CN204744109U - 一种基于加速度计的咳嗽判别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于加速度计的咳嗽判别系统，包括加速度计、电子封装件、麦克风、录音存储器和用于判别咳嗽的PC机，所述加速度计贴于人胸骨上切迹位置，并通过导线连接电子封装件，所述麦克风设于人衣领位置，并通过导线连接录音存储器，所述PC机分别与电子封装件和录音存储器相连接。与现有技术相比，本实用新型利用加速度计采集的咳嗽震动信号剔除明显的非咳嗽时间片段，实现精准地判别咳嗽，具有结构简单、佩戴方便、长时间稳定运行、精度高等优点。

Description

一种基于加速度计的咳嗽判别系统

技术领域

本实用新型涉及医疗设备监测技术领域，尤其是涉及一种基于加速度计的咳嗽判别系统。

背景技术

咳嗽作为呼吸疾病的常见症状，严重影响人们的生活质量。此外，其他类型的疾病也可能引起咳嗽。咳嗽包含丰富的健康信息，如病因、病程等。分析咳嗽包含的信息，对辅助疾病的医疗诊断有着重大的意义和巨大的价值。而目前临床上多是通过医生询问病人，病人主观判断并回忆其咳嗽的频率、时间段、强度等信息。病人的回答严重依赖于其个人的主观判断，且可能随着时间的推移而回忆不清。咳嗽中包含的病因、病程变化等更多信息也无法得知。发明一套便捷、经济、有效的自动化咳嗽判别系统将有助于咳嗽的客观化记录、量化判别、病程进展分析及潜在信息的发掘。对提高医生临床诊断的正确率和效率有着重要的支持作用。一套完整的自动化咳嗽判别系统在医疗领域有着非常重要的价值。

目前，唯一投入商用的咳嗽判别系统只有美国Karmelsonix公司的CoughCOUNT^TM。该系统包括一个音频麦克风、二个接触式麦克风、一个胸带。显然该系统装置较大、较复杂，不适宜24小时佩戴。该系统在检测实验中也仅仅是针对健康人员的模拟咳嗽，时长仅有2小时。其在便捷性、采集时长、实用能力等多方面仍有一定的局限性。

建立咳嗽判别系统的第一步是采集咳嗽样本。采集时可用的传感器有心电图、热敏电阻、胸带、加速度计、音频麦克风、接触式麦克风等。实验表明，就单一的传感器比较而言，在音频麦克风采集的音频信号上进行咳嗽判别的综合性能最好。音频麦克风因此被广泛使用于咳嗽判别系统中。样本采集存储后需进行预处理、特征提取、特征选择、判别系统建立。以音频麦克风为单一传感器采集的音频样本，在训练判别模型前需由专业人员进行人工标注，以定位和判别其中的咳嗽片段。一个病人一天采集的样本时长有24小时，每一段音频样本需要至少二人对其进行严格的标注和检查，人均耗时超过30小时，因此人工标注是一件耗时耗力的工作。并且长时间听取录音会造成听觉疲劳，导致咳嗽信息遗漏。不仅如此，不同人对于咳嗽的起止端点判定受主观因素的影响，即使同一个人在面对大量数据时也难以保持稳定的标准。另外样本音频信号中经常会存在疑似咳嗽，仅参考麦克风信号没有样本对比难以区分疑似咳嗽。这些都给人工标注结果的可靠性带来了巨大的挑战。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于加速度计的咳嗽判别系统，利用加速度计采集的咳嗽震动信号剔除明显的非咳嗽时间片段，大大减少标注时间、事件遗漏和数据量，实现精准地判别咳嗽，具有结构简单、佩戴方便、长时间稳定运行、精度高等优点。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于加速度计的咳嗽判别系统包括加速度计、电子封装件、麦克风、录音存储器和用于判别咳嗽的PC机，所述加速度计贴于人胸骨上切迹位置，并通过导线连接电子封装件，所述麦克风设于人衣领位置，并通过导线连接录音存储器，所述PC机分别与电子封装件和录音存储器相连接。

所述电子封装件包括外壳以及封装于外壳内的电路板，所述电路板包括依次连接的放大电路、微处理器和加速度存储卡，所述放大电路连接加速度计，所述加速度存储卡连接PC机。

所述录音存储器包括相互连接的模数转换器和录音存储卡，所述模数转换器连接麦克风，所述录音存储卡连接PC机。

所述加速度计通过胶布贴于人胸骨上切迹位置。

所述PC机通过USB数据线分别与电子封装件和录音存储器相连接。

所述导线上设有导线长度调节转盘。

所述加速度和电子封装件连接有用于提供24小时电源的9V供电元件。

所述麦克风和录音存储器连接有用于提供24小时电源的锂电池。

所述加速度计采用BU-1771型加速度计。

所述PC机连接有显示器和打印机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型采用加速度计可以很好地采集由咳嗽带来的震动信号，PC机通过对比加速度计与麦克风波形图，剔除明显的非咳嗽时间段，同时方便区分噪音，准确地提取咳嗽时段，实现咳嗽的判别，克服人工标记耗时耗力的缺点，减少遗漏、错标概率。

2)区别于一般语音识别采集系统，本实用新型采用单一的麦克风，建立针对咳嗽判别的系统，且能长时间采集记录信号，结构简单，实现方便。

3)本实用新型电子封装件和录音存储器体积小、轻巧、佩戴便捷，且导线可调，不影响被测者正常生活。

4)本实用新型通过设置相应电源，可24小时长时间进行数据的采集，通过采集到大量的监测数据进行咳嗽的判别，保证数据处理的精准。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为胸骨上切迹示意图；

图3为加速度计和麦克风佩戴位置示意图；

图4为加速度计采集数据的时域图；

图5为麦克风采集数据的时域图；

图6为人工标注的咳嗽检测图。

图中：1、加速度计，2、电子封装件，3、麦克风，4、录音存储器，5、PC机，21、放大电路，22、微处理器，23、加速度存储卡，41、模数转换器，42、录音存储卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图3所示，一种基于加速度计1的咳嗽判别系统包括加速度计1、电子封装件2、麦克风3、录音存储器4和用于判别咳嗽的PC机5，加速度计1通过胶布贴于人胸骨上切迹位置，其中人胸骨上切迹位置如图2所示，并通过导线连接电子封装件2，麦克风3设于人衣领位置，并通过导线连接录音存储器4，PC机5分别与电子封装件2和录音存储器4相连接并读取数据。导线上设有导线长度调节转盘，电子封装件2与录音存储器4放在衣服口袋中，导线长度可调节。加速度和电子封装件2连接有用于提供24小时电源的9V供电元件。麦克风3和录音存储器4连接有用于提供24小时电源的锂电池。PC机5连接有显示器和打印机，用于图形显示与打印。

其中，加速度计1采用Knowles电子的BU-1771型加速度计(生产公司KnowlesElectronicsCo.，Itasca，Illinois，USA)，精度高，适于长时间进行稳定工作。电子封装件2是11.4cm×6.7cm×2.2cm大小的设备，包括外壳以及封装于外壳内的电路板，电路板包括依次连接的放大电路21、微处理器22和加速度存储卡23，放大电路21连接加速度计1，加速度存储卡23通过USB数据线连接PC机5。在这里加速度计1采集的信号先进行放大，再经过微处理器22进行AD转换，最后被存储在加速度存储卡23中。该加速度存储卡23有1G内存，且可拓展存储。含9V供电元件使用，可存储24小时的信息。

录音存储器4包括相互连接的模数转换器41和录音存储卡42，模数转换器41连接麦克风3，录音存储卡42通过USB数据线连接PC机5。本实施例中，麦克风3的录音存储器4采用最新的SONYICD-TX650，该部件存储容量达16G，质量仅29克，且满足24小时录音要求。来自麦克风3的音频信号经模数转换后转化为数字信号存入录音存储卡42，采集完毕后，将它转移到PC机5上。

根据生物学的描述，咳嗽会引起支气管和肺部组织的振动，支气管位于胸骨上切线位置，支气管的振动会带动胸骨上切线振动。不同强度的咳嗽以及不同病因的咳嗽都会产生不同类型的振动。因此可将对振动敏感的加速度计1贴于胸骨上切线位置采集咳嗽样本信号。并且胸骨上切线位置不会对典型的日常活动造成不适与干扰。同时配合音频麦克风3的正常使用：将麦克风3佩戴在衣服领口处。加速度计1的优点主要表现：

1)由于其对振动的敏感性，加速度计1可以很好地记录咳嗽片段，波形图表现为快速而又明显的震荡；而在平时交谈的语音段和夜间睡眠时段对应波形图表现为零或者小振幅的轻微震荡。因此可初步区分咳嗽时段和非咳嗽时段。

2)有实验表明加速度计1与麦克风3记录咳嗽的一致性相关性高达99.8％，因此加速度计1可以很好地辅助麦克风3查找标注咳嗽信号。

3)为保证准确提取咳嗽时段，需要对来自麦克风3的音频信号进行人工分类，来自加速度计1的数据起到了分类的辅助作用，降低了对参与分类人员的要求。

4)方便区分噪音，如笑声、说话、清嗓、他人咳嗽，帮助解决疑似咳嗽问题。并且能够避免人体运动对其造成的影响。

5)时域图中波形对于咳嗽表现为图形上下起伏震荡，对于语音部分、噪音部分表现平缓，一目了然。

6)体积小，电子封装件2比一个硬币还要小，不影响被测者正常生活。

工作过程：

1)信号采集：麦克风3与加速度计1同时开启，同步采集信号并记录保存。麦克风3和加速度并不会影响被测者的正常生活。夜间休息时，麦克风3可固定在被测者睡衣衣领或者接近床头的位置，加速度计1依旧在胸骨上切线位置固定。信号采集时间为24小时，记录被测者正常起居生活一天内的咳嗽。采集结束后通过数据线将内存卡内数据读取保存在PC机5中，设备数据清除后可重复使用。则二种传感器所采集信号完整地存储在PC机5存储板块。同一个被测者文件夹下含有二份原始数据，一份来自加速度计1，一份来自音频麦克风3，数据内容一致，形式不同。

2)信号处理：

21)PC机5接收加速度计1信号和麦克风3信号后，获得各自时域图，分析时域图波形。对比加速度计1的时域图后便可消除掉很多非咳嗽时间段的麦克风3数据。实现消除原24小时录音数据中的绝大多数的非咳嗽数据。另外添加加速度计1是为了增加人工标注的便利性，但不想因此丢失咳嗽的起始。

22)改变以往整个录音完整地听取从中标注出咳嗽事件的方法，直接从步骤21)处理后的音频样本，标注咳嗽事件，明确咳嗽起始点。因此可将原本需要听取24小时的时间减少到几小时，甚至几十分钟。

23)判别系统训练和建立。最终得到训练好的咳嗽判别系统便可投入使用，记录被测者一天的咳嗽量，且可重复使用。

其中，图4是加速度计1的时域图部分内容，图5是相同时间段内的麦克风3时域图。对比后可以发现加速度时域图45s—48s振幅(amplitude)显示平滑，没有振动起伏，则可直接删除对应的音频麦克风3数据中45s—48s的信息。对比图6的人工标注的咳嗽，可以发现45s—48s的确是非咳嗽片段。又由于一次咳嗽的时间通常在550ms内，即使是很严重的喉咙、肺、支气管患者，单次咳嗽的时间也在1000ms左右。因此长时间连续振动片段也可以删除，如30s—32s。

因此，通过对加速度计1的时域图对比可直接剔除非振动片段，从而达到剔除大部分明显的非咳嗽片段的目的。另一方面也移除了他人的咳嗽，因为他人的咳嗽对于测试者没有任何作用，反而会干扰对于测试者的健康分析。将音频麦克风3所采集的信号对应的加速度计1中非咳嗽时间段信息直接消除，保留有用信息。对于保留下来的音频信号再进行进一步的预处理、特征提取、特征选择、分类模型训练。这将减少很多的无用数据量，同时也减少了计算机的运算时间。从一定程度上来说，因为原本被消除的信息中包含大量的非咳嗽、他人咳嗽、疑似咳嗽，这也将增加系统检测咳嗽的正确率、减少误诊率，解决类别不均衡问题。

Claims (10)

1.一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，包括加速度计、电子封装件、麦克风、录音存储器和用于判别咳嗽的PC机，所述加速度计贴于人胸骨上切迹位置，并通过导线连接电子封装件，所述麦克风设于人衣领位置，并通过导线连接录音存储器，所述PC机分别与电子封装件和录音存储器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述电子封装件包括外壳以及封装于外壳内的电路板，所述电路板包括依次连接的放大电路、微处理器和加速度存储卡，所述放大电路连接加速度计，所述加速度存储卡连接PC机。

3.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述录音存储器包括相互连接的模数转换器和录音存储卡，所述模数转换器连接麦克风，所述录音存储卡连接PC机。

4.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述加速度计通过胶布贴于人胸骨上切迹位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述PC机通过USB数据线分别与电子封装件和录音存储器相连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述导线上设有导线长度调节转盘。

7.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述加速度和电子封装件连接有用于提供24小时电源的9V供电元件。

8.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述麦克风和录音存储器连接有用于提供24小时电源的锂电池。

9.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述加速度计采用BU-1771型加速度计。

10.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的咳嗽判别系统，其特征在于，所述PC机连接有显示器和打印机。