中E为预先设定的一个阈值，E为常数。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的可穿戴超声监测装置，其特征在于，所述穿戴配件包括探头本体、开设在所述探头本体外周的环形固定凹槽、设置在所述探头本体底部的环形柔性边缘以及设置在所述探头本体上的电缆接口；
所述超声换能器设置在所述探头本体的底部且处于所述环形柔性边缘的中间；
所述电缆接口内设置有电缆，所述电缆的第一端与所述超声换能器连接，所述电缆的第二端与所述控制器连接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115005870A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-06 | 首都医科大学宣武医院 | 一种综合检测装置 |
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2021
- 2021-06-25 CN CN202110711453.5A patent/CN113491538A/zh active Pending
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