一种基于微机电压电声学传感器的生理音检测装置及方法

1.本发明属于生理音检测装置领域，具体涉及一种基于微机电压电声学传感器的生理音检测装置及方法。


背景技术：

2.生理音是人体内部各种器官组织进行日常活动产生的声音信号，包括心音，肠鸣音，呼吸音，肺音，语音等。这些声音信号包含了可用于评估人体健康状况的重要信息，或者直接反应人的思想。这类生理音信号的检测可用于相关临床疾病诊断，如心脏疾病，消化系统疾病等，也可以用于语音辨识声音识别等智能应用。然而目前临床上，心音采集主要使用听诊器，这种方法过分依赖于医生的临床经验以及对所听取声音的主观判断，可能出现漏听错听等情况，无法连续实时监测且不可重现，而其他生理音的检测在临床上还没有普遍适用的仪器设备，并且现阶段没有可以检测多种生理音的装置。随着目前人们对于身体健康状况的重视，日常健康监测也成为了一大需求，而这种需求需要检测设备体积小，质量轻，便于携带，多功能化，因此，设计一种可穿戴的轻便式的生理音检测装置具有实际意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有的生理音检测存在的难以连续长时间连续监测，难以重现信号，无法用一种装置检测多种生理音信号的问题，并提供一种基于微机电压电声学传感器的生理音检测装置。
4.本发明所采用的具体技术方案如下：
5.本发明的第一目的在于提供一种基于微机电压电声学传感器的生理音检测装置，其包括微机电压电声学传感器、印刷电路板和柔性聚合物材质的封装层；
6.所述微机电压电声学传感器与印刷电路板连接，形成信号接收通路；所述印刷电路板包括信号调理电路、电源线、接地线和信号线；所述信号调理电路集成于印刷电路板上，所述电源线和接地线用于为信号调理电路供电，所述信号线用于与外部的客户端相连以传输数据；
7.所述微机电压电声学传感器和印刷电路板整体封装于所述封装层内，且封装层中具有封闭的空腔；微机电压电声学传感器位于所述空腔内且不与空腔内壁直接接触；所述空腔中与微机电压电声学传感器正对的侧壁采用薄膜形式，用于作为与待检测部位的皮肤表面相贴合的接触面；接触面贴合皮肤表面时，通过内器官组织活动产生的声振动使皮肤表面振动，带动接触面振动，进而挤压空腔内的空气振动，微机电压电声学传感器接收到振动信号并转化为电信号，经由印刷电路板处理后得到目标部位的生理音信号波形。
8.作为优选，所述柔性聚合物为铂金固化硅胶。
9.作为优选，所述封装层通过3d打印的模具浇注而成。
10.作为优选，所述封装层接触面的厚度小于1mm。
11.作为优选，所述微机电压电声学传感器包括基底层和若干通过第一电线并联的声
学传感器单元，所有声学传感器单元均固定于基底层上并呈矩形阵列排布；声学传感器单元包括由下至上依次叠合的底电极、压电薄膜和上电极；底电极和上电极分别通过第二电线与印刷电路板的焊盘连接，形成信号接收通路。
12.进一步的，所述底电极和上电极均为金属电极。
13.进一步的，所述第一电线为铝线，第二电线为金线。
14.作为优选，所述客户端为计算机或移动设备。
15.作为优选，所述信号调理电路包括放大电路、低通滤波电路和高通滤波电路。
16.本发明的第二目的在于提供一种基于上述任一所述生理音检测装置检测人体生理音的方法，其具体如下：
17.首先，将印刷电路板引出的电源线接入外部的直流电源，接地线接地，共同为信号调理电路供电；再将印刷电路板引出的信号线与外部数据采集卡的模拟电压输入端相连，数据采集卡通过usb接口与计算机相连，以实现数据传输；
18.其次，将所述生理音检测装置紧贴于人体待检测部位的皮肤表面，人体内器官组织活动产生的声振动使皮肤表面振动，带动封装层的接触面振动，进而挤压空腔内的空气振动，微机电压电声学传感器接收到振动信号并转化为电信号，经过信号调理电路的处理，电信号被放大滤波，随后经数据采集卡采集并传输至计算机，处理后得到目标部位的生理音信号波形；
19.调整所述生理音检测装置在皮肤表面上的位置，使计算机上显示的生理音信号波形最明显，在该位置处连续采集一段时间，得到待检测部位的生理音波形数据。
20.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
21.1)由于微机电压电声学传感器的表面不能直接与外部物体相连接，否则会有损坏的风险，因此，本发明将微机电压电声学传感器设置于空腔内，通过封装层的接触面直接与人体皮肤表面接触，人体内器官组织活动产生的声振动使皮肤表面振动，带动空腔接触面的薄膜振动，进而挤压密闭空腔内的空气振动，微机电压电声学传感器接收到振动信号并转化为电信号，经过后续的信号处理即可得到所监测的生理音信号。
22.2)本发明的检测装置体积小、质量轻、便于携带且多功能化，是一种可穿戴的轻便式的生理音检测装置。
23.3)本发明利用人体内器官组织活动产生振动带动皮肤表面振动，工作时本发明紧贴于人体合适位置，与皮肤直接接触，因此柔性聚合物构成的空腔薄膜被迫一起振动，造成密闭空腔内空气振动，从而使封装在印刷电路板上的微机电压电声学传感器检测到振动，并转换成电信号，经过信号调理电路的处理，电信号被放大滤波，后经数据采集卡采集传输给电脑端，最终得到目标生理音信号波形，分析生理音信号波形的特征与规律即可进行相关的疾病诊断。
附图说明
24.图1是本发明装置的剖面示意图；
25.图2是本发明装置的工作原理图；
26.图3是应用本发明装置检测生理音的模块流程图；
27.图中附图标记为：微机电压电声学传感器1、印刷电路板2、封装层3、空腔4和皮肤
表面5。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
29.如图1所示，本发明提供了一种基于微机电压电声学传感器的生理音检测装置，该生理音检测装置包括微机电压电声学传感器1、印刷电路板2和柔性聚合物(即flexible polymer)材质的封装层3。
30.其中，微机电压电声学传感器1指的是现有技术中的mems piezoelectric acoustic sensor，该种传感器的结构具体如下：微机电压电声学传感器1包括基底层和多个通过第一电线相互并联的声学传感器单元，所有声学传感器单元均固定于基底层上并呈矩形阵列排布。每个声学传感器单元的结构相同，均包括由下至上依次叠合连接的底电极、中间压电薄膜和上电极。底电极和上电极分别通过第二电线与印刷电路板2的焊盘连接，从而形成用于信号接收的通路。在本实施例中，为了增加该信号接收通路的工作性能，微机电压电声学传感器1的底电极和上电极均可以采用金属电极，第一电线可以采用铝线，第二电线可以采用金线。
31.印刷电路板2包括信号调理电路、电源线、接地线和信号线。信号调理电路包括放大电路、低通滤波电路和高通滤波电路，并整体集成于印刷电路板2上，用于对微机电压电声学传感器接收到的信号进行放大和滤波。从印刷电路板2上接出的电源线用于与外部的直流电源连接，接地线用于接地，两者共同对印刷电路板2上的信号调理电路供电。从印刷电路板2上接出的信号线用于与外部的客户端相连，以便将经过印刷电路板2处理后的电信号数据传输至外部的客户端。
32.在本实施例中，客户端包括计算机、移动设备等常用的客户端设备，以便将实时监测的生理音数据记录储存，同时能够实现生理音检测数据的可视化。
33.上述的微机电压电声学传感器1和印刷电路板2作为一个整体封装于封装层3内，且封装层3中具有一个较小且封闭的空腔4结构，用于减小阻尼。微机电压电声学传感器1位于空腔4内且不与空腔4内壁直接接触。在本实施例中，可以将微机电压电声学传感器1固定于印刷电路板2的一侧板面上，印刷电路板2上设置微机电压电声学传感器1的一侧部分作为安装面，该安装面裸露于空腔4内，从而使得微机电压电声学传感器1位于该封闭的空腔4内且不与空腔4的内壁直接接触。
34.空腔4中与微机电压电声学传感器1正对的侧壁采用薄膜形式，该薄膜侧壁作为接触面，用于与待检测部位的皮肤表面5相贴合。如图2所示，当接触面贴合皮肤表面5时，通过内器官组织活动产生的声振动使皮肤表面5振动，带动接触面振动，进而挤压空腔4内的空气振动，微机电压电声学传感器1接收到振动信号并转化为电信号，经由印刷电路板2处理后得到目标部位的生理音信号波形。
35.在本实施例中，柔性聚合物可以采用性能优良且易得的铂金固化硅胶(即ecoflex)材料，封装层3可以通过3d打印的模具浇注而成。为了使本发明的生理音检测装置更加有效地接收并传递外部的声振动信号，可以将封装层3接触面的厚度设置为小于1mm。
36.在实际应用过程中，可以通过下述方式组装本发明的生理音检测装置，具体如下：
37.首先，将微机电压电声学传感器1用胶水粘在印刷电路板2上，待胶水自然风干后，利用打线机将微机电压电声学传感器1的底电极和上电极分别与印刷电路板2的焊盘通过金线连接，从而形成信号通路。其次，利用3d打印的模具浇注制作具有一个空腔4的柔性聚合物封装层3，随后，将空腔4的接触面朝下放置于工作台上(即将图1所示结构倒置放置于工作台上)，将包含微机电压电声学传感器1在内的印刷电路板2以贴有微机电压电声学传感器1的一侧面朝空腔4置于其上放置。最后，在如图1所示检测装置的底部浇注一层柔性聚合物，以使得微机电压电声学传感器1和印刷电路板2作为一个整体封装于封装层3内。待柔性聚合物自然固化后，则组装得到本发明生理音检测装置的整体结构。
38.本发明设计的生理音检测装置的工作原理如下：人体内生理活动产生声振动，由于本发明选用柔性聚合物材料做外部封装层且设计了空腔结构，与皮肤接触的空腔接触面薄膜厚度较小，被皮肤带动一起振动，从而迫使空腔内的空气一起振动，通过空腔内的微机电压电声学传感器检测到振动并转换为电信号从而完成了生理音信号的检测。
39.如图3所示，利用上述生理音检测装置检测人体生理音的一种方法，具体如下：
40.首先，将印刷电路板2引出的电源线接入外部的直流电源，接地线接地，两者共同为信号调理电路供电。再将印刷电路板2引出的信号线与外部数据采集卡的模拟电压输入端相连，数据采集卡通过usb接口与计算机相连，以实现数据传输。
41.其次，将生理音检测装置紧贴于人体待检测部位的皮肤表面5，人体内器官组织活动产生的声振动使皮肤表面5振动，带动封装层3的接触面振动，进而挤压空腔4内的空气振动，微机电压电声学传感器1接收到振动信号并转化为电信号，经过信号调理电路的处理，电信号被放大滤波，随后经数据采集卡采集并传输至计算机，得到目标部位的生理音信号波形。
42.调整生理音检测装置在皮肤表面5上的位置，使计算机上显示的生理音信号波形最明显，在该位置处连续采集一段时间，得到待检测部位的生理音波形数据。
43.最后，可以根据需要对采集得到的信号进行后续去噪处理，并显示最终的生理音信号波形；或者通过与蓝牙模块连接将生理音波形实时传输到移动电子设备上，实现生理音的实时监测。
44.本发明设计的生理音检测装置，整体尺寸较小、重量轻且便于穿戴；由于采用的封装层为柔性聚合物制成，其刚度小且易弯曲，可以实现与人体皮肤的紧密接触，从而保证检测精度。本发明的生理音检测装置可以实时检测人体生理音信号并记录，其性能不受噪声环境和皮肤汗液影响。本发明的生理音检测装置可以检测多种人体生理活动产生的声音信号，比如，将其贴于胸口处合适位置可以检测心音，将其贴于腹部合适位置可以检测肠鸣音，将其贴于喉咙发声处等等，用途十分广泛。
45.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。