CN115500839A - 穿戴式身体音讯撷取装置及相应监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种穿戴式身体音讯撷取装置，包括：声音感测装置，用于收集身体的身体音讯；心电感测装置，用于收集身体的心电讯号；处理单元，由电源供电且耦合该声音感测装置以及该心电感测装置，对所述讯号进行数据预处理，以去除背景噪音。设置于该外部计算电子装置对馈入的预处理心电讯号和心音频号进行数据分析和处理；结合使用者的生理参数病史数据进行特征提取，获得特征向量；将该特征向量输入筛查模型，得到一个评估值，并给出相应的建议；筛查后的使用者可以将验证结果上传至该云端数据库，扩充现有的训练样本对该筛查模型的参数进一步优化。

Description

穿戴式身体音讯撷取装置及相应监控系统
技术领域
本发明涉及一种经由移动装置监控人体生理活动的装置以及系统，特别是一种穿戴式身体音讯撷取装置及相应监控系统。
背景技术
听诊器是一种通过检测声音来诊断器官活动情况的仪器，电子听诊器是通过将听头置于被测生物体的相应部位采集心肺等器官活动的声音，将这些声音转换为电讯号，经过放大后，直接由扬声器发出声音，以使医生或相关人员根据相应的声音讯号确定病因或病灶，做出正确诊断。
心跳周期中，心肌收缩、瓣膜启闭、血液加速和减速对心血管的加压和减压作用以及行程的涡流等因素引起的机械震动，可以通过周围组织传递到胸壁，将探测装置放在胸壁某些区域，就可听到声音，称为心音。心脏某些异常活动可以产生杂音或其他异常心音。因此，听取心音或记录心音图(phonocardiogram,PCG)能够有效弥补心脏听诊的不足。
心脏衰竭是全球盛行的公共健康问题，对整体医疗成本构成巨大负担。近年来，随着人们对于健康的关注增加，借由从数小时到数个月之长时间纪录分析生理信息，监控日常生活中的身心状态的健康管理方法开始普及。
就取得人们的生理信息而言，其包含心跳率或R-R间隔、心电波形、步数、活动量、身体加速度等，借由将这些生理信息于日常生活中进行监控，可以有效运用于健康的改善、或是疾病的早期发现等。基于以上，本发明于是生焉。
发明内容
微机电系统(MEMS)可应于穿戴装置，MEMS具备四大优势成为穿戴装置发展得以蒸蒸日上的重要因素，包含MEMS传感器小尺寸、低功耗、低成本与硬件整合与嵌入式功能等优点。拜MEMS组件技术的进步，使得各式传感器能够轻松嵌入到手持式、装置穿戴式装置之中，使科技应用无所不在。
相较于传统的听诊装置，将MEMS传感器小尺寸、低功耗、低成本与硬件整合的嵌入式功能的电子式听诊装置可以提供小型化可穿戴式的功能，其能结合物联网以及云端分析的特性，用于长时间纪录分析生理信息，监控日常生活中的身心状态的健康管理，或者能够检测生命体征，预测紧迫危急的健康风险。
基于所述目的，本发明至少提出能够解决现有技术存在的缺失，提出一种穿戴式身体音讯撷取装置，例如穿戴式听诊装置及相应监控系统。
穿戴式身体音讯撷取装置，例如穿戴式听诊装置，包括：声音感测装置，用于收集身体音讯；心电感测装置，用于收集身体的心电讯号；处理单元，由电源供电且耦合该声音感测装置以及该心电感测装置，用于对收集到的该身体音频以及该心电讯号进行数据预处理，以去除背景噪音；以及其中该声音感测装置系嵌入式微机电系统(MEMS)声音传感器。
以一实施例而言，所述微机电系统(MEMS)声音传感器是基于微机电系统(MEMS)技术的电容式声音感测装置。
以一实施例而言，所述电容式声音感测装置是通过其标称电容值的变化来检测声压。
以一实施例而言，所述处理单元包括：滤波器，电性连接所述声音感测装置以及所述心电感测装置，用于接收来自该声音感测装置的该身体音频及该心电讯号并对其进行滤波；讯号放大器，电性连接该滤波器，用于放大滤波后的该身体音频及该心电讯号；模拟数字转换器，电性连接该滤波器，用于将滤波与放大后的该身体音频及该心电讯号转换为数字化身体音频及数字化心电讯号；微处理器，电性连接该模拟数字转换器，用于接收该数字化身体音频及该数字化心电讯号并对其进行运算处理以获得去背景噪音且稳定的预处理心电讯号和预处理身体音讯；及其中该微处理器可以执行指令储存单元将该预处理心电讯号和该预处理心音讯号储存于与该微处理器电连接的储存单元中，或是经由与该微处理器电连接的无线传输模块将所述讯号发送至外部移动装置做进一步分析。
以一实施例而言，所述外部移动装置为智能型手机。
一种穿戴式身体音频撷取装置的监控系统，包括：穿戴式身体音讯撷取装置；外部计算电子装置，通讯地耦合该穿戴式身体音讯撷取装置，用于获取所述预处理心电讯号和所述预处理身体音讯；以及云端数据库，通讯地耦合该外部计算电子装置；其中，设置于该外部计算电子装置中的处理器被配置为执行储存于该外部计算电子装置中的储存单元的指令，该处理器执行的操作包括：对馈入的该预处理心电讯号和该预处理身体音频进行数据分析和处理以获得相应的身体音频数据和心电数据；将该身体音频数据和该心电数据结合使用者的生理参数病史数据进行特征提取，获得特征向量；将该特征向量输入筛查模型，即可得到一个评估值，并给出相应的建议；筛查后的使用者可以将验证结果上传至该云端数据库，扩充现有的训练样本对该筛查模型的参数进一步优化。
以一实施例而言，所述外部计算电子装置为智能型手机。
以一实施例而言，所述外部计算电子装置为云端服务器。
以一实施例而言，所述筛查模型为根据比较病患与正常人之间的相关生理参数所建构的算法。
以一实施例而言，所述算法为该外部计算电子装置可执行的演算程序或应用程序。
附图说明
本发明的组件，特征和优点可以通过说明书中所概述的较佳实施例的详细描述和附图来理解：
图1显示根据本发明所提出的系统架构。
图2显示根据本发明所提出的穿戴式听诊装置的功能方块图。
图3显示根据本发明的一个实施例所提出的移动装置的处理系统或作为云端服务器执行的计算系统上运行的处理系统的范例。
图4显示根据本发明的一个实施例所提出的心因性疾病筛查的流程图。
主要组件符号说明：
系统架构100 穿戴式身体音讯撷取装置101
移动装置103 云端服务器105
云端数据库107 ECG感测装置121
MEMS声音感测装置123 微处理器125
储存单元127 无线传输模块129
天线129a 讯号放大器133
滤波器131 模拟数字转换器(ADC)135
电池组137 电源管理单元139
处理单元125a 处理系统200
处理器201 无线收发装置203
影像撷取装置205 显示器207
键盘区209 储存单元211
蓝牙模块213 近场通讯(NFC)模块215
I/O装置217 预处理心电讯号401
预处理身体音讯401a 步骤403、405、407、409、411、413、415
具体实施方式
现在将更详细地描述本发明的一些较佳实施例。然而，应该认识到，提供本发明的较佳实施例是为了说明而不是限制本发明。另外，除了明确描述的那些实施例之外，本发明还可以在广泛的其他实施例中实施，除非在所附权利要求中指定，否则本发明的范围不受明确限制。
本发明提出一种结合MEMS传感器的穿戴式身体音讯撷取装置，例如穿戴式听诊器，其结合嵌入式MEMS感测系统以及无线传输(例如，蓝牙或Wi-Fi等无线传输方式)，作为随身的身体音频搜集装置，其可以与物联网连结。搜集到的个人心音、肺音、腹音、胎儿音、以及心电信息或其他生理数据可以被传输及储存于云端服务器。
图1显示实现所述装置的系统架构100，其包括一穿戴式身体音讯撷取装置101可与移动装置103进行通信，例如智能型手机等。由穿戴式听诊装置(亦即，穿戴式身体音讯撷取装置)101所搜集到的数据，例如个人心音、肺音、腹音、胎儿音、心电信息或其他生理数据，可以通过无线传输由移动装置103接收并经由网络上传至云端服务器105，在云端服务器中，数据将被储存至云端数据库107中。所述系统还包括安装在移动装置103上的应用程序，该应用程序包括在穿戴式听诊装置101、移动装置103和云端服务器105之间接收和发送数据的指令。所述应用程序可基于Android、Windows 10或iOS平台，其还可以将讯号上传到云端服务器105以进行储存和/或运算处理。
所述系统架构100能够通过移动装置103连续监控心脏的电和机械活动，在云端服务器105中储存数据，以及在移动装置103或/云端服务器105上执行可执行的演算程序用于例如，执行检测心脏异常的算法、对ECG讯号特征的提取。
所述穿戴式身体音讯撷取装置101为一种具有嵌入式MEMS系统的穿戴式听诊器，其功能方块图如图2所示。该穿戴式身体音讯撷取装置101能够分别通过多个心电(ECG)感测装置121和MEMS声音感测装置123从人体获得心电讯号和身体音频，并且可以被构造为用于监控生理数据和远程诊断的听诊装置。以一实施例而言，MEMS声音感测装置123可以是基于MEMS技术的电容式的声音感测装置通过其标称电容值的变化来检测声压(身体音讯)。以一实施例而言，所述ECG感测装置由三个电极(正、负及接地)的三导联心电导线来探测心电(ECG)讯号。该穿戴式身体音讯撷取装置101可以接收和发送数据，执行软件应用，其包括微处理器、储存单元、无线传输模块。所述的ECG感测装置121和MEMS声音感测装置123可以分别或同时植入到本发明的穿戴式听诊装置(穿戴式身体音讯撷取装置)101。
微处理器125可以是微控制器、数字信号处理器(DSP)、应用专用集成电路(ASIC)、可程序逻辑电路或执行指令以根据本发明执行处理运算的其他数字数据处理装置。微处理器125可以执行储存于储存单元的各种应用程序。
储存单元127可以包括只读存储器(ROM)、随机存取内存(RAM)、电可抹除可程序ROM(EEPROM)、闪存或一般用于计算机的任何内存。
无线传输模块129连接至天线129a，天线129a被构造为通过无线通信通道发送输出数据和接收输入数据。无线电信通道可以为数字无线电信通道，例如WiFi、Bluetooth、RFID、NFC、3G/4G/5G或任何其他未来的无线通信接口。
所述通过多个ECG电极121和MEMS声音感测装置123从人体获得心电讯号和身体音频，经由滤波器131过滤噪声再由讯号放大器133放大讯号。经滤波和放大后的心电讯号和身体音频通过一模拟数字转换器(ADC)135，将模拟讯号转为数字讯号然后由微处理器125进行运算处理以获得去背景噪音(de-noising)且稳定的心电讯号和身体音频。微处理器125可以通过指令或程序将所述去背景噪音(de-noising)且稳定的心电讯号和身体音频储存于储存单元中，或是经由无线传输模块129发送所述讯号至移动装置，例如智能型手机做进一步分析。
电池组137则为穿戴式身体音讯撷取装置101提供电力，并可以配合电源管理单元139优化电力运用。
所述的讯号放大器133、滤波器131、模拟数字转换器135以及微处理器125可以整合为一集成电路(integrated circuit,IC)作为穿戴式听诊装置101的处理单元125a。
图3显示移动装置103的处理系统200或作为云端服务器105执行的计算系统上运行的处理系统200的范例。具体而言，处理系统200表示移动装置101中的处理系统或是作为云端服务器105(图1)执行的计算系统，所述云端服务器105(或是移动装置)执行指令以进行根据本发明实施例进行的运算处理，例如以先前所描述的执行检测心脏异常的算法、对ECG讯号特征的提取。本领域技术人员应当理解到，在不脱离本发明的精神下，所述指令可以作为硬件、软件或韧体来存储和/或执行。此外，本领域技术人员应当理解到，每个处理系统的确切配置可以不同，图3所示的处理系统200仅作为范例。
处理系统200包括处理器201、无线收发装置203、影像撷取装置205、显示器207、键盘区209、储存单元211、蓝牙模块213、近场通讯(NFC)模块215和I/O装置217。
无线收发装置203、影像撷取装置205、显示器207、键盘区209、储存单元211、蓝牙模块213、近场通讯(NFC)模块215、I/O装置217和任何数量的其他周边装置连接至微处理器201，以与处理器201交换数据，用于处理器执行的应用程序中。
无线收发装置203连接至天线，其被构造为通过无线电信信道发送输出语音和数据讯号以及接收语音和数据讯号。以一实施例而言，无线电信通道可以为数字无线电信通道，例如WiFi、Bluetooth、RFID、NFC、3G/4G/5G或任何其他未来的无线通信接口。
影像撷取装置205是能够撷取静止和/或运动影像的任何装置，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合传感器型相机。显示器207从处理器201接收显示数据并在屏幕上显示影像以供使用者观看。显示器207可以是液晶屏幕显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)显示器。键盘区209接收输入使用者输入并将输入发送到处理器201。于一实施例中，显示器207可以是用作键盘区209以接收使用者输入的触控敏感表面。
储存单元211是向处理器201发送和从处理器201接收数据并将数据储存的装置。储存单元211可以包括非挥发性内存，例如只读存储器(ROM)，其储存所需的指令和数据以操作处理系统的个别子系统并于启动时引导系统。本领域技术人员应当理解到，可以使用任意数量的内存来执行该功能。储存单元211还可以包括挥发性内存，例如随机存取内存(RAM)，其储存处理器201执行用于运算处理(诸如提供根据本发明的系统所需的运算处理)的软件指令所需的指令和数据。本领域技术人员应当理解到，任何类型的内存都可作为挥发性内存，并且所使用的切确类型留给本领域技术人员作为设计选择。
蓝牙模块213是允许处理系统200基于蓝牙技术标准与诸如穿戴式听诊装置101的类似装置建立通讯的模块。近场通讯(NFC)模块，允许穿戴式听诊装置101与另一类似的装置通过两者靠在一起或接近来建立无线通信的模块。
可连接到处理器201的其他周边装置包括全球定位系统(GPS)和其他定位收发器。
处理器201为处理器、微处理器或处理器和微处理器的任何组合，其执行根据本发明的执行处理运算指令。处理器201能够执行储存在储存单元中的各种应用程序。这些应用程序可以经由具有触控屏幕的显示器207或直接由键盘区209接收使用者的输入。储存在储存单元211中的一些可由处理器201执行的应用程序可以是由UNIX、Android、iOS、Windows、Blackberry或其他平台所开发的应用程序。
由于身体音讯，例如心音能有效地反映心脏，尤其是瓣膜活动、血液流动状况，例如，房室瓣的关闭是产生第一心音的主要因素，半月瓣关闭时产生第二心音的主要成分。许多心血管疾病，尤其是瓣膜类疾病，心音都是重要的诊断信息，因此在临床上应用非常广泛。
心音分段是建立心因性疾病筛查决策系统的基础和前提，其目的是定位心音的主要成分(第一心音S1、收缩期、第二心音S2及舒张期)，为特征提取与模式辨别提供定位基准。可以说，分段的准确与否，直接影响到决策系统的成败。心电讯号可以作为心音分段的参考讯号，心电讯号的R波与心音讯号的S1、S2在时间上存在匹配关系。
如图2所示的穿戴式身体音讯撷取装置101，通过多个ECG感测电极121和MEMS声音感测装置123从使用者获得其心脏的心电讯号和身体音频(包括心音频号)。
根据一个实施例，多个ECG感测电极121和MEMS声音感测装置123的输出端经由讯号放大器、滤波器和模拟数字转换器的处理，将已经去背景噪音及数字化的心电讯号和身体音频储存于穿戴式听诊装置101的储存单元中。
以一实施例而言，由穿戴式身体音频撷取装置101的储存单元中所储存的数字化的心电讯号和身体音频可以经由无线传输方式将其发送至移动装置103的处理系统200或作为云端服务器105执行的计算系统上运行的处理系统200进行保存和进一步处理、分析。
以一实施例而言，心因性疾病筛查的流程如图4所示，处理系统200(参考图3)的处理器(可以是移动装置，例如智能型手机/或是云端服务器等外部计算电子装置的设置的处理器)被配置为执行储存于该外部计算电子装置中的储存单元的指令，处理器执行的操作包括：对馈入的已去背景噪音的预处理心电讯号401a和身体音频401进行数据分析和处理，以获得相应的身体音频数据和心电数据(步骤403)；将身体音频数据中的心音数据和心电数据结合使用者生理参数病史数据进行特征提取(步骤405)，获得特征向量(步骤407)；将所述特征向量输入筛查模型(步骤409)，即可得到一个评估值(判定结果，步骤411)，并给出相应的建议；筛查后的使用者可以将验证结果上传至一远程数据库(步骤413)，扩充现有的训练样本(机器学习，步骤415)对筛查模型的参数进一步优化。
以一实施例而言，所述筛查模型为根据比较病患与正常人之间的相关生理参数所建构的算法。
以一实施例而言，所述的算法为该外部计算电子装置可执行的演算程序或应用程序。
以一实施例而言，该外部计算电子装置可以是移动装置(例如，智能型手机)或是云端服务器。
在另一实施例中，所述的穿戴式心电装置，包括：心电感测装置，用于收集身体的心电讯号；处理单元，由电源供电且耦合心电感测装置，用于对收集心电讯号进行数据预处理，以去除背景噪音；以及传输模块，将所得的讯号传到车载身份辨识系统，以利于防止未经授权侵入或使用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明及其效益进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，该装置包括：
声音感测装置，用于收集身体的身体音讯；
心电感测装置，用于收集身体的心电讯号；
处理单元，由电源供电且耦合该声音感测装置以及该心电感测装置，用于对收集到的该身体音频以及该心电讯号进行数据预处理，以去除背景噪音；以及
其中该声音感测装置为嵌入式微机电系统(MEMS)声音传感器。
2.根据权利要求1所述的穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，所述的微机电系统(MEMS)声音传感器是基于微机电系统(MEMS)技术的电容式声音感测装置。
3.根据权利要求2所述的穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，所述的电容式声音感测装置是通过其标称电容值的变化来检测声压。
4.根据权利要求1所述的穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，所述的处理单元包括：
滤波器，电性连接所述声音感测装置及所述心电感测装置，用于接收来自该声音感测装置的身体音频及该心电讯号并对其进行滤波；
讯号放大器，电性连接该滤波器，用于放大滤波后的该身体音频及该心电讯号；
模拟数字转换器，电性连接该讯号放大器，用于将滤波与放大后的该身体音频及该心电讯号转换为数字化身体音频及数字化心电讯号；
微处理器，电性连接该模拟数字转换器，用于接收该数字化身体音讯及该数字化心电讯号并对其进行运算处理以获得去背景噪音且稳定的预处理心电讯号和预处理身体音讯；及
其中该微处理器可以执行指令储存单元将该预处理心电讯号和该预处理心音讯号储存于与该微处理器电连接的储存单元中，或是经由与该微处理器电连接的无线传输模块将所述讯号发送至外部计算电子装置做进一步分析。
5.一种穿戴式身体音频撷取装置的监控系统，其特征在于，该系统包括：
根据权利要求1至4中任何一项所述的穿戴式身体音讯撷取装置；
外部计算电子装置，与该穿戴式身体音讯撷取装置耦合，用于获取所述预处理心电讯号和所述预处理身体音讯；以及
云端数据库，与该外部计算电子装置耦合。
6.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述外部计算电子装置为智能型手机或云端服务器。
7.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，设置于该外部计算电子装置中的处理器被配置为执行储存于该外部计算电子装置中的储存单元的指令，该处理器执行的操作包括：
对馈入的该预处理心电讯号和该预处理身体音频进行数据分析和处理以获得相应的身体音频数据和心电数据；
将该身体音频数据中的心音数据和该心电数据结合使用者的生理参数病史数据进行特征提取，获得特征向量；
将该特征向量输入筛查模型，即可得到一个评估值，并给出相应的建议；
筛查后的使用者可以将验证结果上传至该云端数据库，扩充现有的训练样本对该筛查模型的参数进一步优化。
8.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述的筛查模型为根据比较病患与正常人之间的相关生理参数所建构的算法。
9.一种穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，该装置包括：
心电感测装置，用于收集身体的心电讯号；
处理单元，由电源供电且耦合该心电感测装置，用于对收集到的该心电讯号进行数据预处理；以及
传输模块，将该心电讯号传输至一外部装置，作为身份辨识。
10.根据权利要求9所述的穿戴式身体音讯撷取装置，其特征在于，所述的外部装置为车载身份辨识系统。
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