CN216652336U - 一种基于声波的准非接触式心率采集装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于声波的准非接触式心率采集装置，根据心音的目标频率设计共振腔体的共振频率，从而突出心音的目标频率的所在频段，以避免其他背景频率的干扰，提高心率采集的准确性。通过腔内设置的驻极体拾音器采集与共振腔体发生共振的心音信号转换为电信号，并通过对电信号进行处理，以去除偏离目标频率的所在频段的杂音，再通过快速傅里叶分析得到心率数据，从而无需对床体进行改造，而是将共振腔体安装于床体上，无需直接接触人体，即可以获得躺在床体上的人的心率，无需考虑受到安装环境或成本的限制，提高了可操作性和用户的使用舒适度。

Description

一种基于声波的准非接触式心率采集装置

技术领域

本申请涉及心率检测技术领域，尤其涉及一种基于声波的准非接触式心率采集装置。

背景技术

随着人们对健康的重视程度不断加深，人们比以往更多时候更加关心自己的身体健康状况。为此人们希望及时地获取获取各种生理数据，通过分析进而得出自己或他人的身体状况。而现代人的生活作息不规律、饮食不健康等因素使得部分心血管疾病如高血压、冠心病等逐渐成为临床医学上的常见病和多发病，所以对心脏的监测显得尤为重要。

而心率可以从很大程度上反映心脏的健康状态，所以我们需要实时监测的心率变化，从而及时发现问题。另外，心率能从一定程度上反映睡眠质量，再加上人类一天之中至少有四分之一的时间睡在床上。另一方面，有些疾病在夜间发病时由于亲人或监护人正在熟睡中，会导致某些患者错过急救时间。因此，采集心率尤其是采集夜间的心率尤为重要。

近年来，血氧传感器、血压传感器、心率传感器在智能设备、便携测量设备、便携医疗仪器等产品中均有应用。但目前市面上的心率传感器一般主要是接触式的，比如各种厂家的智能手环、智能手表甚至是医院里广泛采用的心率监护仪等，都需要接触身体。由于人们在睡觉的时候不可避免地会做出翻身等动作，这些接触式采集方法就很容易脱落或使身体受到采集设备的挤压而造成极其不好的用户体验。

为此，市场上也出现了各种非接触式心率采集设备，如基于毫米波的采集设备、基于各种压电传感器的采集设备。但是，通过实践发现，上述非接触式心率采集设备需要对床体进行大规模改装，以适配非接触式心率采集设备的使用，也即不可避免的受到安装环境或成本的限制；或者需要用户在身体下直接放置采集模块，但这降低了可操作性以及用户的使用舒适度。

实用新型内容

本申请提供了一种基于声波的准非接触式心率采集装置，用于解决上述非接触式心率采集设备受到安装环境或成本的限制，以及可操作性和用户的使用舒适度较差的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种基于声波的准非接触式心率采集装置，包括：心音采集单元、心音处理单元、通信单元和显示单元；

所述心音采集单元包括多个共振腔体，所述共振腔体安装于床体上，所述共振腔体的共振频率为心音的目标频率，从而使其与所述目标心率的所在频段产生共振，所述共振腔体内设有驻极体拾音器，用于将与所述共振腔体发生共振的心音信号转换为电信号；

所述心音处理单元包括模拟处理模块和数字处理模块，所述模拟处理模块用于接收所述心音采集单元得到的所述电信号，还用于对所述电信号进行放大和滤波处理；所述数字处理模块用于对经所述模拟处理模块放大和滤波处理后的电信号进行模数转换为数字信号，还用于对所述数字信号进行快速傅里叶分析，从而提取出心率数据，还用于将所述心率数据发送给通信单元；

所述通信单元用于将所述心率数据传输给所述显示单元进行显示。

优选地，所述共振腔体为两组，每组有两个共振腔体，其中，一组所述共振腔体安装于所述床体的床板侧部，另一组所述共振腔体安装于所述床体的床板底部且其安装位置与正躺状态下的人体的心脏位置相对应。

优选地，所述共振腔体的内侧壁设有两个相对设置的固定座，两个所述固定座均设有弹簧，所述驻极体拾音器通过两个所述弹簧连接所述固定座，从而使所述驻极体拾音器架空。

优选地，所述驻极体拾音器与所述弹簧的连接处设有连接座，所述连接座由ABS塑料材质制成。

优选地，每组中的一个所述共振腔体的共振频率为50Hz，另一个所述共振腔体的共振频率为100Hz。

优选地，所述模拟处理模块包括高增益放大器、带通滤波器和电压跟随器，所述高增益放大器与所述带通滤波器电连接，所述带通滤波器与所述电压跟随器电连接，所述高增益放大器设有负反馈结构的运算放大器电路，所述电压跟随器由运算放大器构成。

优选地，所述数字处理模块包括ADC转换器、FIR滤波模块、小波变换模块和傅里叶分析模块，所述ADC转换器与所述FIR滤波模块电连接，所述FIR滤波模块与所述小波变换模块电连接，所述小波变换模块与所述傅里叶分析模块电连接；

所述ADC转换器用于对所述电信号进行模数转换为所述数字信号；

所述FIR滤波模块用于基于FIR滤波算法对所述数字信号进行滤波，从而滤除偏离所述目标心率的噪音；

所述小波变换模块用于对经所述FIR滤波模块滤波后的所述数字信号进行小波变换处理，从而得到纯净数字信号；

所述傅里叶分析模块用于对所述纯净数字信号进行傅里叶分析，从而得到心率数据。

优选地，所述通信单元包括蓝牙通信模块和WiFi通信模块。

优选地，所述显示单元包括时序处理模块、时钟模块和显示屏，所述时钟模块用于提供采集所述心率数据的时间，所述时序处理模块用于基于所述时钟模块提供的采集所述心率数据的时间将所述心率数据转换为心率时序数据，还用于将所述心率时序数据进行曲线拟合成心率时序曲线，从而在所述显示屏中显示。

优选地，所述共振腔体包括瓶颈和腔体，所述瓶颈和所述腔体固定连接。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供了一种基于声波的准非接触式心率采集装置，根据心音的目标频率设计共振腔体的共振频率，从而突出心音的目标频率的所在频段，以避免其他背景频率的干扰，提高心率采集的准确性。通过腔内设置的驻极体拾音器采集与共振腔体发生共振的心音信号转换为电信号，并通过对电信号进行处理，以去除偏离目标频率的所在频段的杂音，再通过快速傅里叶分析得到心率数据，从而无需对床体进行改造，而是将共振腔体安装于床体上，无需直接接触人体，即可以获得躺在床体上的人的心率，无需考虑受到安装环境或成本的限制，提高了可操作性和用户的使用舒适度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于声波的准非接触式心率采集装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的共振腔体的安装位置示意图；

图3为本申请实施例提供的共振腔体的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的驻极体拾音器安装于共振腔体内的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的模拟处理模块的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的数字处理模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，市场上也出现了各种非接触式心率采集设备，如基于毫米波的采集设备、基于各种压电传感器的采集设备。但是，通过实践发现，上述非接触式心率采集设备需要对床体进行大规模改装，以适配非接触式心率采集设备的使用，也即不可避免的受到安装环境或成本的限制；或者需要用户在身体下直接放置采集模块，但这降低了可操作性以及用户的使用舒适度。

为此，本实用新型提供了一种基于声波的准非接触式心率采集装置，为了方便理解，请参阅图1，本实用新型提供的一种基于声波的准非接触式心率采集装置，包括：心音采集单元100、心音处理单元200、通信单元300和显示单元400；

心音采集单元100包括多个共振腔体102，共振腔体102安装于床体上，共振腔体102的共振频率为心音的目标频率，从而使其与目标心率的所在频段产生共振，共振腔体102内设有驻极体拾音器101，用于将与共振腔体102发生共振的心音信号转换为电信号；

心音处理单元200包括模拟处理模块201和数字处理模块202，模拟处理模块201用于接收心音采集单元100得到的电信号，还用于对电信号进行放大和滤波处理，数字处理模块202用于对经模拟处理模块201放大和滤波处理后的电信号进行模数转换为数字信号，还用于对数字信号进行快速傅里叶分析，从而提取出心率数据，还用于将心率数据发送给通信单元300；

通信单元300用于将心率数据传输给显示单元400进行显示。

以下为本实用新型提供的一种基于上述的基于声波的准非接触式心率采集装置的使用方法，包括以下步骤：

1)通过驻极体拾音器将与共振腔体共振的心音信号转换为电信号；

2)通过模拟处理模块接收电信号，对电信号进行放大和滤波处理；

3)通过对经模拟处理模块放大和滤波处理后的电信号进行模数转换为数字信号，再对数字信号进行快速傅里叶分析，从而提取出心率数据；

4)通过通信单元将心率数据传输给显示单元进行显示。

需要说明的是，本实用新型提供的一种基于声波的准非接触式心率采集装置，根据心音的目标频率设计共振腔体的共振频率，从而突出心音的目标频率的所在频段，以避免其他背景频率的干扰，提高心率采集的准确性。通过腔内设置的驻极体拾音器采集与共振腔体发生共振的心音信号转换为电信号，并通过对电信号进行处理，以去除偏离目标频率的所在频段的杂音，再通过快速傅里叶分析得到心率数据，从而无需对床体进行改造，而是将共振腔体安装于床体上，无需直接接触人体，即可以获得躺在床体上的人的心率，无需考虑受到安装环境或成本的限制，提高了可操作性和用户的使用舒适度。

进一步地，共振腔体为两组，每组有两个共振腔体，其中，一组共振腔体安装于床体的床板侧部，另一组共振腔体安装于床体的床板底部且其安装位置与正躺状态下的人体的心脏位置相对应。

在具体实现中，共振腔体可以为两组以上，而在本实施例中共振腔体为两组，每组有两个共振腔体，如图2所示，床体包括床板，人可以平躺于床板上，其中，一组共振腔体安装于床体的床板侧部的B处，另一组共振腔体安装于床体的床板底部的A处且其安装位置与正躺状态下的人体的心脏位置相对应，根据精度需要，每组可以有两个以上的共振腔体102，在本实施例中，每组有两个共振腔体102。同时，在本实施例中，每组中的一个共振腔体102的共振频率为50Hz，另一个共振腔体102的共振频率为100Hz。

由于共振腔体102安装于床板下方或边缘，驻极体拾音器101会受到其他背景环境噪声的干扰，本实施例将每组中的共振腔体102的共振频率根据心音的目标频率设计，使得共振腔体的共振频率为心音的目标频率，以突出心音的两个特征频率，即50Hz和100Hz。其中，共振腔体又称亥姆霍兹共振腔，如图3所示，共振腔体102包括瓶颈11和腔体12，瓶颈11和腔体12固定连接，其中，瓶颈11长度L、腔体12体积V、瓶颈11截面积A以及空气中的声速c可以共同决定共振腔体的共振频率f，通过下式表示为，

由上式可以设计出符合根据心音的目标频率的共振腔体，在本实施例中，心音的目标频率为50Hz和100Hz，从而突出50Hz和100Hz附近的声波而削弱该范围外的声波，提高了心音采集的准确率。

当人体的心脏产生心音后，经过床板的传递，尽管在传递过程中，能量会出现损耗，但通过使用共振腔体及对共振腔体的共振频率的选取可以提高信号的接收质量。在另一实施例中，为了进一步提高信号的接收质量，可以选用产生振动频率较小的床板，如铁制床板。

进一步地，如图4所示，共振腔体102的内侧壁设有两个相对设置的固定座21、22，两个固定座21、22均设有弹簧31、32，驻极体拾音器101通过两个弹簧31、32连接固定座21、22，从而使驻极体拾音器101架空。

其中，驻极体拾音器101与弹簧31、32的连接处设有连接座41、42，连接座41、42由ABS塑料材质制成。

需要说明的是，本实施例由于通过床板传递过程中，由于，病人翻身等动作会产生剧烈的机械振动，为了防止剧烈的机械振动传导到共振腔体102时，驻极体拾音器101接收到过大的振动而产生大幅度的电信号输出，本实施例将驻极体拾音器101通过两个弹簧31、32架空，由此，驻极体拾音器101即可保证接收到声波的情况下，减少接收到来自机械振动带来的振动频率，避免械振动带来的干扰。同时，驻极体拾音器101与弹簧的连接处设置的连接座41、42由ABS塑料材质制成，也可以减少接收到来自机械振动带来的振动频率。

进一步地，如图5所示，模拟处理模块201包括高增益放大器211、带通滤波器221和电压跟随器231，高增益放大器211与带通滤波器221电连接，带通滤波器221与电压跟随器231电连接，高增益放大器211设有负反馈结构的运算放大器电路，电压跟随器231由运算放大器构成。

需要说明的是，由于采集到的电信号较为微小且不是高速信号，可以采用低噪音低速的运算放大器以提高信噪比，而本实施例所采用到的运算放大器均为低噪音低速的运算放大器，同时，通过负反馈结构的运算放大器电路构成高增益放大器211，可以提高放大系数的稳定性，通过带通滤波器221可以滤除在心音的目标频率以外的杂音信号，其中，带通滤波器221由运算放大器和阻容器件组成，避免对大体积和高成本的电感的使用，并通过电压跟随器231可以提高放大电路的输入电阻，从而起到缓冲和隔离的作用，提高增益效果。

进一步地，如图6所示，数字处理模块202包括ADC转换器212、FIR滤波模块222、小波变换模块232和傅里叶分析模块242，ADC转换器212与FIR滤波模块222电连接，FIR滤波模块222与小波变换模块232电连接，小波变换模块232与傅里叶分析模块242电连接；

ADC转换器212用于对电信号进行模数转换为数字信号；

FIR滤波模块222用于基于FIR滤波算法对数字信号进行滤波，从而滤除偏离目标心率的噪音；

小波变换模块232用于对经FIR滤波模块222滤波后的数字信号进行小波变换处理，从而得到纯净数字信号；

傅里叶分析模块242用于对纯净数字信号进行傅里叶分析，从而得到心率数据。

需要说明的是，心率数据包括心率幅值和心率相位。

进一步地，通信单元300包括蓝牙通信模块和WiFi通信模块。

通信单元300所采用的通信方式包括蓝牙通信方式和WiFi通信方式。

进一步地，显示单元400包括时序处理模块、时钟模块和显示屏，时钟模块用于提供采集心率数据的时间，时序处理模块用于基于时钟模块提供的采集心率数据的时间将心率数据转换为心率时序数据，还用于将心率时序数据进行曲线拟合成心率时序曲线，从而在显示屏中显示。

需要说明的是，时序处理模块可以根据采集心率数据的当前时间，可以获得一系列具有时序性的心率时序数据，并对心率时序数据进行曲线拟合成心率时序曲线，以得到曲线形式的心率数据，其中，曲线的横轴为时间，其纵轴为心率，从而可以直观地展示出心率信息。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，包括：心音采集单元、心音处理单元、通信单元和显示单元，所述心音采集单元与所述心音处理单元连接，所述心音处理单元与所述通信单元连接，所述通信单元与所述显示单元连接；

所述心音采集单元包括多个共振腔体，所述共振腔体安装于床体上，所述共振腔体的共振频率为心音的目标频率，从而使其与目标心率的所在频段产生共振，所述共振腔体内设有驻极体拾音器，用于将与所述共振腔体发生共振的心音信号转换为电信号；

所述心音处理单元包括模拟处理模块和数字处理模块，所述模拟处理模块用于接收所述心音采集单元得到的所述电信号，还用于对所述电信号进行放大和滤波处理；所述数字处理模块用于对经所述模拟处理模块放大和滤波处理后的电信号进行模数转换为数字信号，还用于对所述数字信号进行快速傅里叶分析，从而提取出心率数据，还用于将所述心率数据发送给通信单元；

所述通信单元用于将所述心率数据传输给所述显示单元进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述共振腔体为两组，每组有两个共振腔体，其中，一组所述共振腔体安装于所述床体的床板侧部，另一组所述共振腔体安装于所述床体的床板底部且其安装位置与正躺状态下的人体的心脏位置相对应。

3.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述共振腔体的内侧壁设有两个相对设置的固定座，两个所述固定座均设有弹簧，所述驻极体拾音器通过两个所述弹簧连接所述固定座，从而使所述驻极体拾音器架空。

4.根据权利要求3所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述驻极体拾音器与所述弹簧的连接处设有连接座，所述连接座由ABS塑料材质制成。

5.根据权利要求2所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，每组中的一个所述共振腔体的共振频率为50Hz，另一个所述共振腔体的共振频率为100Hz。

6.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述模拟处理模块包括高增益放大器、带通滤波器和电压跟随器，所述高增益放大器与所述带通滤波器电连接，所述带通滤波器与所述电压跟随器电连接，所述高增益放大器设有负反馈结构的运算放大器电路，所述电压跟随器由运算放大器构成。

7.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述数字处理模块包括ADC转换器、FIR滤波模块、小波变换模块和傅里叶分析模块，所述ADC转换器与所述FIR滤波模块电连接，所述FIR滤波模块与所述小波变换模块电连接，所述小波变换模块与所述傅里叶分析模块电连接；

所述ADC转换器用于对所述电信号进行模数转换为所述数字信号；

所述FIR滤波模块用于基于FIR滤波算法对所述数字信号进行滤波，从而滤除偏离所述目标心率的噪音；

所述小波变换模块用于对经所述FIR滤波模块滤波后的所述数字信号进行小波变换处理，从而得到纯净数字信号；

所述傅里叶分析模块用于对所述纯净数字信号进行傅里叶分析，从而得到心率数据。

8.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述通信单元包括蓝牙通信模块和WiFi通信模块。

9.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述显示单元包括时序处理模块、时钟模块和显示屏，所述时钟模块用于提供采集所述心率数据的时间，所述时序处理模块用于基于所述时钟模块提供的采集所述心率数据的时间将所述心率数据转换为心率时序数据，还用于将所述心率时序数据进行曲线拟合成心率时序曲线，从而在所述显示屏中显示。

10.根据权利要求1所述的基于声波的准非接触式心率采集装置，其特征在于，所述共振腔体包括瓶颈和腔体，所述瓶颈和所述腔体固定连接。

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