专利名称：健康监测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及健康监测，并且更具体地，涉及健康监测方法和系统，所述健康监测方法和系统以更经济且简易的方式确定患者的呼吸频率和心率。本发明尤其可用作非卧床监测(ambulatory monitoring)应用中的便携系统。
背景技术：
呼吸频率和心率是用于监测重症监护设施中的患者的健康状态和非卧床监测慢性病如哮喘患者的重要参数。在常规健康监测系统中，这两个关键参数由使用不同数据采集技术且彼此完全独立操作的系统来评估并输出。若干不同系统可用于评估患者的呼吸频率。一些呼吸频率评估系统是气流系统。 在气流系统中，患者向仪器中呼吸，所述仪器测量经他/她口的气流，并由所述气流评估患者的呼吸频率。其他系统测量患者的容积、运动或组织浓度。例如，在呼吸感应体积描记法(RIP)系统中，患者佩戴环绕其胸廓的第一感应带以及环绕其腹部的第二感应带。当患者呼吸时，胸廓和腹腔隔室(compartment)的容积发生改变，其改变线圈的电感，而患者的呼吸频率基于电感的改变得以评估。还有其他的系统如肺音系统。在肺音系统中，声换能器产生声信号，从该声信号评估患者的呼吸频率。在公布于2009年4月30日的Ayyagari 等人的题为“用于环境相关呼吸疾病的自监测的方法和系统”的美国专利申请系列号 11/999，569 (US-2009-0112114A1)中，描述了一种系统，在该系统中便携的手持设备实时地输出呼吸健康信息，该信息通过使用本地收集的环境和生理学传感器数据以及患者的背景信息得以产生。用于评估患者心率的系统与用于评估患者呼吸频率的系统有所不同。已知为脉搏氧饱和度仪(Sp02)的一种心率评估系统使用光学传感。在Sp02系统中，患者的脉率基于其血液中的氧饱和度得以评估，所述氧饱和度测自氧合和脱氧的血红蛋白。其他系统基于心电图仪(ECG)信号来测量心率。其他系统计数颈动脉脉搏或其他位置的脉搏。也有系统通过使用在身体多个位置上检测到的心音来评估心率，诸如在气管和胸部处。依靠使用不同数据采集技术且彼此完全独立操作的系统来评估并输出患者的呼吸频率和心率增加了部件和接口费用并且增加了健康监测系统的复杂性。发明概述本发明的基本特征是提供使用从身体获得的共用声信号的不同频率分量来评估患者呼吸频率和心率的健康监测方法和系统。使用共同声信号来评估患者的呼吸速率和心率使健康监测更经济和简易。在本发明的一方面中，健康监测系统包括声换能器、与声换能器通信耦合的信号处理器以及与信号处理器通信耦合的输出接口，其中所述信号处理器接收基于由所述声换能器检测到的声音的声信号，使用该声信号的第一频率分量产生呼吸频率数据，使用该声信号的第二频率分量产生心率数据，并且将呼吸频率数据和心率数据传送到所述输出接
在一些实施方案中，所述输出接口包括显示呼吸频率数据和心率数据的用户接在一些实施方案中，所述第一频率分量包括呼吸序列(respiratory sequence)的近似值。在一些实施方案中，所述信号处理器通过向所述声信号施加第一带通滤波器来分离所述第一频率分量。在一些实施方案中，所述第一带通滤波器向所述声信号施加IOOHz的高通截止频率以及900Hz的低通截止频率。在一些实施方案中，所述信号处理器使用所述第一频率分量的自相关包络的峰值分析来确定呼吸频率数据。在一些实施方案中，所述第二频率分量包括脉搏序列(pulse sequence)的近似值。在一些实施方案中，所述信号处理器通过向所述声信号施加第二带通滤波器来分离所述第二频率分量。在一些实施方案中，所述第二带通滤波器向所述声信号施加IOOHz的低通截止频率。在一些实施方案中，所述信号处理器使用所述第二频率分量的自相关包络的峰值分析来确定心率数据。在一些实施方案中，所述呼吸频率数据包括平均呼吸频率而所述心率数据包括平均心率。在一些实施方案中，所述信号处理器将所述呼吸频率数据和所述心率数据实时地传送到输出接口。在本发明的另一方面中，健康监测方法包括以下步骤基于检测到的声音产生声信号；使用所述声信号的第一频率分量产生呼吸频率数据；使用所述声信号的第二频率分量产生脉搏速率数据；并且输出所述呼吸频率数据和脉搏速率数据。通过参考以下的详细描述，连同下面简述的附图，本发明的这些及其他方面将得以更好的理解。当然，本发明由所附权利要求限定。附图简述
图1显示在本发明的一些实施方案中的健康监测系统。图2显示在本发明的一些实施方案中的由呼吸频率逻辑执行从而产生呼吸频率数据的健康监测方法的步骤。图3显示在本发明的一些实施方案中的由心率逻辑执行从而产生心率数据的健康监测方法的步骤。图4显示原始声信号的实例。图5显示对图4的信号施加带通滤波器后的声信号的实例。图6显示对图5的信号施加包络检波器(envelope detector)和平滑模块 (soothing module)后的声信号包络(acoustic signal envelope)的实例。图7显示对图6的信号施加自相关模块(autocorrelation module)后的声信号包络的实例。
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图8显示对图4的信号施加带通滤波器后的声信号的实例。图9显示对图8的信号施加包络检波器和平滑模块后的声信号包络的实例。图10显示对图9的信号施加自相关模块后的声信号包络的实例。实施方案描述图1显示在本发明的一些实施方案中的健康监测系统。所述系统包括放置在正处于监测中的患者身体上的声换能器105。声换能器105与数据采集模块106串联地通信耦合，所述数据采集模块106包括前置放大器110、放大器115和模拟数字(A/D)转换器120。 A/D转换器120不断地将从声换能器105采集的原始声信号经放大器110、115修正，传送到信号处理器190。信号处理器190使用所述原始声信号的不同频率分量不断地产生呼吸频率数据和心率数据并且不断地降所述呼吸频率数据和心率数据传送到与信号处理器190 通信耦合的输出接口 195。虽然元件110-120显示为共同配置在数据采集模块106上而元件125-170显示为共同配置在信号处理器190上，但在其他的实施方案中，图1中所示的各个元件可以与图1所示的不同元件共同配置或者可以是独立的元件。此外，未共同配置的元件可以设置成彼此接近或远离并且可以经由有线或无线连接而通信耦合。在一些实施方案中，信号处理器190和输出接口 195共同配置在移动电子设备上。在这些实施方案中， 所述设备可以连接到患者的衣服上(例如夹上)，或者可以是，例如由患者携带的手持式设备。此外，在一些实施方案中，所述呼吸频率数据和心率数据可以输出到多个输出接口。换能器105检测处于患者身体诸如气管或胸部位置上的声音。换能器105在肺音波段提供高灵敏度、高信噪比和一般地平坦的频率响应。在一些实施方案中，换能器105包括内置在具有合适深度和直径的气室中的全向压电陶瓷传声器。由Knowles Acoustics作为部件BL-21785销售的传声器可以作为实例使用。换能器105将基于检测到的声音的原始声信号作为大约10-200mV的模拟电压传送到数据采集模块106的前置放大器110。在数据采集模块106处，前置放大器110提供与从换能器105接收到的原始声信号相配的阻抗并放大所述原始声信号。由I^resonus Audio Electronics作为具有音量单位测量计(VU (Volume Unit) Meter)的TubePre单通道传声器前置放大器(TubePre Single Channel Microphone Preamp)销售的的前置放大器可以作为实例使用。放大器115进一步放大来自放大器110的原始声信号到+/-IV的范围。A/D转换器120对从放大器115接收到的原始声信号执行A/D转换并将所述原始声信号传送到信号处理器190用以分析。信号处理器190是在其上具有可执行软件的微处理器，其用于对接收自数据采集模块106的原始声信号执行信号处理。在信号处理器190处，将所述原始声信号拆分并将所述原始声信号的双重阻抗用呼吸频率逻辑180和心率逻辑185分别处理，从而分别产生平均呼吸频率和平均心率并将其实时地传送到输出接口 195。在其他实施方案中，信号处理器190全部或部分的功能可以由定制的逻辑(custom logic)来执行，诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)。呼吸频率逻辑180包括带通滤波器125 (第一带通滤波器)、包络检波器130、平滑模块135、自相关模块140和呼吸频率计算器145。在本发明的一些实施方案中，由呼吸频率逻辑180执行从而产生呼吸频率数据的健康监测方法的步骤显示在图2中并将参考图4-7 来描述。
最初，从数据采集模块106接收所述原始声信号(205)。原始声信号的实例显示在图4中。所述原始声信号带有噪声的并且脉搏序列与呼吸序列混合在一起。接下来，带通滤波器125对所述声信号施加IOOHz的高通截止频率和900Hz的低通截止频率从而分离出近似于所述呼吸序列(RS)的信号的第一频率分量(210)。所得信号的实例在图5中显示。所述脉搏序列已经被移去而所述呼吸序列由于噪声的减少得以被更好地确定。接下来，将包络检波器130和平滑模块135施加到所述RS声信号从而产生平滑RS 包络(215)。平滑模块135将额外的噪声从所述RS声信号移去并改善信号质量。在一些实施方案中，平滑模块135将阶数(order)在800 1200范围内的的平滑FIR滤波器施加到所述RS声信号[例如1000阶的Harming(Hann)窗]。所得的平滑RS包络的实例在图6 中显示。在一些实施方案中，在此处降采样器(down-sampler)(未示)将对平滑RS包络的采样降低至较低的采样频率从而减小采样的数据长度并节约计算资源。接下来，将自相关模块140施加到所述平滑RS包络以确定数据的基本周期性 (220)。所得的自相关平滑RS包络的实例在图7中显示。在零点时延(zero time delay) 时出现最大峰值。到任一方向上的具有相似振幅的邻近峰的时距与经过多个周期的平均呼吸期相对应。接下来，呼吸频率计算器145使用自相关的平滑RS包络的峰值分析来确定平均呼吸期(225)。所述平均呼吸期确定为最高峰与在所述自相关的平滑RS包络内正向或负向上紧接着的具有相似振幅的峰之间的峰_峰间时差。在图7所示的实施例中，最高峰与在正向上紧接着的具有相似振幅的峰之间的时差是2. 958秒，其可以被确定和应用为平均呼吸期。接下来，呼吸频率计算器145基于所述平均呼吸期确定平均呼吸频率(230)。以每分钟呼吸次数为单位的平均呼吸频率是用60除以所述平均呼吸期。回到图7中所示的实施例，平均呼吸频率是每分钟呼吸60/2. 958或20. 284次。最后，信号处理器190将平均呼吸频率传送到输出接口 195(235)。在一些实施方案中，输出接口 195是将平均呼吸频率实时地显示给患者的用户接口。在另一些实施方案中，输出接口 195是进一步处理所述呼吸频率数据的计算系统。心率逻辑185包括带通滤波器150 (第二带通滤波器)、包络检波器155、平滑模块 160、自相关模块165和心率计算器170。在本发明的一些实施方案中，由心率逻辑185执行从而产生心率数据的健康监测方法的步骤显示在图3中并将参考图4和图8-10来描述。最初，由数据采集模块106接收所述原始声信号(305)。原始声信号的实例显示在图4中。所述原始声信号带有噪声的并且呼吸序列与脉搏序列混合在一起。接下来，带通滤波器150对所述声信号施加IOOHz的低通截止频率从而分离出近似于脉搏序列(PS)的所述信号的第二频率分量(310)。所得信号的实例在图8中显示。所述呼吸序列已经被移去而所述脉搏序列由于噪声的减少得以被更好地确定。接下来，将包络检波器155和平滑模块160施加到所述PS声信号从而产生平滑PS 包络(315)。平滑模块160将额外的噪声从所述PS声信号移去并改善信号质量。在一些实施方案中，平滑模块160将阶数在800 1200范围内的平滑FIR滤波器施加到所述PS声信号[例如1000阶的Harming(Hann)窗]。所得的平滑PS包络的实例在图9中显示。在此处降采样器可以将平滑PS包络的采样降低至较低的采样频率从而减小采样的数据长度并节约计算资源。接下来，将自相关模块165 施加到所述平滑PS包络以确定数据的基本周期性 (320)。所得的自相关的平滑PS包络的实例在图10中显示。在零点时延时出现最大峰值。 到在任一方向上的具有相似振幅的邻近峰的时距与经过多个周期的平均脉搏周期相对应。接下来，心率计算器170使用自相关的平滑PS包络的峰值分析来确定平均脉搏周期(325)。所述平均脉搏周期确定为最高峰与在所述自相关的平滑PS包络内正向或负向上紧接着的具有相似振幅的峰之间的峰-峰间的时差。在图10所示的实施例中，最高峰与在正向上紧接着的具有相似振幅的峰之间的时差是0. 6463秒，其可以被确定和应用为平均脉搏周期。接下来，心率计算器170基于所述平均脉搏周期确定平均心率(330)。以每分钟心跳次数为单位的平均心率是用60除以所述平均脉搏周期。回到图10中所示的实施例，平均心率是每分钟心跳60/0. 6463或92. 836次。最后，信号处理器190将平均心率传送到输出接口 195(335)用于进一步处理和/ 或显示。在一些实施方案中，输出接口 195是用户接口。在这些实施方案中，输出接口 195 可以是液晶显示(IXD)或发光二极管(LED)屏，其向患者显示最新的平均呼吸频率和平均心率。因为当前的呼吸频率数据和心率数据产生自共用声信号并且几乎同时地在同一用户接口上输出，所以避免了接口和同步化的复杂性。本领域普通技术人员要认识到是本发明可以在不背离本发明的精神或基本特征的前提下以其他具体的形式实施。因此本说明书在各个方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求指示，并且在其等效形式的含义和范围方面随之而来的所有变化都意在包含在本发明的范围内。
权利要求
1.健康监测系统，包括 声换能器；信号处理器，所述信号处理器与所述声换能器通信耦合；以及输出接口，所述输出接口与所述信号处理器通信耦合，其中所述信号处理器接收基于所述声换能器检测到的声音的声信号，使用所述声信号的第一频率分量产生呼吸频率数据，使用所述声信号的第二频率分量产生心率数据，以及将所述呼吸频率数据和所述心率数据传送到所述输出接口。
2.权利要求1所述的系统，其中所述输出接口包括用户接口，所述呼吸频率数据和所述心率数据显示在所述用户接口上。
3.权利要求1所述的系统，其中所述第一频率分量包括呼吸序列的近似值。
4.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器通过向所述声信号施加第一带通滤波器来分离所述第一频率分量。
5.权利要求4所述的系统，其中所述第一带通滤波器向所述声信号施加IOOHz的高通截止频率以及900Hz的低通截止频率。
6.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器使用关于所述第一频率分量的自相关包络的峰值分析来确定所述呼吸频率数据。
7.权利要求1所述的系统，其中所述第二频率分量包括脉搏序列的近似值。
8.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器通过向所述声信号施加第二带通滤波器来分离所述第二频率分量。
9.权利要求8所述的系统，其中所述第二带通滤波器向所述声信号施加IOOHz的低通截止频率。
10.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器使用关于所述第二频率分量的自相关包络的峰值分析来确定所述心率数据。
11.权利要求1所述的系统，其中所述呼吸频率数据包括平均呼吸频率，而所述心率数据包括平均心率。
12.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器将所述呼吸频率数据和所述心率数据实时地传送到所述输出接口。
13.健康监测方法，包括如下步骤 产生基于检测到的声音的声信号；使用所述声信号的第一频率分量产生呼吸频率数据； 使用所述声信号的第二频率分量产生心率数据；以及输出所述呼吸频率数据和所述心率数据。
全文摘要
健康监测方法和系统使用共用声信号的不同频率分量来评估患者的呼吸频率和心率。使用共同声信号来评估患者的呼吸频率和心率使健康监测更经济和简易。
文档编号A61B7/04GK102365053SQ201080014270
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月11日 优先权日2009年4月3日
发明者付永吉, 许敬平, 迪帕克·阿亚加里 申请人:夏普株式会社