CN210354696U - 生物振动信号监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种生物振动信号监测装置，其包括：具有开口的壳体；安装于壳体的开口处且覆盖开口的膜片；安装于壳体的腔体内的电路板；安装于壳体的腔体内的振动传感器；振动传感器包括：变形臂，其一端固定于壳体的腔体内，另一端与膜片接触；弯曲度检测器，安装于变形臂。生物体发出生物振动信号导致变形臂受迫振动而产生形变，弯曲度检测器检测到该振动造成的形变，即振动能量传递给膜片后直接带动振动传感器的变形臂弯曲，没有空气的两次能量传递界面损失，能量传递效率高，检测灵敏度高。另外，上述结构的振动传感器只响应固体接触振动，对空气中的噪声不响应，从而避免了空气噪声对监测结果的干扰，提高了其振动传感器的检测精度。

Description

生物振动信号监测装置

技术领域

本实用新型属于生物振动信号检测技术领域，具体涉及一种生物振动信号监测装置。

背景技术

生物振动信号包括胎心音信号、胎动信号、宫缩震动信号、脉搏震动信号、呼吸震动信号、心音信号等。

生物振动信号监测装置是通过传感器检测生物振动信号，并将检测到的生物振动信号转换为电信号，对电信号进行统计、分析以获取监测结果。

以胎心监护为例，胎心即胎儿的心跳，胎心监护检查是对胎儿在宫内的情况进行监测，以评估胎儿宫内状况的主要检测手段。胎心监护的输出结果可以是胎心音信号，也可以是胎心率信号，还可以是其他反映胎心指标的信号(胎心信号)。其中，胎心音的检测通常采用听诊器原理，检测并放大胎心音；胎儿心率受交感神经和副交感神经调节，通过信号描记瞬间的胎心变化所形成的监护图形的曲线，可以了解胎动时、宫缩时胎心的反应，以推测宫内胎儿有无缺氧，是现代产科广泛使用的监控手段。

现有的生物振动信号监测装置(例如胎心监测装置)可以通过检测生物振动信号(例如胎心跳动)引起的皮肤振动来检测胎心音信号。如图1所示，现有技术中一种典型的胎心监测装置包括外壳101、安装于外壳101内的电路板 102和安装于电路板102上的麦克风103，该麦克风103具有贴于电路板102 上的膜片。在使用过程中，胎心跳动的声音(胎心音)的声波透过皮肤104传到麦克风103的膜片上，膜片随之振动，膜片振动会带来电容改变，通过检测电容值的变化可以检测到胎心音的声压改变，从而实现对胎心音的检测。但是，该种形式的胎心监测装置在使用过程中会不可避免的受到空气波动的影响，容易受到干扰，影响胎心判断结果。

实用新型内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的至少一个问题，本实用新型提供了一种生物振动信号监测装置。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种生物振动信号监测装置，包括：

具有开口的壳体；安装于壳体的开口处且覆盖开口的膜片；安装于壳体的腔体内的电路板；安装于壳体的腔体内的振动传感器；

振动传感器包括：变形臂，其一端固定于壳体的腔体内，另一端与膜片接触；弯曲度检测器，安装于变形臂；

上述壳体的腔体为非密封腔体。

本实用新型实施例提供的生物振动信号监测装置，其振动传感器的变形臂一端固定在壳体的腔体内，另一端与膜片接触。使用时，膜片贴合生物体，若生物体发出生物振动信号(例如胎心音)，则膜片会随之振动，膜片振动会导致与之接触的振动传感器的变形臂受迫振动，且变形臂振动的过程中产生弯曲形变；安装于变形臂的弯曲度检测器检测到变形臂的弯曲，输出电信号至电路板。可见，生物体发出生物振动信号导致变形臂受迫振动而产生形变，进而弯曲度检测器即可检测到该振动造成的形变，即振动能量传递给膜片后直接带动振动传感器的变形臂弯曲，没有空气的两次能量传递界面损失，能量传递效率高，检测灵敏度高。另外，若生物体未产生生物振动信号，空气振动是无法带动支撑臂振动的，因此上述结构的振动传感器只响应固体接触振动，而对空气中的噪声不响应，即空气噪声不会带来变形臂的形变，因此监测结果不会受到空气噪声的影响，从而避免了空气噪声对监测结果的干扰，提高了其振动传感器的检测精度。

本实用新型实施例中，上述变形臂与膜片接触位置的夹角范围为10°～60°。

优选地，变形臂与膜片接触位置的夹角为30°。

基于上述夹角范围，上述腔体的装配平面直径a与腔体的高度b满足如下公式：

tanα>2*b/a

其中，α为变形臂与所述膜片接触位置的夹角。

变形臂与膜片接触位置的夹角角度直接影响振动传感器的检测灵敏度。因此，为了确保变形臂在装配完成后既与膜片接触又满足指定的夹角角度，对变形臂的装配空间(即腔体)的尺寸有一定的要求，即腔体的装配平面直径a和腔体高度b满足上述公式。

在此基础上，变形臂与膜片的接触位置距离膜片中心小于膜片半径的1/2。

由于与膜片接触的生物体表面可能是曲面，因此膜片无法与生物体表面完全贴合，这种情况下，生物振动信号传递到膜片时，膜片的中心区域振幅最高。另外，由于膜片边缘需要固定，使得其振动被抑制，即使膜片与生物体表面完全贴合，其中心区域的振幅也会高于边缘区域。因此，上述接触位置越靠近中心位置，其灵敏度越高。

在上述任意实施例的基础上，为了提高检测的灵敏度，膜片与生物体表面接触的一面(即外表面)为柔性表面。而为了提高检测精度，避免形变误差，膜片与变形臂接触位置的表面为刚性表面。

进一步地，膜片包括柔性层和刚性层，刚性层与变形臂接触。

更进一步地，由于柔性材料响应接触振动的灵敏度高于刚性材料，为进一步提高检测灵敏度，刚性层的面积小于柔性层的面积。

在上述任意实施例的基础上，为简化装配工艺，电路板可以固定安装在壳体的底部内壁。

在上述任意实施例的基础上，电路板包括信号放大电路模块和信号处理模块；信号放大电路模块用于将振动传感器输出的振动电信号进行放大；信号处理模块被配置为实现以下步骤：

接收放大电路模块发送的放大后的振动电信号；

利用放大后的振动电信号获取胎心音信号，其中，胎心音信号为一种生物振动信号。

在上述任意实施例的基础上，弯曲度检测器为压电陶瓷薄膜传感器，该压电陶瓷薄膜传感器贴设于变形臂上。

进一步地，压电陶瓷薄膜传感器的管脚形成变形臂的固定部件。

在上述任意实施例的基础上，变形臂为非导电材料。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1为现有胎心监测装置的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的胎心监测装置一种具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明：

在图1中：

101-外壳102-电路板103-麦克风104-皮肤

在图2中：

1-壳体

2-膜片

3-电路板

41-变形臂

42-弯曲度检测器

100-生物体

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本实用新型提供的生物振动信号监测装置主要用于胎心监测，但并不排除将本实用新型提供的装置用作其他应用领域。应当指出的是，凡通过振动检测信号，且需要避免空气噪声影响的场景，均可以考虑应用本实用新型提供的装置。

下面将结合图2所示的胎心监测装置，以胎心监测装置为例对本实用新型提供的生物振动信号监测装置的结构及实现原理进行说明。但本实用新型提供的生物振动信号监测装置的结构不限于图2所示。

请参考图2，图2为本实用新型所提供的胎心监测装置一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本实用新型提供的胎心监测装置包括用于盛放重要零部件的具有开口的壳体1、安装在壳体1的开口处且覆盖开口的膜片2、安装在壳体1的腔体内的电路板3以及安装与壳体1的腔体内的振动传感器。在使用过程中，膜片2贴于使用者的肚皮、并随肚皮的振动而随之同步振动，为了获得较好的振动能量传递效果，膜片2的弹性模量应与生物体100肌肉的弹性模量相接近。本实用新型实施例不对膜片2的弹性模量取值进行具体限定，实际应用中，可以通过实验、仿真等方式获取目标群体的生物体100肌肉的标准值，并基于该标准值确定膜片1的弹性模量。

其中，壳体的腔体为非密封腔体。本实用新型实施例不对非密封腔体的具体实现结构进行限定。作为举例而非限定，在一种实现结构中，壳体上设置有至少一个透气孔，通过设置透气孔实现腔体的非密封；在另一种实现结构中，膜片和壳体的固定处设置有缝隙，通过缝隙实现腔体的非密封。

其中，振动传感器包括：变形臂41，其一端固定于壳体的腔体内，另一端与膜片2接触；弯曲度检测器42，其安装于变形臂。

在使用过程中，弯曲度检测器42安装于变形臂41上，并检测变形臂41 的变形量(即弯曲度)，将变形量转换为电信号(本实用新型实施例中称为振动电信号)发送给电路板3中的放大电路模块，放大电路模块放大该电信号后输出给信号处理模块处理。应当理解的是，放大电路模块如何放大电信号、弯曲度检测器如何生成并输出电信号均为电控领域的公知常识性技术，因此放大电路模块等的电路布图、相关原理和实现方式请参考现有技术，在此不作赘述。

上述变形臂的形状可以但不仅限于为片状。更具体的，可以但不仅限于是矩形片状、U形片状或其他异性片状，本实用新型对此不作限定。可以为平直片，也可以为弯曲片。为提高检测的精度，降低算法复杂度，降低长期使用老化变形导致精度下降，优选地，在不受力的情况下，变形臂与弯曲度检测器接触的面为平面。变形臂41的材料可以但不仅限于是非导电材料。变形臂41既可以直接固定在壳体1的内壁或电路板3上，也可以通过夹具固定在壳体1的内壁或电路板3上。具体地，若变形臂41直接固定在壳体1的内壁或电路板3上，变形臂41的固定端与壳体1的内壁或电路板3之间可以采用插装固定、焊接固定、螺钉固定、销接固定或粘接固定等本领域常规使用的固定连接结构。若变形臂41通过夹具固定在壳体1的内壁或电路板3上，本实用新型不对夹具的结构进行限定，夹具与壳体1的内壁或电路板3的固定方式、以及变形臂41 与夹具的固定方式可以参照变形臂41的直接固定方式，此处不再赘述；本实用新型实施例中，可以复用弯曲度检测器42的管脚作为变形臂41的夹具，其中，弯曲度检测器42的管脚与电路板3上的放大电路模块的输入端连接。

在使用过程中，将膜片2贴于生物体100(具体为孕妇肚皮)，胎心音引起肚皮皮肤振动，贴于肚皮的膜片2随之一起振动，膜片2振动带动与其接触的变形臂41受迫振动，且变形臂42振动的过程中产生弯曲形变；安装于变形臂的弯曲度检测器检测到变形臂41的弯曲，输出电信号，被放大电路模块放大，输出给信号处理模块处理，即可根据变形臂41弯曲度的变化，实现胎心监测的目的。这样，该胎心监测装置的振动传感器只响应固体接触振动，而对空气中的噪声不响应，即声音不会带来变形臂42的形变，因此监测结果不会受到空气噪声的影响，从而避免了空气噪声对监测结果的干扰，提高了设备的精度。振动能量传递给膜片后直接带动振动传感器的变形臂弯曲，没有空气的两次能量传递界面损失，能量传递效率高，检测灵敏度高。

在此基础上，由于电路板3安装于壳体的腔体内，而非贴合在膜片上，有效减少了膜片的厚度，提高了膜片响应振动的灵敏度。另外，振动传感器安装在壳体的腔体内，且一端与膜片接触，而非安装在膜片上，其响应膜片振动而受迫振动，检测的频率范围不受其频选范围的限制。

本实用新型实施例中，变形臂41与膜片2接触位置的夹角会影响监测的灵敏度。该夹角越大，那么，变形臂41在振动过程中的弯曲度就越大，而变形臂 41的一端与膜片2接触，其弯曲度越大，意味着膜片2在接触位置所受的力越大，该受力会影响膜片的振动，从而影响监测的灵敏度。因此，需要限制该夹角的范围，使得其在合理的范围内。发明人在实现本实用新型的过程中，通过创造性劳动确定了该夹角的范围在10°到60°的范围内。

为了确保变形臂在装配完成后既与膜片接触又满足指定的夹角角度，对变形臂的装配空间(即腔体)的尺寸有一定的要求，即腔体的装配平面直径a和腔体高度b满足以下公式1

tanα>2*b/a(公式1)

其中，α为变形臂与所述膜片接触位置的夹角。

优选地，上述夹角角度为30°。

本实用新型实施例不对腔体高度和装配平面直径的定义进行限定，可以在实际产品设计中根据需求和产品具体结构定义。作为举例而非限定，腔体高度可以是指膜片2到壳体1的底部内壁的距离，若膜片2和/或底部内壁非平面，则腔体高度是指膜片2到壳体1的底部内壁的最大距离或最小距离；腔体高度也可以是指上述接触位置所在平面与变形臂安装位置所在平面之间的距离。作为举例而非限定，腔体装配平面可以是指变形臂安装位置所在平面，相应的，其直径是指腔体在该平面上的截面的外接圆或内切圆。

在此基础上，变形臂与膜片的接触位置距离膜片中心小于膜片半径的1/2。

本实用新型实施例中，如果膜片为圆形，则其半径为圆形半径。若膜片不是圆形，则其半径可以是指其内切圆的半径，也可以是指其外接圆的半径，根据工程需要定义。

由于与膜片接触的生物体表面可能是曲面，因此膜片无法与生物体表面完全贴合，这种情况下，生物振动信号传递到膜片时，膜片的中心区域振幅最高。另外，由于膜片边缘需要固定，使得其振动被抑制，即使膜片与生物体表面完全贴合，其中心区域的振幅也会高于边缘区域。因此，上述接触位置越靠近中心位置，其灵敏度越高。

在上述任意实施例的基础上，为了提高检测的灵敏度，膜片与生物体表面接触的一面(即外表面)为柔性表面。而为了提高检测精度，避免形变误差，膜片与变形臂接触位置的表面为刚性表面。

具体的，可以采用单层软质膜片，并对其一侧表面的至少部分区域(接触位置所在区域)进行硬化处理，使得该区域的表面为刚性表面；也可以采用单层硬质膜片，并对其一侧表面进行软化处理，使得该侧表面为柔性表面。

优选地，膜片至少包括两层，即与生物体表面贴合的柔性层和与变形臂接触的刚性层。其中，柔性层的材质可以但不仅限于硅胶等柔性材料，刚性层的材质可以但不仅限于PVC等硬质材料。

由于刚性层随振的灵敏度相对柔性层较低，为了提高膜片的灵敏度，优选地，刚性层的面积小于柔性层的面积。

本实用新型实施例不对刚性层的形状及位置进行限定。作为举例而非限定，刚性层位于膜片中心位置，且为对称形状(例如圆形、正方形)。

在上述任意实施例的基础上，本实用新型实施例不对壳体1的形状进行限定，只要满足电路板3、振动传感器以及膜片的装配要求即可。为便于装配，优选地，与开口相对的壳体底部内壁为平面或者弧度较小的表面。

本实用新型实施例也不对电路板3在腔体内部的安装位置及数量进行限定。优选地，在上述实施例的基础上，为简化电路板制造工艺及电路板结构，采用一块电路板，将放大电路模块、信号处理模块、通信模块等电路模块集成在该电路板上。另外，为简化装配工艺及结构，优选地，电路板3固定安装于壳体1的底部内壁，其固定方式不限，例如可以采用黏贴的方式固定，也可以采用焊接的方式固定，还可以采用铆接的方式固定，等等。当然，电路板3也可以固定在壳体1的侧壁上。

在一种实现方式中，电路板3上设置有通信模块，用以将信号发送给外部设备(如手机等)，也用以接收外部设备发送的信号。在另一种实现方式中，电路板3上无需设置通信模块，但设置有输入模块和/或输出模块，其中，输入模块用来接收信号，例如按键电路；输出模块用于输出信号，例如显示电路模块和/或音频电路模块等；在设备本体上实现监测结果的输出以及信号的输入。

本实用新型实施例中，壳体中与壳体的开口相对的部分称为底部，围成开口的部分称为侧壁。

在上述任意实施例的基础上，上述弯曲度检测器为压电陶瓷薄膜传感器。

从理论上来讲，弯曲度检测器也不局限于为上述压电陶瓷薄膜传感器的形式，也可以为其他能够实现弯曲度测量的结构，例如贴于变形臂41上的应变片等。

下面以上述具体实施方式为例，简述本实用新型所提供的胎心监测装置的使用过程：使用时，膜片1贴于孕妇肚皮，胎心音引起肚皮皮肤振动，贴于肚皮的膜片2随之一起振动；膜片2振动带动变形臂41受迫振动从而产生弯曲形变，PVDF传感器(压电陶瓷薄膜传感器)检测到变形臂的弯曲，输出电信号，被电路板3上的放大电路模块放大，输出给信号处理模块处理，以输出得到的胎心监测结果。

其中，信号处理模块被配置为实现以下步骤：

接收放大电路模块发送的放大后的振动电信号；

利用放大后的振动电信号获取胎心音信号，其中，胎心音信号为一种生物振动信号。

其中，信号处理模块可以但不仅限于是微处理器、FPGA(Field－ ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等。

其中，利用振动电信号获取胎心音信号的具体实现方式有多种，例如，预先训练胎心信号模型，将振动电信号作为该模型的输入，从而得到胎心音信号。

其中，电路板上还可以设置有通信模块，用于发送胎心音信号、接收外部控制指令。该通信模块可以但不仅限于是蓝牙模块、GPRS模块、WIFI通信模块等等。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种生物振动信号监测装置，其特征在于，包括：

具有开口的壳体(1)；

安装于所述壳体(1)的开口处且覆盖所述开口的膜片(2)；

安装于所述壳体(1)的腔体内的电路板(3)；

安装于所述壳体(1)的腔体内的振动传感器；

所述振动传感器包括：

变形臂(41)，所述变形臂(41)的一端固定于所述壳体(1)的腔体内，另一端与所述膜片(2)接触；

弯曲度检测器(42)，所述弯曲度检测器(42)安装于所述变形臂(41)；

所述壳体的腔体为非密封腔体。

2.根据权利要求1所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述变形臂(41)与所述膜片(2)接触位置的夹角范围为10°～60°。

3.根据权利要求2所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述变形臂(41)与所述膜片(2)接触位置的夹角为30°。

4.根据权利要求2所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述腔体的装配平面直径a与所述腔体的高度b满足如下公式：

tanα>2*b/a

所述α为所述变形臂(41)与所述膜片(2)接触位置的夹角。

5.根据权利要求4所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述变形臂(41)与所述膜片(2)的接触位置距离所述膜片(2)中心小于膜片半径的1/2。

6.根据权利要求1-5任一项所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述膜片(2)与所述变形臂(41)接触位置的表面为刚性表面，所述膜片(2)的外表面为柔性表面。

7.根据权利要求6所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述膜片(2)包括柔性层和刚性层，所述刚性层与所述变形臂(41)接触。

8.根据权利要求7所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述刚性层的面积小于所述柔性层的面积。

9.根据权利要求1-5任一项所述的生物振动信号监测装置，其特征在于，所述电路板(3)固定安装在所述壳体(1)的底部内壁。

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